16년 2회차

보기 중 세 개는 옥텟 규칙(또는 확장 옥텟)을 정확히 만족한다. AsH₃는 비소에 H 3개가 결합하고 비공유 전자쌍 1쌍이 남아 8전자, PF₅는 인이 F 5개와 결합해 확장 옥텟 10전자를 갖고 F마다 3쌍씩 비공유 전자쌍을 가지며, NF₃는 질소에 F 3개와 비공유 전자쌍 1쌍으로 8전자를 채운다.

문제가 되는 것은 삼아이오딘화 이온 [I−I−I]⁻이다. 총 원자가 전자 수는 7 × 3 + 1 = 22개이고, 결합 2개에 4개를 쓰면 18개가 남아 비공유 전자쌍 9쌍을 배치해야 한다. 양 끝 아이오딘에 3쌍씩(6쌍) 두면 중심 아이오딘에 3쌍(6전자)이 남아야 하며, 중심 원자는 결합 2개까지 합쳐 10전자의 확장 옥텟을 갖는다.

그런데 그림의 구조는 양 끝 아이오딘에만 3쌍씩 그리고 중심 아이오딘에는 2쌍만 그려 놓아 전자 총수가 20개에 그친다. 전자 2개(1쌍)가 빠져 있으므로 이 루이스 구조식이 옳지 않다.

같은 주기(3주기)에서는 원자번호가 커질수록 유효핵전하가 증가해 전자를 더 세게 끌어당기므로 원자반지름이 작아진다. 따라서 3주기 원소인 S와 Cl 중에서는 원자번호가 더 큰 Cl의 반지름이 S보다 작다.

F는 2주기 원소로 3주기 원소들보다 전자껍질 수가 적어 원자반지름이 가장 작다. 따라서 작은 것부터 큰 순서로 나열하면 F, Cl, S가 된다.

HCl은 수용액에서 거의 완전히 이온화되는 강산인 반면, HF, 아세트산(CH₃COOH), 차아염소산은 모두 부분적으로만 이온화되는 약산이다.

따라서 제시된 물질 중 산의 세기가 가장 강한 것은 HCl이다.

NaOH 용액의 농도는 0.1141 M이다.

KHP는 1가산이므로 NaOH와 1:1 몰비로 반응한다(KHP + NaOH → NaKP + H₂O).

KHP의 몰수는 $\text{n(KHP)} = \frac{0.5468\text{ g}}{204.2\text{ g/mol}} = 0.002679\text{ mol}$이며, 반응한 NaOH의 몰수도 동일하다.

따라서 NaOH 용액의 농도는 $\text{M(NaOH)} = \frac{0.002679\text{ mol}}{0.02348\text{ L}} = \frac{0.002679}{0.02348} = 0.1141\text{ M}$이다.

균형화학반응식은 P₄O₁₀ + 6H₂O → 4H₃PO₄이다. P₄O₁₀ 142g은 142/284 = 0.5몰, H₂O 180g은 180/18 = 10몰이다. 반응비 1:6에서 0.5몰의 P₄O₁₀에 필요한 H₂O는 3몰이므로 H₂O가 과량이고 P₄O₁₀가 한계반응물이다. 생성되는 H₃PO₄은 0.5몰×4 = 2몰이므로 질량은 2×98 = 196g이다.

하이드로늄 이온의 농도는 2.0×10^-9 M이다.

물의 이온화 상수 $K_w = [H^+][OH^-] = 1.0 \times 10^{-14}$ (25°C)를 이용한다.

주어진 수산화 이온 농도 $[OH^-] = 5.0 \times 10^{-6}$ M을 대입하면,
$[H^+] = \frac{K_w}{[OH^-]} = \frac{1.0 \times 10^{-14}}{5.0 \times 10^{-6}} = \frac{1.0}{5.0} \times 10^{-14-(-6)} = 0.2 \times 10^{-8} = 2.0 \times 10^{-9}$
M이다.

염기성 용액에서 I^-는 산화되어 I₂가 되고($2\mathrm{I^-} \rightarrow \mathrm{I_2} + 2\mathrm{e^-}$), MnO₄^-는 환원되어 MnO₂가 된다($\mathrm{MnO_4^-} + 2\mathrm{H_2O} + 3\mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{MnO_2} + 4\mathrm{OH^-}$).

전자 수를 맞추기 위해 산화 반쪽반응에 3을, 환원 반쪽반응에 2를 곱해 더하면 $6\mathrm{I^-} + 2\mathrm{MnO_4^-} + 4\mathrm{H_2O} \rightarrow 3\mathrm{I_2} + 2\mathrm{MnO_2} + 8\mathrm{OH^-}$가 되어 원자 수와 전하가 모두 균형을 이룬다.

산이 짝염기가 되는 관계는 H⁺ 하나를 잃는 것이고, 염기가 짝산이 되는 관계는 H⁺ 하나를 얻는 것이다. H₂O가 염기로 작용해 H⁺를 받으면 H₃O⁺가 되고, HSO₃⁻가 산으로 작용해 H⁺를 내놓으면 SO₃²⁻가 되며, NH₃가 염기로 작용해 H⁺를 받으면 NH₄⁺가 되는데, 이는 모두 올바른 관계다.

반면 HCO₃⁻가 산으로 작용해 H⁺를 내놓으면 CO₃²⁻가 되어야 한다. H₂CO₃는 HCO₃⁻가 반대로 염기로 작용해 H⁺를 받아들였을 때 생기는 짝산이므로, 이 설명은 틀렸다.

그림의 구조식은 이중결합을 이룬 두 탄소 중 왼쪽 탄소에 CH₃(위쪽)와 H(아래쪽)가, 오른쪽 탄소에 H(위쪽)와 CH₂CH₃(아래쪽)가 붙어 있다.

주사슬을 펴서 쓰면 CH₃-CH=CH-CH₂-CH₃로 탄소 5개이므로 모체는 펜텐이고, 이중결합이 2번 탄소에서 시작하므로 2-펜텐이다.

기하 이성질체는 이중결합 각 탄소에 붙은 큰 치환기의 배치로 정한다. 여기서는 메틸기가 이중결합 위쪽, 에틸기(CH₂CH₃)가 아래쪽으로 서로 반대편에 있으므로 트랜스형이다. 따라서 이 화합물의 이름은 트랜스-2-펜텐이 된다.

