17년 2회차

다이브로모벤젠(C₆H₄Br₂)은 벤젠고리에서 두 브로민이 치환되는 위치 관계에 따라 오르토(1,2-), 메타(1,3-), 파라(1,4-) 세 가지 구조이성질체가 존재한다.

화학식 C₄H₁₀O를 갖는 알코올은 탄소 골격과 OH 위치에 따라 1-부탄올, 2-부탄올, 2-메틸-1-프로판올(아이소부탄올), 2-메틸-2-프로판올(tert-부탄올)의 네 가지 구조이성질체가 존재한다.

탄산나트륨(Na₂CO₃)은 물에 녹으면 $\mathrm{Na_2CO_3 \rightarrow 2Na^+ + CO_3^{2-}}$로 완전히 해리되어, 화학식 하나당 나트륨이온이 2개 생긴다.

따라서 나트륨이온의 몰수는 $3.84\,\mathrm{mol} \times 2 = 7.68\,\mathrm{mol}$이다.

중성자수는 질량수에서 원자번호(양성자수)를 뺀 값이므로, 이 핵종은 $222-86=136$이 되어야 한다. 제시된 「중성자수 134」는 이 값과 달라 틀린 설명이다.

중성원자이므로 전자수는 양성자수와 같은 86, 질량수는 표기된 대로 222로 나머지 설명은 모두 옳다.

기체의 용해도는 온도가 높아질수록 감소한다. 온도가 오르면 기체 분자의 운동에너지가 커져 용액 밖으로 빠져나가기 쉬워지기 때문이다. 따라서 「온도가 증가함에 따라 용해도가 증가한다」는 설명은 반대로 서술되어 틀렸다.

탄산음료를 차게 보관하면 이산화탄소의 용해도가 높아져 김이 덜 빠지고, 잠수 시 압력이 증가하면 헨리의 법칙에 따라 혈액 속 기체의 용해량이 늘어난다는 나머지 설명은 옳다.

분자식은 C₁₀H₁₄N₂이다.

화합물 162g을 기준으로 각 원소 질량을 구하면 탄소
$162\times0.740=119.9\,\mathrm{g}$
, 수소
$162\times0.087=14.1\,\mathrm{g}$
, 질소
$162\times0.173=28.0\,\mathrm{g}$
이다.

이를 원자량으로 나누면 몰수비는 탄소
$119.9/12.0\approx10$
, 수소
$14.1/1.0\approx14$
, 질소
$28.0/14.0=2$
가 되어, 분자식은 C₁₀H₁₄N₂이다.

슈크로오스(C₁₂H₂₂O₁₁)의 몰질량은 $12\times12+22\times1+11\times16=342\,\mathrm{g/mol}$이다.

684g은 $684/342=2.00\,\mathrm{mol}$에 해당하므로, 몰농도는 $2.00\,\mathrm{mol}/4.0\,\mathrm{L}=0.50\,\mathrm{M}$이다.

암모니아(NH₃)의 몰질량은 $14.01+3\times1.008=17.03\,\mathrm{g/mol}$이므로, 56.6g은 $56.6/17.03\approx3.32\,\mathrm{mol}$에 해당한다.

여기에 아보가드로수를 곱하면 분자 개수는 $3.32\,\mathrm{mol}\times6.02\times10^{23}\,\mathrm{/mol}\approx2.00\times10^{24}$개이다.

Fe²⁺의 정량은 대표적으로 과망가니즈산 이온(MnO₄^-)을 이용한 산화-환원 적정으로 이루어진다. 농도를 아는 MnO₄^- 표준용액을 Fe²⁺ 시료에 조금씩 가하다가 모든 Fe²⁺가 산화되고 나면, 과량의 MnO₄^- 자체의 짙은 자주빛이 남아 종말점을 알려준다.

따라서 별도 지시약 없이 적정 시약 자신의 색 변화(무색→자주빛)로 종말점을 판단하는 이 방법이 옳은 설명이며, NH₄⁺는 이러한 산화-환원 적정에 쓰이는 시약이 아니다.

K, Li, Na, Cs는 모두 1족(알칼리 금속)에 속하며, 같은 족에서는 아래로 내려갈수록(원자번호가 커질수록) 전자껍질 수가 늘어나 원자 반지름이 커진다.

이 중 Li이 원자번호가 가장 작아 전자껍질 수가 가장 적으므로, 네 원소 가운데 원자 크기가 가장 작다.

산화수는 화합물이 전기적으로 중성이 되도록 각 원소 산화수의 합이 0이 되게 계산한다. NO₂에서 산소는 -2이므로 질소는 $x + 2\times(-2) = 0 \Rightarrow x = +4$가 되어 질소의 산화수가 +4이다.

HNO₃에서 질소는 +5, N₂O에서는 +1, NH₄Cl에서는 -3으로 계산되어 +4가 아니다.

몰분율은 혼합물을 이루는 모든 성분의 몰수 합(전체 몰수)에 대한 그 성분의 몰수 비로 정의된다. 즉 어떤 성분의 몰분율은 그 성분의 몰수를 자기 자신을 포함한 전체 몰수로 나눈 값이다.

그런데 제시된 설명은 「해당 성분을 제외한 나머지 성분 전체의 몰수로 나눈 것」이라 하여 분모에서 자기 자신을 빼고 있으므로 정의가 틀렸다.

메테인(CH₄)의 몰질량은 약 16.0g/mol이므로, 2.80g은 $2.80/16.0=0.175\,\mathrm{mol}$에 해당한다.

분자 개수는 $0.175\,\mathrm{mol}\times6.02\times10^{23}\,\mathrm{/mol}\approx1.05\times10^{23}$개이다.

