16년 1회차

반응식 $2\mathrm{Al(s)} + 3\mathrm{Cl_2(g)} \rightarrow 2\mathrm{AlCl_3}$에서 Al 1.5몰이 모두 반응하는 데 필요한 Cl₂는 $1.5 \times \dfrac{3}{2} = 2.25$몰이다.

주어진 Cl₂는 3.0몰로 필요량보다 많으므로 Al이 한계 반응물이 되고, 생성되는 AlCl₃는 Al과 같은 몰비(2:2)로 1.5몰이다.

그림은 육각형 방향족 고리 안에 이중결합이 번갈아 그려진 벤젠 고리이고, 고리의 맨 위 탄소와 맨 아래 탄소에 Br이 하나씩 결합해 있다.

고리가 벤젠이므로 모체 이름은 hexane이 아니라 benzene이다. 사슬형 알케인인 hexane이 들어간 이름은 애초에 이 구조와 맞지 않는다.

두 브로민의 상대 위치를 보면 1번 탄소와 4번 탄소, 즉 고리를 사이에 두고 정반대편에 놓여 있다. 이 배치를 para라 부르며(1,2 위치는 ortho, 1,3 위치는 meta), 따라서 이 화합물의 이름은 para-dibromobenzene이다.

짝산-짝염기 관계에서 성립하는 식은 $K_a \times K_b = K_w$이다. 산의 이온화 상수와 그 짝염기의 이온화 상수의 곱이 물의 이온곱 상수와 같다는 관계이며, "Ka = Kw × Kb"처럼 곱셈을 등식 한쪽으로 몰아 쓴 표현은 성립하지 않는다.

나머지 식들은 모두 옳다. $K_w=[\mathrm{H_3O^+}][\mathrm{OH^-}]$는 물의 이온곱 정의이고, pH+pOH=pKw는 이를 로그로 나타낸 관계식이며, pH=-log[H₃O⁺]는 pH의 정의 그대로다.

알케인(alkane)은 탄소-탄소 결합이 모두 단일결합으로만 이루어진 포화탄화수소이다. 이중결합이나 삼중결합과 같은 불포화결합을 갖지 않으므로 "불포화탄화수소"라는 설명은 옳지 않다.

반면 알켄(alkene)은 탄소-탄소 이중결합을, 알카인/알킨(alkyne)은 탄소-탄소 삼중결합을 가지므로 둘 다 불포화탄화수소에 해당하며, 이와 관련된 나머지 설명은 모두 옳다.

기체의 액체에 대한 용해도가 그 기체의 분압에 비례한다는 법칙은 헨리의 법칙(Henry's law)이다. 일정 온도에서 기체의 용해도는 헨리 상수와 압력의 곱으로 나타낼 수 있으며, 탄산음료의 이산화탄소 용해나 기체 흡수 공정을 설명하는 기본 원리로 쓰인다.

헤스의 법칙은 반응엔탈피의 경로 독립성, 라울의 법칙은 용액의 증기압 내림, 네른스트 법칙은 전극전위와 농도의 관계를 다루는 것으로 이 설명과는 무관하다.

포도당(C₆H₁₂O₆)의 분자량은 $6(12)+12(1)+6(16)=72+12+96=180$이다. 탄소의 질량백분율은 $\dfrac{72}{180}\times100=40\%$로 계산된다.

같은 방식으로 수소의 질량백분율은 $\dfrac{12}{180}\times100\approx6.7\%$, 산소의 질량백분율은 $\dfrac{96}{180}\times100\approx53.3\%$이므로, 제시된 값 중에서는 탄소의 40%만 옳다.

할로젠 원소(F, Cl, Br, I 등)는 주기율표 17족에 속하며, 최외각 전자껍질에 7개의 원자가전자를 갖는다. 이 때문에 전자 1개를 얻어 -1가 음이온이 되기 쉬운 강한 산화력을 갖는다.

원자 기호 표기에서 왼쪽 위 숫자는 질량수, 왼쪽 아래 숫자는 원자번호다. 원자번호가 곧 양성자수이고, 중성자수는 질량수에서 원자번호를 뺀 값이며, 전자수는 중성 원자일 때 원자번호와 같고 양이온이면 그만큼 줄어든다.

