18년 1회차

이 반응은 왼쪽(N2, H2) 기체가 총 4몰, 오른쪽(NH3) 기체가 2몰로, 정반응이 진행될수록 기체의 총 몰수가 줄어든다.

압력을 높이면 르샤틀리에 원리에 따라 기체 몰수가 더 적은 쪽으로 평형이 이동하므로, 평형은 오른쪽(암모니아가 생성되는 방향)으로 이동한다.

생성되는 이산화탄소의 부피는 표준상태에서 약 1.72 L이다.

아세틸렌(C₂H₂, 분자량 약 26.0g/mol)의 완전연소 반응식은
$\mathrm{2C_2H_2 + 5O_2 \rightarrow 4CO_2 + 2H_2O}$
이며, C₂H₂ 1몰에서 CO₂ 2몰이 생성된다.

시료 1.00g의 몰수는
$\dfrac{1.00}{26.0} \approx 0.0384\,\mathrm{mol}$
이므로 CO₂는
$0.0384\times2 \approx 0.0768\,\mathrm{mol}$
생성되고, 표준상태 몰부피 22.4L/mol을 곱하면
$0.0768\times22.4 \approx 1.72\,\mathrm{L}$
로 계산된다.

C₃H₈은 프로판, C₆H₁₄은 헥산, C₈H₁₈은 옥탄으로 모두 알칸의 탄소수에 맞는 명칭이 옳게 연결되어 있다.

반면 C₄H₁₀은 탄소가 4개인 알칸이므로 부탄(butane)이 옳은 명칭이며, 펜탄(pentane)은 탄소 5개인 C₅H₁₂의 이름이므로 이 연결이 잘못되었다.

질산(HNO₃, 분자량 약 63.0g/mol) 23g의 몰수는 $\dfrac{23}{63.0} \approx 0.365\,\mathrm{mol}$이다.

몰랄농도는 용매(물)의 질량을 kg 단위로 사용하므로 $m = \dfrac{0.365\,\mathrm{mol}}{0.200\,\mathrm{kg}} \approx 1.825\,\mathrm{m}$로 계산된다.

NH4NO3(s)는 순수한 고체이므로 평형상수식에서 그 농도(활동도)는 1로 취급되어 분모에 포함되지 않는다.

따라서 이 반응의 평형상수는 기체 생성물의 농도만으로 $K_c = [\mathrm{N_2O(g)}][\mathrm{H_2O(g)}]^2$와 같이 나타낸다.

가장 흔한 수소 동위원소인 경수소(protium, ¹H)는 양성자 1개와 전자 1개로만 이루어져 있으며 중성자를 갖지 않는다. 따라서 수소원자가 중성자 1개, 양성자 1개, 전자 1개로 이루어져 있다는 설명은 틀린 진술이다.

수소원자에서 전자가 빠져나가면 남는 것은 양성자 하나뿐이므로 이것이 곧 수소이온(H⁺)이며 이는 양성자 자체와 같다는 설명이나, 탄소처럼 수소도 중수소·삼중수소 같은 동위원소가 존재한다는 설명은 모두 옳다.

이 반응에서 Br은 −1에서 0으로 산화수가 증가하므로 산화되고, Cl은 0에서 −1로 산화수가 감소하므로 환원된다.

따라서 반쪽반응은 산화 반응 $\mathrm{2Br^- \rightarrow Br_2 + 2e^-}$와 환원 반응 $\mathrm{Cl_2 + 2e^- \rightarrow 2Cl^-}$로 나타내는 것이 옳다.

화합물 100g을 기준으로 하면 C 40.9g, H 4.6g, O 54.5g이며, 각 원소의 몰수는 $\dfrac{40.9}{12.0}\approx3.41,\ \dfrac{4.6}{1.0}\approx4.6,\ \dfrac{54.5}{16.0}\approx3.41$ mol이다.

가장 작은 값(3.41)으로 나누면 C:H:O ≈ 1:1.34:1이 되고, 정수비를 얻기 위해 3을 곱하면 3:4:3이 되어 실험식은 C₃H₄O₃가 된다.

CH₃CHO(아세트알데하이드), CH₃COCH₃(아세톤), CH₃OH(메탄올)는 모두 산소 원자를 포함해 물 분자와 수소결합을 형성할 수 있어 물에 잘 녹는다.

반면 CH₃Cl은 극성은 있지만 물과 수소결합을 형성할 수 있는 −OH나 카르보닐기가 없어 나머지 세 물질에 비해 물에 대한 용해도가 뚜렷하게 낮다.

CH₃COOCH₂CH₃는 카르복시산(CH₃COOH)과 알코올(CH₃CH₂OH)이 축합하여 만들어지는 −COO− 결합(에스테르 결합)을 가진 화합물이다.

카복시산류는 −COOH기, 알데하이드류는 −CHO기, 에테르류는 −O− 결합을 특성기로 가지므로 이 화합물은 에스테르류로 분류하는 것이 옳다.

이소프로필알코올(2-프로판올)은 3개의 탄소 중 가운데 탄소에 −OH기가 결합된 2차 알코올로, 구조식은 CH₃−CH(OH)−CH₃로 나타낸다.

CH₃-CH₂-OH는 에탄올, CH₃-CH(OH)-CH₂-CH₃는 2-부탄올, CH₃-CH₂-CH₂-OH는 1-프로판올(정상프로필알코올)의 구조이므로 이소프로필알코올과는 다르다.

C₂H₅OH(에탄올)와 HCOOH(포름산)이 반응하면 에스테르화(축합) 반응이 일어나 에스테르와 물이 생성되는 것이지, 양성자가 이동하는 산-염기 반응이 아니다.

