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상온에서 연료 연소반응은 천천히 진행되지만 고온에서는 빠르게 연소가 일어난다. 화학반응의 속도와 진행방향을 결정하는 요인을 이해하고 같은 반응이면서도 진행 속도와 경향성이 달라지는 이유를 생각해본다.
Q1 다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) <;그림 1>;과 같은 우라늄이나 플루토늄 핵폭탄이 투하되면 수 마이크로초(㎲)라는 짧은 시간동안 폭발이 일어나며 다량의 에너지와 방사능이 방출된다. 플루토늄-239는 <;그림 2>;와 같이 우라늄-238에 중성자를 흡수시켜 우라늄-239를 만든 뒤 전자를 생성하는 β붕괴를 통해 얻어진다.
(나) 포도당(C6H12O6)의 연소반응은 다음과 같다.
포도당 18g을 산소로 채워진 강철 용기에 넣고 열용량 200kJ/℃ 열량계에 잠긴 상태에서 점화코일로 점화해 완전 연소시켰다. 열량계와 외부 사이에 열 교환이 일어나지 않는 조건에서 반응이 일어나 열적 평형이 이뤄진 다음 열량계 온도가 1.4℃ 상승했다.
(다) 우리 주변에는 다양한 산화-환원 반응이 계속 일어난다. 호흡과정에서 포도당이 산화될 때 발생하는 에너지는 살아가는 데 반드시 필요하다. 연료를 태워 난방이나 취사를 하는 경우도 산화•환원반응에서 발생하는 열을 이용하는 예다.
수소와 공기를 이용해 물을 만드는 산화-환원 반응은 연료전지에 응용된다. 전체 반응과 전지 전위는 다음과 같고 산성 전해질(수소이온 전해질)에서 일어나는 환원 반응은 1/2 O2(g) + 2H++2e- → H2O(l)와 같다.
1) 아인슈타인의 특수 상대성이론에 따라 질량과 에너지는 다음과 같이 서로 전환된다. E=mc2 (E: 에너지, m: 물체의 질량, c: 빛의 속도)
제시문 (나)를 근거로 포도당 1몰이 연소될 때 방출되는 에너지(kJ/mol)를 계산하고 원자핵 분열에서 이 에너지에 해당하는 질량을 구하는 과정에 대해 설명하라. 포도당의 분자량은 180이고 빛의 속도는 3×105km/s다.
2) β붕괴에서 양성자 수와 중성자 수의 변화를 설명하고 플루토늄의 방사성 붕괴 과정에서 0.1g의 질량결손이 발생했다면 이 과정에서 방출되는 에너지가 포도당 몇 g을 연소시킬 때 방출되는 에너지와 같은 지 비교하라.
3) 수소 대신 액체연료인 메탄올과 산소를 이용해 연료전지를 구성할 때 전체 반응과 각 전극에서 일어나는 반응을 나타내고 메탄올의 산화 반응에 대한 표준 전극전위를 구하라. 메탄올-산소 연료전지의 전극전위는 1.21V다.
전문가 클리닉
1) 제시문 (나)의 실험 결과를 이용해 포도당의 몰 연소열을 구하고 E=mc2을 적용해 반응과정에서 감소한 질량을 구합니다. 이때 사용하는 단위에 유의합니다.
2) 제시문 (가)의 자료를 통해 β붕괴에서 양성자 수와 중성자 수의 변화를 찾고 0.1g의 질량 결손으로 발생하는 에너지와 동일한 크기의 연소열을 얻기 위해 필요한 포도당 질량을 계산합니다.
3) 메탄올과 산소의 전체 반응은 메탄올 연소 반응과 같고 전극반응 중 환원 반응은 1/2 O2(g) + 2H++2e- → H2O(l)와 같습니다. 이를 이용해 산화반응식을 꾸밉니다.
예시답안
1) 제시문 (나)에서 포도당 18g이 연소될 때 방출하는 에너지는 다음과 같다.
