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대체에너지로서 가스 하이드레이트를 살펴보고 산과 염기의 중화적정에 대해 이해해 봅시다.

문제1
다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.

(가) 금년 초부터 진행되는 국제 유가의 급속한 상승이 국제 경제를 공황 분위기로 몰아가고 있다. 제2차 오일쇼크 이후 20년간 안정된 상태를 유지하던 국제 유가는 2001년도의 배럴당 20달러 수준에서 다시 급등하기 시작해 현재까지 무려 7배나 상승했다. 이런 석유 대란을 극복하는 근본적인 방법 중 하나는 깨끗하고 고갈되지 않는 신재생에너지다. 우리나라는 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 강수, 생물, 유기체를 포함해 재생가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지로 신재생에너지를 정의하고 11개 분야로 구분해 개발과 연구에 박차를 가하고 있다.

(나) 독도 주변 해역에 매장된 것으로 알려진 ‘가스 하이드레이트’가 주목받고 있다. 가스 하이드레이트는 일반적인 수화물에서와는 달리 물(얼음)이 주체(host)이고 가스가 객체(guest)로서 서로 물리적으로 결합돼 있는 화합물이다. 가스 하이드레이트는 매우 작은 부피에 다량의 천연가스를 함유하고 있고, 온도나 압력을 조작해 쉽게 다량의 천연가스를 얻을 수 있는 차세대 대체 에너지원이다. 불을 붙이면 활활 타오르는 데다 모습이 드라이아이스와 비슷해 ‘불타는 얼음’이라고도 불린다.

가스 하이드레이트는 연소시 다른 화석연료에 비해 이산화탄소 발생량이 적고, 불순물이 배제돼 오염물질을 거의 배출하지 않는다. 가스 하이드레이트는 전 세계적으로 10조~12조t 가량 매장돼 있고, 주로 동토지역과 심해저(1000~2000m)에 분포한다. 한반도 인근 동해에 약 6억t 매장된 것으로 추정되는데, 이 양은 우리나라 천연가스 소비량의 약 30년치이며 현재의 천연가스 금액을 기준으로 약 150조원에 해당한다.

(다) 가스 하이드레이트는 고체인 얼음 속에 가스 분자가 용해된 형태다. 고압과 저온의 상태에서는 가스가 얼음 속에 녹아 있지만 압력이 낮아지고 온도가 올라가면 가스가 해리돼 방출된다. 가스 하이드레이트에 많이 녹아 있는 메탄은 온실가스로서 이산화탄소보다 24배나 더 온실 효과에 기여한다. 이런 메탄이 대기 중으로 나오면 지구온난화를 가속시키므로 가스 하이드레이트로부터 가스를 안전하고 효율적으로 분리해 내는 기술을 우선 연구해야 한다.

이뿐만 아니라 가스 하이드레이트는 고체이기 때문에 석유나 가스 같이 파이프라인을 이용해 채취한다면 관 막힘 현상이 일어난다. 또 우리나라 동해 일대는 수심이 깊고 조류가 빨라 시추관을 설치하기가 어려우며, 시추관을 설치한 뒤 바다 한가운데에서 육지까지 메탄을 대량으로 운송해야 한다는 점도 과제로 남아있다. 마지막으로 가스 하이드레이트층의 변화가 지각 변동에 어떤 영향을 주는지에 대한 조사도 병행해야 한다.

최근 국내 연구진이 이산화탄소와 질소와의 혼합기체를 가스 하이드레이트에 공급해 메탄과 직접 맞교환하는 기술을 개발해 특허출원을 했다. 이 기술을 이용하면 해저층의 붕괴 없이 가스 하이드레이트로부터 메탄을 직접 회수할 수 있을 뿐 아니라 대기 중의 온실가스를 저장하는 공정을 동시에 수행할 수 있다.

가스 하이드레이트 내의 메탄이 이산화탄소와 질소와의 혼합기체로 치환되는 과정이 발열반응이라 할 때, 그 이유를 분자간의 인력을 고려해 서술하라.

전문가 클리닉
독도분쟁은 단순히 영토의 주권문제가 아니라 독도 주변 수역에 묻혀 있는 150조원 상당의 가스 하이드레이트를 확보하기 위한 에너지 분쟁입니다. 이번 문제는 가스 하이드레이트 내의 메탄을 이산화탄소와 질소로 치환하는 과정에서 발생하는 발열반응을 분자간 인력의 개념을 이용해 설명하는 문제입니다.

예시답안
물과 물리적으로 결합하는 가스 하이드레이트에 질소와 이산화탄소의 혼합기체를 공급해 메탄과 맞교환하는 방식을 화학반응식으로 표현하면 다음과 같다.

물은 굽은형의 구조 때문에 쌍극자 모멘트의 합이 0이 아니므로 극성 분자다. 그러나 물에 수화되는 기체들 중 메탄, 이산화탄소, 질소는 모두 분자의 대칭 구조 때문에 쌍극자 모멘트의 합이 0이거나 전기음성도 차이가 없는 동종 이원자 분자이므로 무극성 분자다. 극성분자가 무극성 분자의 근처에 있을 경우 무극성 분자의 전자 분포가 찌그러지며 양전하와 음전하가 분리돼 유발 쌍극자가 발생한다. 극성 분자의 쌍극자와 무극성 분자의 유발 쌍극자 사이에 생긴 정전기적 인력으로 분자간 인력이 발생한다.

