평형 산소 분압의 뜻
금속과 그 산화물이 평형으로 공존하는 산소 분압. ΔG° = RT ln pO₂로 구하며, 분위기의 산소 분압이 이보다 높으면 금속이 산화되고 낮으면 산화물이 환원된다.
일본어 명칭: 平衡酸素分圧
‘평형 산소 분압’ 관련 연습 문제는 1개 분야에 2문제가 있습니다(재료 열역학 등).
이 용어의 분야: 재료 열역학
평형 산소 분압 연습 문제에 도전
1000 K에서 2Ni(s) + O₂(g) → 2NiO(s)의 ΔG°가 −298 kJ/mol이다. Ni과 NiO가 공존하는 평형 산소 분압에 가장 가까운 것은 무엇인가? Ni과 NiO는 순수한 고체(활동도 1), 표준 압력을 1 bar, 기체 상수를 8.314 J/(mol·K), ln 10 = 2.303으로 한다.
- A약 1×10⁻³⁶ bar
- B약 2×10⁻⁸ bar
- C약 3×10⁻¹⁶ bar
정답과 해설 보기
정답: C. 약 3×10⁻¹⁶ bar
평형에서는 ΔG = ΔG° + RT ln(1/pO₂) = 0이므로 ΔG° = RT ln pO₂입니다. log pO₂ = ΔG°/(2.303RT) = −298000/(2.303 × 8.314 × 1000) ≈ −15.6이 되어 pO₂ ≈ 3×10⁻¹⁶ bar입니다. 분위기의 산소 분압이 이보다 높으면 Ni은 산화되고, 낮으면 NiO는 환원됩니다. 약 1×10⁻³⁶ bar는 ΔG°/RT ≈ −35.8을 자연로그가 아니라 상용로그의 값으로 혼동한 것입니다. 약 2×10⁻⁸ bar는 NiO 1 mol당 ΔG°(−149 kJ/mol)를, pO₂의 지수 1/2을 빠뜨리고 RT ln pO₂와 같다고 한 값입니다.
어떤 온도에서 순수한 Cr과 Cr₂O₃가 공존하는 평형 산소 분압을 p₀라고 한다. 같은 온도에서 Cr의 활동도가 0.10인 합금과 순수한 Cr₂O₃가 공존하는 평형 산소 분압은 p₀의 약 몇 배인가? 반응은 4/3 Cr + O₂ → 2/3 Cr₂O₃로 한다.
- A약 10배
- B약 22배
- C약 100배
정답과 해설 보기
정답: B. 약 22배
평형에서는 ΔG° = −RT ln K이며, K = a(Cr₂O₃)의 2/3제곱 ÷ (a(Cr)의 4/3제곱 × pO₂)입니다. 같은 온도라면 ΔG°도 K도 같으므로, a(Cr₂O₃) = 1일 때 a(Cr)의 4/3제곱 × pO₂가 일정해집니다. 따라서 pO₂ = p₀ × 0.10의 −4/3제곱 ≈ 21.5 p₀, 즉 약 22배입니다. 합금 속의 Cr은 활동도가 낮아진 만큼 산화되기 어려워져, 더 높은 산소 분압이 필요해집니다. 약 10배는 Cr의 계수 4/3을 1로 한 값이고, 약 100배는 계수를 2로 한 값입니다. 이처럼 합금 원소의 활동도와 산소 분압으로부터, 스테인리스강의 표면에서 어느 원소가 선택적으로 산화되는지를 판단할 수 있습니다.
‘평형 산소 분압’ 관련 문제(2문제)
- 1000 K에서 2Ni(s) + O₂(g) → 2NiO(s)의 ΔG°가 −298 kJ/mol이다. Ni과 NiO가 공존하는 평형 산소 분압에 가장 가까운 것은 무엇인가? Ni과 NiO는 순수한 고체(활동도 1), 표준 압력을 1 bar, 기체 상수를 8.314 J/(mol·K), ln 10 = 2.303으로 한다.
- 어떤 온도에서 순수한 Cr과 Cr₂O₃가 공존하는 평형 산소 분압을 p₀라고 한다. 같은 온도에서 Cr의 활동도가 0.10인 합금과 순수한 Cr₂O₃가 공존하는 평형 산소 분압은 p₀의 약 몇 배인가? 반응은 4/3 Cr + O₂ → 2/3 Cr₂O₃로 한다.