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환 경 화 학

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(1)

환 경 화 학

(Environmental Chemistry)

충북대학교 환경공학과

담당교수: 임동희 교수, E8-10동 803호

E-mail: limkr@cbnu.ac.kr

(2)

학습 목표

제2장 수권과 물 화학 (On-line class: Ch.2-7)

알칼리도 계산(교실수업) 복습

pH에 따른 알칼리도 기여 화학종

알칼리도와 CO

2

용해도 관계

(2.8.1 & 2.8.3장)

(3)

(알칼리도 계산: 교실수업 복습)

 물 속에 [CO

32−

] = 0.05 M 존재 시 알칼리도는?

방법 1: [몰농도] 계산 식 활용

방법 2: 당량무게 환산인자 활용

[Alk] = [HCO

3

] + 2 [CO

32−

] + [OH

] = 2 [0.05] = 0.1 M

당량무게 CO

32−

= 분자량 원자가 =

/

/

= 30 g/eq

단위 환산:

.

(4)

(알칼리도 계산: 교실수업 복습)

 물 속에 [CO

32−

] = 0.05 M 존재 시 알칼리도는?

방법 1: [몰농도] 계산 식 활용

방법 2: 당량무게 환산인자 활용

[Alk] = [HCO

3

] + 2 [CO

32−

] + [OH

] = 2 [0.05] = 0.1 M

당량무게 CO

32−

= 분자량 원자가 =

/

/

= 30 g/eq

단위 환산:

.

(5)

2.8.1 다른 pH에서 알칼리도에 기여하는 인자

자연수 알칼리도는 일반적으로 1×10

3

eq/L 나타냄

(HCO

3

, CO

32−

, OH

이외의 화학종은 기여도가 무시된다고 가정)

자연수 1L에 포함된 알칼리성 용질이 1×10

-3

mol의 산을 중화

알칼리도에 기여하는 정도: HCO

3

, CO

32–

, OH

(6)

(1) pH가 7인 경우

이 pH에서는 HCO

3

>> CO

32–

, and HCO

3

>> OH

(1×10

-7

M) 즉, 알칼리도는 HCO

3

에 의한 기여도가 가장 크다고할 수 있음.

따라서, [HCO

3

] = 1 10

–3

M

+

+

+

(7)

(1) pH가 10인 경우

이 pH에서는 HCO

3

, CO

32–

, OH

이온 모두가 알칼리도에 기여

▶ [OH

] = 1×10

–4

M

▶ [alkalinity] = [HCO

3

] + 2[CO

32–

] + [OH

] = 1×10

–3

M

a2 [H+][CO32−]

[HC O3] −11

(2)

(8)

(1) pH가 10인 경우

이 pH에서는 HCO

3

, CO

32–

, OH

이온 모두가 알칼리도에 기여

▶ [OH

] = 1×10

–4

M

▶ [alkalinity] = [HCO

3

] + 2[CO

32–

] + [OH

] = 1×10

–3

M

a2 [H+][CO32−]

[HC O3] −11

위의 세 식을 풀면(3개 unknown, 3개 방정식):

[HCO

3

] = 4.64 10

-4

M = 4.64 10

-4

eq/L [CO

32–

] = 2.18 10

-4

M = 4.36 10

-4

eq/L [OH

] = 1.00 10

-4

M = 1.00 10

-4

eq/L

[Alkalinity] = [HCO

3

]+ 2[CO

32–

]+ [OH

] = 1.00×10

-3

M = 1.00×10

-3

eq/L

(2)

(9)
(10)
(11)

Ch.2-7 The End

(12)

환 경 화 학

(Environmental Chemistry)

충북대학교 환경공학과

담당교수: 임동희 교수, E8-10동 803호

E-mail: limkr@cbnu.ac.kr

(13)

학습 목표

제2장 수권과 물 화학 (On-line class: Ch.2-8)

용존 무기 탄소와 알칼리도

Homework #2

(2.8.2장)

(14)