산성 용액은 푸른 리트머스 시험지를 붉은색으로 변색시킨다. 리트머스는 산성에서 붉은색, 염기성에서 푸른색을 나타내는 지시약이므로, 산성 용액이 리트머스를 노랗게 변색시킨다는 설명은 틀렸다.

산이 물에서 H⁺ 농도를 높이고, 산-염기 반응으로 물과 염이 생기는 것을 중화반응이라 하며, 염기성 용액에서 OH^- 농도가 H⁺ 농도보다 크다는 나머지 설명은 모두 옳다.

첫 번째 반응에서 Ag+는 Ag(s)로 전자를 얻어 환원되고, Fe2+는 Fe3+로 전자를 잃어 산화된다.

두 번째 반응에서 Al3+는 Al(s)로 전자를 얻어 환원되고, Mg(s)는 Mg2+로 전자를 잃어 산화된다. 따라서 두 반응에서 산화되는 물질은 각각 Fe2+(aq)와 Mg(s)이다.

x의 값은 2.64이다.

I₂가 2.5몰에서 0.5몰로 줄었으므로 반응한 I₂는 2.0몰이고, 반응식의 1:1:2 몰비에 따라 반응한 H₂도 2.0몰, 생성된 HI는 4.0몰로 주어진 값과 일치한다.

평형상수
$K = \dfrac{[\mathrm{HI}]^2}{[\mathrm{H_2}][\mathrm{I_2}]} = 50$
에 평형 몰수를 대입하면
$50 = \dfrac{4.0^2}{(x-2.0)(0.5)}$
가 되고, 이를 풀면
$x-2.0 = 0.64$
, 즉
$x = 2.64$
가 된다.

알켄(alkene)은 탄소-탄소 이중결합을 1개 갖는 사슬형 탄화수소로, 일반식 $\mathrm{C_nH_{2n}}$을 따른다. 탄소가 6개이면 수소는 $2\times6=12$개가 되어 C₆H₁₂가 알켄에 해당한다.

C₆H₁₄는 이중결합이 없는 포화 알케인, C₆H₁₀은 불포화도가 더 높은 탄화수소, C₆H₆은 벤젠과 같은 방향족 탄화수소의 일반식에 해당해 알켄이 아니다.

NaHSO3는 아황산(H2SO3)에서 수소 하나가 나트륨으로 치환된 산성염으로, 짝이 되는 산이 황산(H2SO4)이 아니라 아황산(H2SO3)이라는 점이 핵심이다.

따라서 HSO3-는 '아황산수소' 이온이 되고, NaHSO3의 명칭은 아황산수소나트륨이다. (참고로 NaHSO4는 황산수소나트륨으로 서로 다른 화합물이다.)

이 용액의 pH는 13이다.

같은 부피를 1:1로 섞으므로 각 성분의 초기 부피를 V라 하면, NaOH가 내놓는 OH^-는
$0.40V$
몰이고, H₂SO₄는 2가산이므로 내놓는 H⁺는
$2\times0.10V=0.20V$
몰이다.

중화 후 남는 OH^-는
$0.40V-0.20V=0.20V$
몰이고 전체 부피는 2V이므로
$[\mathrm{OH^-}] = \dfrac{0.20V}{2V}=0.10\,\mathrm{M}$
이다. 이때
$\mathrm{pOH}=-\log(0.10)=1$
이므로
$\mathrm{pH}=14-1=13$
이 된다.

텔루륨(Te, 16족)과 아이오딘(I, 17족)은 같은 주기(5주기) 원소로, 주기율표에서 오른쪽으로 갈수록 유효 핵전하가 커져 전자를 떼어내기 어려워지므로 이온화에너지는 Te < I 순서를 따른다.

전자친화도 역시 할로젠족인 I가 전자 하나를 받아 안정한 옥텟을 완성하려는 경향이 16족인 Te보다 훨씬 강해 Te < I가 된다. 두 성질 모두 Te보다 I에서 더 크다는 것이 옳은 비교이다.

실제 적정에서는 지시약이 색을 바꾸는 지점(종말점)과 이론적 당량점이 항상 정확히 일치하지는 않으며, 이 차이에서 오는 오차는 시료 없이 같은 조건으로 적정하는 바탕 적정(blank titration)으로 보정할 수 있다.

역적정은 시료에 과량의 표준시약을 먼저 가한 뒤 남은 과량분을 다른 표준시약으로 다시 적정하는 방식이고, 무게 적정은 적정 시약을 부피 대신 질량으로 계량하는 방식이므로, 이들에 대한 다른 설명은 정확하지 않다.

Ksp는 특정 온도에서 일정한 값을 갖는 평형상수이며, Cl- 이온을 첨가하면 공통이온 효과로 평형이 왼쪽(고체 쪽)으로 이동해 용해도는 감소하지만, 이는 Ksp 값 자체가 변한 것이 아니라 평형의 위치만 이동한 것이다.

Ksp는 오직 온도가 변할 때만 그 값이 달라지며, 이온의 농도를 조절한다고 해서 Ksp 자체가 변하지는 않는다. 따라서 "Cl- 이온을 첨가하면 Ksp는 감소한다"는 설명이 틀렸다.

금속-리간드 결합에서 금속이온은 전자쌍을 받는 루이스 산, 리간드는 전자쌍을 주는 루이스 염기이다. EDTA는 한 자리가 아니라 여러 결합자리(질소 2개, 산소 4개)를 가진 대표적인 여러자리(육좌성) 리간드로, 금속이온 1개와 결합한다.