Q = C×△t=열용량×온도 변화 = 200kJ/℃×1.4℃=280kJ
포도당 분자량이 180이므로 포도당의 몰 연소열은 2800kJ/mol이다. 이 에너지에 해당하는 질량은 E=mc2를 이용해 구한다.
2800×103J=m×(3×105×103m/s)2
질량감소(m)는 3.11×10-11kg로 원자핵 분열 과정에서 실제 관측하기 어렵다.
2) β붕괴는 원자핵의 중성자가 양성자로 변하면서 전자를 방출하는 반응이다.
중성자 → 양성자 + 0-1e β붕괴 1회당 양성자 수는 1이 증가하고 중성자 수는 1이 감소한다. 0.1g의 질량결손 과정에서 방출하는 에너지는 다음과 같다.
포도당 180g당 2800kJ의 열이 발생하므로 9×109kJ만큼의 에너지를 얻기 위해 연소시켜야 하는 포도당 질량(x)은 다음과 같다.
180g:2800kJ=x:9×109kJ, x=5.79×105kg 포도당 5.79×105kg을 연소시키면 플루토늄 0.1g 질량결손으로 얻어지는 에너지가 방출된다.
3) 수소-산소 연료전지에서 전체 반응과 각 전극 반응은 다음과 같다.
수소 대신 메탄올을 이용해 연료전지를 구성할 때 전체 반응과 각 전극 반응은 다음과 같고 환원반응은 수소-산소 연료전지와 동일하다.
화학전지에서 전극전위(E°전지)는 E°산화와 E°환원의 합으로 구한다. 메탄올-산소 연료전지의 전극전위는 1.21V이고 환원 전극전위는 +1.23V이다. 산화 전극전위를 1.21V=E°산화+1.23V로 구하면 E°산화 =-0.02V이다.
Q2
다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 반응속도에 영향을 주는 요소에는 반응물질의 종류, 온도, 농도(기체인 경우는 압력), 촉매가 있다. 결합이 끊어지고 생기는 재배열이 일어나는 경우는 반응속도가 느리고 이온 간 반응은 빠르다. 반응속도는 일반적으로 온도가 10℃ 상승할 때마다 2~3배 증가한다. 온도가 높아질수록 활성화 에너지 이상의 에너지를 갖는 분자 수가 증가하기 때문이다. 반응물질 농도가 클수록 반응속도가 빨라지는 이유는 반응물질 농도가 증가할 때 단위 부피 속의 분자수가 증가해 반응물질 입자간 충돌횟수가 늘어나기 때문이다. 기체상은 압력이 높을수록, 고체상은 표면적이 커질수록 반응속도가 빨라진다. 촉매는 반응속도만 변화시키고 반응 전후에 변화가 없는 물질이다. 정촉매는 활성화 에너지를 낮춰 반응속도를 증가시키고 부촉매는 활성화 에너지를 높여 반응속도를 감소시킨다.
- 고등학교 공통과학 교과서
(나) 화학반응의 진행 방향을 결정하는 요인에는 에너지와 무질서도가 있다. 에너지 측면에서는 에너지가 높은 상태에서 낮은 상태로 일어나는 발열 반응이 자발적으로 진행된다. 무질서도 측면에서는 몰수가 증가하거나 물질이 섞여 무질서도가 증가하는 방향으로 반응이 진행된다. 자연계에서 일어나는 화학반응은 에너지와 무질서도 요인에 의해 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어난다.
(다) 화학반응 과정에서는 열의 출입이 나타난다. 우리 몸에서도 발열반응과 흡열반응이 일어나 체온을 36.5℃로 일정하게 유지한다. 우리 몸이 열을 외부로 발산하는 방식은 크게 두 가지가 있다. 몸속 열을 상대적으로 온도가 낮은 부위인 피부로 이동시켜 공기 중으로 발산하는 방식과 땀샘에서 분비하는 땀을 수증기로 확산시키는 방법이다.