2.8.2 용존 무기 탄소와 알칼리도 (교재 꼭 읽기)

용존 무기 탄소의 총 농도

− −

알칼리도가 1.00×10

−3

M인 용액 중에 포함된 총탄소의 양 (pH에 따라 다름) (앞서 계산한 값들을 사용하여 아래 계산함)

pH 7인 경우: [C]

sum, pH7

= 2.25×10

-4

+ 1.00×10

-3

+ 4.69×10

-7

= 1.22×10

-3

M

pH 10인 경우: [C]

sum, pH10

= 0 + 2.18×10

-4

+ 4.64×10

-4

= 6.82×10

-4

M

pH 변화만으로 인해 용존 무기 탄소의 양이 바뀔 수 있다

(pH 10 일때의 용존 무기 탄소의 농도는 pH 7 일때의 약 1/2 이다)

(15)

즉, 다시 말해, pH 10 일때는 pH 7에 비해 용존 무기 탄소의 양이 훨씬 적지만 알칼리도는 같다

(왜?)

▶pH 7인 경우: [C]

sum, pH7

= 1.22 × 10

−3

M

▶pH 10인 경우 : [C]

sum, pH10

= 6.82 × 10

−4

M 알칼리도가 1.00 × 10

−3

M인 용액

− −

[alk] = [HCO

3

] + 2[CO

32–

] + [OH

]

(16)

즉, 다시 말해, pH 10 일때는 pH 7에 비해 용존 무기 탄소의 양이 훨씬 적지만 알칼리도는 같다

(왜?) pH 10에서 무기탄소의 양은 적지만 pH 7일때와 같은 알칼리도를 가질 수 있도록 영향을 미치는 주요 화학종 존재:

CO

32‒

(2배 효과) and OH

(탄소원 아님)

− −

[alk] = [HCO

3

] + 2[CO

32–

] + [OH

]

(17)

pH가 변함에 따라 용존 무기 탄소 농도가 변하는 현상

 조류성장(즉, 광합성에 의한 탄소 고정)에 따른 용존 무기 탄소 소모와 이로 인한 pH 상승 현상 발생, 이때 알칼리도는 변하지 않는다.

용존 무기 탄소가 바이오매스 {CH

2

O}로 전환되는 반응식

CO

2

+ H

2

O + h {CH

2

O} + O

2

HCO

3

+ H

2

O + h {CH

2

O} + O

2

+ OH

(18)

pH가 변함에 따라 용존 무기 탄소 농도가 변하는 현상

 조류성장(즉, 광합성에 의한 탄소 고정)에 따른 용존 무기 탄소 소모와 이로 인한 pH 상승 현상 발생, 이때 알칼리도는 변하지 않는다.

설명 Step 1: 용존 무기 탄소가 바이오매스 생산으로 인해 소모됨에 따라, 약산의 역할을 하는 CO

2

와 HCO

3

가 점차적으로 없어지면서 또한 OH

가 생성되기에, 물의 pH는 점점 염기성으로 변해감

설명 Step 2: 물의 pH가 7에서 10으로 변했다는 것은 용존 무기 탄

소가 바이오매스(조류)로 변했기 때문이다.

(19)

pH가 변함에 따라 용존 무기 탄소 농도가 변하는 현상

 조류성장(즉, 광합성에 의한 탄소 고정)에 따른 용존 무기 탄소 소모와 이로 인한 pH 상승 현상 발생, 이때 알칼리도는 변하지 않는다.

설명 Step 1: 용존 무기 탄소가 바이오매스 생산으로 인해 소모됨에 따라, 약산의 역할을 하는 CO

2

와 HCO

3

가 점차적으로 없어지면서 또한 OH

가 생성되기에, 물의 pH는 점점 염기성으로 변해감

설명 Step 2: 물의 pH가 7에서 10으로 변했다는 것은 용존 무기 탄소가 바이오매스(조류)로 변했기 때문이다.

