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1[화공기사 필기] 18년 3회차

다음과 같은 연속 (직렬) 반응에서 A 와 R 의 반응속도가 rA=−k1CA, rR=k1CA−k2r_A=-k_1C_A,\ r_R=k_1C_A-k_2 일 때, 회분식 반응기에서 CR/CA0C_R/C_{A0} 를 구하면?(단, 반응은 순수한 A 만으로 시작한다.)

A→R→S\mathrm{A}\rightarrow\mathrm{R}\rightarrow\mathrm{S}

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해설

구하는 값은 CRCA0=1−e−k1t−k2CA0t\dfrac{C_R}{C_{A0}}=1-e^{-k_1t}-\dfrac{k_2}{C_{A0}}t 이다.

A 는 1차로 소모되므로 −dCAdt=k1CA-\dfrac{dC_A}{dt}=k_1C_A 에서 CA=CA0e−k1tC_A=C_{A0}e^{-k_1t} 이다.

R 의 수지는 dCRdt=k1CA−k2=k1CA0e−k1t−k2\dfrac{dC_R}{dt}=k_1C_A-k_2=k_1C_{A0}e^{-k_1t}-k_2 인데, 두 번째 단계가 R 의 농도와 무관한 0차 라는 점이 핵심이다.

순수한 A 로 시작하므로 CR(0)=0C_R(0)=0 이고, 적분하면 CR=CA0(1−e−k1t)−k2tC_R=C_{A0}(1-e^{-k_1t})-k_2t, 양변을 CA0C_{A0} 로 나누면 위 식이 된다. 지수항 앞이 +이면 t=0 에서 값이 2가 되어 초기조건을 못 맞추고, k2t/CA0k_2t/C_{A0} 항이 +이면 R 이 소모되는 방향과 부호가 어긋난다.

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