반면 CH₃COOH+NaOH, CO₂+NaOH, H₂CO₃+Ca(OH)₂는 모두 산이 염기에 양성자(H⁺)를 내주는 전형적인 산-염기 반응 쌍이다.

라울의 법칙에 따라 용액의 증기압은 각 성분의 몰분율과 순수 성분 증기압의 곱의 합으로 구한다. 에탄올(분자량 약 46g/mol) 30g은 약 0.651mol, 물 100g은 약 5.55mol이므로 몰분율은 각각 $X_{\mathrm{ethanol}}\approx0.105,\ X_{\mathrm{water}}\approx0.895$이다.

따라서 $P = 0.895\times23.88 + 0.105\times61.2 \approx 21.4+6.4 \approx 27.7\,\mathrm{mmHg}$로 계산된다.

주기율표는 원자번호 증가 순으로 원소를 배열하며, 같은 세로열(족)의 원소들은 원자가전자 구조가 비슷해 화학적 성질도 유사하다. 1A족 원소는 알칼리금속이라는 설명도 맞다.

그러나 2A족 원소는 알칼리토금속이라 불리며, 전이금속은 3족~12족에 해당하므로 2A족을 전이금속이라 한 설명은 틀렸다.

염산 용액 1L(1000mL)를 기준으로 하면 질량은 $1000\times1.188=1188\,\mathrm{g}$이고, 이 중 HCl의 질량은 $1188\times0.37\approx439.6\,\mathrm{g}$이다.

HCl의 화학식량 약 36.46g/mol로 나누면 몰수는 $\dfrac{439.6}{36.46}\approx12.1\,\mathrm{mol}$이 되어, 1L당 몰농도는 약 12.1M이 된다.

이 반응에서 Br-은 산화수가 -1에서 0(Br2)으로 증가하며 전자를 잃으므로 산화된다. 반대로 Cl2는 산화수가 0에서 -1(Cl-)로 감소하며 전자를 얻으므로 환원된다.

따라서 이 반응에서 산화되는 물질은 Br-이다.

중성 원자가 전자를 얻거나 잃으면 이온이 되며, 전자를 잃으면 양이온, 전자를 얻으면 음이온이 형성된다는 설명은 모두 옳다.

그러나 이온이 만들어지는 과정은 전자의 이동일 뿐 원자핵의 양성자 수는 변하지 않으므로, 이온화 시 양성자 수가 변해야 한다는 설명은 틀렸다.

질소(N)의 바닥상태 전자배치는 1s²2s²2p³로, 훈트 규칙에 따라 2p 오비탈 3개에 전자가 하나씩 나뉘어 들어가 홀전자 3개를 갖는다.

O는 2p⁴로 홀전자 2개, Al은 3p¹로 홀전자 1개를 가지며, S²⁻는 전자를 2개 더 얻어 아르곤과 같은 전자배치(3p⁶)를 이루므로 홀전자가 없다.

아민의 질소는 원자가가 3이다. 즉 질소에는 결합선이 3개만 있어야 하고(탄소 1개 + 나머지 두 자리에 수소나 알킬), 남은 한 자리는 비공유 전자쌍이다. 그런데 아민이라고 제시된 구조는 질소에 위·아래·좌·우로 결합선이 4개 그려져 있어 중성 아민이 아니라 (+) 전하를 띤 암모늄 형태가 된다. 작용기 표현이 잘못된 것은 이 구조다.

나머지 세 구조는 모두 옳다. 케톤은 카보닐 탄소 양쪽에 탄소 사슬이 하나씩 이어진 R-CO-R′ 구조, 알데히드는 카보닐 탄소에 수소가 직접 붙은 R-CHO 구조, 에스테르는 카보닐 탄소에 산소가 이어지는 R-CO-O-R′ 구조로 그려져 있다.

작용기 구조를 볼 때는 중심 원자의 결합 수(C는 4개, N은 3개, O는 2개)를 먼저 세는 것이 가장 빠른 검증법이다.

몰(mole)의 정의에서 아보가드로 수는 탄소(¹²C) 12.0g 속에 들어있는 탄소원자의 수로 정의되는 것이지, 수소 12.0g 속의 수소원자 수가 아니므로 이 설명이 틀렸다.

몰질량의 단위가 g/mol이라는 것, 몰이 아보가드로 수만큼의 입자로 구성된 물질량이라는 것, 분자식이 원자의 종류와 수를 나타낸다는 것은 모두 옳은 설명이다.

금속지시약은 금속이온과 반응해 킬레이트화합물을 형성하고, 그 화합물이 뚜렷한 색을 띠어야 종말점을 눈으로 식별할 수 있다. 또한 지시약-금속 착물의 안정도상수는 EDTA 같은 적정 표준용액이 만드는 착물의 안정도상수보다 작아야 당량점 부근에서 지시약이 금속이온을 내주고 색이 변한다.

반면 금속지시약은 적정 반응을 방해하지 않도록 가능한 한 낮은(묽은) 농도로 사용해야 하며, 지시약을 진하게 쓰는 것은 오히려 종말점 판별을 어렵게 하므로 이 조건은 틀린 설명이다.

Hg₂²⁺ 20.00mL × 0.1000M로부터 Hg₂²⁺의 몰수는 $2.000\,\mathrm{mmol}$이다. 반응식 $\mathrm{Hg_2^{2+} + 2Cl^- \rightarrow Hg_2Cl_2(s)}$에서 Hg₂²⁺ 1몰당 Cl⁻ 2몰이 필요하다.

따라서 필요한 Cl⁻의 몰수는 $2\times2.000=4.000\,\mathrm{mmol}$이고, 0.1000M 용액으로 이를 공급하려면 $\dfrac{4.000\,\mathrm{mmol}}{0.1000\,\mathrm{M}}=40.00\,\mathrm{mL}$가 필요하다.