전문가 클리닉
1) 일상생활에서 빠르게 일어나는 현상과 느리게 일어나는 현상의 예를 한 가지씩 들어라. 또 이런 현상의 진행 속도가 왜 빠르거나 느리게 나타나는지 반응속도에 영향을 주는 요인을 이용해 서술하라.
2) 수험생이 A대학 B학과에 들어가려고 준비하고 있다. 대학 입시를 준비해 대학에 합격하는 과정을 화학반응으로 비유해 설명하면 수험생이 B학과에 합격하는 일은 화학반응이 일어난 것이다. 수험생 → 합격 (반응 진행)
① 화학반응에서 활성화 에너지는 대학 입시에서 어떤 의미로 해석되는지 설명하라. ② B학과에 빠르게(쉽게) 합격하는 방법을 반응속도를 빠르게 하는 요인과 비교해 서술하라. 3) 땀이 공기 중으로 증발되는 과정과 종이의 연소 과정을 화학반응의 자발성 측면에서 설명하고 종이가 공기와 접촉해도 상온에서는 연소되지 않는 이유를 서술하라.
1) 일상에서 빠른 반응과 느린 반응을 제시하고 차이가 생기는 이유를 반응속도에 영향을 주는 요인을 이용해 설명합니다.
2) ① 활성화 에너지는 반응이 일어나는 데 필요한 최소한의 에너지로 대학 입학에 필요한 최소한의 실력에 해당한다는 점을 생각합니다. ② 반응속도를 증가시키는 요인을 설명하고 각 요인을 대학에 쉽게 합격하는 점과 비교해 서술합니다.
3) 에너지와 무질서도의 변화를 서술하고 연소 반응이 상온에서 잘 일어나지 않는 이유를 반응속도에 영향을 주는 요인으로 설명합니다.
예시답안
1) 빠른 반응에는 중화반응, 이온의 앙금생성 반응, 고온에서 연료 연소반응이 있고 느린 반응은 상온에서 연료 연소반응, 철의 부식, 과일이 익는 반응, 석회동굴 생성이 있다. 빠른 반응은 대체로 활성화 에너지가 작고 느린 반응은 대체로 크다.
연소반응은 상온에서 매우 느리게 진행되지만 고온에서는 빠르게 일어난다. 연소반응은 원자 간 공유결합이 끊어져야 하므로 활성화 에너지가 크고 낮은 온도에서 일어나기 어렵다. 그러나 온도가 높아져 활성화 에너지보다 큰 운동에너지를 갖는 반응물 수가 증가하면 반응이 빠르게 일어난다.
2) ① 활성화 에너지는 반응에 필요한 최소한의 에너지로 대학 입시의 커트라인과 유사하다. 커트라인은 합격을 위해 대학이 제시한 최소한의 자격 조건(내신 등급, 수능 점수, 각종 수상기록 등)이다.
② 반응속도를 증가시키는 요인에는 충돌수 증가, 온도 올리기, 정촉매 사용이 있다. 대학 입시 상황에 대비해 적용하면 다음과 같다.
● 충돌수 증가 : 여러 번의 기회를 갖는 것
예) 재수, 수시모집 응시 등
● 온도 높이기 : 열심히 공부해 원하는 학과의 커트라인을 넘을 정도로 실력을 향상시키는 것
● 정촉매 사용 : 활성화 에너지 언덕(커트라인)을 낮추고 반응경로를 변화시킴
예) 기여 입학제(커트라인 낮춤), 특기자 전형 응시(반응경로를 변화시킴)
3) 땀이 증발되는 현상은 흡열반응이며 무질서도가 증가하는 과정이다. 에너지 면에서는 비자발적이고 무질서도 면에서는 자발적이다. 종이의 연소 과정은 발열반응이고 무질서도가 증가하므로 두 가지 면에서 모두 자발적이다. 따라서 종이의 연소는 쉽게 진행될 것으로 생각되나 상온에서는 반응이 일어나지 않는다. 종이 연소반응의 활성화 에너지가 높기 때문이다. 종이를 연소시키려면 발화점 이상의 온도를 유지해 활성화 에너지보다 큰 입자수를 충분하게 유지시켜야 한다.
