화학양론조성비 0, Cst

화학양론조성비, cst

화학양론조성비(CST, Chemically Stoichiometric Ratio) 정의 및 구하는 법

1. CST(화학양론적 조성비) 정의

화학양론조성비(CST, Chemically Stoichiometric Ratio)는 화학 반응에서 연료와 산소가 완전히 반응하여 남거나 부족한 것이 없는 이상적인 비율을 말합니다. 즉, 연료가 산소와 정확히 반응하여 생성물만 남고, 잔여 반응물 없이 모두 소모되는 상태입니다. 주로 연소 반응에서 연료와 산소의 적정 비율을 계산할 때 사용됩니다.

2. CST 계산법

CST%는 연료와 공기의 몰수 비율을 바탕으로 계산됩니다. 주어진 연소 반응식에서 연료와 산소의 몰수를 통해 공기의 몰수를 계산한 후, 이를 이용하여 CST%를 구할 수 있습니다.

2.1 CST% 구하는 공식

연료와 공기 몰수에 기반한 CST%를 계산하는 공식은 다음과 같습니다:

CST% = (연료 몰수 / (연료 몰수 + 공기 몰수)) × 100

또한, 공기 몰수는 공기 중 산소의 비율(약 21%)을 고려하여 다음과 같이 계산됩니다:

공기 몰수 = 산소 몰수 / 0.21

2.2 CST% 계산 절차

연소 반응식에서 필요한 산소(O₂) 몰수를 구합니다. 각 연소 반응식에 따라 연료가 완전 연소하는 데 필요한 산소의 몰수가 주어집니다.
공기 중 산소가 약 21% 존재하므로, 산소 몰수를 이용해 전체 공기 몰수를 구합니다.
계산한 연료 몰수와 공기 몰수를 CST% 공식에 대입하여 최종 비율을 구합니다.

3. CST% 예시 문제

예시 1: 메탄(CH₄)의 연소

메탄의 연소 반응식은 다음과 같습니다:

$\text{CH}_4 + 2\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$

연료인 메탄(CH₄) 1몰이 연소하기 위해서는 2몰의 산소(O₂)가 필요합니다. 공기 중 산소는 21%이므로, 필요한 공기 몰수는 다음과 같이 구합니다:

$\text{공기 몰수} = \frac{2}{0.21} \approx 9.52 \text{몰}$

따라서 CST%는 다음과 같이 계산됩니다:

$\text{CST\%} = \frac{1}{1 + 9.52} \times 100 \approx 9.5\%$

예시 2: 프로판(C₃H₈)의 연소

프로판의 연소 반응식은 다음과 같습니다:

$\text{C}_3\text{H}_8 + 5\text{O}_2 \rightarrow 3\text{CO}_2 + 4\text{H}_2\text{O}$

연료인 프로판(C₃H₈) 1몰이 연소하기 위해서는 5몰의 산소(O₂)가 필요합니다. 공기 중 산소는 21%이므로, 필요한 공기 몰수는 다음과 같이 구합니다:

$\text{공기 몰수} = \frac{5}{0.21} \approx 23.81 \text{몰}$

따라서 CST%는 다음과 같이 계산됩니다:

$\text{CST\%} = \frac{1}{1 + 23.81} \times 100 \approx 4.03\%$

4. CST의 중요성

CST는 연소 과정에서 연료와 공기의 최적 비율을 나타내므로, 완전 연소와 효율적인 에너지 사용을 위해 매우 중요합니다. 만약 CST%가 적절하지 않으면 연소 과정에서 연료가 완전히 소모되지 않거나, 불필요하게 산소가 과잉 공급될 수 있습니다. 이를 통해 연소 반응의 효율성을 극대화하고, 배출 가스의 발생을 줄일 수 있습니다.

연습 문제 해설: CST% 계산

문제 1: 에탄(C₂H₆)의 연소

에탄(C₂H₆)이 완전 연소될 때, 에탄 3몰이 사용됩니다. 이때 화학양론적 CST%를 구하는 과정을 설명하겠습니다.