(ㄱ)은 ²³⁸₉₂U의 양성자수이므로 원자번호 그대로 92다. (ㄴ)은 ⁴⁰₂₀Ca²⁺의 중성자수로, 질량수에서 원자번호를 빼면 40 − 20 = 20이다. 이온이 되어도 핵 구성은 변하지 않으므로 2+ 전하는 중성자수에 영향을 주지 않는다.

(ㄷ)은 ⁵¹₂₃V³⁺의 전자수다. 바나듐 중성 원자는 전자가 23개인데 3+ 이온은 전자 3개를 잃은 상태이므로 23 − 3 = 20이 된다.

따라서 (ㄱ), (ㄴ), (ㄷ)은 순서대로 92, 20, 20이다.

물(H₂O)은 메테인(CH₄)과 분자량이 비슷하지만, 산소와 수소 사이의 큰 전기음성도 차이로 인해 분자 간에 수소결합을 형성한다. 이 수소결합을 끊는 데 추가적인 에너지가 필요하기 때문에 물의 끓는점이 메테인보다 훨씬 높다.

메테인은 극성이 거의 없는 분자로 분자 간 힘이 반데르발스힘 수준에 그치므로, 배위결합·공유결합·이온결합의 차이가 아니라 분자 간 수소결합의 유무가 끓는점 차이의 핵심 원인이다.

이 반응은 $2\mathrm{CO(g)} + \mathrm{O_2(g)} \rightleftharpoons 2\mathrm{CO_2(g)} + \text{열}$로 발열반응이며, 반응물 쪽 기체 몰수는 3몰, 생성물 쪽은 2몰로 정반응이 몰수가 감소하는 방향이다.

압력을 증가시키면 르샤틀리에 원리에 따라 기체 몰수가 더 적은 쪽, 즉 오른쪽(정반응 방향)으로 평형이 이동하므로, 압력 증가 시 평형이 왼쪽으로 이동한다는 설명은 옳지 않다.

CO를 첨가하면 오른쪽으로, O₂를 제거하면 왼쪽으로, 반응계를 냉각하면 발열 방향인 오른쪽으로 평형이 이동한다는 나머지 설명은 모두 옳다.

같은 질량(1g) 안에 들어있는 분자 개수는 분자량이 작을수록 많아진다. 제시된 화합물의 분자량은 H₂O 약 18, NH₃ 약 17, C₂H₂ 약 26, HCN 약 27로, 이 중 NH₃의 분자량이 가장 작다.

1g을 각 분자량으로 나눈 몰수, 즉 분자 개수는 분자량에 반비례하므로 분자량이 가장 작은 NH₃ 1g에 들어있는 분자 개수가 가장 많다.

S₈의 분자량은 $8\times32.07=256.56$이므로 S₈ 6.41g의 몰수는 $\dfrac{6.41}{256.56}\approx0.025\,\mathrm{mol}$이다.

같은 개수(같은 몰수)의 P₄ 분자를 가지려면 P₄도 0.025mol이 필요하다. P₄의 분자량은 $4\times30.97=123.88$이므로 질량은 $0.025\times123.88\approx3.10\,\mathrm{g}$이 된다.

루이스 산(Lewis acid)은 비공유 전자쌍을 받아들이는(전자쌍 받개) 물질로 정의된다. 전자쌍을 "줄 수 있는" 물질은 루이스 염기(전자쌍 주개)에 해당하므로, 이 설명은 산과 염기의 정의가 뒤바뀐 틀린 설명이다.

나머지 설명은 모두 옳다. 브뢴스테드-로우리 산은 양성자를 내놓는 양성자 주개이며, 염기는 물에서 수산화 이온을 생성하고, 강산은 물에서 완전히 또는 거의 완전히 이온화되는 산을 가리킨다.