Q1 다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) <;그림 1>;과 같은 우라늄이나 플루토늄 핵폭탄이 투하되면 수 마이크로초(㎲)라는 짧은 시간동안 폭발이 일어나며 다량의 에너지와 방사능이 방출된다. 플루토늄-239는 <;그림 2>;와 같이 우라늄-238에 중성자를 흡수시켜 우라늄-239를 만든 뒤 전자를 생성하는 β붕괴를 통해 얻어진다.
(나) 포도당(C6H12O6)의 연소반응은 다음과 같다.
포도당 18g을 산소로 채워진 강철 용기에 넣고 열용량 200kJ/℃ 열량계에 잠긴 상태에서 점화코일로 점화해 완전 연소시켰다. 열량계와 외부 사이에 열 교환이 일어나지 않는 조건에서 반응이 일어나 열적 평형이 이뤄진 다음 열량계 온도가 1.4℃ 상승했다.
(다) 우리 주변에는 다양한 산화-환원 반응이 계속 일어난다. 호흡과정에서 포도당이 산화될 때 발생하는 에너지는 살아가는 데 반드시 필요하다. 연료를 태워 난방이나 취사를 하는 경우도 산화•환원반응에서 발생하는 열을 이용하는 예다.
수소와 공기를 이용해 물을 만드는 산화-환원 반응은 연료전지에 응용된다. 전체 반응과 전지 전위는 다음과 같고 산성 전해질(수소이온 전해질)에서 일어나는 환원 반응은 1/2 O2(g) + 2H++2e- → H2O(l)와 같다.
1) 아인슈타인의 특수 상대성이론에 따라 질량과 에너지는 다음과 같이 서로 전환된다. E=mc2 (E: 에너지, m: 물체의 질량, c: 빛의 속도)
제시문 (나)를 근거로 포도당 1몰이 연소될 때 방출되는 에너지(kJ/mol)를 계산하고 원자핵 분열에서 이 에너지에 해당하는 질량을 구하는 과정에 대해 설명하라. 포도당의 분자량은 180이고 빛의 속도는 3×105km/s다.
2) β붕괴에서 양성자 수와 중성자 수의 변화를 설명하고 플루토늄의 방사성 붕괴 과정에서 0.1g의 질량결손이 발생했다면 이 과정에서 방출되는 에너지가 포도당 몇 g을 연소시킬 때 방출되는 에너지와 같은 지 비교하라.
3) 수소 대신 액체연료인 메탄올과 산소를 이용해 연료전지를 구성할 때 전체 반응과 각 전극에서 일어나는 반응을 나타내고 메탄올의 산화 반응에 대한 표준 전극전위를 구하라. 메탄올-산소 연료전지의 전극전위는 1.21V다.
전문가 클리닉
1) 제시문 (나)의 실험 결과를 이용해 포도당의 몰 연소열을 구하고 E=mc2을 적용해 반응과정에서 감소한 질량을 구합니다. 이때 사용하는 단위에 유의합니다.
2) 제시문 (가)의 자료를 통해 β붕괴에서 양성자 수와 중성자 수의 변화를 찾고 0.1g의 질량 결손으로 발생하는 에너지와 동일한 크기의 연소열을 얻기 위해 필요한 포도당 질량을 계산합니다.
3) 메탄올과 산소의 전체 반응은 메탄올 연소 반응과 같고 전극반응 중 환원 반응은 1/2 O2(g) + 2H++2e- → H2O(l)와 같습니다. 이를 이용해 산화반응식을 꾸밉니다.
예시답안
1) 제시문 (나)에서 포도당 18g이 연소될 때 방출하는 에너지는 다음과 같다.
Q = C×△t=열용량×온도 변화 = 200kJ/℃×1.4℃=280kJ
포도당 분자량이 180이므로 포도당의 몰 연소열은 2800kJ/mol이다. 이 에너지에 해당하는 질량은 E=mc2를 이용해 구한다.