몰랄농도는 용질 1 mol당 용매의 질량(kg)으로 정의된다. 질량백분율 10.0% NaCl 수용액은 용액 100 g 중 NaCl 10 g, 물 90 g을 포함한다는 의미다. NaCl의 몰수를 구하면 10 g ÷ 58.44 g/mol = 0.1712 mol이고, 용매 물의 질량은 90 g = 0.090 kg이다. 몰랄농도 = 용질의 몰수 ÷ 용매의 질량(kg) = 0.1712 mol ÷ 0.090 kg = 1.90 m이다.

고체, 액체, 기체 세 상이 함께 평형을 이루는 온도·압력 조건은 삼중점(triple point)이라 부른다. 반면 임계점(critical point)은 온도와 압력을 계속 높여갈 때 액체와 기체의 경계가 사라지는 지점으로, 이 지점 이상에서 나타나는 물질의 상태를 초임계 유체라 한다.

따라서 세 상이 공존하는 조건을 임계점이라 하고 그 상태를 초임계 유체라 부른다는 설명은 삼중점과 임계점의 정의를 서로 바꾸어 쓴 것으로 틀렸다.

승화·증착에 대한 설명, 클라우지우스-클라페이론식에 대한 설명, 물이 낮은 몰질량에도 끓는점이 높고 고체 밀도가 액체보다 낮다는 설명은 모두 옳은 내용이다.

생성된 CO₂의 부피 백분율은 약 10.5 vol%이다.

탄소 1몰 연소에 필요한 이론산소량은 1몰(C+O₂→CO₂)이며, 100% 과잉공기이므로 실제 공급 산소는 2몰이 된다.

공기 중 산소가 21vol%이므로 공급 공기량은 $2/0.21 = 9.52$몰이고, 이 중 질소는 $9.52 - 2 = 7.52$몰이다.

반응 후 생성물은 CO₂ 1몰, 미반응 O₂ 1몰(2몰 공급 중 1몰만 반응), N₂ 7.52몰이므로 전체 몰수는 $1+1+7.52 = 9.52$몰이다.

따라서 CO₂ 부피비는
$1/9.52 \times 100 ≈ 10.5$
vol%이다.

카보닐기(C=O) 양쪽에 모두 탄소가 결합한 화합물은 케톤(ketone)이다.

알데하이드는 카보닐기의 한쪽에 수소가 결합하고, 알코올·페놀은 카보닐기가 아닌 하이드록시기(-OH)를 가지며, 에테르는 산소 양쪽에 탄소가 결합하지만 카보닐기가 없는 구조여서 이 조건에 해당하지 않는다.

사슬형 알칸의 탄소는 sp³ 궤도함수로 이웃 원자와 결합하며, 이 결합각은 정사면체 구조에 따라 모두 109.5도를 이룬다.

탄소-탄소 단일결합은 자유롭게 회전할 수 있는 결합으로, 이 회전 때문에 서로 다른 형태(conformation)를 갖는 회전이성질체가 존재하게 된다. 따라서 단일결합각이 자유 회전이 불가능하다는 설명은 틀렸다.

중성분자에서 구성원자들의 산화수 합은 0이고 이온에서는 그 합이 이온의 전하량과 같다는 것, 알칼리금속은 항상 +1, 알칼리토금속은 항상 +2의 산화수를 가진다는 것은 옳은 규칙이다.

반면 수소는 대부분의 화합물에서 +1이지만, NaH나 CaH₂와 같은 금속수소화물에서는 금속보다 전기음성도가 커서 -1의 산화수를 가진다. 따라서 수소가 예외없이 항상 +1이라는 설명은 틀렸다.

질소의 몰질량은 28 g/mol이므로 N₂ 7.0 g은 $\dfrac{7.0}{28} = 0.25\,\mathrm{mol}$이다.

반응식 $\mathrm{N_2} + 3\mathrm{H_2} \rightarrow 2\mathrm{NH_3}$에서 N₂와 NH₃의 몰비는 1:2이므로, 생성되는 NH₃는 0.50 mol이며 표준상태 부피는 $0.50 \times 22.4 = 11.2\,\mathrm{L}$이다.

일반적으로 원자 사이의 첫 번째 결합은 오비탈이 정면으로 겹치는 시그마(σ) 결합이고, 추가되는 결합은 오비탈이 옆면으로 겹치는 파이(π) 결합이다.

N₂ 분자의 삼중결합은 1개의 시그마 결합과 2개의 파이 결합으로 이루어져 있으며, 이는 N 원자 사이의 결합 차수를 3으로 만드는 전형적인 구조다.

제시된 이름들은 모두 같은 규칙을 따르고 있다. 수소와 결합한 상대 원자(또는 원자단)의 이름 뒤에 '-화 수소산'을 붙이는 방식이다. HCl은 염소에서 온 '염화 수소산', H₂S는 황에서 온 '황화 수소산', HCN은 사이안기에서 온 '시안화 수소산'으로 이름이 만들어졌다.

같은 규칙을 HF에 적용하면 수소와 결합한 원자는 플루오린(F)이므로 플루오린화 수소산이 된다. 흔히 쓰는 관용명으로는 불화수소산이라고도 한다.

나머지 후보들은 탄소·질소 이름을 조합한 것으로, HF에는 존재하지도 않는 원소를 끌어들인 이름이라 규칙과 맞지 않는다.

MnO₄⁻에서 산소는 화합물 내에서 보통 -2의 산화수를 가지므로 산소 4개의 산화수 합은 -8이다.

이온 전체의 전하가 -1이므로 Mn의 산화수를 x라 하면 $x+(-8)=-1$이 되어 $x=+7$이다.

35℃에서 물 100g에 KCl이 최대 40g까지 녹을 수 있으므로, 물 20g에 녹을 수 있는 최대량은 $40\ \mathrm{g}\times\dfrac{20\ \mathrm{g}}{100\ \mathrm{g}}=8\ \mathrm{g}$이다.

실제로 녹아있는 KCl은 5g으로 최대 용해 가능량인 8g보다 적으므로, 이 용액은 아직 더 녹을 수 있는 불포화 용액 상태다.

완충용액의 pH는 이온세기와 온도에 의존한다는 점에서, 의존하지 않는다는 설명이 틀렸다.