이산화탄소(CO₂)는 분자량이 약 44로 공기의 평균 분자량(약 29)보다 무겁다. 또한 CO₂는 오존층을 파괴하는 물질이 아니라 지구온난화를 유발하는 온실기체로 분류되며, 오존층 파괴는 주로 염화플루오린화탄소(CFC) 계열 물질에 의해 일어난다.

따라서 "공기보다 가벼우며 오존층을 파괴한다"는 설명은 무게와 역할 두 가지 모두 사실과 다르다. 고체 상태를 드라이아이스라 부르고 탄소 연소로 다량 발생하는 안정한 기체라는 나머지 설명은 옳다.

암모니아는 물에서 양성자를 받아 짝산인 암모늄 이온과 수산화 이온을 생성하는 약염기로 작용한다. 이 반응 NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH^-의 평형상수가 바로 염기 이온화 상수 Kb이다.

암모늄 이온이 양성자를 내놓아 암모니아가 되는 반응은 짝산의 산 이온화 상수(Ka)를 나타내는 식이고, 암모니아가 양성자를 내놓아 아마이드 이온이 되는 반응은 암모니아가 오히려 산으로 작용하는 경우이므로, 어느 쪽도 Kb를 나타내는 반응식이 될 수 없다.

주기율표의 여섯 번째 주기는 세슘(Cs)부터 라돈(Rn)까지 이어지며, 란타넘족 원소들을 포함하여 총 32개의 원소로 이루어진다. 따라서 "28개의 원소가 있다"는 설명은 옳지 않다.

주기율표의 가로줄을 주기, 세로줄을 족이라 부르는 정의와, 네 번째·다섯 번째 주기가 각각 18개의 원소로 이루어진다는 설명은 모두 옳다.

원자반지름은 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 작아지고, 같은 족에서 아래로 내려갈수록 커지는 경향을 보인다. 알칼리 금속인 리튬(Li)은 원자가전자를 하나만 갖는 비교적 큰 원자이므로 제시된 값 중 152pm에 해당한다.

같은 2주기라도 비금속인 플루오린(F)과 탄소(C)는 유효 핵전하가 커서 반지름이 작아 각각 72pm, 77pm 부근이며, 6주기 알칼리토금속인 바륨(Ba)은 전자껍질 수가 많아 제시된 값 중 가장 큰 222pm에 해당한다.

탄화수소 100g을 기준으로 하면 탄소 85.6g, 수소 14.4g이 들어있다. 몰수로 환산하면 탄소는 $\dfrac{85.6}{12}\approx7.13\,\mathrm{mol}$, 수소는 $\dfrac{14.4}{1}=14.4\,\mathrm{mol}$이다.

두 몰수의 비를 가장 작은 정수비로 나타내면 $\dfrac{14.4}{7.13}\approx2$이므로, 수소와 탄소의 개수비가 2:1인 실험식 CH₂가 된다.

시트르산(citric acid)은 하나의 하이드록실기(-OH)와 함께 3개의 카복실기(-COOH)를 갖는 삼양성자성 유기산이다. 이 세 개의 카복실기가 순차적으로 이온화되어 3단계의 해리상수를 갖는다.

전자 친화도는 원자가 전자 하나를 받아들일 때 방출되는 에너지의 크기로, 일반적으로 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 커지는 경향을 보인다. 제시된 원소 중 산소(O)는 2p 오비탈에 전자가 들어갈 자리가 남아 있으면서 유효 핵전하가 커서 전자를 받아들이려는 경향이 가장 크므로 전자 친화도가 가장 크다.

알칼리 금속인 리튬(Li)은 전자 친화도가 작고, 2족인 베릴륨(Be)은 2s 오비탈이 완전히 채워진 안정한 전자배치라 전자를 받아들이려는 경향이 거의 없어 전자 친화도가 사실상 0에 가깝다. 붕소(B)는 리튬·베릴륨보다는 크지만 산소보다는 작다.

중크롬산 이온을 이용한 산화·환원 적정은 강한 산성 용액에서 수행된다. 산성 조건에서 중크롬산 이온이 환원되어 초록색의 크로뮴(III) 이온으로 변하는 반응을 이용하므로, "일반적으로 염기성 용액에서 이루어진다"는 설명은 옳지 않다.