2800×103J=m×(3×105×103m/s)2
질량감소(m)는 3.11×10-11kg로 원자핵 분열 과정에서 실제 관측하기 어렵다.
2) β붕괴는 원자핵의 중성자가 양성자로 변하면서 전자를 방출하는 반응이다.
중성자 → 양성자 + 0-1e β붕괴 1회당 양성자 수는 1이 증가하고 중성자 수는 1이 감소한다. 0.1g의 질량결손 과정에서 방출하는 에너지는 다음과 같다.
포도당 180g당 2800kJ의 열이 발생하므로 9×109kJ만큼의 에너지를 얻기 위해 연소시켜야 하는 포도당 질량(x)은 다음과 같다.
180g:2800kJ=x:9×109kJ, x=5.79×105kg 포도당 5.79×105kg을 연소시키면 플루토늄 0.1g 질량결손으로 얻어지는 에너지가 방출된다.
3) 수소-산소 연료전지에서 전체 반응과 각 전극 반응은 다음과 같다.
수소 대신 메탄올을 이용해 연료전지를 구성할 때 전체 반응과 각 전극 반응은 다음과 같고 환원반응은 수소-산소 연료전지와 동일하다.
화학전지에서 전극전위(E°전지)는 E°산화와 E°환원의 합으로 구한다. 메탄올-산소 연료전지의 전극전위는 1.21V이고 환원 전극전위는 +1.23V이다. 산화 전극전위를 1.21V=E°산화+1.23V로 구하면 E°산화 =-0.02V이다.
Q2
다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 반응속도에 영향을 주는 요소에는 반응물질의 종류, 온도, 농도(기체인 경우는 압력), 촉매가 있다. 결합이 끊어지고 생기는 재배열이 일어나는 경우는 반응속도가 느리고 이온 간 반응은 빠르다. 반응속도는 일반적으로 온도가 10℃ 상승할 때마다 2~3배 증가한다. 온도가 높아질수록 활성화 에너지 이상의 에너지를 갖는 분자 수가 증가하기 때문이다. 반응물질 농도가 클수록 반응속도가 빨라지는 이유는 반응물질 농도가 증가할 때 단위 부피 속의 분자수가 증가해 반응물질 입자간 충돌횟수가 늘어나기 때문이다. 기체상은 압력이 높을수록, 고체상은 표면적이 커질수록 반응속도가 빨라진다. 촉매는 반응속도만 변화시키고 반응 전후에 변화가 없는 물질이다. 정촉매는 활성화 에너지를 낮춰 반응속도를 증가시키고 부촉매는 활성화 에너지를 높여 반응속도를 감소시킨다.
- 고등학교 공통과학 교과서
(나) 화학반응의 진행 방향을 결정하는 요인에는 에너지와 무질서도가 있다. 에너지 측면에서는 에너지가 높은 상태에서 낮은 상태로 일어나는 발열 반응이 자발적으로 진행된다. 무질서도 측면에서는 몰수가 증가하거나 물질이 섞여 무질서도가 증가하는 방향으로 반응이 진행된다. 자연계에서 일어나는 화학반응은 에너지와 무질서도 요인에 의해 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어난다.
(다) 화학반응 과정에서는 열의 출입이 나타난다. 우리 몸에서도 발열반응과 흡열반응이 일어나 체온을 36.5℃로 일정하게 유지한다. 우리 몸이 열을 외부로 발산하는 방식은 크게 두 가지가 있다. 몸속 열을 상대적으로 온도가 낮은 부위인 피부로 이동시켜 공기 중으로 발산하는 방식과 땀샘에서 분비하는 땀을 수증기로 확산시키는 방법이다.
전문가 클리닉
1) 일상생활에서 빠르게 일어나는 현상과 느리게 일어나는 현상의 예를 한 가지씩 들어라. 또 이런 현상의 진행 속도가 왜 빠르거나 느리게 나타나는지 반응속도에 영향을 주는 요인을 이용해 서술하라.