1. 연소 반응식

에탄의 연소 반응식은 다음과 같습니다:

$\text{C}_2\text{H}_6 + \frac{7}{2}\text{O}_2 \rightarrow 2\text{CO}_2 + 3\text{H}_2\text{O}$

에탄 1몰에 대해 산소는 $\frac{7}{2}$ 몰이 필요합니다. 따라서 에탄 3몰이 연소될 때 필요한 산소(O₂)의 양은:

$\text{산소 몰수} = 3 \times \frac{7}{2} = 10.5 \text{몰}$

2. 공기 몰수 계산

공기 중 산소는 약 21%를 차지하므로, 필요한 공기의 몰수는 다음과 같이 계산됩니다:

$\text{공기 몰수} = \frac{10.5}{0.21} \approx 50 \text{몰}$

3. CST% 계산

이제 CST%를 계산하겠습니다:

$\text{CST\%} = \frac{3}{3 + 50} \times 100 \approx 5.66\%$

—

문제 2: 부탄(C₄H₁₀)의 연소

부탄(C₄H₁₀)이 완전 연소될 때, 부탄 0.8몰이 사용됩니다. 이때 화학양론적 CST%를 구하는 과정을 설명하겠습니다.

1. 연소 반응식

부탄의 연소 반응식은 다음과 같습니다:

$\text{C}_4\text{H}_{10} + \frac{13}{2}\text{O}_2 \rightarrow 4\text{CO}_2 + 5\text{H}_2\text{O}$

부탄 1몰에 대해 산소는 $\frac{13}{2}$ 몰이 필요합니다. 따라서 부탄 0.8몰이 연소될 때 필요한 산소(O₂)의 양은:

$\text{산소 몰수} = 0.8 \times \frac{13}{2} = 5.2 \text{몰}$

2. 공기 몰수 계산

공기 중 산소는 약 21%를 차지하므로, 필요한 공기의 몰수는 다음과 같이 계산됩니다:

$\text{공기 몰수} = \frac{5.2}{0.21} \approx 24.76 \text{몰}$

3. CST% 계산

이제 CST%를 계산하겠습니다:

$\text{CST\%} = \frac{0.8}{0.8 + 24.76} \times 100 \approx 3.13\%$

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문제 3: 헥산(C₆H₁₄)의 연소

헥산(C₆H₁₄)이 완전 연소될 때, 헥산 2.5몰이 사용됩니다. 이때 화학양론적 CST%를 구하는 과정을 설명하겠습니다.

1. 연소 반응식

헥산의 연소 반응식은 다음과 같습니다:

$\text{C}_6\text{H}_{14} + \frac{19}{2}\text{O}_2 \rightarrow 6\text{CO}_2 + 7\text{H}_2\text{O}$

헥산 1몰에 대해 산소는 $\frac{19}{2}$ 몰이 필요합니다. 따라서 헥산 2.5몰이 연소될 때 필요한 산소(O₂)의 양은:

$\text{산소 몰수} = 2.5 \times \frac{19}{2} = 23.75 \text{몰}$

2. 공기 몰수 계산

공기 중 산소는 약 21%를 차지하므로, 필요한 공기의 몰수는 다음과 같이 계산됩니다:

$\text{공기 몰수} = \frac{23.75}{0.21} \approx 113.1 \text{몰}$

3. CST% 계산

이제 CST%를 계산하겠습니다:

$\text{CST\%} = \frac{2.5}{2.5 + 113.1} \times 100 \approx 2.16\%$

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위의 계산 과정을 통해 각 연소 반응에서 연료와 공기의 몰수 비율을 구하고, 이를 기반으로 CST%를 계산할 수 있습니다. 각 연료의 연소 반응식과 산소 요구량을 정확하게 이해하는 것이 중요합니다.

화학양론조성비(CST, Chemically Stoichiometric Ratio) 정의 및 구하는 법

1. CST(화학양론적 조성비) 정의

2. CST 계산법

2.1 CST% 구하는 공식

2.2 CST% 계산 절차

3. CST% 예시 문제

예시 1: 메탄(CH₄)의 연소

예시 2: 프로판(C₃H₈)의 연소

4. CST의 중요성

연습 문제 해설: CST% 계산

문제 1: 에탄(C₂H₆)의 연소

1. 연소 반응식

2. 공기 몰수 계산

3. CST% 계산

문제 2: 부탄(C₄H₁₀)의 연소

1. 연소 반응식

2. 공기 몰수 계산

3. CST% 계산

문제 3: 헥산(C₆H₁₄)의 연소

1. 연소 반응식

2. 공기 몰수 계산

3. CST% 계산

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