9급지방직공무원 2011-06-13 화학공학일반 14번 문제 해설

문제 요약: 에탄올 20 mol%와 물 80 mol%의 혼합물을 플래쉬 증류할 때, 전체의 20%가 기체상으로 분리되며, 액상 잔류물의 에탄올 몰분율이 0.1인 상황에서 기상 중 에탄올의 몰분율을 구한다.

정답 근거:
- 라우스-루이스 원리 적용: 기체상 분리 시, 농도 차이가 유지된다. 초기 에탄올 농도 (20 mol%) 대비 액상 잔류물의 에탄올 농도가 낮아졌으므로 (0.1 mol%), 기체상에서는 더 높은 농도를 갖는다.
- 계산 요약: 초기 혼합물에서 기체상 (20%)의 에탄올 몰분율은 원래 20 mol%였으나, 액상 잔류물이 감소하면서 기체상의 농도 상승.
- 액상 잔류물 (80%)에서 에탄올 0.1 mol% 유지 → 전체 질량 보존 원칙에 따라 기체상 농도 상승.
- 간단 계산: (0.2 × 20/0.8 × 1 + 0.2 × x) = 0.6 (여기서 x 는 기체상 에탄올 농도)

오답 포인트:
- 1번 (0.4), 2번 (0.5), 4번 (0.7): 라우스-루이스 원리에 따른 농도 상승 효과를 무시하거나, 액상 잔류물의 농도 변화에 따른 기체상 농도 상승을 과소평가한 결과.

핵심 개념:
- 라우스-루이스 원리: 분리 과정에서 성분 농도 차이 유지.
- 질량 보존: 전체 물질량은 변하지 않으므로, 액상에서의 감소는 기체상에서의 증가로 균형 맞춤.

마무리 요약: 기상에서 에탄올의 몰분율은 액상 잔류물의 감소와 질량 보존 법칙에 따라 증가하여 0.6 (정답: 3번)이다.