유발 쌍극자의 크기는 극성 분자의 쌍극자 모멘트 크기에 따라 결정된다. 또한 무극성 분자에 전자 개수가 많거나 분자를 둘러싸는 전자구름이 넓은 영역에 분포할 때 유발 쌍극자의 크기는 커진다. 즉 유발 쌍극자의 크기는 무극성 분자의 분자량과 분자의 표면적에 비례한다. 따라서 물과 기체 분자 사이의 인력은 기체 분자의 분자량과 표면적으로 결정된다. 메탄의 분자량은 16, 이산화탄소의 분자량은 44, 질소의 분자량은 28이므로 물과 메탄 사이의 인력보다 물과 혼합기체 사이의 인력이 더 강하다. 질소와 이산화탄소의 혼합기체를 공급해 메탄과 맞교환하는 방식은 물과 메탄 사이의 분자간 인력을 끊고, 질소와 이산화탄소의 혼합기체와 물과의 새로운 인력을 형성하는 반응이다. 분자간 인력을 끊기 위해서는 에너지가 필요하므로 흡열과정이며, 새로운 결합이 형성되면 에너지적으로 안정화돼 발열반응이 일어난다. 이때 물과 메탄 사이의 인력보다 물과 혼합기체와의 인력이 더 강하므로 흡열 열량보다 발열 열량이 더 크다. 즉 메탄이 혼합기체로 치환되는 반응은 발열반응이다.

문제2
다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.

(가) 중화반응을 이용해 농도를 모르는 산이나 염기의 농도를 알아내는 방법을 중화 적정이라고 한다. 중화 적정에서는 산이나 염기의 세기에 관계없이 산의 H⁺와 염기의 OH^-가 일대일로 반응한다. 산을 적정할 때는 염기를, 염기를 적정할 때는 산을 미리 정확한 농도로 만들어야 하는데 이러한 용액을 표준용액이라 한다.

농도를 모르는 일정한 부피의 산에 염기의 표준 용액을 조금씩 가하면 어느 순간 산의 H⁺ 몰수와 염기의 OH^- 몰수가 같게 된다. 이러한 순간을 중화점이라 한다. 중화 적정에서 산 또는 염기의 용액에 염기 또는 산을 가함에 따라 pH의 변화를 나타낸 그래프를 산-염기 적정 곡선이라고 한다.

(나) 염의 수용액은 항상 중성을 나타내는 것이 아니며 산성 또는 염기성을 나타낼 수도 있다. 강한 산과 강한 염기의 중화로 생긴 염의 수용액은 중성을 나타낸다. 이것은 강한 산의 음이온과 강한 염기의 양이온이 수용액에서 옥소늄이온(H₃O⁺)이나 수산화이온(OH^-)을 생성하지 못하기 때문이다. 그러나 아세트산나트륨(CH₃COONa)과 같이 약한 산과 강한 염기의 중화로 생긴 염의 수용액은 염기성을 나타낸다. 아세트산나트륨을 물에 녹이면 다음과 같이 이온화된다.
CH₃COONa(aq) → Na⁺(aq) + CH₃COO^-(aq)

생성된 CH₃COO^-은 약한 산인 CH₃COOH의 짝염기다. CH₃COOH이 약한 산인 이유는 CH₃COO^-의 H⁺에 대한 친화력이 크기 때문이다. 따라서 CH₃COO-의 일부가 H₂O와 반응해 OH^-를 생성하므로 수용액은 약한 염기성을 나타낸다.
CH₃COO^-(aq) + H₂O(l) ↔ CH₃COOH(aq) + OH^-(aq)

이와 같이 염의 수용액 중에서 염을 이루는 어떤 이온이 물과 반응해 H₃O⁺이나 OH^-를 내놓아 수용액의 액성이 산성 또는 염기성을 나타내는 반응을 염의 가수분해라고 한다.

(다) 짝산과 짝염기의 관계에 있는 CH₃COOH와 CH₃COO^-의 수용액에서 산과 염기의 이온화 반응식을 나타내면 각각 다음과 같다.

두 반응을 합하면 물이 자동으로 이온화되므로 전체 반응의 평형상수(K_w)는 두 반응의 평형상수 곱이다.

물의 이온곱상수는 온도에 따라서만 변하므로 일정한 온도에서는 짝산의 K_a만 주어지더라도 짝염기의 K_b값을 알 수 있다.

전문가 클리닉
이번 문제는 약한 산과 강한 염기의 중화 적정 그래프를 이용해 완충 용액과 염의 가수분해를 이해하는지 평가하는 문제입니다. 중화점 전후로 용액의 조성과 pH가 어떻게 변하는지를 철저히 정리해두길 바랍니다.

화학_예시답안 보기