[🌊수질환경기사] 1과목_수질오염개론_1장 수질화학

1. 수질환경 기초단위

 

1) 기본단위

M · K · S	C · G · S
힘 N = m * kg / sec^2 (F=ma)	dyne = cm · g/sec^2
중력가속도 = 9.8m/sec^2

 

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2) 레이놀드수 Re

- 층류와 난류 판별 시 사용

- 관성력/점성력

 

① 원형일 경우

공식 = (직경 * 속도 * 밀도) / 점도 = (직경 * 속도)/동점성계수

 

② 장방형(=직사각형)일 경우

공식 = (환산직경 Do * 속도 * 밀도) / 점도 = (환산직경 Do * 속도)/동점성계수

 

환산직경 Do = 4 * 경심 R

 

경심 R = 단면적/윤변의 길이(=물이 접촉되는 길이)

 

(1) 원일 경우(만관을 기준으로 한다.)

단면적 = πD^2/4

윤변의 길이 = πD

환산직경 Do = (πD^2/4) / πD = D/4

 

(2) 장방형일 경우

b = 폭, 관 가로의 길이

h = 수위

 

단면적 = b * h

윤변의 길이 = 2h + b

환산직경 = b * h / 2h + b

 

레이놀즈수가 2100 미만 → 층류

레이놀즈수가 2100 초과 4000 미만 → 천이구역

레이놀즈수가 4000 초과 → 난류 (혼합이 잘됨)

 

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동점성계수 = cm^2/sec = 점성/밀도

 

점성계수 = g/cm · sec

밀도 = g/cm^3

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압력 = 단위면적당 작용하는 힘 dyne/cm^2

표면장력 = 단위길이당 작용하는 힘 dyne/cm

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온도 ℃

도씨 화씨 전환

℃ = ( Ｆ-32)/1.8

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압력 1atm = 760mmHg = 10332mmH2O = 101.35kPa

수은주비중 = 13.6

mmHg * 13.6 = mmH2O

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밀도 g/cm^3

비중도 정의상 단위는 없지만, 표기해서 사용한다

비중 = g/mL

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2. 농도

1) 백분율 표시 (%), Parts per hundreds

W/V = g/mL ◀ 가장 기본이 됨!!

V/V = mL/mL

V/W = mL/g

W/W = g/g

 

wt% 농도

= 용질 질량 / (용질 질량 + 용매 질량 ) * 100%

 

ppt = g/L

ppm = mg/L

ppb = µg/L

 

기체일때만!!! 표준상태 0 ℃, 1 atm 으로 환산해서 표시한다.

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2) 몰농도 , M

: 1L에 녹아있는 용질의 mol수

M = 질량 / 부피 * 1mol / 분자량 g

 

M = 비중 (g/mL) * 10^3mL/L * 1mol/분자량 * %농도/100

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3) 노르말 농도(=규정농도), N

: 용액 1L 중에 녹아있는 용질의 1당량

 

N = eq/L = g/L * 1eq/1당량 g

 

⭐ 1당량g = 분자량 g/ 가수

 

산성 & 알칼리성 물질 : H+ / OH- 개수

CaCl2 = 2가

(CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl⁻)

 

외워야할 당량

* 과망간산칼륨 K ( 1+) ㅣ Mn(+7)ㅣO4 (8-) → Mn2+

 

산성 조건에서는
MnO₄⁻ → Mn²⁺로 환원

 

+7 에서 +2가 되려면? 5당량!

 

158g/5당량

 

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* 다이크롬산칼륨 K2(2+)ㅣCr2(+12)ㅣO7(-14) → Cr3+

 

• 산성 조건에서 K₂Cr₂O₇는 Cr₂O₇²⁻ → Cr³⁺로 환원됩니다.
• 크롬 원자 하나당 전자 3개를 받으므로, 크롬 2개 → 총 6전자가 이동합니다.
• 따라서 1몰의 K₂Cr₂O₇가 반응에 제공하는 전자 수가 6몰 → n-factor = 6

294g/6당량

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펌프를 회전시킨다면 모터의 축동력

 

축동력 kW =

물의 비중(1000kg/m^3) * 펌프의 토출량(=양수율, m^3/s, L/s) * 전양정(m)

----------------------------------------------------------------------------------------------      X 여유율 a

(102 * 효율)

 

시간 단위는 반드시 초(sec)로 표현!!

1m^3 = 1000L

 

kW = 102 kg · m/s

HP = 76 kg · m/s

PS = 75  kg · m/s

 

📌전양정 = 펌프 토출측의 수두 − 펌프 흡입측의 수두
즉, 펌프가 물에 부여하는 전체 에너지(높이)로, 다음 세 가지 수두의 합으로 표현됩니다.