여러자리 리간드는 한 분자가 여러 자리로 금속에 결합하므로, 같은 수의 결합을 만드는 데 소비되는 리간드 입자 수가 한자리 리간드보다 적어 계 전체의 자유 입자 수가 늘어난다. 이 엔트로피 이득(킬레이트 효과) 때문에 여러자리 리간드가 금속과 더 강하게 결합한다.

H⁺의 활동도는 약 1.05×10⁻⁷이다.

KCl은 산도 염기도 아니므로 이 용액에서도 전하균형에 따라
$[\mathrm{H^+}]=[\mathrm{OH^-}]$
이다. 다만 열역학적 평형은 농도가 아닌 활동도로 표현되므로
$K_w = a_{H^+}a_{OH^-} = \gamma_{H^+}\gamma_{OH^-}[\mathrm{H^+}]^2 = 1.0\times10^{-14}$

이온세기 0.10M에서 $\gamma_{H^+}=0.83,\ \gamma_{OH^-}=0.76$이므로
$[\mathrm{H^+}]^2 = \dfrac{1.0\times10^{-14}}{0.83\times0.76} = 1.59\times10^{-14}$
, 즉
$[\mathrm{H^+}]\approx1.26\times10^{-7}\,\mathrm{M}$
이다.

H⁺의 활동도는
$a_{H^+}=\gamma_{H^+}[\mathrm{H^+}]=0.83\times1.26\times10^{-7}\approx1.05\times10^{-7}$
로 계산된다.

Cd²⁺는 암모니아 4분자와 반응하든 에틸렌다이아민(en) 2분자와 반응하든 결국 4개의 질소 원자가 금속에 배위되는 것은 같아 Cd-N 결합의 세기와 개수가 비슷하다. 결합의 생성·절단에서 오는 반응의 엔탈피 변화는 두 경우 모두 거의 같다고 볼 수 있다.

반면 엔트로피 변화는 크게 다르다. 두 경우 모두 금속에 붙어 있던 물 분자가 비슷한 수만큼 밀려나지만, 결합에 소비되는 리간드 입자 수는 NH₃가 4개인 데 비해 en은 2개뿐이다. 그만큼 계의 자유 입자 수가 늘어나 무질서도가 크게 증가하고, 이 엔트로피 이득이 자유에너지를 더 낮추므로 킬레이트 효과에 의해 en 착물이 더 안정해진다.

산화제로서의 세기는 표준환원전위(E°) 값이 클수록 강하다고 본다. 전자를 받아들여 환원되려는 경향이 클수록 산화력이 세기 때문이다.

제시된 산화제 중 과망간산 이온(MnO₄^-)의 E° = 1.507V로, 세륨 이온(1.44V), 중크롬산 이온(1.36V), 크롬산 이온(-0.12V)보다 값이 가장 커서 산화력이 가장 세다.

특히 크롬산 이온은 E°가 음수이므로 제시된 것들 중 산화력이 가장 약하다.

과망간산칼륨(KMnO₄)은 진한 보라색을 띠지만, 환원되어 생성되는 Mn²⁺은 거의 무색에 가깝다. 그래서 적정이 종말점에 이르러 KMnO₄ 한 방울만 더 들어가도 용액이 옅은 분홍색으로 물들며 스스로 색 변화를 나타내는 자가지시약(self-indicator) 역할을 한다.

따라서 별도의 지시약 없이 과망간산칼륨 자신을 종말점 판단에 쓰는 것이 가장 적절하다.

페로인이나 다이페닐아민 설폰산 같은 산화환원지시약은 적정 시약 자체의 색 변화가 뚜렷하지 않은 다른 산화환원 적정(예: 다이크로뮴산 적정)에서 주로 쓰인다.

EDTA 적정의 종말점은 금속이온 지시약의 색 변화, 또는 유리전극이나 이온선택성 전극을 이용한 전위차 측정으로 검출한다.

반면 가리움제(masking agent)는 방해가 되는 다른 금속이온을 미리 착화시켜 EDTA나 지시약과 반응하지 못하도록 묶어두는 시약으로, 방해물질을 제거하는 데 쓰일 뿐 그 자체로 종말점을 검출하는 수단은 아니다.

Fe²⁺을 Ce⁴⁺로 적정하는 반응은 Ce⁴⁺ + Fe²⁺ → Ce³⁺ + Fe³⁺이며, 당량점에서는 [Ce³⁺]=[Fe³⁺], [Fe²⁺]=[Ce⁴⁺] 관계가 성립한다.

그런데 이런 산화환원 적정은 당량점 부근에서 전위가 오히려 매우 급격하게(가파르게) 변하기 때문에, 별도의 산화-환원 지시약 없이도 전위차법만으로 종말점을 정확히 검출할 수 있다. 따라서 '당량점 부근의 전위 변화가 미세하여 산화-환원지시약을 반드시 써야 한다'는 설명은 실제와 반대되므로 틀린 설명이다.

BaSO₄ 포화용액에 황산이나 BaCl₂를 넣으면 각각 SO₄^2-, Ba²⁺라는 공통이온이 늘어나 용해도가 낮아지므로 BaSO₄가 석출된다. Ksp가 온도에 따라 달라지는 평형상수라는 설명도 옳다.

반면 소금물(NaCl)을 넣는 것은 공통이온이 아닌 반응에 관여하지 않는 불활성 전해질을 넣는 것이다. 이 경우 오히려 이온세기가 커지면서 이온들의 활동도 계수가 낮아져 용해도가 증가하는 염 효과가 나타나므로, BaSO₄가 석출된다는 설명은 틀렸다.