완충용액의 pH는 헨더슨-하셀바흐식 $pH=pK_a+\log\dfrac{[\mathrm{A^-}]}{[\mathrm{HA}]}$으로 구하는데, 여기 쓰이는 $pK_a$는 실제로는 이온세기에 따라 변하는 값이고 $K_a$ 자체도 온도에 따라 달라진다.

완충용량이 클수록 pH 변화에 대한 저항이 커진다는 것, 약염기와 그 짝산으로도 완충용액을 만들 수 있다는 것, 산과 짝염기의 농도비가 1:1일 때 완충용량이 가장 크다는 것은 모두 완충용액의 올바른 성질이다.

트리스(Tris) 완충용액에서 짝염기(트리스, B)와 짝산(트리스 염화수소, BH⁺)이 각각 0.050mol씩 같은 양으로 들어있으므로, Henderson-Hasselbalch식에서 $\log\dfrac{[B]}{[BH^+]}=\log 1=0$이 된다.

따라서 $pH=pK_a(BH^+)+0=8.075$가 되며, 부피(500mL)는 두 성분의 몰비가 1:1이라는 사실에는 영향을 주지 않는다.

과망간산 이온(MnO₄⁻)은 진한 보라색을 띠지만 환원되어 Mn²⁺가 되면 거의 무색이 되므로, 적정이 진행되는 동안 산화제 자신의 색 변화만으로 종말점을 알 수 있다. 이 때문에 과망간산 적정에서는 별도의 지시약이 필요 없다.

세륨 이온이나 중크롬산 이온, 아이오딘 등도 산화-환원적정의 산화제로 쓰이지만 이 정도로 뚜렷한 자체 색 변화를 내지 않아 보통 별도의 지시약을 사용한다.

HCl, HNO₃, H₂SO₄(첫 번째 양성자 기준)는 물에서 거의 완전히 이온화하는 강산인 반면, 인산(H₃PO₄)은 부분적으로만 이온화하는 약산으로 이온화 상수가 이들 강산보다 훨씬 작다.

따라서 제시된 산 중 가장 약한 산은 인산이다.

적정 반응이 성립하려면 반응이 빠르게 완결되어야 하고 화학양론에 따라 정량적으로 진행되어야 하며, 종말점을 검출할 수 있는 적절한 방법이 있어야 한다.

또한 반응이 거의 완전히 한쪽으로 진행되어야 하므로 평형상수 K는 매우 커야 한다. K가 작으면 반응이 충분히 진행되지 않아 당량점 부근에서 급격한 신호 변화가 나타나지 않으므로 적정에 이용하기 어렵다.

침전적정에서 당량점 부근의 신호 변화가 뚜렷하게 나타나려면 생성되는 침전의 용해도곱(Ksp)이 작을수록 유리하다. 용해도곱이 작을수록 침전이 거의 완전히 생성되어, 당량점 근처에서 적정액을 미량만 더해도 이온 농도가 급격히 변하기 때문이다.

반대로 용해도곱이 크면 생성된 침전이 일부 다시 녹아 당량점 부근의 농도 변화가 완만해지므로, 용해도곱이 커야 당량점이 뚜렷해진다는 설명은 성립하지 않는다.

또한 분석물질의 농도가 낮아질수록 당량점 부근의 변화 폭도 함께 작아지므로, 농도가 낮을수록 당량점이 뚜렷해진다는 설명도 옳지 않다.

당량점에서 사용된 EDTA의 몰수는 $0.02\ \mathrm{M}\times0.0333\ \mathrm{L}=6.66\times10^{-4}\ \mathrm{mol}$이다.

EDTA와 아연 이온은 1:1로 반응하므로 시료 속 아연의 몰수도 $6.66\times10^{-4}\ \mathrm{mol}$이며, 아연 원자량 63.58을 곱하면 $6.66\times10^{-4}\times63.58\approx0.0423\ \mathrm{g}$이 된다.

과포화 용액은 평형상 녹을 수 있는 양보다 더 많은 용질이 녹아 있는 불안정한 상태다. 여기에 용질을 더 넣거나 저어서 자극을 주면 초과로 녹아있던 용질이 결정으로 석출되기 시작한다.

석출은 용액이 평형에 도달할 때까지, 즉 용해도만큼만 녹아있는 포화 용액 상태가 될 때까지 계속된다.

Maleic acid(H₂A)는 이양성자산으로, 0.10M×10.0mL=1.0mmol이 들어있어 중화에 필요한 총 H⁺는 2.0mmol이다. 첫 번째 당량점(H₂A → HA⁻)에는 NaOH 1.0mmol(10.0mL)이, 두 번째 당량점(HA⁻ → A²⁻)에는 총 2.0mmol(20.0mL)이 필요하다.

가해준 NaOH 0.10M×15.0mL=1.5mmol은 정확히 첫 번째와 두 번째 당량점 사이의 중간 지점(15.0mL)에 해당하며, 이 지점에서는 HA⁻와 A²⁻의 농도가 같아져 $\mathrm{pH}=pK_2=6.3$이 된다.

무게분석에서 침전을 생성시킬 때는 여과·세척 과정에서 손실이 없도록 용해도가 작은 침전을 만들어야 하며, 여과가 쉽고 순수하며 조성이 일정한 침전이 얻어지도록 조건을 조절해야 한다.

침전의 용해도를 크게 해야 한다는 조건은 이와 반대로, 오히려 침전 일부가 용액에 남아 손실로 이어지므로 무게분석에서 고려해야 할 사항과는 거리가 멀다.

EDTA는 4개의 카복시기와 2개의 아민기를 가진 다양성자성 화합물로, 완전히 양성자화된 형태(H₆Y²⁺)에서부터 짝염기(Y⁴⁻)까지 여러 단계의 산 해리를 거친다. 따라서 EDTA를 단순히 이양성자 계라고 하는 것은 틀렸다.

EDTA는 대부분의 금속이온과 1:1의 몰비로 강한 킬레이트 착물을 형성하며, 이 성질 덕분에 주기율표상 거의 모든 금속 원소를 정량하는 데 널리 쓰이는 대표적인 킬레이트제다.

산-염기 적정에서 지시약으로 종말점을 뚜렷이 검출하려면 당량점 부근에서 pH가 급격하게 변해야 한다. 강산-강염기 조합은 상대적으로 뚜렷한 pH 변화를 보인다.

