개념 한 쪽
중화는 산과 염기가 만나 물과 염을 생성하는 반응으로, 폐수 처리에서 산성 또는 알칼리성 폐수를 안전한 범위로 맞추기 위해 널리 이용한다. 설계와 운전에서 핵심은 화학량론에 따른 몰비·당량과 농도·비중을 이용한 단계적 계산 절차를 정확히 수행한다.
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출제기준 단원 「중화」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 중화 질량 계산 | 1 | 반응식과 분자량으로 필요한 중화제 질량을 구하기 |
| 중금속 처리 원리 판단 | 1 | 크롬 처리 공정의 환원·침전 원리를 선택하기 |
| 농도·비중 환산 계산 | 1 | 용액 농도와 비중을 이용해 필요한 용액 부피를 산출하기 |
중화 반응에서는 산의 H+ 이온과 염기의 OH- 이온의 몰 수가 같아야 반응이 종결된다는 원리를 적용한다. 반응식의 계수비를 통해 요구되는 물질의 몰비를 결정하고, 몰수에 물질의 분자량을 곱해 질량을 구한다는 흐름을 따른다.
산·염기 반응에서는 같은 이온 수를 제공하는지 여부가 중요하다. 예를 들어 HCl과 Ca(OH)2의 반응식 2HCl + Ca(OH)2 → CaCl2 + 2H2O에서는 HCl 2몰당 Ca(OH)2 1몰이 필요하므로 몰비가 2:1임을 환기한다. 이때 각 물질의 분자량을 이용해 질량 비례식을 세워 필요한 질량을 산출한다.
농도와 비중이 주어지는 경우에는 순수 용질의 질량을 구한 뒤 농도(%)로 용액 전체 질량을 환산하고, 비중으로 용액의 부피를 환산하는 3단계 절차를 따른다. 순도 보정이 필요하면 마지막에 순도로 나누어 실제 투입량을 결정한다.
동일 농도(예: 0.1%)의 서로 다른 염기를 대체할 때는 분자량뿐만 아니라 가수(이온 수)를 고려한 당량 개념을 적용한다. 1가 염기와 2가 염기의 OH- 공급 능력 차이를 반영하여 부피나 질량을 환산해야 한다.
예1 — 염산 3.65g의 중화량 계산 사례를 보인다. 염산(HCl) 분자량은 36.5g/mol이므로 3.65g은 0.1mol이다. 반응식 2HCl + Ca(OH)2 → ... 에 따라 HCl 0.1mol을 중화하려면 Ca(OH)2가 0.05mol 필요하다. Ca(OH)2 분자량은 74g/mol이므로 필요한 질량은 0.05×74 = 3.7g이 된다.
예2 — 폐수 100m³에 포함된 0.1% NaOH를 중화하기 위해 37% HCl 용액량을 구하는 계산 사례를 보인다. 폐수 100m³는 질량으로 100,000kg이며 0.1% NaOH는 100kg의 NaOH에 해당한다. NaOH와 HCl은 당량이 1:1이므로 순수 HCl 질량은 분자량 비(36.5/40)를 적용하여 약 91.25kg이 필요하다. 이를 37% HCl 용액으로 환산하면 용액 질량은 약 246.6kg이며, 비중 1.18을 적용하면 약 209L의 용액이 필요하다.
예시들은 공통적으로 '반응식 계수비 → 몰수 계산 → 분자량 곱하기 → 농도/비중/순도 보정'의 절차를 따르는 점을 강조한다.
폐수속에 염산 3.65g 을 중화시키려면 수산화칼슘 몇 g이 필요한가? (단, Cl의 원자량 35.5, Ca의 원자량 40 이다)
정답 ② · 염산(HCl)과 수산화칼슘(Ca(OH)2)의 중화 반응식은 2HCl + Ca(OH)2 → CaCl2 + 2H2O 입니다. 이 식에 따르면 염산 2몰을 중화시키기 위해서는 수산화칼슘 1몰이 필요합니다.
염산 0.1몰 중화에 수산화칼슘 0.05몰이 필요하며, 이는 3.7g에 해당한다.
크롬처리 방법에 대한 설명 중 옳은 것은?
정답 ① · 문제는 크롬 처리 방법 중 옳은 설명을 찾는 문제이다. 일반적인 중금속 처리에서는 독성이 강한 6가 크롬을 환원제로 Cr3+로 환원시킨 후 알칼리제를 첨가하여 Cr(OH)3 형태로 침전·제거하는 방법이 표준 공정이다.
Cr+6는 독성이 강하므로 Cr+3로 환원 후 알칼리 첨가로 수산화물 침전시켜 제거한다.
어떤 공장에서 0.1%의 NaOH를 함유한 알칼리성 폐수를 배출하고 있다. 이 폐수를 완전 중화하는데 폐수 100m³당 37% HCl(비중 1.18)의 필요한 량은? (단, 폐수의 비중은 1.0이라 한다. Cl 원자량 : 35.5 , Na 원자량 : 23)
정답 ④ · 중화 반응은 당량비로 진행됩니다. NaOH(40g/mol) 1당량과 HCl(36.5g/mol) 1당량이 반응합니다.
중화 반응의 당량비를 이용해 필요한 순수 HCl 질량을 구한 후, 농도와 비중을 고려해 용액 부피를 계산한다.
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