설명 Step 3: 따라서, pH 7과 10에서의 용존 무기 탄소량의 차이만큼

이 바이오매스로 변했음. (참고: 생성된 바이오매스는 용존산소를 고

갈시켜 수질 오염을 야기함).

(20)

Question:

만약 추가적인 CO

2

공급이 없고 pH 7  pH 10 변화시,

알칼리도가 낮은 물과 높은물에서 생성되는 바이오매스 양 비교?

 pH 7에서 pH 10으로 바뀜으로 인해 물 1 L당 소모되는 무기탄소량:

[C]

pH7

1 L – [C]

pH10

1 L

= 1.22 10

–3

mol – 6.82 10

–4

mol = 5.4 10

–4

mol

위의 농도를 생성되는 바이오매스의 농도로 환산하면,

(21)

Question:

만약 추가적인 CO

2

공급이 없고 pH 7  pH 10 변화시,

알칼리도가 낮은 물과 높은물에서 생성되는 바이오매스 양 비교?

알칼리도가 높을수록 바이오매스 생성 증가한다.

따라서, 알칼리도는 물의 생산성(fertility)의 지표가 됨

(22)

(추가 보충 정리)

2.8.2장에서는 첫 번째로 수학적인 접근법으로써 알칼리도를 고정해 놓고 각 pH에 따른

용존무기탄소량이 달라 질 수 있음을 보여준다. 즉, pH가 증가(7  10)함으로써 용존 무기탄소량이 반으로 줄어든다. (참고로, 용존무기탄소를 이용하는 조류에게는 pH가 달라짐에 따라

용존무기탄소량이 달라지니 생존에 영향을 미친다.)

그리고! 두 번째로 위의 현상을 실제 조류가 자라는 현상에 적용해 본다.

만약 pH 7에서 조류가 생장을 시작했다고 하자. 조류가 점점 자라남에 따라 물의 pH는 증가하게 된다.

왜냐면, 용존무기탄소인 CO2와 HCO3를 소모하기에 약산의 역할을 수행하는 이들이 없어지기에 물의 pH가 증가하며, 더욱이 HCO3에 의해 OH가 생성되기 때문이다. 조류가 점점 더 자라나면 물속의 용존무기탄소는 점점 없어지고 pH는 상승하지만 (예를 들어 pH 7  10), 이때 물속의 알칼리도는 (거의) 변하지 않는다. 왜냐면, 용존무기탄소인 CO2와 HCO3가 없어지긴 했지만, 알칼리도에 큰 영향을 미치는 CO32–와 OH가 생겼기 때문이다.

마지막으로, 위의 첫 번째에서 알칼리도가 고정되었는데, 고정된 알칼리도의 절대값이 커지게 되면 용 존무기탄소의 변화량의 절대값이 커지게 된다. 이 변화량이 결국 바이오매스의 생산량과 동일하다는 것이며, 이로써 알칼리도가 물의 생산성을 나타내는 지료로써 활용됨을 나타낸다.

(23)

HW #2 (제출일: 2018년 10월 4일(목) 수업시작 전)

앞서 교재 2.8.1과 2.8.2에서는 알칼리도가 1.00x10

–3

eq/L 일 때 pH 7에서 pH 10으로 바뀜으로 인해 물 1 L당 생성되 는 바이오매스 농도가 16.2 mg/L로 나타남을 보여주고 있다.

동일한 조건에서 만약 알칼리도가 5.00x10

–3

eq/L 이라고 할 때, 물 1 L당 생성되는 바이오매스 농도가 얼마인지 계산 하시오. 이로써, 동일한 pH 변화시 알칼리도가 높을수록 바 이오매스 생산량이 어떻게 변하는지 기술하시오. .