젤 투과(겔 여과) 크로마토그래피에 의한 단백질 분석은 분자 크기 차이를 이용해 성분을 분리·분석하는 크로마토그래피 기법으로, 표준용액의 부피를 측정해 당량점을 구하는 부피분석(적정법)과는 원리가 다르다.

EDTA를 이용한 납 이온 정량, 요오드를 이용한 아스코르브산 정량, 과망간산칼륨을 이용한 옥살산 정량은 모두 표준용액의 소비 부피로부터 농도를 구하는 전형적인 부피분석(적정)법이다.

용액 1L(1000mL)의 질량은 $1000\times1.46=1460\,\mathrm{g}$이고, 이 중 HBr의 질량은 $1460\times0.46\approx671.6\,\mathrm{g}$이다.

HBr의 분자량 80.9g/mol로 나누면 몰수는 $\dfrac{671.6}{80.9}\approx8.30\,\mathrm{mol}$이 되어, 1L당 몰농도는 약 8.30mol/L이다.

0.030M NaI가 이미 녹아있어 공통이온 효과로 $[\mathrm{I^-}] \approx 0.030\,\mathrm{M}$으로 볼 수 있다.

용해도곱 $K_{sp} = [\mathrm{Pb^{2+}}][\mathrm{I^-}]^2 = 7.9\times10^{-9}$이므로, $[\mathrm{Pb^{2+}}] = \dfrac{7.9\times10^{-9}}{(0.030)^2} \approx 8.8\times10^{-6}\,\mathrm{M}$이 된다.

이처럼 공통이온이 미리 존재하면 순수한 물에 녹았을 때보다 Pb2+의 평형 농도가 훨씬 낮아지는데, 이것이 공통이온 효과에 의한 용해도 감소이다.

계산된 pH 값은 6.98에 가장 근접한다.

중성 용액에서는 [H⁺]=[OH⁻]=x이며, 이온의 활동도를 고려한 물의 자동이온화 상수는
$K_w = x^2\,\gamma_{\mathrm{H^+}}\,\gamma_{\mathrm{OH^-}}$
로 나타낼 수 있다.

이를 풀면
$x^2 = \dfrac{1.0\times10^{-14}}{0.83\times0.76}\approx1.59\times10^{-14}$
에서
$x\approx1.26\times10^{-7}$
가 되고, pH는 H⁺의 활동도 $a_{H^+}=x\gamma_{H^+}$를 이용해
$\mathrm{pH}=-\log(1.26\times10^{-7}\times0.83)\approx6.98$
로 계산된다.

이온세기는 $\mu=\dfrac{1}{2}\sum C_i Z_i^2$로 계산한다. La(NO₃)₃는 물에서 La³⁺ 1개와 NO₃⁻ 3개로 해리되므로 [La³⁺]=0.3M, [NO₃⁻]=0.9M이다.

따라서 $\mu = \dfrac{1}{2}\left(0.3\times3^2 + 0.9\times1^2\right) = \dfrac{1}{2}(2.7+0.9)=1.8\,\mathrm{M}$로 계산된다.

ppb는 수용액에서 근사적으로 $\mu\mathrm{g/L}$에 해당하므로 벤젠 15ppb는 $15\times10^{-6}\,\mathrm{g/L}$이다.

벤젠의 분자량 78.1g/mol로 나누면 몰농도는 $\dfrac{15\times10^{-6}}{78.1}\approx1.9\times10^{-7}\,\mathrm{M}$로 계산된다.

측정 전압은 지시전극과 기준전극의 전위차이므로, 은-염화은 전극(0.197V)을 기준으로 썼을 때 지시전극의 절대전위(vs SHE)는 $E_{\text{지시}} = 0.284\ \mathrm{V} + 0.197\ \mathrm{V} = 0.481\ \mathrm{V}$로 구해진다.

같은 지시전극에 기준전극만 포화칼로멜전극(0.241V)으로 바꾸면, 새로 측정되는 전압은 $E_{\text{측정}}' = 0.481\ \mathrm{V} - 0.241\ \mathrm{V} = 0.240\ \mathrm{V}$가 된다.

포화칼로멜전극의 전위가 은-염화은 전극보다 크기 때문에, 같은 지시전극 전위에서 측정되는 전압은 그만큼 더 작게 나온다.

왕수에서 산화되어 생긴 금 이온(Au³⁺)은 염소 이온(Cl^-)과 결합하여 AuCl₄^-와 같은 안정한 착이온을 형성한다.

이렇게 금 이온이 착이온으로 제거되면 용액 중 자유 금 이온의 농도가 낮게 유지되어 금의 산화(용해)가 계속 진행될 수 있으므로, 금 이온과 염소 이온 사이의 반응은 착물 형성(complexation)이다.

분석물질에 표준용액을 과량으로 가하여 반응을 완결시킨 다음, 남아 있는 미반응 표준용액을 또 다른 표준용액으로 적정하여 실제로 소비된 양을 역산하는 방식이다.

이처럼 남은 양에서 거꾸로 되짚어 정량하므로 역적정법(back titration)이라 하며, 분석물질과의 반응이 느리거나 종말점을 직접 관찰하기 어려울 때, 또는 적당한 지시약이 없을 때 사용한다. 표준용액을 분석물질에 바로 가하면서 종말점을 잡는 직접적정법과 구별된다.

이 반응에서 NH3는 H2O로부터 양성자(H+)를 받아 NH4+가 되므로, NH3는 염기이고 NH4+는 그 짝산이다.