2) 수험생이 A대학 B학과에 들어가려고 준비하고 있다. 대학 입시를 준비해 대학에 합격하는 과정을 화학반응으로 비유해 설명하면 수험생이 B학과에 합격하는 일은 화학반응이 일어난 것이다. 수험생 → 합격 (반응 진행)
① 화학반응에서 활성화 에너지는 대학 입시에서 어떤 의미로 해석되는지 설명하라. ② B학과에 빠르게(쉽게) 합격하는 방법을 반응속도를 빠르게 하는 요인과 비교해 서술하라. 3) 땀이 공기 중으로 증발되는 과정과 종이의 연소 과정을 화학반응의 자발성 측면에서 설명하고 종이가 공기와 접촉해도 상온에서는 연소되지 않는 이유를 서술하라.
1) 일상에서 빠른 반응과 느린 반응을 제시하고 차이가 생기는 이유를 반응속도에 영향을 주는 요인을 이용해 설명합니다.
2) ① 활성화 에너지는 반응이 일어나는 데 필요한 최소한의 에너지로 대학 입학에 필요한 최소한의 실력에 해당한다는 점을 생각합니다. ② 반응속도를 증가시키는 요인을 설명하고 각 요인을 대학에 쉽게 합격하는 점과 비교해 서술합니다.
3) 에너지와 무질서도의 변화를 서술하고 연소 반응이 상온에서 잘 일어나지 않는 이유를 반응속도에 영향을 주는 요인으로 설명합니다.
예시답안
1) 빠른 반응에는 중화반응, 이온의 앙금생성 반응, 고온에서 연료 연소반응이 있고 느린 반응은 상온에서 연료 연소반응, 철의 부식, 과일이 익는 반응, 석회동굴 생성이 있다. 빠른 반응은 대체로 활성화 에너지가 작고 느린 반응은 대체로 크다.
연소반응은 상온에서 매우 느리게 진행되지만 고온에서는 빠르게 일어난다. 연소반응은 원자 간 공유결합이 끊어져야 하므로 활성화 에너지가 크고 낮은 온도에서 일어나기 어렵다. 그러나 온도가 높아져 활성화 에너지보다 큰 운동에너지를 갖는 반응물 수가 증가하면 반응이 빠르게 일어난다.
2) ① 활성화 에너지는 반응에 필요한 최소한의 에너지로 대학 입시의 커트라인과 유사하다. 커트라인은 합격을 위해 대학이 제시한 최소한의 자격 조건(내신 등급, 수능 점수, 각종 수상기록 등)이다.
② 반응속도를 증가시키는 요인에는 충돌수 증가, 온도 올리기, 정촉매 사용이 있다. 대학 입시 상황에 대비해 적용하면 다음과 같다.
● 충돌수 증가 : 여러 번의 기회를 갖는 것
예) 재수, 수시모집 응시 등
● 온도 높이기 : 열심히 공부해 원하는 학과의 커트라인을 넘을 정도로 실력을 향상시키는 것
● 정촉매 사용 : 활성화 에너지 언덕(커트라인)을 낮추고 반응경로를 변화시킴
예) 기여 입학제(커트라인 낮춤), 특기자 전형 응시(반응경로를 변화시킴)
3) 땀이 증발되는 현상은 흡열반응이며 무질서도가 증가하는 과정이다. 에너지 면에서는 비자발적이고 무질서도 면에서는 자발적이다. 종이의 연소 과정은 발열반응이고 무질서도가 증가하므로 두 가지 면에서 모두 자발적이다. 따라서 종이의 연소는 쉽게 진행될 것으로 생각되나 상온에서는 반응이 일어나지 않는다. 종이 연소반응의 활성화 에너지가 높기 때문이다. 종이를 연소시키려면 발화점 이상의 온도를 유지해 활성화 에너지보다 큰 입자수를 충분하게 유지시켜야 한다.
