Introduction to water chemistry

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1 Introduction to water chemistry

2 교재 : 수질화학(양운진) _신광문화사 I. Introduction 환경화학 I : 이론 중심_반응속도론, 화학평형론

3 solid : 용해 ↔ 침전(how amount?)
 1. 침전과 용해   1.1 이론 solid : 용해 ↔ 침전(how amount?) i) 양 : 침전물의 양, 용해되는 양(solubility) ii) 속도 : 침전속도, 용해속도 solid Liquid 용 해 도 Time

4 Solubility 조절 : pH, temperature, concentration Pollutant 제거를 위해 침전제나
 1. 침전과 용해 1.2 응용 Solubility 조절 : pH, temperature, concentration Pollutant 제거를 위해 침전제나 응집제 투입 - pollutant , 응집제, 침전제의 양과 현상해석 Rate 조절 : 유량, 농도 → reactor 설계 pC-pH diagram 으로 용해도, pH, 침전양 계산 Pollutant Liquid

5 2. 산화와 환원  : 우리의 일상생활에서는 pollutant chemical 을 포함하여 수많은 화학반응이 일어남. 산화 – 환원반응(금속이온의 반응) → 응용: COD, BOD, DO, pH meter 등등 산 – 염기 반응 → 응용:대기중의 NOx 제거, 유기물 산화                      

6 pollutant → chemical (organic, inorganic)
 3. 유기화학   pollutant → chemical (organic, inorganic)      organic chemistry → 명명법, 특성   환경공학에서 중요시되는 유기물의 특성, 독성

7 Chap 5. 침전과 용해

8 *Solubility : 1L의 용액 속에 들어있는 용질의 양(mass/volume, mole/volume)
5.1. 개요 1) 양 : 침전물의 양, 용해되는 물질의 양 → solubility *Solubility : 1L의 용액 속에 들어있는 용질의 양(mass/volume, mole/volume) 2) 속도 : 침전속도, 용해속도 → crystal growth rate, dissolution rate ■ 침전 process에서 solubility 변경요소 a. cooling, heating b. pH c. evaporation d. 제 3의 물질 투여 용해 침전

9 침전의 과정 ②결정의 성장 (crystal growth) ③응결과 숙성 (agglomeration & ripening)
5.2. 침전과 용해의 속도론 ①핵성성 (nucleation) 침전의 과정 ②결정의 성장 (crystal growth) ③응결과 숙성 (agglomeration & ripening) 핵 생성 과포화 평형곡선 : 각 조건에서 녹는 양 결정 (solubility line) Mass or 농도 포화 불포화 ①핵 (nucleus) : 침전, 결정물이 자발적으로 생성 되기 위한 가장 작은 입자 *핵 만드는 방법 : 1차 핵생성-농도 변화에 의해 2차 핵생성-막대로 휘저어서 온도 or pH homogeneous nuclear : 균질핵 (고-고, 기-기, 액-액) 핵 heterogeneous nuclear : 이질핵 (대부분에 해당)

10 ② 특징 흡열과정 : 용액 중 이온의 무질서한 상태로부터 규칙적인 구조를 가진 핵을 생성하기 때문 ion → solid(structure) 무질서 → 정형화 : energy 필요 (흡열) 결정의 성장 ① 성장과정 embryo → nuclei → cluster → crystal growth

11 i) diffusion process : layer 생성 ii) reaction process
② 속도 → 시간 변화에 따른 용액내의 용질의 변화 n : crystal growth rate order k ; 속도 상수(rate constant)_ 용액의 조건과 침전되는 고형물의 특성에 좌우 s : surface area(핵의 표면적, mg/L) c : 실제 이온농도 (mole/L) c* : 포화농도 (mole/L) ③ 성장 mechanism i) diffusion process : layer 생성 ii) reaction process

12 5.2.3. 응집과 숙성(Agglomeration and Ripening)
최초의 생성된 crystal의 특성 – 열역학적으로 불안정 ⇒ 따라서 안정한 상태로 되기 위해 침전을 통한 이온농도 감소 ① ripening & aging · aging : 장기간에 걸쳐서 일어나는 결정구조의 변화, 크기변화가 없다. unstable → stable · ripening : 침전물의 결정크기가 증가하는 현상 Ripening(숙성) Aging   단위부피당 비표면적이 크다  작다 표면에너지가 크다 작은 입자에 비해 과포화 상태  → 결정으로 성장 평형이온농도가 크다  → solubility 크다  → 작은입자 주위는 불포화  → 용해 발생

13 ② agglomeration : 작은 침전 입자들이 응집에 의해 큰 입자 형성 5.2.4. 용해(disolution)
용해도 곡선 아래에 있을 때 용해가 일어남. 용해되는 속도는 성장속도의 5배 용해도 곡선(포화곡선) 과포화 S 용해도 포화 불포화 온도

14 5.3 평형계산_5.3.1. 용해도곱 5.3.1 solubility product(용해도곱, 용해도적)
1) 정의 : 침전물 또는 고형물을 물에 녹였을 때 용해되어 원래 자기 성분으로 되는 반응(용해반응)을 설명하는 평형상수(K), 온도와 압력이 일정하면 변하지 않는 값 NaCl 의 K 값 녹는양 ≠ k 값 증류수 폐수 25℃ 25℃

15 2) 표현식 AZBY (s) ZAY+ + YB-z 평형상수 = Kso = →물질이 녹아서 이루어진 용액내의 이온의 계산값이 평형을 이룰 때 나타내는 값

16 활동도 계수 {i} : 액체 혼합물에서 ion의 전기적 작용이 농도에 영향을
주는 것 {i} = γi * [i] 실제농도 = 활동도계수 * 이온농도 {} = 열역학적 농도, 이온의 세기에 의한 농도 [ ] = 물리적 농도 1) 묽은 용액 : 용해된 이온들이 독립적으로 작용 = 이온의 전기적 세기가 영향 안줌. γi = 1 → {i }= [ i ] 2) 고체 : 용액과 평형을 이루는 순수한 고형물 (또는 액체)은 이온의 세기 무시. γi = 1로 계산 3) 진한용액 : γi < 1 , {i }= γi [ i ] 로 계산

17 1) solid의 순수물에서의 Kso 값으로 부터 용해도 계산 가능 2) 이온의 세기가 무시되면
Kso = * [AY+]Z[BZ-]Y 따라서 [AY+]Z[BZ-]Y = * 용액 성분의 활동도 계수를 1이라 하면, 1) solid의 순수물에서의 Kso 값으로 부터 용해도 계산 가능 2) 이온의 세기가 무시되면 cKso = Kso = [AY+]Z[BZ-]Y 평형상수 왜냐하면 고체상의 농도(활동도)이므로 농도곱, 농도적

18 예제 풀이 예제 5.1) 25℃에서 CaF2 용해도(mg/L)를 계산하라. 단, 이온세기의 영향은 무시하라. CaF2 ↔ Ca F-