물 속에서 산이 내놓은 H⁺는 실제로는 홀로 존재하지 않고 물 분자와 결합하여 하이드로늄 이온(H₃O⁺) 형태로 존재한다.

반면 알코올이나 다이에틸에테르는 산성이라 보기 어려운 중성에 가까운 물질로 OH나 다른 수소가 쉽게 해리되지 않으며, 페놀 역시 약하게나마 산성을 띠어 OH의 H가 일부 해리되므로 각 보기의 설명은 사실과 어긋난다.

침전물인 옥살산칼슘(CaC₂O₄)을 도가니에 거른 뒤 강하게 가열(강열)하면, 먼저 CaCO₃로 분해되었다가 붉은 불꽃 정도의 고온에서는 CO₂까지 완전히 날아가면서 최종적으로 산화칼슘(CaO)만 남는다.

이렇게 안정한 산화물 형태로 만들어 무게를 재는 것이 무게분석법(중량법)에서 칼슘을 정량하는 표준적인 방법이다.

이온세기에 따른 활동도 계수 보정(데바이-휘켈 이론)은 원래 전하를 띤 이온들의 정전기적 상호작용을 다루기 위한 것이다.

전하가 없는 중성분자는 이온세기가 작을 때(0.1M 미만) 주변 이온들과의 정전기적 상호작용이 거의 없다고 보아 활동도 계수를 1로 취급한다.

ppb는 10^-9(10억분의 1)에 해당하는 질량비 단위이며, 1kg = 10⁶mg이다.

$14 \times 10^{-9} \times 1{,}000{,}000\ \mathrm{mg} = 0.014\ \mathrm{mg}$

따라서 과자 1kg에서 검출된 아플라톡신의 양은 0.014mg이다.

이 반응은 엔탈피와 엔트로피가 모두 감소하는 전형적인 경우로, 특정 온도보다 낮은 온도에서 자발적으로 진행될 가능성이 크다.

깁스 자유에너지 변화는
$\Delta G^\circ = \Delta H^\circ - T\Delta S^\circ$
로 나타나며, 이 반응은 $\Delta H^\circ$와 $\Delta S^\circ$가 모두 음수이다.

온도가 낮을수록 $-T\Delta S^\circ$ 항(양수)이 작아져 $\Delta G^\circ$가 음수가 되기 쉽고, 온도가 높아질수록 이 항이 커져 $\Delta G^\circ$가 양수로 바뀌어 비자발적이 된다.

두 전극에서의 산화-환원 반응이 자발적으로 일어나면서, 그 화학에너지가 외부 도선을 통해 전기에너지로 변환되는 전지를 갈바니 전지(볼타 전지)라고 한다.

이는 외부에서 전기를 가해 비자발적 반응을 억지로 일으키는 전해 전지와 대비되는 개념이다.

이동하는 전자 수가 서로 다른 두 반쪽반응(Fe3+/Fe2+는 전자 1개, Tl3+/Tl+는 전자 2개)이 관여하는 산화환원 적정에서, 당량점 전위는 각 반쪽반응의 전자 수를 가중치로 한 평균으로 구한다.

$E_{eq} = \dfrac{n_1 E^\circ_1 + n_2 E^\circ_2}{n_1+n_2} = \dfrac{1\times0.77 + 2\times1.28}{1+2} = \dfrac{3.33}{3} \approx 1.11\,\mathrm{V}$로 계산된다.

녹말 같은 고유 지시약을 제외한 일반적인 산화환원 지시약은, 산-염기 지시약이 용액의 pH에 반응해 색이 변하는 것과 비슷한 원리로, 적정이 진행되면서 변하는 계(용액)의 전극 전위(산화환원 전위)에 반응하여 자신의 산화형과 환원형 사이에서 색이 바뀐다.

지시약 자체가 고유한 표준전위를 갖고 있어, 적정 용액의 전위가 그 값 부근을 지날 때 색 변화가 일어나는 것이다.

NaCN은 강염기(Na⁺)와 약산(HCN)의 짝염기(CN^-)로 이루어진 염이므로, 물에 녹으면 CN^-가 가수분해되어 염기성을 띤다.

$K_b = \dfrac{K_w}{K_a} = \dfrac{1.0\times10^{-14}}{4.9\times10^{-10}} \approx 2.04\times10^{-5}$

$[\mathrm{OH^-}] \approx \sqrt{K_b \times C} = \sqrt{2.04\times10^{-5} \times 0.028} \approx 7.6\times10^{-4}\ \mathrm{M}$이므로 pOH ≈ 3.12, 따라서 pH = 14 - 3.12 ≈ 10.9이다.

초산(CH₃COOH) 6g을 분자량 60g/mol로 나누면 몰수는 $\dfrac{6\ \mathrm{g}}{60\ \mathrm{g/mol}} = 0.1\ \mathrm{mol}$이다.

이를 500mL(0.5L) 용액으로 만들었으므로 몰농도는 $\dfrac{0.1\ \mathrm{mol}}{0.5\ \mathrm{L}} = 0.2\ \mathrm{M}$이 된다.

원자스펙트럼선의 폭이 넓어지는 대표적인 원인으로는 원자의 열운동에 따른 도플러 넓힘(온도), 다른 입자와의 충돌에 의한 압력(충돌) 넓힘, 그리고 자기장 속에서 에너지준위가 갈라지는 제만 효과(자기장) 등이 있다.

반면 에너지준위 자체는 스펙트럼선이 나타나는 파장(위치)을 결정할 뿐, 선의 폭을 넓히는 물리적 요인은 아니다.

원자흡수·방출 스펙트럼에서 선의 폭(나비)이 좁을수록 파장이 가까운 다른 원소의 스펙트럼선과 겹쳐서 발생하는 분석방해(스펙트럼 중첩 방해)를 피하기 쉬워진다.

