이 칼럼 때문에 1컷 50 (화학1-3편) 2022ver.

오늘은 Step2-1 중화반응 문제를 풀 때 쓰는 명제와 NT작성법에 대해 작성해보겠습니다.

1. 모든 용액은 전기적으로 중성이다.

즉, 다시 말하면 모든 양이온의 전하량과 음이온의 전하량을 합하면 0이 됩니다.

 예를 들어, NaOH(aq) 용액만 있는 경우 Na⁺와 OH^-가 항상 같은 양만큼 들어 있어야합니다. Na⁺가 50개 들어 있다면 OH-도 50개 들어 있어야 한다는 뜻입니다.

 이는 모든 용액에서 항상 성립하므로 NaOH(aq)와 HCl(aq)가 섞여 있는 혼합 용액에도 성립합니다. 이 혼합 용액이 중성이라면 H⁺와 OH^-가 모두 존재하지 않으므로 Na⁺와 Cl^-의 양이 같습니다. 이 혼합 용액이 산성이라면 OH^-는 존재하지 않으며 H⁺만 존재하므로 음이온은 Cl^-만 있게 되는데 양이온인 H⁺와 Na⁺의 양을 모두 합치면 Cl^-의 양과 같아야 합니다. 이를 중화반응표(NT)를 그려보면 다음과 같습니다.

 NT는 어떤 용액에 들어 있는 모든 이온들을 양이온과 음이온으로 나누어 작성합니다. 경계선에는 항상 H⁺와 OH^-를 적어 항상 둘 중 하나 이상은 0임을 확인해 줍니다. (중성일 경우 둘다 0입니다.)

 위 표를 기준으로 다시 설명을 하면 1M의 NaOH(aq)와 1M의 HCl(aq)이 있다고 가정해보겠습니다. 이 때 각각의 용액 10mL당 10개의 이온들이 있다고 가정하겠습니다. (즉, NaOH(aq) 10mL엔 Na⁺와 OH^-이온이 각각 10개씩 있는것입니다. 이렇게 설정하는 이유는 후에 몰농도 계산할 때 NT에 적은 이온의 개수에서 바로 총 부피를 나눠주면 몰 농도이기에 계산상의 편의를 위해 설정하는 것입니다.)

 그렇다면 중성 용액에서는 NaOH(aq)와 HCl(aq) 용액을 각각 30mL 혼합한것이며 산성용액에서는 NaOH(aq) 20mL와 HCl(aq) 30mL 혼합한 것이고, 염기성 용액에서는 NaOH(aq) 30mL와 HCl(aq) 20mL 혼합한 것입니다. 이를 사후적으로 다시 보면 양이온과 음이온의 경계선을 기준으로 양이온 수의 합과 음이온 수의 합이 서로 같아 전기적으로 중성임을 뜻합니다.

 이는 2가 산이나 2가 염기가 혼합되어 있을 때도 동일하게 적용됩니다. 2가 이온(SO4^2-, Ca²⁺...)의 경우 1가 이온(Na⁺, OH^-, H⁺, Cl^-...)와 달리 한 이온의 전하량이 2이므로 양이온의 전하량과 음이온의 전하량이 같다는 명제를 이용하기 위해서 양이온 또는 음이온의 개수에 2를 곱해줘야 합니다. 

 앞서 설명한 1가 이온만 있는 경우와는 달리 2가 이온이 있는 경우 2가 이온의 개수에만 2를 곱해주어야 경계선을 기준으로 각각의 이온 개수가 같다는 것을 확인 할 수 있습니다. (2가 이온은 혼자서 1가 이온의 2명의 역할을 한다고 생각하시면 됩니다.)

 아래는 2012학년도 고3 6월 모의고사 입니다. 이 문제는 현재 교육과정이 아닌 앙금 반응이 있으므로 NT 설명용으로만 사용할 예정이니 풀지 마시길 바랍니다.

+(나) 과정 후 용액은 중성이다.

 먼저 NT를 작성하면 다음과 같습니다.

 문제에서 명확히 몰 농도를 제시하지 않았으므로 편의상 문제에 나와있는 이온의 개수 그대로 작성하겠습니다. 문제에서 A 10mL를 첨가 하였을 때 SO4^2-는 구경꾼 이온이므로 개수가 변하지 않고 H⁺는 3개로 줄었고 나머지 모르는 이온은 Na⁺여야만 음이온과 양이온의 전하량 합이 0이 되기 때문입니다. 따라서 첨가해준 A용액은 1가 염기 용액인 NaOH(aq)임을 알 수 있습니다. 이를 적용하면 다음과 같습니다.

 (나)과정 이후 중성이라고 하였으므로 H⁺와 OH^-는 모두 0이며 SO4^2-와 Na⁺는 구경꾼이온이므로 개수가 일정하므로 양이온과 음이온의 전하량 합이 0이 되려면 Ba²⁺가 1.5개 있어야 합니다. 이를 바탕으로 NT를 완성하면 다음과 같습니다.

즉 H₂SO4(aq), NaOH(aq), Ba(OH)₂의 몰 농도 비는 2:2:3임을 알 수 있습니다.

글이 너무 길어져 오늘은 이것으로 마칩니다. 다음 글에서는 중화반응에서 쓰이는 추가 명제와 NT에 적용하는 방법에 대해 작성하겠습니다. 

어떠한 방식으로든 읽어주신 분께 도움이 되길 바라며 마치겠습니다. 감사합니다.