하지만 두 성분이 모두 약산과 약염기이고 그마저도 0.001M로 매우 묽은 경우에는 당량점 부근의 pH 변화가 완만해져서 지시약으로 종말점을 구분하기가 가장 어렵다.

전하균형식은 용액 내 모든 양이온의 전하량 합과 음이온의 전하량 합이 같다는 것을 나타낸다. 이 용액에는 +1가 양이온인 H⁺, K⁺와 -1가 음이온인 OH^-, HSO₄^-, -2가 음이온인 SO₄^2-가 존재한다.

각 이온의 전하수를 계수로 반영하면 $[\mathrm{H^+}] + [\mathrm{K^+}] = [\mathrm{OH^-}] + [\mathrm{HSO_4^-}] + 2[\mathrm{SO_4^{2-}}]$가 되며, SO₄^2-는 2가 음이온이므로 반드시 2를 곱해주어야 한다.

EDTA 적정의 종말점은 금속이온 지시약의 색 변화, 이온에 반응하는 이온 선택성 전극, 유리전극을 이용한 전위차 측정 등으로 검출할 수 있다.

빛의 산란(탁도 측정)은 주로 침전적정에서 생성물의 혼탁도를 이용하는 방법으로, EDTA 착물 형성 반응 자체는 침전을 만들지 않으므로 EDTA 적정의 종말점 검출법으로는 사용하지 않는다.

산화제는 반응에서 자신은 환원되면서 다른 물질을 산화시키는 물질이다. Ag⁺와 Fe²⁺가 반응하는 식에서는 Ag⁺(aq)가 전자를 얻어 Ag(s)로 환원되고 Fe²⁺는 Fe³⁺로 산화되므로, 산화제는 Ag⁺이다.

Al³⁺와 Mg(s)가 반응하는 식에서는 Al³⁺(aq)가 전자를 얻어 Al(s)로 환원되고 Mg(s)는 산화되어 Mg²⁺가 되므로, 이 반응의 산화제는 Al³⁺이다.

먹는 물처럼 밀도가 1 g/mL인 수용액에서 ppb는 질량비 10^-9을 뜻하므로, 물 1 L(=1000 g=1,000,000 mg)을 기준으로 하면 10 ppb는 $10 \times 10^{-9} \times 1{,}000{,}000\ \mathrm{mg} = 0.01\ \mathrm{mg}$에 해당한다.

즉 벤젠 10 ppb는 물 1 L당 벤젠 0.01 mg이 들어 있다는 뜻이며, ppb를 mg/L로 환산할 때 10^-9을 100만 mg/L에 곱하는 자릿수 계산을 정확히 해야 이 값이 나온다.

메틸렌블루는 대표적인 산화-환원 지시약으로, 산화형이 푸른색이고 환원형(류코메틸렌블루)은 무색이다. 환원형이 푸른색을 띤다는 서술은 산화형과 환원형의 색을 뒤바꿔 설명한 것이므로 틀렸다.

디페닐아민설폰산은 산화형이 붉은 보라색, 환원형이 무색으로 뚜렷하게 변색해 산화-환원 적정 지시약으로 널리 쓰이고, 페로인은 반대로 환원형(Fe²⁺ 착물)이 붉은색을 띠며 약 1.1~1.2V(vs 표준수소전극) 부근에서 변색한다. 이 두 설명은 실제 성질과 일치한다.

목표 pH 10.0은 H₂CO₃의 2차 해리상수(Ka2=4.69×10^-11, pKa2≈10.33)에 가까운 값이므로, HCO₃^-/CO₃^2- 완충계를 이용해 pH를 맞추는 문제다. Henderson-Hasselbalch식 $\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_{a2} + \log\dfrac{[\mathrm{CO_3^{2-}}]}{[\mathrm{HCO_3^-}]}$에 pH=10.0을 대입하면 $\dfrac{[\mathrm{CO_3^{2-}}]}{[\mathrm{HCO_3^-}]} \approx 0.47$이 된다.

0.5M HCl 100mL(=0.05mol의 H⁺)는 첨가한 Na₂CO₃(n mol) 중 일부를 CO₃^2-→HCO₃^-로 전환시킨다. HCO₃^- 생성량은 0.05mol, 남은 CO₃^2-는 (n-0.05)mol이 되므로 비율식을 풀면 n≈0.073mol이고, 여기에 몰질량 106.0 g/mol을 곱하면 약 7.8 g이 필요하다.

몰수는 질량을 몰질량으로 나눈 값이므로 $n = \dfrac{20\ \mathrm{g}}{122.1\ \mathrm{g/mol}} \approx 0.1638\ \mathrm{mol}$이고, 이를 밀리몰(mmol) 단위로 바꾸면 약 164 mmol이다.

0.164, 1.64, 16.4는 g→mol 변환이나 mol→mmol 변환(1000배) 과정에서 자릿수를 놓쳤을 때 나올 수 있는 값이다.

반쪽전지 전위 E는 약 -0.356V이다.

반쪽반응 $\mathrm{As(s)} + 3\mathrm{H^+} + 3\mathrm{e^-} \rightleftharpoons \mathrm{AsH_3(g)}$는 As(s)의 활동도가 1이므로 Nernst식이
$E = E^{\circ} - \dfrac{0.05916}{3}\log\dfrac{P_{\mathrm{AsH_3}}}{[\mathrm{H^+}]^3}$
로 쓰인다.

pH=3.00에서 $[\mathrm{H^+}] = 10^{-3}\,\mathrm{M}$이고, AsH₃의 분압 1.00 mbar는 $1.00\times10^{-3}\,\mathrm{bar}$이므로 이를 대입하면
$\dfrac{P_{\mathrm{AsH_3}}}{[\mathrm{H^+}]^3} = 10^{6}$
이 되고,
$E = -0.238 - \dfrac{0.05916}{3}\times 6 \approx -0.356\,\mathrm{V}$
로 계산된다.

이 화합물은 말단 알카인(≡C-H)과 에스터(-COO-) 작용기를 함께 갖는 구조로, 3300~2900cm^-1 부근의 흡수대는 말단 알카인의 ≡C-H 신축진동, 3000~2700cm^-1은 -CH₃·-CH₂- 등 sp³ C-H 신축진동, 1900~1650cm^-1은 에스터의 C=O 신축진동에 해당한다는 설명은 모두 타당하다.