그래서 원자선의 나비를 좁게 유지하는 것이 선택성과 정확한 분석을 위해 중요하다.

230nm는 자외선(UV) 영역에 해당한다. 이 영역에서 연속적인 복사선을 방출하는 광원으로는 중수소(듀테륨, D₂) 램프가 대표적이며, 대략 160~375nm 범위를 커버한다.

텅스텐 램프는 가시광선~근적외선, 네른스트 글로워와 글로바는 적외선 영역의 광원이므로 230nm 방출에는 적합하지 않다.

적외선 분광기에서는 파장(nm) 대신 파수(wavenumber)를 흔히 사용하며, 그 단위는 $\mathrm{cm^{-1}}$(파장의 역수, cm 단위)이다.

파수는 에너지에 정비례하는 값이라 스펙트럼을 다루기 편리해서 IR 분광법에서 표준적으로 쓰인다.

유리와 석영은 중적외선 영역의 빛을 강하게 흡수하기 때문에 시료용기(셀) 재질로 쓸 수 없다.

대신 소금 결정(NaCl, KBr 등)은 적외선 영역에서 투명하여 시료용기(셀)나 창(window) 재질로 널리 사용된다.

기체 분무화(pneumatic nebulization)는 용액 시료를, 직접주입은 고체 시료를, 글로우 방전 튕김(스퍼터링)은 전도성 고체 시료를 도입하는 방법으로 짝이 맞다.

반면 초음파 분무화(ultrasonic nebulization)는 고체가 아니라 용액 시료를 미세한 에어로졸로 만들어 도입하는 방법이므로, '초음파 분무화 - 고체'라는 짝은 틀린 설명이다.

흡광도와 투과도의 관계는 $A = -\log T$이므로, $T = 10^{-A}$로 구할 수 있다.

$T = 10^{-0.38} \approx 0.417$, 즉 투과되는 자외선의 분율은 약 42%이다.

빛의 에너지는 파장에 반비례한다($E = \dfrac{hc}{\lambda}$). 에너지가 3배 크다는 것은 파장이 1/3로 줄어든다는 뜻이다.

$\lambda_2 = \dfrac{530\ \mathrm{nm}}{3} \approx 177\ \mathrm{nm}$이므로, 구하는 파장은 약 177nm이다.

적외선 영역은 파장에 따라 근적외선(약 0.78~2.5㎛), 중적외선(약 2.5~50㎛), 원적외선으로 나뉘는데, 원적외선은 파장이 가장 긴 약 50~1000㎛ 범위에 해당한다.

원자흡수분광법(AAS)에서 스펙트럼(배경) 방해를 보정하는 대표적인 방법으로 연속광원 보정, 제만(Zeeman) 효과를 이용한 보정, 광원 자체반전에 의한 보정 등이 있다.

반면 보호제(protective agent)를 이용하는 것은 시료 중 다른 성분이 분석물과 반응해 원자화를 방해하는 화학적 방해를 줄이기 위한 방법이지, 스펙트럼 방해를 제거하는 방법은 아니다.

Beer 법칙이 실제로 잘 들어맞지 않게 되는 근본적(고유한) 한계로는 큰 농도에서 분자 간 상호작용, 농도에 따른 매질의 굴절률 변화, 그리고 전해질의 해리로 흡광 화학종의 농도 자체가 달라지는 경우 등이 꼽힌다.

반면 단색의 복사선을 쓰는 것은 Beer 법칙이 성립하기 위한 전제조건(기기적 요구사항)이며, 이를 완전히 만족하지 못했을 때 생기는 오차는 기기적 편차에 해당할 뿐 Beer 법칙 자체가 갖는 실질적인 한계 항목으로 보기는 어렵다.

적외선을 흡수하려면 진동할 때 쌍극자 모멘트가 변해야 한다. O₂, N₂, Cl₂는 같은 원자 두 개로 이루어진 대칭 분자라 쌍극자 모멘트가 없고 신축 진동을 해도 그 값이 변하지 않아 적외선에 대해 비활성이다.

반면 HCl은 서로 다른 원자로 이루어진 극성 분자라 고유한 쌍극자 모멘트를 가지며, 진동에 따라 그 크기가 변하므로 적외선을 잘 흡수한다.

어떤 분자가 적외선을 흡수하려면 진동(또는 회전) 운동을 하는 동안 분자 내 쌍극자 모멘트의 크기가 변해야 한다는 선택규칙을 만족해야 한다.

분자구조가 사면체이거나 공명구조·π결합을 갖는다는 것만으로는 적외선 흡수 여부가 결정되지 않는다.

분산형(dispersive) 적외선 분광기는 회절격자 등으로 이루어진 단색화장치(monochromator)를 이용해 파장을 하나씩 분리해서 측정한다.

반면 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광기는 마이컬슨 간섭계를 이용해 모든 파장을 한 번에 측정한 뒤 계산으로 스펙트럼을 얻으므로 단색화장치가 필요 없다. 광원과 검출기는 두 방식 모두에서 공통으로 필요하다.

이온화 계수기, 비례 계수기, Geiger 관은 모두 관 속에 기체를 채우고 X선이 기체를 이온화시켜 생긴 이온쌍을 전극에서 전기신호로 검출하는 대표적인 기체충전변환기이다.

반면 증강 계수기는 이렇게 기체를 채운 관에서 이온쌍을 만들어 검출하는 방식이 아니므로 기체충전변환기로 분류되지 않는다.

핵스핀의 세차운동 주파수(라모 주파수)는 $\nu = \dfrac{\gamma B}{2\pi}$의 관계를 따른다.