중크롬산칼륨은 흡습성이 적고 안정하며 순도가 높아 표준용액을 직접 만들 수 있는 일차표준물질로 널리 쓰인다는 나머지 설명은 모두 옳다.

이온세기는 $\mu=\dfrac{1}{2}\sum c_i z_i^2$로 계산한다. 0.020M Na₂SO₄는 Na⁺ 0.040M과 SO₄^2- 0.020M으로, 0.010M KBr은 K⁺ 0.010M과 Br^- 0.010M으로 해리된다.

따라서 $\mu=\dfrac{1}{2}\left[0.040(1)^2+0.020(2)^2+0.010(1)^2+0.010(1)^2\right]=\dfrac{1}{2}(0.140)=0.070$이 된다.

약산을 강염기로 적정할 때 반응의 완결 정도는 그 산의 해리상수(Ka)가 클수록 높아진다. 해리상수가 작은, 즉 더 약한 산일수록 강염기와의 중화반응 평형상수가 작아져 반응이 상대적으로 덜 완결되므로, "해리상수가 작을 경우 반응완결도가 높다"는 설명은 옳지 않다.

높은 농도의 약산을 적정할 때 당량점 부근에서 pH 변화폭이 크다는 것, 당량점의 pH가 7보다 크다는 것, 해리상수가 큰 약산일수록 당량점 근처 pH 변화폭이 크다는 설명은 모두 옳다.

그래프는 가로축이 첨가물 농도(0 ~ 0.1), 세로축이 potassium tartrate의 용해도다. 첨가물이 없을 때 용해도는 모두 0.030에서 출발하는데, 농도가 0.1까지 올라가면 MgSO₄는 약 0.044까지 크게 증가, (a)는 약 0.036까지 완만히 증가, (b)는 0.030에서 거의 변하지 않고 수평, (c)는 약 0.011까지 뚜렷하게 감소한다.

염을 넣으면 이온 세기가 커져 활동도 계수가 작아지고 용해도가 증가한다(중성염 효과). 같은 몰농도라면 2가-2가 전해질인 MgSO₄가 1가-1가 전해질인 NaCl보다 이온 세기를 훨씬 크게 만들므로 증가폭이 더 크다. 따라서 MgSO₄보다 완만하게 증가하는 곡선이 NaCl — (a)에 해당한다.

글루코스는 비전해질이라 녹아도 이온을 내놓지 않아 이온 세기를 바꾸지 못한다. 그래서 농도를 올려도 용해도가 사실상 변하지 않는 수평선, 곧 (b)가 된다.

KCl은 사정이 다르다. potassium tartrate와 K⁺라는 공통 이온을 공유하므로, 이온 세기 효과보다 공통이온 효과가 압도해 용해도 평형이 침전 쪽으로 밀리고 용해도가 오히려 떨어진다. 따라서 유일하게 감소하는 곡선 (c)가 KCl이다.

조건부 형성상수는 형성상수에 특정 pH에서의 EDTA 분율(Y^4-의 분율)을 곱하여 구한다. 즉 $K_f' = 0.3 \times 1.0\times10^{18} = 3.0\times10^{17}$이 된다.

pH가 낮아질수록 EDTA의 Y^4- 분율이 작아지므로 조건부 형성상수는 원래 형성상수보다 항상 작은 값을 갖는다.

산-염기 적정에서 지시약은 그 변색이 당량점의 이론적 pH와 최대한 가까운 지점에서 일어나는 것을 선택해야 오차가 작아진다. 당량점 pH보다 약 1.0 정도 높거나 낮은 것을 선택하는 것이 바람직하다는 설명은 오히려 오차를 키우는 방향이므로 옳지 않다.

지시약이 서로 다른 색을 띠는 산 혹은 염기 형태의 화학종이라는 정의, 변색 범위가 대략 pH=pKa±1이라는 설명, 그리고 티몰 블루가 강한 산성 영역에서는 붉은색이었다가 pH가 올라가면 노란색으로 변한다는 설명은 모두 옳다.