반면 2400~2100cm^-1 부근의 약한 흡수대는 단일결합 C-O가 아니라 C≡C(삼중결합) 신축진동을 나타내는 특성 영역이다. 이 흡수대를 -C-O- 구조와 연결 짓는 설명은 흡수 영역과 작용기를 잘못 짝지은 것이므로 틀렸다.

열적잡음(Johnson 잡음)은 $V_{rms} = \sqrt{4kTR\Delta f}$로 나타나며, 저항이 커지거나 온도가 올라가면 커지고 특정 주파수에 치우치지 않아 백색 잡음이라 불린다. 저항·온도에 대한 설명과 백색 잡음이라는 명칭은 모두 맞다.

다만 열적잡음의 크기를 결정하는 것은 신호를 취하는 대역폭(Δf)이지 신호의 주파수 자체가 아니다. 백색 잡음이므로 주파수를 낮춘다고 잡음이 줄어드는 것이 아니라 대역폭을 좁혀야 줄어들므로, "주파수를 낮추면 감소한다"는 설명이 틀렸다.

%T=39.6%에서 흡광도는 $A = -\log(0.396) \approx 0.402$이다. 농도는 3.75mg/100mL를 몰농도로 바꾸면 $c = \dfrac{0.0375\ \mathrm{g/L}}{220\ \mathrm{g/mol}} \approx 1.70\times10^{-4}\ \mathrm{mol/L}$이다.

Beer-Lambert 법칙 $A=\varepsilon b c$에 셀 길이 1.50cm를 대입해 몰흡광계수를 구하면 $\varepsilon = \dfrac{0.402}{1.50 \times 1.70\times10^{-4}} \approx 1.57\times10^{3}\ \mathrm{L\,mol^{-1}\,cm^{-1}}$가 된다.

자외선-가시광선 흡수봉우리의 위치와 세기는 발색단의 공액(콘주게이션) 정도, 용매의 극성(용매 효과), 치환기에 의한 입체 장애 등 분자 구조·전자적 요인에 크게 영향을 받는다.

반면 도플러 효과는 원자의 열운동으로 인해 빛의 진동수가 미세하게 퍼지는 현상으로, 원자흡수·원자방출 스펙트럼의 선폭을 넓히는 요인일 뿐 분자의 UV-Vis 흡수띠 세기·위치를 결정하는 요소는 아니다. 따라서 도플러 효과가 가장 거리가 먼 요소다.

겹빛살(double-beam) 분광광도계는 광원에서 나온 빛을 시료와 기준(참조) 두 경로로 나누어 측정한 뒤 그 비를 취하기 때문에, 측정 중 광원세기가 서서히 변하거나 편류(drift)가 생겨도 시료·기준 양쪽에 똑같이 반영되어 그 영향이 상쇄된다는 점이 가장 큰 장점이다.

슬릿 폭을 넓게 또는 좁게 쓸 수 있다거나 응답시간이 빠르다는 것은 빛살을 둘로 나누는 구조 자체에서 비롯되는 이점이 아니다. 오히려 빛을 나누는 만큼 시료로 가는 광량은 줄어들며, 겹빛살 기기의 핵심 이점은 광원·검출기의 느린 변동을 실시간으로 상쇄해 안정한 흡광도를 얻는 데 있다.

원자방출분광법(AES)에서 가장 널리 쓰이는 플라즈마 광원은 유도결합 플라즈마(ICP)다. 아르곤 기체에 고주파 자기장을 걸어 형성하며, 온도가 높고 안정적이어서 다원소 동시분석에 적합하다.

직류 플라즈마(DCP)나 아크 플라즈마, 마이크로파 유도 플라즈마(MIP)도 존재하지만 감도·안정성·범용성 면에서 ICP만큼 널리 쓰이지는 않는다.

원자흡수분광법(AAS)의 대표적 바탕보정법은 Zeeman 효과를 이용한 방법, 광원 자체반전(self-reversal, Smith-Hieftje법), 연속광원(중수소 램프)을 이용한 방법 세 가지다.

선형회귀(linear regression)는 검량선을 작성할 때 쓰는 통계적 기법이지, AAS의 바탕 흡수를 실시간으로 보정하는 방법이 아니므로 바탕보정법에 해당하지 않는다.

유도방출은 이미 들뜬 상태에 있는 레이저 매질의 입자가, 자발적으로 내놓을 광자와 정확히 같은 에너지를 가진 광자의 충격을 받아 동일한 에너지·위상·방향의 광자를 추가로 방출하는 현상이다. 이 설명이 유도방출의 정의에 부합한다.

펌핑은 전자를 바닥상태가 아니라 더 높은 에너지 준위(들뜬 상태)로 올리는 과정이며, 빛살증폭이 일어나려면 유도방출로 생긴 광자수가 흡수로 잃는 광자수보다 많아야 한다. 또한 3단계·4단계 준위 레이저계는 오히려 분포반전을 달성하기 쉬운 구조이므로, 나머지 세 설명은 사실과 반대로 되어 있다.

나노 입자 표면의 코팅 물질만 확인하려면 ATR(감쇠전반사)이나 확산반사(DRIFTS)처럼 표면 근처 정보를 선택적으로 얻는 방법, 또는 코팅층을 적절한 용매로 추출해 액체 셀에서 측정하는 방법이 적합하다.

반면 시료 전체를 곱게 갈아 Nujol이나 KBr에 섞어 측정하는 방법은 입자 내부(벌크)와 표면 코팅 물질의 신호가 함께 섞여 나오므로, 코팅 물질만을 선택적으로 확인해야 하는 이 목적에는 적절하지 않은 준비법이다.

X선 형광분광법에서 나타나는 대표적인 매트릭스 효과는 다른 원소의 형광을 여기시켜 신호가 커지는 증강효과, 시료 성분이 X선을 흡수해 신호가 줄어드는 흡수효과, 시료의 입자 크기·표면 상태에 따라 나타나는 산란효과다.

"반전효과"는 XRF의 매트릭스 효과로 분류되는 용어가 아니므로 해당하지 않는다.

광전압 전지, 광전증배관(PMT), 규소다이오드 검출기는 모두 입사광의 광자가 직접 전자를 방출·이동시켜 신호를 만드는 광자변환기(photon transducer)에 속한다.