반대로 H2O는 양성자를 내주고 OH-가 되므로, H2O는 산이고 OH-는 그 짝염기이다. 따라서 염기-짝산 쌍은 NH3-NH4+, 산-짝염기 쌍은 H2O-OH-이다.

이온세기가 매우 작은 묽은 용액에서는 이온 사이의 정전기적 상호작용이 거의 없으므로, 활동도계수(γ)는 이상적 거동에 가까운 1에 가까운 값으로 수렴한다.

활동도는 농도·이온세기·온도에 따라 값이 달라지므로 일정하지 않으며, 활동도(a)는 활동도계수와 농도의 곱(a=γC)으로 정의되므로 활동도계수를 농도의 제곱으로 나눈 값이 아니다. 또한 이온의 전하량이 클수록, 이온세기가 클수록 활동도계수는 1에서 더 멀어지는(작아지는) 경향을 보이므로 전하량이나 이온세기에 비례한다고 볼 수 없다.

염산을 표준화할 때는 사용한 탄산나트륨의 질량 전체를 무수 Na₂CO₃로 간주하여 몰수를 계산하는데, 시료가 덜 건조되어 수분을 포함하면 실제 무수 Na₂CO₃의 몰수는 계산값보다 적다.

실제 반응 몰수가 적으므로 종말점까지 소비되는 염산의 부피도 줄어드는데, 계산식에는 과대평가된 몰수를 그대로 대입하므로 산출되는 염산 농도는 실제보다 높게 계산된다.

Ba(OH)₂는 OH^-를 2개 내놓는 2가 염기이므로 당량수는 몰수의 2배이며, 중화에 쓰인 HCl의 당량수는 $0.2\ \mathrm{mol/L} \times 0.1\ \mathrm{L} = 0.02\ \mathrm{eq}$이다.

중화점에서 산과 염기의 당량수는 같으므로 Ba(OH)₂도 0.02 eq이며, 부피 0.2 L로 나누면 노르말 농도는 $N = \dfrac{0.02\ \mathrm{eq}}{0.2\ \mathrm{L}} = 0.1\ \mathrm{N}$이 된다.

산화상태를 미리 조절하는 실제 방법에는 Jones 환원관이나 Walden 환원관과 같은 고체 환원제 컬럼을 통한 예비 환원, 과황산이온(S₂O₈^2-)과 같은 강한 산화제를 이용한 예비 산화가 있다.

반면 센 산이나 센 염기 자체는 산화·환원력을 갖는 시약이 아니라 pH를 조절하는 역할을 할 뿐이므로, 이것만으로 분석물질의 산화상태를 바꿀 수는 없다.

산화전극(anode)에서는 전자를 잃는 산화 반응이 일어난다. Fe²⁺→Fe³⁺+e^-, Fe(CN)₆^4-→Fe(CN)₆^3-+e^-, Ru(NH₃)₆²⁺→Ru(NH₃)₆³⁺+e^-는 모두 전자를 내놓는 산화 반응이다.

반면 Ag⁺+e^-→Ag(s)는 은 이온이 전자를 받아 금속 은으로 환원되는 반응이므로 환원전극(cathode)에서 일어나는 반응이며, 산화전극 반응이 아니다.

전극전위는 산화제로서의 상대적 세기를 나타내고, 표준수소전극과 짝지었을 때 값이 양(+)이면 자발적인 환원반응을 뜻하며, 표준전극전위는 활동도가 1인 기준 상태에서 평형으로 가려는 상대적 구동력을 나타낸다는 설명은 모두 옳다.

그러나 표준전극전위는 세기 성질(intensive property)이어서, 반쪽반응을 어떤 정수배로 나타내어 반응물·생성물의 몰수(계수)를 조정해도 값 자체는 변하지 않는다. 따라서 몰수에 값이 좌우된다는 설명은 틀렸다.

염화라듐(RaCl₂) 속 염소는 은 이온과 정량적으로 결합해 매우 낮은 용해도의 AgCl 침전을 형성하므로, 이를 걸러 무게를 측정하는 방법이 가장 적합하다.

이는 퀴리가 라듐의 원자량을 결정할 때 실제로 사용한 고전적인 무게분석(중량분석)이며, 산염기 적정이나 EDTA 적정, 산화·환원 적정은 염소 이온 정량에 적합한 방법이 아니다.

메틸아민(CH3NH2)의 짝산은 메틸암모늄이온(CH3NH3+)이며, 이 짝산이 물에 양성자를 내주는 반응이 곧 Ka를 정의하는 평형이다.

따라서 산해리상수 Ka에 해당하는 화학평형식은 CH3NH3+가 H+를 내놓고 CH3NH2가 되는 반응, 즉 $\mathrm{CH_3NH_3^+} \rightleftharpoons \mathrm{CH_3NH_2} + \mathrm{H^+}$로 나타낸다.

UV-Vis 흡수분광법은 분자 내 전자가 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 전이할 때 흡수되는 자외선·가시광선 영역의 에너지, 즉 전자 에너지 준위의 전이를 이용하는 방법이다.

진동이나 회전 에너지 준위의 전이는 이보다 훨씬 작은 에너지 차이를 가져 각각 적외선, 마이크로파 영역에서 관측되므로 UV-Vis 흡수의 주된 대상이 아니다.

파수(cm^-1)는 파장의 역수로, 파장을 cm 단위로 놓으면 $\tilde{\nu} = \dfrac{1}{\lambda(\mathrm{cm})}$이다.

파장을 μm 단위로 쓰면 $1\ \mu\mathrm{m} = 10^{-4}\ \mathrm{cm}$이므로, $\tilde{\nu} = \dfrac{1}{\lambda(\mu\mathrm{m}) \times 10^{-4}} = \dfrac{10000}{\lambda(\mu\mathrm{m})}$가 되어 파수는 10000을 파장(μm)으로 나눈 값과 같다.

