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  • 작성자 사진여의도과학 최과학

수능 1등급 킬러-중화반응 양적관계(1)

최종 수정일: 2022년 11월 5일


중화반응 양적관계에서 제일 먼저 해야 할 것은 용질의 몰수와 용액의 몰농도, 이온의 몰농도, 이온의 몰수를 정확하게 구별하고, 빠르게 연산하는 연습을 많이 해야 한다. 따라서 용액의 몰농도와 물질의 양(mol)에 대한 개념 정리와 정확하고 간단하게 계산하는 방법을 정리한 후에 중화반응 양적관계 기초 개념을 설명하고자 한다.


아래 문제는 2023-9월 고3-수능 화학1-모평 기출 19번문제이다.

이온의 몰 농도 조건을 이용해서 혼합 용액에 존재하는 이온의 몰수를 구하고 이를 이용해서 중화반응 양적관계를 계산하는 문제가 출제되었다. 따라서 이온의 몰수와 이온의 몰농도가 서로 다르다는 것을 확실하게 구분하고, 이온의 몰수를 정확하고 빠르게 계산하는 것이 기초 중의 기초이면서 또한 매우 중요하다는 것을 알 수 있다.







1) 용액의 몰농도와 용질의 몰수


예를 들어 콜라 1L 한 병(A)이 있고, 동일한 콜라 200ml 한 잔(B)이 있다.

그럼, 아래와 같이 간단한 두 가지 질문을 잠시만 생각해보자.







ex1) 위의 콜라 음료수(수용액) A와 B중에서 어느 콜라가 더 진할까?

즉 몰농도가 더 진할까?





ex2) 그렇다면, 콜라 음료수(수용액)에 존재하는 설탕의 양은 A와 B중에서 어느 콜라에 더 많은 양이 들어 있을까?



위의 간단한 두 질문은 이미 예상한대로 답이 서로 다르다.


첫 번째 질문의 답은 둘 다 같다. (즉, A와 B 수용액의 몰농도는 서로 같다)

두 번째 질문의 답은 A수용액에 설탕의 양이 더 많이 들어 있다.



즉, 용액의 몰 농도는 같은데, 그 용액안의 용질의 몰 수는 다르게 되므로, 이것을 정확하게 구별해야 한다. 이것을 정확하게 표현하는데 수학만한 도구가 없다. 정말 수학은 물리학이나 화학을 간단하게 표현하는데 반드시 필요한 기가막힌 도구이다.


이것을 간단히 정리하면,

*용질의 몰수(mmol) = 용액의 몰농도(M) X 용액의 부피 (ml)

*용질의 몰수(mol) = 용액의 몰농도(M) X 용액의 부피 (L)







용액의 농도가 진하고, 용액의 부피가 많을수록 그 용액에 용질의 양(mol)이 증가한다.

즉, 실생활에서 이를 적용하면 달달한 음료수를 섭취할 때, 음료의 단맛이 진하고 음료의 양이 많을수록 그 안에 설탕이 많이 들어있으므로 칼로리에 주의해야 한다는 뜻이다.






또, 산성비가 내렸을 때 산성비의 수소이온 농도가 진하고 내린 비의 양이 많을수록 그 안에 수소이온이 많이 들어 있으므로 토양이나 호수의 산성화가 심화되어 생태계가 피해를 많이 받게 되고, 이를 중화하기 위해서 많은 양의 염기성 물질이 필요하게 된다는 뜻이다.




즉, 용질의 양(mol)은 용액의 몰농도와 용액의 부피곱에 비례하는 양이다.


여기에 팁하나 더 추가하면 용질의 양을 구할 때 용액의 부피를 L로 바꾸지 말고, 용액의 부피 ml를 그냥 사용하길 권한다.


수능이나 학교 내신 시험문제를 보면, 중화반응 양적관계에서 산성이나 염기성 용액의 부피가 2L, 3.5L 이런식으로 출제되는 경우는 거의 없다. 주로 용액의 부피가 20ml, 40ml 이와 같이 부피가 ml단위로 출제되므로 용질의 양(mol)을 구할 때 부피를 0.02L, 0.04L등으로 변경하여 계산하는 것 보다 그냥 주어진 용액의 부피 20ml, 40ml를 사용하여 용질의 양(mmol)을 구하면 계산이 조금 더 편리해진다. 아래 예시를 보자.


예시) 0.02M NaOH 수용액 20ml 에 들어 있는 수산화나트륨의 양( mol)은 얼마인가?


-풀이: 0.02 X 20 = 0.4mmol NaOH용질의 양이다. 즉, NaOH 용질 0.0004mol 이다.


굳이 용액의 부피를 L로 바꿔서 연산하면 NaOH가 0.0004mol이고, 그냥 부피 ml 그대로 곱하면 NaOH 가 0.4mmol이 되므로 중화반응 양적관계의 그 복잡한 계산을 이와같이 진행한다면이온의 몰수를 계산하는 과정 중에 발생할 수 있는 계산 실수를 줄일 수 있다.








2) 용액의 몰농도와 이온의 몰수


결론부터 말하자면, 용질의 몰수와 이온의 몰수는 서로 다르다.

(단, 전해질 수용액인 경우)


예시를 보면 이해가 더 잘 된다.