반면 볼로미터(bolometer)는 복사선을 흡수해 생긴 온도 변화를 저항 변화로 검출하는 열검출기(thermal transducer)이므로 광자변환기가 아니다.

적외선 흡수분광법은 진동에 따라 쌍극자 모멘트가 변하는 분자에서만 신호가 나타난다. CO₂, NH₃, NO₂는 비대칭 신축이나 굽힘 진동에서 쌍극자 모멘트가 변하므로 적외선으로 정량이 가능하다.

반면 O₂는 동핵 이원자 분자로, 유일한 진동 모드(신축)에서도 대칭성 때문에 쌍극자 모멘트가 전혀 변하지 않는 적외선 비활성(IR-inactive) 분자다. 따라서 적외선 흡수분광법으로는 O₂를 정량분석할 수 없다.

유도결합플라스마(ICP) 분광법은 방출분광법이어서 시료 원자·이온이 스스로 낸 빛을 측정하며, 원소마다 별도의 속빈음극램프 같은 광원이 필요 없다. 그래서 여러 원소의 방출선을 동시에 검출기(다채널 분광기 등)로 측정할 수 있어 다원소 동시분석에 유리하다.

반면 원자흡수분광법(AAS)은 흡수분광법이라 원소별로 그 원소 고유 파장을 내는 광원(속빈음극램프)이 있어야 흡수를 측정할 수 있어 원소마다 광원을 바꿔가며 순차적으로 분석해야 한다. 플라스마 온도나 아르곤 사용 자체는 다원소 동시분석 능력의 직접적 이유는 아니다.

핵자기공명(NMR)은 자기장 속에 놓인 핵스핀이 특정 라디오파(radio frequency) 영역의 에너지를 흡수하며 스핀 상태가 전이되는 현상을 이용한다.

자외선(UV)·가시광선(VIS)은 전자전이, 마이크로파는 회전전이를 다루는 분광법에 쓰이므로 NMR과는 관련이 없다.

광자 에너지는 $E = \dfrac{hc}{\lambda}$로 구한다. h=6.63×10^-34 J·s, c=3.00×10⁸ m/s, λ=500nm=5.00×10^-7 m을 대입하면 $E = \dfrac{6.63\times10^{-34} \times 3.00\times10^{8}}{5.00\times10^{-7}} \approx 4.00\times10^{-19}\ \mathrm{J}$이다.

지수 계산에서 자릿수를 잘못 다루면 10^-10 자리의 값이 나올 수 있으나, 올바르게 계산하면 10^-19 자리의 값이 된다.

가시선·자외선 영역에서는 빛을 잘 투과시키는 석영(quartz)을 시료용기(셀) 재질로 사용한다. 유리는 자외선을 흡수하므로 자외선 영역에는 쓸 수 없다.

NaCl, KBr, TlI 같은 할로겐화물 결정은 적외선 영역에서 투명하기 때문에 적외선 분광법의 셀·창 재질로 쓰이며, 가시선·자외선용 셀 재질로는 적합하지 않다.

불꽃 원자흡수분광법에서 해방제(releasing agent)는 방해 성분과 우선적으로 반응해, 분석 원소가 난휘발성(내화성) 화합물에 묶여 원자화되지 못하는 것을 막아 주는 시약이다. N₂O-C₂H₂ 불꽃에서 몰리브덴(Mo)을 분석할 때 칼슘염이 일으키는 화학적 방해는 알루미늄(Al)염을 해방제로 넣어 없앤다.

란타넘(La)이나 스트론튬(Sr)은 주로 칼슘·마그네슘을 정량할 때 인산염 등이 일으키는 방해를 없애는 해방제로 쓰이고, EDTA는 분석 원소와 안정한 가용성 착물을 만들어 난휘발성 화합물이 생기는 것을 막는 보호제(protective agent)에 해당해 이 경우와는 쓰임이 다르다.

단색화 장치(monochromator)는 여러 파장이 섞인 빛을 좁은 파장 대역으로 분산·선택하는 장치로, 입사·출사 슬릿과 빛을 파장별로 분산시키는 회절발(회절격자) 또는 프리즘으로 구성된다.

광원은 단색화 장치에 빛을 공급하는 별도의 구성요소일 뿐, 단색화 장치 자체를 이루는 부품은 아니다.

투광도 측정의 불확정도는 계측기 자체의 한계에서 비롯되는데, 눈금(디지털 표시)의 제한된 분해능, 검출기의 암전류와 증폭기 잡음, 열검출기에서 생기는 Johnson(열적) 잡음 등이 대표적인 근원이다.

반면 전도도검출기 잡음은 이온크로마토그래피 등 전기전도도 측정에서 나타나는 잡음으로, 빛의 투과율(투광도)을 광학적으로 측정할 때 발생하는 불확정도의 근원과는 관계가 없다.

필요한 수은(Hg) 질량은 $1000\ \mathrm{mg/L} \times 0.100\ \mathrm{L} = 100\ \mathrm{mg}$이다. 이 수은을 HgCl₂로 공급하려면 화학식량 비를 곱해야 하므로 $100\ \mathrm{mg} \times \dfrac{271.6}{200.6} \approx 135.4\ \mathrm{mg}$의 HgCl₂가 필요하다.

단순히 수은의 원자량이나 HgCl₂의 화학식량 값을 그대로 답으로 고르면 화학식량 비를 반영하지 않은 오답이 된다.

필요한 환원 전극 전위는 약 0.19V이다.

99.99% 환원되었으므로 남은
$[\mathrm{Cu^{2+}}] = 0.1\ \mathrm{M} \times (1-0.9999) = 1\times10^{-5}\ \mathrm{M}$
이다.

네른스트식 $E = E^0 + \dfrac{0.0592}{n}\log[\mathrm{Cu^{2+}}]$에 n=2, E⁰=0.339V를 대입하면
$E = 0.339 + \dfrac{0.0592}{2}\log(10^{-5}) = 0.339 - 0.148 \approx 0.19\ \mathrm{V}$
가 된다.

이때 이동한 전자수 n=2를 빠뜨리고 0.0592를 그대로 곱하면 $0.339 - 0.296 \approx 0.043\ \mathrm{V}$가 나오므로, 남은 농도 계산과 n 값을 함께 확인해야 한다.