전자기파의 에너지는 파장이 길수록(진동수가 낮을수록) 작아지며, 가시광선·근적외선·중적외선·원적외선 순으로 파장이 길어진다.

이 중 파장이 가장 길고 진동수가 가장 낮은 영역은 원적외선(Far IR)이므로 에너지가 가장 낮은 영역이 된다.

전열 원자화(흑연로) 방법은 시료를 좁은 원자화 공간에 오래 머물게 하여 감도가 불꽃 원자화보다 뛰어나고, 적은 양의 액체시료나 고체 시료도 직접 도입해 분석할 수 있다는 장점이 있다.

그러나 전열 원자화는 신호가 일시적(과도 신호)으로 나타나 바탕 보정이 까다롭고, 직선 측정범위가 좁으며 정밀도(재현성)도 불꽃 원자화보다 나쁜 편이다(상대오차가 불꽃은 대체로 1% 수준, 전열은 5~10% 수준). 따라서 측정농도 범위가 아주 넓고 정밀도가 우수하다는 설명은 전열 원자화의 특징이 아니다.

이상적인 변환기(transducer)는 작은 신호 변화도 잘 감지하는 높은 감도, 신호에 신속히 반응하는 빠른 감응시간, 잡음 대비 신호가 큰 높은 신호-대-잡음비를 갖추어야 한다.

Nernst 식을 따르는지 여부는 이온선택성 전극 등 특정 전기화학 센서에만 해당하는 조건이며, 변환기 전반에 요구되는 이상적 성질은 아니다.

O-H 결합은 수소 원자의 질량이 매우 작고 결합력이 강해 신축진동 흡수 봉우리가 약 3200~3600cm^-1 부근의 매우 높은 파수에서 나타난다.

이에 비해 C=O(약 1700cm^-1), C=C(약 1620~1680cm^-1), C-O(약 1000~1300cm^-1)는 모두 O-H보다 낮은 파수 영역에서 흡수하므로, 제시된 작용기 중 파수가 가장 큰 것은 O-H이다.

핵자기공명(NMR)은 시료를 강한 자기장 안에 놓고, 자기장에 의해 갈라진 핵스핀 에너지 준위 사이의 전이를 라디오파(대략 4~900MHz) 영역의 전자기 복사선 흡수로 관측하며, 주로 화학종의 구조 규명에 사용된다.

그런데 이 흡수 과정은 원자핵의 스핀 상태 전이 자체를 이용하는 것이므로, 원자의 핵이 흡수과정에 관여하지 않는다는 설명은 틀렸다.

비선형(굽은) 3원자 분자인 물(H₂O)의 진동 자유도는 $3N-6 = 3\times3-6 = 3$으로 계산된다.

따라서 물 분자는 대칭 신축, 비대칭 신축, 굽힘 진동의 3가지 이론적 진동방식을 갖는다.

분광 분석기는 광원, 파장 선택장치(회절발 등), 시료용기(큐벳), 검출기로 구성되며, 이 중 빛 신호를 전기 신호로 바꾸는 역할은 검출기가 담당한다.

광전증배관(photomultiplier tube)은 미약한 빛 신호를 증폭하여 전기 신호로 변환하는 대표적인 검출기이며, 큐벳은 시료 용기, 회절발은 파장 선택, 토막기(chopper)는 광원 신호를 단속하는 장치로 검출기가 아니다.

사람 눈으로 볼 수 있는 가시광선 영역은 대략 400~700nm 파장 범위에 해당하며, 500nm는 이 범위 안에 있으므로 가시광선에 해당한다.

자외선은 이보다 짧은 파장(약 400nm 이하), 적외선은 이보다 긴 파장(약 700nm 이상) 영역에 해당한다.

미세 분말 시료를 슬러리로 만들어 분무하거나 원자화 장치에 시료를 직접 수동으로 도입하는 방법은 실제로 쓰이는 고체 시료 도입 기법이며, 이 경우 보통 연속 신호가 아닌 불연속(과도) 신호가 얻어진다.

그러나 고체를 직접 도입하면 시료의 불균일성, 매트릭스 차이, 표준물질 확보의 어려움 등으로 오히려 정확도와 정밀도가 용액 시료 도입보다 떨어지는 경우가 많다. 시료 분해·용해 과정이 없다는 이유로 정확도가 더 높아진다는 설명은 틀렸다.

이온화 억제제(ionization suppressor)는 분석원소보다 이온화 에너지가 낮아 불꽃에서 먼저 쉽게 이온화되는 원소를 과량으로 첨가하는 시약이다. 이 원소가 내놓는 전자가 불꽃 속 자유전자 농도를 높여, 분석원소의 이온화 평형을 원자 쪽으로 되밀어 이온화를 억제한다.

알칼리 금속인 K(칼륨)은 이온화 에너지가 매우 낮아 이온화 억제제로 흔히 쓰이며, La이나 Sr은 인산염 등에 의한 화학적 방해를 막는 해방제(releasing agent)로 주로 쓰이는 등 용도가 다르다.

Beer-Lambert 법칙에 따라 흡광도는 $A = \varepsilon b c = 5.0\times10^{3}\ \mathrm{L/(mol\cdot cm)} \times 1.0\ \mathrm{cm} \times 2.0\times10^{-4}\ \mathrm{mol/L} = 1.0$으로 계산된다.

투과도(T)는 흡광도와 $A = -\log T$ 관계에 있으므로, $T = 10^{-A} = 10^{-1.0} = 0.1$이 된다.