예시) 0.2M HCl 100ml가 있다. (단,100% 이온화)


* HCl 양 = 0.2 X 100 = 20mmol


* H+이온의 양

= 0.2 X 1 X 100 = 20mmol

= 용액의 몰농도 X 양이온가수 X 용액부피

( HCl 분자 1개가 이온화되면 양이온 1개 나오므로 양이온가수는 1이다. )


*Cl-이온의 양

= 0.2 X 1 X 100 = 20mmol

= 용액의 몰농도 X 음이온가수 X 용액부피

( HCl 분자 1개가 이온화되면 음이온 1개 나오므로 음이온가수는 1이다. )


*수용액에 총 이온의 양

= 0.2 X 2 X 100 = 40mmol

= 용액의 몰농도 X 이온가수 X 용액부피

( HCl 분자 1개가 이온화되면 이온이 총 2개가 나오므로 이온가수는 2이다. )



다시 설명하면, 만약에 수용액 속에 HCl이 20개가 녹아 있고 모두 100% 이온화라면,

양이온은 20개, 음이온도 20개가 되어서 총 이온의 수는 40개가 된다.






산성 또는 염기성 수용액 속의 용질의 양과 이온의 총 양은 서로 다르다.

이것은 매우 중요하고도 기초적인 개념이다.

이러한 기초 개념을 정확하게 알고 있다면, 그 다음 중화반응 양적관계 계산을 시작해도 좋다.

잠깐, 한 번만 더 연습해보자


예시) 0.2M H2SO4 수용액 200ml 가 있다. (단, 100% 이온화)


*황산 용질의 양 = 0.2 X 200 = 40 mmol



* 수소이온 양 = 0.2 X 2 X 200 = 80 mmol

( H2SO4 분자 1개가 이온화되면 양이온 2개 나오므로 양이온가수는 2이다. )



* 황산이온 양 = 0.2 X 1 X 200 = 40 mmol

( H2SO4 분자 1개가 이온화되면 음이온 1개 나오므로 음이온가수는 1이다. )



* 수용액의 총 이온 양 = 0.2 X 3 X 200 = 120 mmol

( H2SO4 분자 1개가 이온화되면 이온이 총 3개가 나오므로 이온의 가수는 3이다. )


이와 같이 계산하면 된다.








자, 그럼 중화반응 양적관계 기초 개념을 공부해 보자.


3) 중화반응 양적관계 기초(1)-혼합 용액에서

이온의 양(mol)와 생성된 물분자 양(mol)을 조건 제시한 경우

(단,100%이온화이고, 혼합 전과 후의 용액의 부피 합은 같다)


예시) HA수용액과 BOH 수용액 중화반응에서 혼합 용액의 액성이 산성이고,

양이온의 수가 10개라면,


* 혼합 용액 A-수 = ?


* 혼합 용액 H+이온수와 B+이온 수 의 합 = ?




풀이)

* 혼합 용액의 액성이 산성인 것은 H+ 수가 OH-수 보다 많기 때문이고,

혼합 용액의 음이온은 A-만 존재하고, 양이온은 H+와 B+가 혼합되어 있다.

또한 수용액 속의 총 전하량의 합은 0 이므로, 음이온수 : 양이온수 = 1:1이다.

따라서, 혼합 용액 속의 양이온이 10개라는 것은 음이온 또한 10개라는 것이고

즉 A-수가 10개라는 것을 알려주는 것이다.


수능이나 내신문제에서 혼합 용액의 양이온수나 음이온수를 알려주는 것은

혼합 전의 알짜 이온의 수가 많은 쪽 수용액의 이온수를 알려주는 정보이다.

문제를 읽을 때 이를 반드시 확인하자.


* 혼합 용액 A-수 = 10개


* 혼합 용액 H+이온수와 B+이온 수 의 합 = 10개







예시) HA수용액과 BOH 수용액 중화반응에서 혼합 용액의 액성이 산성이고,

생성된 물분자 수가 7개라면,


* 혼합 용액 B+수 = ?



풀이)

* 혼합 용액의 액성이 산성인 것은 H+ 수가 OH-수 보다 많기 때문이고,

혼합 용액의 음이온은 A-만 존재하고, 양이온은 H+와 B+가 혼합되어 있다.

혼합하기 전의 BOH 수용액에는 양이온: 음이온수 = 1:1이고,

생성된 물분자 수가 7개라는 것은 OH-이온이 7개 뿐이라서 수소이온은 더 충분함에도 불구하고 물분자 생성이 7개만 된 것이다. 따라서 B+또한 7개 뿐이된다.


수능이나 내신문제에서 혼합 용액의 생성된 물분자 수를 알려주는 것은

혼합 전의 알짜 이온의 수가 적은 쪽 수용액의 이온수를 알려주는 정보이다.

문제를 읽을 때 이를 반드시 확인하도록 한다.


* 혼합 용액 B+수 = 7개


p.s. 황산이나 수산화칼슘같은 2가이온의 중화반응에서 이온수 변화, 이온 몰농도 계산등은 다음에 다루겠습니다. 실제 고3-모의고사 문제 풀이는 아래 영상을 참고 부탁드립니다.


중화반응 양적관계-고3 모고 기출문제-기초편(1) (2) 영상입니다.

몰 농도와 몰 수 계산, pH계산이 거의 없는 고3-모의고사 중화반응 양적관계 기출 문제만 모아서 풀이한 영상입니다. 중화반응 양적관계 기초개념을 익히고 연습하기에 도움이 되길 바랍니다. 각 영상마다 타임라인이 있으므로 자습할 때 참고 부탁드립니다.























































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