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1[위험물산업기사 필기] 25년 3회차

질소와 수소로부터 암모니아를 합성하는 반응의 화학 반응식이 다음과 같을 때, 암모니아의 생성률을 높이려면 어떤 조건으로 반응시켜야 하는가?
N2+3H22NH3+22.1kcal\mathrm{N_2} + 3\mathrm{H_2} \rightarrow 2\mathrm{NH_3} + 22.1\,\mathrm{kcal}

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온도와 압력을 모두 낮춘다.

2

온도는 낮추고 압력은 높인다.

3

온도는 높이고 압력은 낮춘다.

4

온도와 압력을 모두 높인다.

해설

암모니아의 생성률을 높이려면 온도는 낮추고 압력은 높여야 한다.

N2+3H22NH3+22.1kcal\mathrm{N_2}+3\mathrm{H_2}\rightarrow2\mathrm{NH_3}+22.1\,\mathrm{kcal} 반응은 열을 방출하는 발열반응이며, 반응물이 기체 4몰(N2\mathrm{N_2} 1몰+H2\mathrm{H_2} 3몰)에서 생성물 기체 2몰(NH3\mathrm{NH_3})로 몰수가 감소하는 반응이다.

르 샤틀리에의 원리에 따르면, 발열반응은 온도를 낮출수록 열을 내는 정반응(암모니아 생성) 쪽으로 평형이 이동하고, 기체의 몰수가 감소하는 반응은 압력을 높일수록 몰수가 작은 쪽인 정반응 방향으로 평형이 이동한다.

다만 실제 하버-보슈 공정에서는 반응속도 확보를 위해 촉매를 사용하며 적당히 높은 온도와 고압을 절충하여 운전하지만, 이 문제는 평형 이동 방향에 대한 이론적 원리를 묻고 있으므로 저온·고압이 정답이다.

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