적외선 흡수가 일어나려면 진동(또는 회전) 운동 중에 분자의 쌍극자 모멘트가 알짜로 변화해야 한다는 선택규칙을 만족해야 한다.

이 조건을 이용하는 대표적인 분석법이 적외선 흡수분광법이며, 자외선·가시광선 흡수는 전자전이를, X선 흡수는 내각 전자의 전이를 이용하므로 쌍극자 모멘트 변화가 핵심 조건이 아니다.

레이저는 특정 파장에서 매우 강하고 지향성이 좋은 결맞은(coherent) 복사선을 만들어내므로, 원거리로 신호를 보내고 반사되어 돌아오는 미약한 신호를 검출해야 하는 라이더(Lidar)와 같은 원격 감응 용도에 적합하다.

적외선 영역에서는 대표적으로 이산화탄소(CO₂) 레이저가 이러한 용도로 널리 쓰이며, Globar나 텅스텐 필라멘트, 수은 아크등은 넓은 파장 범위의 연속광원으로 일반적인 분광 측정에 주로 쓰인다.

중수소(D₂) 램프 등 보조광원을 이용한 바탕(background) 보정, 인접한 두 스펙트럼선의 세기를 비교하는 2선 보정법, Zeeman 효과나 Smith-Hieftje 방법은 모두 원자화 장치에서 생기는 매트릭스에 의한 비특이적(바탕) 흡수를 측정해 빼주는 보정 기법이다.

반면 복사선 완충제는 시료와 표준시료 양쪽에 매트릭스 성분을 과량으로 똑같이 넣어 그 영향을 서로 상쇄시키는 방식이므로, 바탕 흡수 자체를 보정하는 방법과는 성격이 달라 가장 거리가 멀다.

표준물첨가법(standard addition method)은 시료 자체에 알고 있는 양의 표준물질을 순차적으로 첨가해 신호를 측정하는 방법으로, 시료의 매트릭스를 그대로 유지한 채 검정선을 얻을 수 있다.

따라서 매트릭스 조성을 알기 어렵거나 복잡한 시료를 분석할 때, 별도로 조제한 외부 표준용액이나 일반 검정곡선을 이용하는 방법보다 매트릭스 효과에 의한 오차를 효과적으로 줄일 수 있다.

염소를 포함한 수용성 유기화합물 속의 카드뮴을 ICP-AES로 정량하려면 먼저 유기 매트릭스를 완전히 분해해야 정확한 정량이 가능하며, 이를 위해 질산과 황산을 이용해 유기물을 산분해한다.

이 과정에서 남는 황산은 점성이 커 시료 도입과 플라스마를 불안정하게 하고 정량을 방해하므로, 가열하여 황산을 제거한 후 카드뮴을 정량하는 것이 올바른 절차이다. 단순히 물에 녹이거나 고온에서 태우는 방법은 유기물 분해가 불완전하거나 원소 손실 위험이 있어 적절하지 않다.

X선을 전기신호로 바꾸는 대표적인 검출기로는 기체를 이온화시켜 신호를 얻는 기체-충전변환기(비례계수관), 섬광체가 X선을 가시광으로 바꾸고 이를 검출하는 섬광계수기, 반도체 내 전자-양공 쌍으로 신호를 얻는 반도체변환기가 있다.

광전증배관 자체는 주로 가시광선·자외선 영역의 광신호(형광 등)를 전기신호로 바꾸는 소자로, 섬광계수기 안에서 섬광체가 만든 빛을 검출하는 구성 요소로 쓰일 뿐 X선을 직접 전기신호로 바꾸는 독립적인 X선 검출기로 분류되지는 않는다.

원자흡수분광법(AAS)은 분석원소가 흡수하는 매우 좁은 선폭의 고유 스펙트럼선을 광원으로 써야 정확한 흡광도 측정이 가능하다.

속빈 음극등(hollow cathode lamp)은 음극이 분석원소와 같은 금속으로 만들어져 해당 원소 고유의 날카로운 선스펙트럼을 방출하므로 AAS 광원으로 가장 적합하다. 수은등이나 전극등처럼 분석원소와 무관한 광원은 이런 선스펙트럼을 낼 수 없고, 무전극 방전등은 일부 휘발성 원소에 한정해 쓰이므로 두루 쓰이는 표준 광원은 속빈 음극등이다.

빠른 원자 충격법(FAB, Fast Atom Bombardment)은 명칭 그대로 빠른 중성 원자 빔(예: Xe, Ar 원자)을 시료 표면에 충돌시켜 이온화하는 방법이다. 따라서 이온화 도구를 빠른 이온살(이온 빔)로 짝지은 것은 방법의 명칭 자체와도 모순되는 잘못된 연결이다.

빠른 이온 빔을 시료 표면에 쏘는 것은 이차이온 질량분석(SIMS)에 해당한다. 참고로 전자충격법(EI)은 빠른 전자를, 장이온화법(FI)은 높은 전위를 건 날카로운 전극(강한 전기장)을 이온화 도구로 사용한다.

시차열분석(DTA)에서 흡열(endothermic) 피크는 시료가 열을 흡수하는 상변화에서 나타나며, 고분자의 녹는(융해) 과정이 대표적인 흡열 반응이다.

반대로 결정화 과정은 열을 방출하는 발열(exothermic) 피크로 나타나고, 유리전이는 열의 출입 없이 열용량만 변하는 기저선의 계단형 변화로 나타나므로 뚜렷한 피크로는 관찰되지 않는다.

얇은 층 크로마토그래피(TLC)는 흡착제를 얇게 도포한 판 위에서 액체 이동상이 모세관 현상으로 전개되는 방식이어서, 그 원리와 응용법은 이동상이 기체인 기체크로마토그래피(GC)보다 액체(칼럼) 크로마토그래피에 훨씬 가깝다.