$B = \dfrac{2\pi \nu}{\gamma} = \dfrac{2\pi \times (100\times10^{6}\ \mathrm{Hz})}{3.0\times10^{8}\ \mathrm{T^{-1}s^{-1}}} \approx 2.1\ \mathrm{T}$이므로, 필요한 자석의 세기는 약 2.1T이다.

초전도자석은 코일에 한 번 전류를 흘려 초전도 상태를 만들면 저항 없이 전류가 계속 흐르기 때문에, 일반 전자석보다 더 세고 균일하며 재현성 높은 자기장을 만들 수 있다. 이 상태를 유지하기 위해 Nb/Ti 또는 Nb/Sn 합금선으로 감은 솔레노이드를 극저온으로 냉각해 사용한다.

자기장을 유지하는 데 전자석처럼 큰 전력을 계속 공급할 필요가 없으므로, '구조가 복잡해 작동비가 많이 든다'는 서술은 초전도자석의 특징으로 보기 어렵다.

해수에는 약 3%에 이르는 다량의 NaCl이 들어 있어, 전처리 없이 그대로 ICP-AES로 분석하면 나트륨·염소로 인한 스펙트럼·매트릭스 방해가 크게 나타난다.

따라서 먼저 질산(HNO₃)으로 시료 중 유기물을 분해한 다음, 분석하려는 납(Pb)을 NaCl 매트릭스로부터 분리해 낸 뒤 ICP-AES로 측정하는 것이 방해를 줄이는 적절한 전처리 방법이다.

핵자기공명(NMR) 분광법은 자기장 속에서 핵스핀의 에너지 준위를 뒤집는 데 필요한, 상대적으로 낮은 에너지의 전자기파인 라디오파(radio frequency) 영역을 이용한다.

분광기의 분해능은 $R = \dfrac{\lambda}{\Delta\lambda}$로 정의되며, 여기서 λ는 두 선의 평균 파장, Δλ는 두 선의 파장 차이다.

나트륨 이중선의 평균 파장은 $\dfrac{589+589.6}{2} = 589.3\ \mathrm{nm}$, 파장 차이는 0.6nm이므로 $R = \dfrac{589.3}{0.6} \approx 982.2$이다.

얇은 층 크로마토그래피의 지연인자는 R_f = (출발선에서 반점 중심까지 거리) ÷ (출발선에서 용매선단까지 거리)로 정의된다. 두 거리를 같은 눈금자로 재기만 하면 되고 단위는 약분되어 사라진다.

그림의 눈금자로 읽으면 출발선은 두 번째 눈금, 용매선단은 아홉 번째 눈금에 있어 용매 전개거리는 눈금 7칸이다. 시료 반점의 중심은 출발선과 용매선단의 정중앙, 즉 출발선에서 약 3.5칸 떨어진 곳에 있다.

따라서 R_f = 3.5 ÷ 7 = 0.50이다. R_f는 항상 0과 1 사이 값이며, 값이 클수록 이동상을 따라 멀리 이동한(고정상에 덜 붙잡힌) 성분이다.

질량분석기의 대표적인 시료도입장치로는 고체 시료를 직접 넣는 직접 도입장치, 휘발성 시료를 저장조에 넣어 서서히 흘려보내는 배치식 도입장치, 그리고 GC·HPLC 등과 연결하는 크로마토그래피 도입장치가 있다.

이와 달리 '펠렛식 도입장치'는 질량분석기의 일반적인 시료도입 방식으로 쓰이지 않는다.

사중극자(quadrupole) ICP-MS는 분해능이 낮아 질량이 비슷한 다원자 이온의 간섭에 취약하다. 예를 들어 Fe(질량수 56)는 ArO⁺와, Se(질량수 80)은 Ar₂⁺와 질량이 겹쳐 간섭 없이 고감도로 측정되기 어렵다. Ar 플라즈마가 고온이라도 H₂O⁺·ArO⁺ 같은 다원자 이온의 생성 자체를 막지는 못하며, F처럼 이온화에너지가 Ar보다 큰 할로겐 원소는 Ar 플라즈마로도 완전히 이온화시키기 어렵다.

반면 ICP에 결합한 섹터(이중수렴)형 질량분석장치는 분해능이 높아 분석 대상 이온과 질량이 비슷한 방해 이온을 갈라낼 수 있다. 또한 이온이 자기장·전기장을 거치며 휘어져 나가는 기하 구조 덕분에 플라스마에서 나온 빛(광자)이 검출기로 곧장 들어오지 않아, 사중극자 장치에서 필요한 광자 차단판(photon baffle)을 두지 않아도 되고 그만큼 이온 손실 없이 높은 감도를 유지할 수 있다.

갈바니전지에 실제로 전류가 흐르면 이상적인 평형 기전력과 실제 측정되는 전위 사이에 차이(과전압, overvoltage)가 생기며, 이는 보통 저항에 의한 전위 강하(IR 강하), 농도편극 과전압, 전하이동편극 과전압으로 나누어 설명한다.

저항 전위는 전해질과 전극·도선의 저항 때문에 생기는 전위 손실이고, 농도편극 과전압은 전극 표면과 벌크 용액 사이의 농도 차이(물질전달 한계)에서, 전하이동편극 과전압은 전극 반응(전자 이동) 자체의 속도가 느려서 생기는 손실이다.

반면 압력 과전압이라는 용어는 전류에 따른 전위 변화 요인으로 통상 다루어지지 않는 항목이며, 갈바니전지의 실제 작동전위를 설명하는 표준적인 과전압 분류에는 포함되지 않는다.