 

• Hᵥ (속도수두, Velocity head) : 유속 때문에 생기는 에너지 높이
• Hₚ (압력수두, Pressure head) : 압력 차이에 의한 높이
• H_f (손실수두, Friction head) : 관 마찰, 밸브, 피팅 등에서 생기는 손실

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산화 · 환원반응

 

- 산화(Oxidation) : 전자를 주는 거, 수소를 잃는 거, 산소랑 붙기, 산화수 증가하기

- 환원(Reduction) : 전자를 얻는거, 수소와 결합, 산소랑 떨어지기, 산화수 감소

 

- 산화제 : 다른 물질을 산화시키기! 자신은 환원됨(전자 얻음)

- 환원제 : 다른 물질을 환원시키기! 자신은 산화됨(전자 잃음)

 

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산(Acid)

- 아레니우스 : H+ 주는 거

- 브뢴스테드 로우리 : H+ 주는 거

- 루이스 : 전자쌍을 받는 화학종

 

- 신맛

- 푸른 리트머스 종이를 붉게 만듦

- 물에 용해되면 전해질이 됨

- 염기와 반응해서 염과 물을 발생시킴

HㅣCl + NaㅣOH → NaCl(중성염) + H2O

 

분자식에서 왼쪽이 대부분 +, 오른쪽이 -

(아세트산은 예외)

 

- 금속과 반응하면 수소를 발생시킴

Zn2+ + H2SO4 → ZnSO4 + H2(기체) ↑

 

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염기(Base)

- 아레니우스 : OH- 주는 거

- 브뢴스테드 로우리 : H+ 받는 거

- 루이스 : 전자쌍을 주는 화학종

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산화환원 전위(ORP: Oxidation Reduction Potential)

NO3- → NO2- : 가장 먼저 반응! ORP 값이 가장 큼

Fe3+ → Fe2+

NO2- → NH3

SO42- → S2- : 가장 나중에 반응! ORP 값 가장 작음

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평형상수 K

aA + bB → cC + dD

K=생성물/반응물 = [C]^c * [D]^d / [A]^a * [B]^b

 

[]의 농도는 몰농도 단위!

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물의 이온곱(적) 상수 kw = 10^(-14), 25 ℃ 에서

 

적 = 곱을 나타내는 것!

 

⭐ 수온이 증가하면 kw가 증가하고, pH가 감소한다!

 

담수는 약전해질

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H2O ↔ H+ + OH-

 

kw = [H+] [OH-] = 10^(-14)

 

[H+] = kw / [OH-]

 

[OH-] 를 [H+]와 같다고 보기!

 

=> kw = [H+]^2

 

[H+] = 루트(kw) = 루트(10^-14) = 10^(-7) mol/L

 

pH= -log[H+]

 

따라서 pH=7이다.

 

따라서 kw=ka * kb

산해리상수(약산) * 염기해리상수(약염기)

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CH3COOH  ↔ CH3COO- + H+

약산

 

CH3COO-  ↔ CH3COOH + OH-

염기

 

1) 산 해리상수 ka

ka =[CH3COO-] [H+] / [CH3COOH]

[CH3COO-]의 농도 = [H+]의 농도라고 가정!

 

ka = [H+]^2 / 약산 농도

[H+] = 루트(ka * 약산농도)

 

2) 염기 해리상수 kb

kb = [CH3COOH] [OH-] / [CH3COO-]

[CH3COOH]의 농도 = [OH-]의 농도

 

kb = [OH-]^2/염기농도

[OH-] = 루트(kb * 염기농도)

 

kw = [H+][OH-] = ka * kb

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이온적(곱) Q : 이온화된 물질의 농도 곱

 

용해도적(곱) Ksp : 포화상태에서 이온농도의 곱(몰농도의 곱) = [A+]^m [B-]^n

 

AmBn ↔ mA+ + nB-

 

※ Ksp 구하는 법

이온화 반응식을 작성 후, 몰수비에 따라 각 이온별 몰농도를 구한 후 곱해서 ksp 구하면 됨

 

1 = [AmBn] = [A+]^m [B-]^n

 

포화상태의 구분

: 불포화 / 포화 / 과포화

- 불포화 : ksp가 이온적보다 큼

- 포화 ksp = 이온적

- 과포화 ksp < 이온적, 침전물이 발생함

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이온화상수 구하기

 

예시) CH3COOH 0.01M 3% 전리되었다. ①이온화상수 & ②pH 구하기

 

1) 식 작성

CH3COOH ↔ CH3COO- + H+

전리 전 0.01  

전리 후 0.01-0.01*0.03    /      0.01*0.03     /    0.01*0.03

 

① 이온화 상수 = (0.01*0.03)^2 / (0.01-0.01*0.03) = 9.28 * 10^(-6)

② pH = -loh(0.01*0.03) = 3.52

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pH + pOH = 14

pH = -log [H+]

 

g / L * mol / 분자량(g) = mol/L(몰농도로 전환)

 

이온화식 작성

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✨ 완충방정식

약산(CH3COOH) + 강염기성 (CH3COOK) 염

약염기 + 강산성 염

 

CH3COOH ↔ CH3COO- + H+

CH3COOK ↔ CH3COO- + K+

노란색은 공통 이온

 

 

ka = [CH3COO-][H+]/[CH3COOH]

 

공통이온 대신에 강염기로 대체

 

ka = [CH3COOK][H+]/[CH3COOH]

 

pH = -log[H+] = -log(ka * [CH3COOH]/CH3COOK]) = -log ka + log(염기/산)

 

따라서 pH = pka + log([염기]/[산])

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중화 => 노르말 단위(N) !!!! 

 

NV=N'V'

 

H2SO4 2가

NaOH 1가

몰농도 * 가수 = 노르말농도