반면 시료의 점적법이 정량 결과에 중요하고, 좋은 분리능을 위해 점적의 지름을 작게 유지해야 하며, 묽은 시료는 건조와 점적을 반복해 농축한다는 설명은 모두 TLC의 실제 조작에 부합한다.

분리능(resolving power)은 $R = \dfrac{M}{\Delta M}$로 정의되며, 여기서 M은 두 봉우리의 평균 질량, ΔM은 두 봉우리의 질량 차이다.

C₂H₄⁺(28.0313)과 CO⁺(27.9949)의 질량 차이는 $\Delta M = 28.0313 - 27.9949 = 0.0364$이고 평균 질량은 약 28.0이므로 $R = \dfrac{28.0}{0.0364} \approx 770$이 된다.

할로겐 원소 중 브로민(Br)은 ⁷⁹Br(약 50.7%)과 ⁸¹Br(약 49.3%)의 두 동위원소가 거의 1:1에 가까운 비율로 존재하여, 질량스펙트럼에서 거의 같은 세기의 두 봉우리(동위원소 쌍봉)가 나타나는 것으로 잘 알려져 있다.

반면 Cl은 ³⁵Cl과 ³⁷Cl의 비율이 약 3:1로 크게 차이 나고, F와 I는 각각 ¹⁹F, ¹²⁷I 단일 동위원소로 존재하여 상대세기가 비슷한 두 동위원소를 갖지 않는다.

제시된 특성은 빠른 원자 충격 이온화(FAB)의 것이다. 시료를 글리세롤 같은 점성 액체 매트릭스에 녹여 표적에 바르고, 수 keV로 가속했다가 중성화한 아르곤(또는 제논) 원자빔을 때려 시료를 이온화한다. 네 가지 특성 중 '글리세롤 용액 매트릭스'와 '큰 에너지의 아르곤'이 이 방법을 지목하는 결정적 단서다.

연한 이온화법이라 열에 약하고 분자량이 크며 극성·비휘발성인 화합물(펩타이드, 당 등)을 조각내지 않고 분자 이온으로 얻을 수 있는 것이 장점이다. 대신 매트릭스 분자끼리 뭉친 이온 덩어리(cluster)가 계속 생겨 스펙트럼 전 영역에 바탕 잡음을 남기는 것이 단점이다.

전자 충격 이온화는 기화시킨 시료에 약 70 eV 전자빔을 쬐어 조각내는 방법이고, 전기 분무 이온화는 용액을 고전압으로 분무해 다중 전하 이온을 만드는 방법이며, 매트릭스지원 레이저 탈착/이온화는 고체 매트릭스와 함께 결정화한 시료에 레이저를 쬐는 방법이다. 액체 글리세롤 매트릭스에 아르곤 원자빔을 쓰는 것은 이 중 어디에도 해당하지 않는다.

분해능은 $R_s = \dfrac{2(t_{R,B}-t_{R,A})}{w_A+w_B}$로 구한다. 현재 3.0m 관에서 $R_s = \dfrac{2(17.36-16.80)}{1.12+1.24} = \dfrac{1.12}{2.36} \approx 0.47$이다.

분해능은 이론단수의 제곱근, 즉 관 길이의 제곱근에 비례하므로 $R_s \propto \sqrt{L}$이다. 목표 분해능 1.50을 얻으려면 $L_2 = L_1\left(\dfrac{R_{s,2}}{R_{s,1}}\right)^2 = 3.0 \times \left(\dfrac{1.50}{0.47}\right)^2 \approx 30\,\mathrm{m}$가 필요하다.

머무름시간 차이가 클수록, 그리고 봉우리 나비가 좁을수록 분해능이 커지며, 관이 길어져 이론단수가 늘어나면 그 제곱근에 비례해 분해능이 좋아진다는 원리를 이용한 계산이다.

이산화탄소(CO₂)의 분자량은 탄소 12와 산소 16 두 개를 더한 44이다. 질량분석에서 분자이온(M⁺)은 시료 분자가 전자 하나를 잃고 생긴 이온이므로 그 질량은 분자량과 사실상 같아, m/z는 44로 나타난다.

28은 CO₂가 조각남(fragmentation)으로 생성되는 CO⁺ 조각이온의 m/z이고, 16과 12는 각각 O⁺, C⁺ 조각이온에 해당해 분자이온이 아니다.

Sn⁴⁺ 한 개가 Sn²⁺로 환원되려면 전자 2개가 필요하다. 환원 속도 5.00mmol/h를 초당 몰수로 바꾸면 $\dfrac{5.00\times10^{-3}\,\mathrm{mol}}{3600\,\mathrm{s}} \approx 1.389\times10^{-6}\,\mathrm{mol/s}$이다.

전류는 $I = nF\left(\dfrac{dN}{dt}\right) = 2 \times 96500\,\mathrm{C/mol} \times 1.389\times10^{-6}\,\mathrm{mol/s} \approx 0.268\,\mathrm{A} = 268\,\mathrm{mA}$로 계산된다.

Sn의 원자량은 질량이 주어졌을 때 몰수로 환산하는 데 쓰이는 값인데, 이 문제에서는 속도가 이미 몰 단위(mmol/h)로 주어져 있어 사용되지 않는다.

고고학 유물의 연대는 흔히 시료 속 방사성 동위원소(¹⁴C 등)의 존재비를 정밀하게 측정해 결정하는데, 이러한 극미량 동위원소비 측정에 가장 적합한 방법이 질량분석법이다. 가속기 질량분석(AMS) 등으로 방사성탄소의 비율을 직접 측정해 연대를 계산한다.

