[화1] 중화반응 팁(2/2)

안녕하세요 수능 화학 강사 김동준입니다

오늘은 중화반응 두 번째 팁으로

전하량 보존에 대해 살펴보려고 합니다

용액은 액성과 관계없이 전기적으로 중성이고

전기적으로 중성이면 전체 양이온의 전하량과 

전체 음이온의 전하량이 같습니다

∑ (양이온 산화수) x (양이온 몰수) 

= ∑ (음이온 산화수) x (음이온 몰수)

이를 이용하여 이온의 몰수비 등으로

어떤 이온이 존재하는지 유추해볼 수 있습니다

어려운 내용은 아니니 바로 문제로 가볼까요

21학년도 6평 화1 20번 문항입니다

(가) 용액의 모든 이온 몰농도 비 2:1:3 이고

(가) 용액의 부피는 (x+20)으로 일정하므로 

MV=n에 의해 (가) 용액의 이온수 비도 2:1:3 입니다

(다)에도 동일하게 적용하면 (다) 용액의 이온수 비도

2:1:3 임을 알 수 있습니다

H2A와 NaOH을 혼합하여 이온의 종류가 3가지이므로

각각 산성 또는 염기성이 가능하고

산성이면 A^2-, Na⁺, H⁺이 존재하는데

A^2-을 2에, Na⁺, H⁺을 각각 1과 3에 매칭시키면

전하량 보존을 만족할 수 있습니다

(케이스는 두 가지가 나오죠 2:1:3, 2:3:1)

염기성이면 Na⁺, A^2-, OH^-이 존재하는데

양이온을 큰 숫자인 3에 매칭시켜도 나머지 음이온이

2:1 비율로 전하량 보존을 만족할 수 없습니다

따라서 (가), (나), (다)는 모두 산성이고

H₂A는 xml로 일정, NaOH은 20ml 30ml 60ml이므로

A^2- 몰수를 일정하게 모두 2에 맞추면 NaOH 부피에 따라

Na⁺ 몰수는 1 : 1.5 : 3 이 성립해야 하므로

(가), (나), (다)의 몰수비는 다음과 같겠습니다

(가) 2 : 1 : 3 = A^2- : Na⁺ : H⁺

(나) 2 : 1.5 : 2.5 = A^2- : Na⁺ : H⁺

(다) 2 : 3 : 1 = A^2- : Na⁺ : H⁺

아니면

(나)의 pH가 1이므로 산성이고 (가)에서 염기의 양이

줄었으므로 (가)도 산성입니다

전하량 보존을 적용해보면 (가)의 2:1:3 몰수비는

(A^2-:H⁺:Na⁺) 또는 (A^2-:Na⁺:H⁺)이 가능한데

(가)의 A^2- : Na⁺ : H⁺ = 2 : 3 : 1 인 경우

(나)에서 NaOH 1.5배가 되면 액성이 염기성이 되므로

(가)의 A^2- : H⁺ : Na⁺ = 2 : 3 : 1 이고

H₂A와 NaOH 부피 비를 이용하면

(나)는 A^2- : H⁺ : Na⁺ = 2 : 2.5 : 1.5

(다)는 A^2- : H⁺ : Na⁺ = 2 : 1 : 3 임을

알 수 있습니다

두 가지 케이스 모두 결론은 같고 

㉠ = A^2-라는 것을 알 수 있습니다

A^2-의 몰수는 0,2M x xml = 0.2x mmol인데

(나)에서 이온 몰수비가 A^2- : H⁺ = 2 : 2.5이므로

0.2x를 넣어서 바꾸면 A^2- : H⁺ = 0.2x : 0.25x입니다

(나)의 pH=1 이므로  ,

∴ x=20ml

0.2M H₂A 20ml에 yM NaOH 60ml를 혼합하여도

A^2-몰수는 일정하므로 몰농도와 부피는 반비례,

부피가 4배이므로 농도는 1/4배

∴  

또는 A^2- 몰수가 0.2M x 20ml = 4mmol이므로 

  로 구해도 되겠습니다

두 번째로 작년 수능 화1 19번 문항입니다

비커Ⅰ의 이온 3종류가 몰농도 비 1:1:1로 존재하므로 

몰수비도 1:1:1이고 산성이면 A^2- : Na⁺ : H⁺,

염기성이면 Na⁺ : A^2- : OH^-인데 염기성일 때는

1:1:1 몰수비로 전하량 보존을 만족시킬 수 없으므로 

비커Ⅰ은 산성이라는 추론이 가능합니다

비커Ⅰ,Ⅱ에서 H₂A와 HB의 농도와 부피가 같은데

HB는 1가 산이므로 비커Ⅱ의 H⁺은 비커Ⅰ의 절반이고

∴ 비커Ⅱ는 중성, 이온수 비 Na⁺ : B^- = 1 : 1

(비커Ⅰ에서 A^2-:Na⁺:H⁺ = 1:1:1이므로 중화반응 전의 

H⁺은 2 OH^-은 1의 상댓값을 갖고 비커Ⅱ에서는

H⁺ 절반, OH^- 일정 이므로 중성이 됩니다)

비커Ⅱ는 중성이라 Na⁺과 B-밖에 없으므로

비커Ⅰ,Ⅱ에서 중복되는 W=Na⁺이고, X=B^-입니다

A^2-는 비커Ⅰ에만 존재할 수 있으므로 Y=A^2-이고

Z=H⁺ 임을 알 수 있습니다

여유가 없으면 엄밀하진 않지만 전체적인 그림을 보고

중복되는 W가 Na⁺일 확률이 높고 Ⅰ에만 있는 Y가 A^2-

Ⅱ,Ⅲ에 공통으로 있는 X가 B^-, Z는 H⁺/OH^-라고 두고

시작해볼 수도 있는데 되도록 최소한의 근거는 가지고

접근하시는걸 추천드립니다

비커Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ에서 Na⁺ 몰수는 일정한데 비커Ⅲ에서 

Na⁺ 몰농도가 (1/2)배로 감소하므로 부피는 2배이고

비커Ⅲ의 부피가 50ml이므로 Ⅰ,Ⅱ의 부피는 25ml,

∴ V=5ml

물론 부피는 보통 5ml가 국ㄹ...

비커Ⅱ는 중성이므로

yM HB 5ml = xM NaOH 20ml, 5y=20x

비커Ⅱ, Ⅲ에서 X(=B^-) 몰농도를 비교하면

몰수비는 Ⅱ, Ⅲ = 1 : 6, 부피비는 1 : 2이므로

몰농도비는 1 : 3이고 ∴ b=6a

비커Ⅲ에서  이므로 

5y=20x와 연립하면 x=0.1, y=0.4 입니다

문제가 전하량 보존으로만 풀리는 것은 아니지만 

사용하면 편리한 경우도 있고 근거가 되어주는 경우도

있으므로 활용을 잘 연습해보시면 좋겠습니다

이번 글도 읽어주셔서 감사드리고 9평 화이팅입니다~!!

저는 9월 4일 평가원 분석강의로 찾아뵙겠습니다

감사합니다 ^^