초미립 세라믹 분말처럼 산에 잘 녹지 않는 고체 시료를 원자화 장치에 직접 도입하는 방법으로는 전열 가열법(전열증기화), 레이저 증발법(레이저 어블레이션), 글로우방전법이 대표적이다. 이들은 모두 시료를 녹이지 않고 고체 상태 그대로 증기화하거나 스퍼터링하여 원자화기(또는 플라스마)로 보낸다.

반면 fritted disk 분무법은 시료 용액을 미세한 다공성 유리판을 통해 분무하는 기법으로, 시료가 이미 용액 상태로 준비되어 있어야 적용할 수 있다. 즉 고체를 녹이지 않고 바로 넣는 방식이 아니라 액체 시료의 분무·도입법에 해당하므로 고체 직접 도입법에서 제외된다.

기체크로마토그래피(GC)에서 널리 쓰이는 대표 검출기는 불꽃이온화검출기(FID), 전자포획검출기(ECD), 열전도도검출기(TCD)이다. FID는 유기화합물 전반에, ECD는 할로겐 등 전자친화성 화합물에, TCD는 범용(비파괴)으로 널리 사용된다.

시차굴절률검출기(RI detector)는 시료와 이동상의 굴절률 차이를 이용하는 검출기로, 액체크로마토그래피(HPLC)에서 주로 사용되며 기체 상태 분석물에는 적용하기 어렵다. 따라서 GC에서 보편적으로 사용되는 검출기에 해당하지 않는다.

액체크로마토그래피 이동상으로 쓰이는 용매의 극성을 비교하면, 물은 강한 수소결합 능력과 큰 쌍극자모멘트를 가져 제시된 용매 중 극성이 가장 크다.

아세토나이트릴과 메탄올은 물보다는 극성이 작지만 어느 정도 극성을 띠는 용매이며, 톨루엔은 비극성에 가까운 방향족 탄화수소로 극성이 가장 작다. 따라서 극성이 가장 큰 용매는 물이다.

전자충격 이온화(EI)는 높은 에너지(보통 70eV)의 전자빔으로 시료 분자를 이온화하는 방법으로, 분자에 과잉의 에너지가 전달되어 결합이 끊어지는 조각화(fragmentation)가 매우 많이 일어난다.

반면 화학이온화, 장이온화, MALDI와 같은 방법은 상대적으로 부드러운(soft) 이온화 방식으로, 분자이온을 온전히 유지하면서 이온화하여 조각화가 적게 일어난다. 그래서 분자량 정보를 얻으려면 이런 소프트 이온화법이 선호되고, 구조 규명을 위한 조각화 정보가 필요할 때는 전자충격 이온화가 유리하다.

열중량분석법(TGA)은 시료를 가열하면서 질량 변화를 온도(또는 시간)에 따라 측정하는 방법이다. 폴리에틸렌을 가열하면 고분자 성분은 분해·연소되어 질량이 감소하지만 카본블랙은 잔류 질량으로 남으므로, 이 잔류량으로부터 카본블랙 함량을 정량할 수 있다.

DSC(시차주사열량법)와 DTA(시차열분석)는 열량(에너지) 변화를, TMA(열기계분석)는 치수·부피 변화를 측정하는 방법으로 질량 변화 자체를 측정하지 않으므로 카본블랙 정량에는 적합하지 않다.

열무게분석(TGA)은 시료의 질량 변화를 온도 또는 시간의 함수로 연속 기록하는 기법이다. 그래서 장치의 핵심 부품은 미소한 무게 변화를 실시간으로 읽어 내는 감도가 매우 좋은 분석저울(열저울, thermobalance)이며, 보통 마이크로그램 수준의 변화까지 감지한다.

제시문에 이미 나열된 나머지 구성요소는 시료를 가열하는 전기로, 불활성·산화 분위기를 만드는 기체 주입장치, 온도와 무게 신호를 제어·기록하는 마이크로컴퓨터/마이크로프로세서다. 빈칸에는 이들과 겹치지 않으면서 무게를 감지하는 부분이 들어가야 한다.

시린저는 크로마토그래피에서 시료를 주입하는 기구이고, 검출기는 분광·크로마토그래피 장치의 신호 검출부이며, 온도계 기능은 전기로의 온도 제어부에 이미 포함되어 있다. TGA에서 측정하는 물리량은 온도가 아니라 무게임을 기억하면 된다.

GLC(기체-액체크로마토그래피)에서 고체지지체는 단단해서 잘 깨지지 않고, 단위 부피당 비표면적이 커야 하며, 액체 정지상을 얇고 균일하게 도포할 수 있어야 좋은 분리 성능을 낸다.

또한 입자의 모양과 크기가 균일해야 충전이 고르게 이루어지고 칼럼 내 흐름 저항과 띠 퍼짐(band broadening)이 균등해져 분리능이 향상된다. 따라서 입자 모양과 크기가 불균일하여야 한다는 조건은 고체지지체가 갖추어야 할 조건과 반대되는 설명이다.

이 전지는 두 이온의 농도가 모두 1.0M인 표준상태이므로 표준환원전위를 그대로 사용할 수 있다.

전지 표시에서 왼쪽의 Zn에서 산화가, 오른쪽의 Cu2+에서 환원이 일어나므로 전지의 표준전위는 $E^\circ_{cell} = E^\circ_{cathode} - E^\circ_{anode} = 0.337 - (-0.763) = 1.10\,\mathrm{V}$가 된다.

전기분석법은 기기장치가 비교적 저렴하고, 화학종의 농도가 아니라 활동도(activity)에 대한 정보를 주며, 한 원소의 특정 산화상태에 대해 선택적으로 측정된다는 점이 대표적인 특징으로 꼽힌다.