원자흡수분광법이나 자외선-가시선 분광법은 특정 원소·화합물의 농도 측정에, 전기화학분석법은 산화-환원 반응이나 이온 농도 측정에 쓰이는 방법으로, 동위원소비를 이용한 연대측정에는 적합하지 않다.

폴라로그래피에서 반파전위(half-wave potential)는 산화-환원이 일어나는 화학종마다 고유한 값이므로, 어떤 물질이 존재하는지 식별하는 정성분석에 사용된다.

확산전류와 한계전류는 농도에 비례하는 값이라 정량분석에 쓰이고, 잔류전류는 분석물과 무관하게 흐르는 배경 전류로 정성적 정보를 주지 못한다.

분리도는 $R_s = \dfrac{2\Delta t_R}{w_1+w_2}$로 계산한다. 머무름시간 차이는 430-410=20초이고 봉우리 나비의 합은 13+16=29초이므로, $R_s = \dfrac{2\times20}{29} = \dfrac{40}{29} \approx 1.38$이다.

매트릭스지원탈착(MALDI)은 시료를 기화·이온화하는 이온화(이온원) 방식이지, 생성된 이온을 질량 대 전하비에 따라 실제로 분리하는 질량분석관(analyzer)이 아니다.

비행시간(TOF)형, 사중극자형, 이중초점형은 모두 이온을 m/z에 따라 분리해내는 질량분석관의 종류에 해당한다.

전압전류법에서 실제로 측정하려는 신호는 분석물의 산화-환원 반응에서 나오는 패러데이 전류이고, 충전전류(비패러데이 전류)는 전극-용액 계면의 전기이중층을 충전하는 배경 전류로 잡음(noise)에 해당한다.

따라서 충전전류가 패러데이 전류를 만들어내거나 이를 최대화해야 한다는 설명은 틀렸다. 실제로는 신호 대 잡음비를 높이기 위해 충전전류를 최소화하는 방향으로 측정한다.

반파전위로 정성, 확산전류로 정량을 하고 적하수은전극을 쓰는 것이 폴라로그래피이며, 벗김분석에서 분석물이 전극 표면에 미리 농축되어 감도가 높다는 나머지 설명은 옳다.

전기량법(coulometric) 적정은 일정한 전류를 흘려 전극에서 적정시약을 전기화학적으로 발생시키고, 반응이 끝나는 데 걸린 시간을 정밀하게 측정해 양을 구한다. 그래서 적정전지, 일정전류원, 정밀한 전자시계는 모두 필수 구성요소이다.

반면 기체발생장치는 전류와 시간으로 전기량을 구해 몰수로 환산하는 원리 자체에 필수적인 부품이 아니어서, 반드시 필요한 것은 아니다.

기체크로마토그래피(GC)는 정의상 헬륨·질소·수소 등의 기체를 운반기체(이동상)로 사용하는 크로마토그래피이므로, 이동상은 항상 기체라는 설명이 옳다.

고정상은 컬럼 내벽에 코팅된 액체(모세관 컬럼)일 수도, 충전제 표면의 고체일 수도 있어 항상 액체이거나 항상 고체라는 설명은 옳지 않다. 이동상이 액체인 크로마토그래피는 GC가 아니라 HPLC이다.

HPLC 펌프는 미세하게 충전된 고정상을 통과시켜야 하므로 높은 압력을 안정적으로 낼 수 있어야 하고, 맥동 없는 일정한 유속, 0.5% 이내의 재현성, 다양한 용매에 대한 내식성을 갖추어야 한다.

따라서 「컬럼 길이가 길지 않으므로 펌핑 압력은 크지 않아도 된다」는 설명은 옳지 않다. HPLC 컬럼은 입자가 미세하게 충전되어 있어 짧은 컬럼이라도 상당히 높은 압력이 필요하다.

단높이(H, plate height)는 띠(피크)가 이동하며 넓어지는 정도(분산, σ²)와 그 이동 거리(x) 사이의 비례상수로, $H = \dfrac{\sigma^2}{x}$로 정의된다.

같은 길이의 컬럼이라면 단높이가 작을수록 이론단수가 많아져 분해능이 좋아지고 피크폭도 좁아지므로, 단높이가 커질수록 분해능이 좋아지거나 피크폭이 작아진다는 설명은 반대이다. 또한 이론단수는 컬럼 길이에 비례해 늘어나지만, 단높이 자체는 충전 상태 등 컬럼 특성으로 정해지는 값이라 길이가 길어진다고 저절로 작아지지 않는다.

지연지수(Rf)는 시료가 이동한 거리를 이동상(용매)이 이동한 거리로 나눈 값으로, 항상 0과 1 사이의 값을 가지며 고정상의 두께 등 조건에 따라 달라질 수 있다.

Rf 값이 1에 가깝다는 것은 시료가 용매전선 가까이까지 이동했다는 뜻으로, 이는 그 성분이 이동상에 더 잘 분배되고 정지상과의 친화력은 약하다는 것을 의미한다. 따라서 「1에 근접하면 이동상보다 정지상에 분배가 크다」는 설명은 반대로 서술되어 틀렸다.

Fourier 변환 질량분석계(FT-ICR-MS)는 강한 자기장 속에서 이온이 원운동(사이클로트론 운동)하는 원리로 질량을 분석하므로, 자기장을 핵심적으로 이용하는 방식이다.

이온포집(이온트랩)과 사중극자 질량분석계는 전기장(RF/DC)으로 이온을 가두거나 선별하고, 비행시간형은 전기장으로 가속한 뒤 자기장 없이 비행 시간을 측정하므로 자기장을 주로 이용하지 않는다.