Ch.2-8 The End

(24)

환 경 화 학

(Environmental Chemistry)

충북대학교 환경공학과

담당교수: 임동희 교수, E8-10동 803호

E-mail: limkr@cbnu.ac.kr

(25)

학습 목표

제2장 수권과 물 화학 (On-line class: Ch.2-9)

이산화 탄소에 의한 칼슘 광물질 용해

화학종 농도의 계산

착물화와 킬레이트화 (자습)

(2.9장 ~ 2.13장)

(26)

2.9 물속의 칼슘과 그 밖의 금속들

수용액에서 금속 이온들은 수화 양이온[M(H

2

O)

xn+

]의 상태로 존재하며 여러 반응을 통해 안정화하려는 경향이 있다.

산-염기 반응

Fe(H

2

O)

63+

 FeOH(H

2

O)

52+

+ H

+

침전 반응

Fe(H

2

O)

63+

 Fe(OH)

3

(s) + 3H

2

O + 3H

+

산화-환원 반응

Fe(H

2

O)

62+

 Fe(OH)

3

(s) + 3H

2

O + e

+ 3H

+

금속 이온의 거동

반응을 통해 수화 금속, 금속 착물, 유기 금속 화합물 등으로 존재하며,

각각의 화학종은 금속 자체와는 다른 특성이 있다.

(27)

2.9.2 물속의 칼슘

 대부분의 담수에서 가장 많이 존재

 칼슘은 여러 광물질에 포함되어 있다.

 칼슘 포함하는 광물질: 석고(gypsum, CaSO

4

2H

2

O),

무수석고(anhydrite, CaSO

4

), 백운암(dolomite, CaMg(CO

3

)

2

), 방해석(calcite, CaCO

3

), 선석(aragonite, CaCO

3

) 등

 마그네슘, 철(II)과 함께 경도(water hardness; 예, 비누가 엉겨 굳어진 침전 형성)에 기여.

일시적 경도의 제거: 가열

Ca

2+

+2HCO

3

CaCO

3

(s) + H

2

O + CO

2

(g)

(28)
(29)
(30)

(정의: 용해도곱(solubility product, K

sp

): 잘 녹지 않는 이온성 화합물의 용해도 평형에 대한 평형상수)

알지 못하는 정보 : CO

2(aq)

, H

+

, HCO

3

, CO

32–

, CaCO

3(s)

, Ca

2+

이미 알고 있는 정보 :

• [CO

2(aq)

] = 1.276 10

-5

M ( 2.7절: CO

2

(aq) 농도)

• 이산화탄소 물에 용해시 평형상수들

더 필요한 정보 : ? ?

(31)

풀이: 식1) + 식3) – 식2)

CaCO

3

(s) + CO

2

(aq) + H

2

O  Ca

2+

+ 2HCO

3

2+ 3− 2 2

a1 sp a2

−5

HCO

3

의 농도는 Ca

2+

농도의 2배  [HCO

3

] = 2[Ca

2+

]이므로,

2+ 2+ 2

2

−5

2+ −5 −5 1

3 −4

(32)

[HCO

3

] = 1.03 10

–3

[CO

2(aq)

]= 1.276 10

–5

M

[H

+

]= 5.51 10

-9

따라서, pH = –log [H

+

] = 8.26 [CO

32-

] = 8.77 10

-6

At pH = 8.26, [alkalinity] ≒ [HCO

3

] = 1.03 10

–3

M

(교재 2.9.3장 본문 필독)

(33)

2.12 화학종 농도의 계산

평형 상수를 활용하여 화학종의 농도를 계산할 수 있다.

예) Zn

2+

와 NH

3

착물의 경우 (평형 상수인 생성 상수에 기초) Step 1: Zn

2+

+ NH

3

ZnNH

32+

1 32+

2+ 3

2

단계적 생성 상수(1)

Step 2: ZnNH

32+

+ NH

3

Zn(NH

3

)

22+

2 3 22+

32+

3

2

단계적 생성 상수(2)

(34)

Step 1 + Step 2: Zn

2+

+ 2NH

3

Zn(NH

3

)

22+

2 3 22+

2+ 3 2 1 2 4

총괄 생성 상수

3 32+

3 1 2 3

3 42+

4 1 2 3 4

(35)

Ch.2-9 The End

참조

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