여기서 말하는 선택성은 '어떤 원소의 특정 산화상태'를 구별한다는 뜻이지, 여러 성분이 뒤섞인 복잡한 시료 전체에 대한 선택성을 보장한다는 뜻이 아니다. 실제로 복잡한 시료에서는 비슷한 전위·전류 응답을 보이는 공존 성분의 방해를 받기 쉬워 별도의 분리나 매트릭스 보정이 필요하다. 따라서 복잡한 시료에 대한 선택성이 있다는 설명은 전기분석법의 특징으로 옳지 않다.

기준전극은 전위가 안정적이고 재현성이 높아 다른 전극의 전위를 측정하는 기준으로 삼을 수 있어야 하는데, Ag/AgCl 전극은 이러한 조건을 잘 만족하여 실제 분석 현장에서 가장 널리 쓰이는 기준전극이다.

Cu/Cu²⁺, Cd/Cd²⁺, Zn/Zn²⁺ 전극은 금속-금속이온 반쪽전지로, 전위가 이온 농도에 민감하게 변하고 재현성이 떨어져 기준전극으로는 거의 사용하지 않는다.

순환 전압-전류법은 정주사 방향으로 전위를 걸었다가 역주사 방향으로 원래 전위까지 되돌리는 파형을 사용하며, 가역적인 산화환원계에서는 양극봉우리 전류와 음극봉우리 전류의 크기가 거의 같고, 두 봉우리 전위의 차이는 $0.0592/n$ V 정도로 나타난다는 것이 전형적인 특징이다.

그러나 순환 전압-전류법의 봉우리 전류는 확산에 의해 결정되어 주사속도의 제곱근에 비례하는 반면, 펄스차이 폴라로그래피는 충전(축전) 전류를 억제하도록 설계된 별도의 파형과 전류 측정 방식을 사용한다. 따라서 작업전극의 표면적이 같더라도 두 방법에서 얻어지는 전류의 크기는 서로 달라, 두 전류가 거의 같다는 설명은 옳지 않다.

기울기용리는 분석 도중 이동상 용매의 혼합비를 연속적으로 변화시켜 극성(또는 세기)이 다른 여러 용매를 조합해 사용하는 용리법으로, 성분들의 머무름을 조절해 분리시간을 크게 단축시킬 수 있다. 이는 기체크로마토그래피에서 온도를 단계적으로 변화시켜 분리를 최적화하는 승온분석과 원리가 유사하다.

기울기용리의 핵심은 오히려 극성이 서로 다른 두 가지 이상의 용매를 함께 사용하는 데 있으므로, 극성이 다른 용매는 사용할 수 없다는 설명은 기울기용리의 정의와 반대되는 내용이다.

질량분석계의 질량분석 장치(질량분리기)는 이온을 질량 대 전하비에 따라 물리적으로 분리하는 원리에 따라 사중극자형, 자기장 부채꼴형, 그리고 자기장과 전기장을 함께 쓰는 이중초점(이중집속)형 등으로 구분한다.

반면 원소 질량 분석기는 무엇을 분석하는가(원소 분석용)에 따라 붙인 응용상의 이름이지, 이온을 분리하는 물리적 원리에 따른 질량분석 장치의 종류가 아니다. 따라서 질량분석 장치를 이용하는 방법의 분류에는 해당되지 않는다.

매트릭스지원 탈착 이온화(MALDI)는 분석물을 매트릭스 물질과 함께 결정화한 뒤 레이저를 조사해 이온화하는 소프트 이온화법으로, 단백질과 같이 분자량이 매우 크고 극성이 강한 생화학 고분자도 분해(조각화) 없이 통째로 이온화할 수 있어 분자량 정보를 얻기에 가장 유용하다.

장이온화, 화학이온화, 전자충격이온화는 상대적으로 작은 분자나 휘발성이 있는 시료에 적합하며, 특히 전자충격이온화는 조각화가 심해 거대 생체고분자의 분자량 확인에는 적절하지 않다.

분리 대상으로 제시된 음이온과 할로겐화물, 지방산(카복실기가 해리된 음이온)은 모두 음전하를 띤 상태로 거동하므로, 이들을 붙잡아 분리하려면 음이온교환수지가 필요하다. 양이온교환수지는 양전하를 띤 화학종을 붙잡는 수지이므로 이 목적에는 맞지 않는다.

음이온교환수지 중에서도 강염기성 음이온교환수지는 항상 이온화되어 있는 4차 암모늄기를 작용기로 가지고 있어 넓은 pH 범위에서 교환 능력을 유지한다. 그래서 지방산처럼 약한 산에서 유래해 이온화가 억제되기 쉬운 화학종까지 안정적으로 잡아둘 수 있고, 여러 성분이 섞인 시료를 한 조건에서 분리하는 데 유리하다.

반면 약염기성 음이온교환수지는 작용기가 산성 영역에서만 이온화되어 사용할 수 있는 pH 범위가 좁으므로, 제시된 여러 성분을 함께 분리하기에는 강염기성 음이온교환수지가 더 적절하다.

전지를 통해 이동한 전자가 하는 전기적 일은 전하량과 전위차의 곱으로 구한다. 전자 $2.00\ \mathrm{mmol}$이 이동할 때 전하량은 $Q = n \times F = 2.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \times 96500\ \mathrm{C/mol} = 193\ \mathrm{C}$이다.

따라서 전기적 일은 $W = Q \times E = 193\ \mathrm{C} \times 2.00\ \mathrm{V} \approx 386\ \mathrm{J}$로 계산된다.