제시된 특징 가운데 결정적인 두 가지는 글리세롤 같은 액체 매트릭스에 시료를 녹인다는 것과 큰 운동에너지를 가진 아르곤 등 중성 원자를 충돌시킨다는 것이다. 이 두 조건을 동시에 만족하는 것은 빠른 원자충격(FAB) 이온화다.

FAB에서는 고속 중성 원자빔이 매트릭스 표면과 충돌하면서 에너지를 전달해 시료 분자를 손상 없이 기체 상태 이온으로 튀어나오게 한다. 시료를 가열해 기화시킬 필요가 없으므로 분자량이 크거나 열적으로 불안정한 극성 화학종에도 쓸 수 있다.

다른 방법들과 구분하면, 전자충격 이온화는 기화시킨 시료에 전자빔을 쏘는 방식이라 열에 약하거나 무거운 분자에는 부적합하고, 전기분무 이온화는 시료 용액을 고전압 노즐로 분무해 이온을 얻으므로 아르곤 원자빔이나 글리세롤 매트릭스와 무관하다. 매트릭스지원 레이저 탈착/이온화는 고체 유기 매트릭스와 레이저를 쓰는 방법으로, 액체 글리세롤 매트릭스에 원자빔을 쏘는 이 조건과 다르다.

기체-액체 크로마토그래피(GLC)는 기체인 이동상과 고체 지지체 표면에 코팅된 액체 정지상 사이에서, 분석물이 두 상에 대한 용해도 차이에 따라 분배(partition)되면서 분리가 일어난다.

흡착이나 이온교환은 정지상이 고체 표면 활성점을 갖는 흡착 크로마토그래피나 이온교환수지를 쓰는 크로마토그래피에서 일어나는 상호작용으로, 정지상이 액체 막인 GLC의 분리 메커니즘과는 다르다.

크로마토그래피의 분리능은 머무름 인자(k), 충진물 입자의 지름(단높이·확산에 영향), 정지상 표면 액체막의 두께(물질전달 저항에 영향) 등에 따라 달라진다.

정지상은 칼럼에 고정되어 흐르지 않으므로 "정지상의 속도"라는 개념 자체가 성립하지 않아 분리능에 영향을 미치는 인자로 보기 어렵다.

단백질을 가수분해해 생긴 아미노산은 대개 형광 유도체화 시약(OPA, 플루오레스카민 등)으로 유도체화한 뒤 형광 검출기로 검출하는데, 형광검출은 감도가 매우 높아 미량 아미노산 분석에 널리 쓰인다.

굴절률 검출기는 감도가 낮아 미량분석에 부적합하고, 적외선 검출기는 액체 크로마토그래피에서 일반적으로 쓰이지 않으며, UV/VIS 흡수 검출기는 아미노산 자체의 흡광도가 낮아 유도체화 없이는 형광검출만큼 감도가 좋지 않다.

전압전류법에서 사용하는 대표적인 들뜸 전위신호로는 선형주사(linear sweep), 시차펄스(differential pulse), 네모파(square wave), 그 외 계단파나 삼각파(순환전압전류법) 등이 있다.

"원형주사"는 전압전류법에서 쓰이는 표준적인 들뜸 신호 파형이 아니므로 해당하지 않는다.

Kováts 머무름 지수는 노말 알칸의 탄소수에 100을 곱한 값을 기준으로, 미지 시료의 보정 머무름 시간에 로그를 취해 두 알칸 사이에서 내삽하여 구한다.

$I = 100\left[n + \dfrac{\log t'_{R(\text{미지})} - \log t'_{R(n)}}{\log t'_{R(N)} - \log t'_{R(n)}}\right]$

표에서 n-butane(탄소수 n = 4)이 100 s, n-pentane(탄소수 N = 5)이 316 s, 미지 시료가 200 s이다. 미지 시료가 두 알칸 사이에서 용리되었으므로 그대로 대입하면

$I = 100\left[4 + \dfrac{\log 200 - \log 100}{\log 316 - \log 100}\right] = 100\left[4 + \dfrac{0.301}{0.500}\right] = 100 \times 4.602 \fallingdotseq 460$

따라서 미지 시료의 머무름 지수는 약 460이다. 참고로 알칸 자체의 머무름 지수는 탄소수 × 100으로, n-butane은 400, n-pentane은 500이며 계산값이 그 사이에 놓이는 것으로 검산이 된다.

전기화학 전지에서 물질이 전극으로 이동하는 질량이동 방식은 농도 기울기에 의한 확산(diffusion), 용액의 흐름에 의한 대류(convection), 전기장에 이온이 끌려 이동하는 이동(migration) 세 가지로 나뉜다.

접촉(junction)은 서로 다른 두 전해질 용액이 맞닿는 경계(액체접합)를 가리키는 용어일 뿐, 물질이 전극 쪽으로 운반되는 질량이동 메커니즘은 아니다.

병진운동을 하는 입자의 운동에너지는 고전역학의 기본식인 $KE = \dfrac{1}{2}mv^2$으로 나타낸다. 여기서 m은 이온의 질량, v는 가속된 이온의 속도이다.

자기장 부채꼴 분석기에서 이온은 가속전위에 의해 얻은 운동에너지로 자기장 영역에 진입하며, 이 운동에너지식은 질량분석기의 질량-전하비 산출식을 유도하는 기초가 된다.

폴라로그램에서 확산전류는 분석물질의 농도에 비례하며, 한계전류에서 잔류전류를 뺀 값으로 정의된다. 이 두 설명은 옳다.

반면 반파전위는 금속이온과 결합하는 리간드(착화제)의 종류에 따라 값이 달라진다. 즉 금속이온과 착화제의 종류에 따라 반파전위가 다르다는 설명이 맞고, 리간드의 영향을 받지 않는다는 설명은 이와 정면으로 모순되므로 틀린 서술이다.

시차주사 열량법(DSC)은 시료와 기준물질 사이의 열흐름 차이를 온도의 함수로 측정하는 기법으로, 녹는점 강하를 이용한 순도 측정, 결정화 정도, 유리전이온도 확인에 널리 쓰인다.

열팽창·수축 정도는 온도에 따른 시료의 치수(부피) 변화를 직접 측정하는 열기계분석(TMA)이나 팽창계로 얻는 정보이며, 열의 출입을 재는 DSC로는 직접 얻을 수 없다.

전압-전류법(voltammetry)은 작업전극에 전압을 변화시키면서 전류를 측정하는 방법으로, 순환 전압-전류법처럼 삼각파형 전압을 걸어 산화-환원 거동을 연구하는 것이 대표적인 응용이다. 이 세 설명은 전압-전류법의 정의와 일치한다.

반면 "일정 전위에서의 전류량을 측정한다"는 설명은 전압을 고정해 놓고 전류를 재는 정전위(암페로메트리) 방식에 해당하는 것으로, 전압을 변화시키는 것이 핵심인 전압-전류법의 정의와는 어긋난다.

열무게분석법(TGA)은 온도를 조절하며 시료의 질량 변화를 측정하는 기법으로, 질량을 재는 분석저울, 온도를 올리는 전기로, 분위기 기체를 흘려주는 기체 주입장치가 기본 구성요소다.

회절발(회절격자)은 빛을 파장별로 분산시키는 분광기기의 부품으로, 질량 변화를 온도의 함수로 재는 TGA 장치에는 필요하지 않다.

그림의 질량스펙트럼은 m/z가 커지는 방향으로 큰 피크 M — 작은 피크 a — M과 비슷한 높이의 큰 피크 b — 작은 피크 c 순서로 네 개의 선이 나타난다. 발문대로 M은 ¹²CH₃⁷⁹Br(m/z 94)에 해당한다.

M보다 1만큼 큰 a는 M+1 피크로 ¹³C가 들어간 화학종(m/z 95), M보다 2만큼 큰 b는 M+2 피크로 ⁸¹Br이 들어간 화학종(m/z 96)이다. 그리고 3만큼 큰 c는 M+3 피크로 ¹³C와 ⁸¹Br이 동시에 들어간, 즉 두 원소의 무거운 동위원소가 함께 기여한 화학종(m/z 97)이다. 이 설명이 옳다.

나머지는 모두 틀렸다. a는 잡음이 만든 위성피크가 아니라 ¹³C 동위원소 때문에 생긴 실제 피크이고, 브로민의 동위원소는 ⁷⁹Br·⁸¹Br 두 개뿐이며 피크가 넷인 것은 탄소와 브로민 동위원소의 조합 때문이다. 또 M과 b의 높이가 거의 같은 이유는 ⁷⁹Br와 ⁸¹Br의 존재비가 약 50 : 50이기 때문이지 ¹³C 때문이 아니다(¹³C의 천연 존재비는 약 1.1%에 불과해 a와 c가 작게 나온다).

시료와 기준물질을 같은 온도 프로그램으로 가열하면서 두 물질 사이에 흘러 들어간 열량(열흐름)의 차이를 시료온도의 함수로 측정하는 방법은 시차주사 열량법(DSC)이다.

열무게측정(TG)법은 질량 변화를, 시차열분석(DTA)법은 열흐름이 아닌 시료-기준물질 간 온도 차이 자체를 측정한다는 점에서 DSC와 구별된다.

선택인자(α)는 두 물질의 머무름인자(용량인자, k′)의 비로 구한다. 머물지 않는 물질의 머무름시간(정지시간) t_M=120s를 기준으로, 물질 A의 머무름인자는 $k'_A=\dfrac{180-120}{120}=0.5$, 물질 B의 머무름인자는 $k'_B=\dfrac{270-120}{120}=1.25$이다.

따라서 선택인자는 $\alpha=\dfrac{k'_B}{k'_A}=\dfrac{1.25}{0.5}=2.5$로 계산되며, 이는 물질 B가 물질 A보다 정지상에 더 강하게 머무른다는 것을 의미한다.

전위차법에서 유리 전극은 시료 용액의 이온 활동도(주로 수소이온)에 따라 전위가 민감하게 변하는 지시전극으로 사용된다. 유리막 양쪽의 활동도 차이에 의해 발생하는 막전위가 pH에 비례하므로 pH 측정기의 감응부로 널리 쓰인다.

은-염화은 전극과 칼로멜 전극, 표준수소 전극은 전위가 일정하게 유지되는 기준전극으로, 측정 대상의 조성 변화와 무관하게 안정된 전위를 제공하는 역할을 하며 지시전극과 짝을 이루어 전지를 구성한다.

비행시간(TOF) 질량분석계는 이온을 일정한 전위차로 가속한 뒤 비행관을 통과하는 시간을 측정해 질량 대 전하비를 구하는 방식으로, 자기장이나 스캔 장치가 없어 기기 구조가 비교적 간단하고 이론상 검출 가능한 질량 범위에 상한이 거의 없다. 같은 전위로 가속되면 가벼운 이온일수록 속도가 빨라 무거운 이온보다 먼저 검출기에 도달한다.

그러나 TOF 분석계가 가장 널리 사용되는 질량분석계라는 설명은 옳지 않다. 실제로 현장에서 가장 보편적으로 쓰이는 것은 사중극자(quadrupole) 질량분석계이며, TOF는 고분해능·광범위 질량 측정이 필요한 용도에 주로 활용된다.

이온선택성 전극(ISE)은 시료를 소모하거나 변형시키지 않고 전위만을 측정하는 비파괴적 분석법이다. 따라서 "파괴성"은 이온선택성 전극의 장점으로 설명될 수 없으며, 오히려 시료를 그대로 보존할 수 있다는 비파괴성이 실제 장점이다.

이온선택성 전극은 이 밖에도 짧은 감응시간으로 신속하게 측정할 수 있고, 농도에 대해 넓은 범위에서 직선적인 감응을 보이며, 시료의 색깔이나 혼탁도 같은 외관상의 특성에 크게 영향받지 않는다는 장점을 갖는다.

크로마토그래피에서 봉우리의 띠넓힘(band broadening)은 주로 이동상과 정지상 사이의 물질이동 저항에 의해 발생한다. 액체 정지상의 막두께를 얇게 하면 용질이 정지상 내부로 확산해 들어갔다가 다시 이동상으로 빠져나오는 데 걸리는 시간이 짧아져 물질이동 저항이 줄어들고, 그 결과 봉우리가 좁고 날카로워진다.

반대로 충진관의 지름을 크게 하거나 고체 충진제의 입자 크기를 크게 하면 소용돌이 확산 경로가 다양해져 띠넓힘이 오히려 커지므로, 막두께를 줄이는 방법이 가장 직접적으로 유효하다.