이양성자산을 강염기로 적정할 때, 두 해리상수의 비(Ka1/Ka2)가 충분히 크면 두 단계의 이온화가 뚜렷이 구분되어 두 개의 당량점을 각각 관찰할 수 있다.

반면 pKa가 클수록 산의 세기는 약해지므로 "pKa가 클수록 강산"이라거나 "유기산의 pKa가 클수록 해리분율이 크다"는 설명은 산의 세기와 pKa의 관계를 거꾸로 서술한 것이다. 또 약산을 강염기로 적정할 때 당량점의 pH는 7.00이 아니라 7보다 크며, 7보다 큰 pH는 산성이 아니라 염기성이므로 이 설명 역시 옳지 않다.

반응지수는 $Q=\dfrac{[C][D]}{[A][B]}=\dfrac{(1.0)(10.0)}{(0.010)(0.10)}=1.0\times10^4$로 계산된다. 이는 평형상수 $K=1.0\times10^3$보다 크다.

Q가 K보다 큰 경우 생성물이 상대적으로 과잉인 상태이므로, 평형에 도달하기 위해 생성물이 반응물로 되돌아가는 왼쪽(역방향)으로 반응이 진행된다.

반쪽반응 $a\mathrm{A} + n\mathrm{e^-} \rightleftharpoons b\mathrm{B}$에 대한 반응지수는 생성물 농도를 반응물 농도로 나눈 $Q = \dfrac{[\mathrm{B}]^b}{[\mathrm{A}]^a}$로 정의된다.

Nernst식은 $E = E^{\circ} - \dfrac{RT}{nF}\ln Q$ 형태이므로, 이를 대입하면 $E = E^{\circ} - \dfrac{RT}{nF}\ln\left(\dfrac{[\mathrm{B}]^b}{[\mathrm{A}]^a}\right)$가 된다.

과망가니즈산칼륨(KMnO₄)은 미량의 이산화망가니즈나 유기물에 의해 서서히 분해되어 농도가 시간에 따라 변하기 쉬운 시약이다. 이 때문에 일차표준물질로 사용할 수 없고 표준화 과정을 거쳐 사용하는 이차표준물질에 해당하므로, "매우 안정하여 일차표준물질로 사용된다"는 설명은 옳지 않다.

진한 자주색을 띠는 강한 산화제라는 점, 강한 산성용액에서 무색의 Mn²⁺로 환원된다는 점, 그 자체가 진한 색을 띠어 별도의 지시약 없이 종말점을 판별할 수 있는 자체지시약으로 작용한다는 설명은 모두 옳다.

Fe₂O₃의 화학식량은 $2(55.85)+3(16)=159.7$이며, 이 중 철이 차지하는 질량 비율은 $\dfrac{111.7}{159.7}\approx0.699$이다.

얻어진 Fe₂O₃ 0.150g에 들어있는 철의 질량은 $0.150\times0.699\approx0.105\,\mathrm{g}$이므로, 시료 0.50g에 대한 철의 함량은 $\dfrac{0.105}{0.50}\times100\approx21\%$가 된다.

완충용액의 pH는 헨더슨-하셀바흐 식 $pH=pK_a+\log\dfrac{[\mathrm{A^-}]}{[\mathrm{HA}]}$으로 구한다. 여기서 짝염기인 아세트산 이온의 농도는 0.25M, 아세트산의 농도는 0.50M이다.

따라서 $pH=4.74+\log\dfrac{0.25}{0.50}=4.74+\log(0.5)=4.74-0.30=4.44$가 된다.

완충용액의 pH는 Henderson-Hasselbalch식 $\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a + \log\dfrac{[\mathrm{A^-}]}{[\mathrm{HA}]}$에 따라 약산의 pK_a와 두 성분의 농도비로 결정되며, 희석해도 농도비가 거의 그대로 유지되므로 pH 변화가 거의 없다.

그러나 완충용량은 HA와 NaA의 절대 농도가 클수록 커지므로, 완충용량이 두 성분의 농도와 무관하다는 설명은 옳지 않다. 농도비의 로그값 절댓값이 작을수록(1:1에 가까울수록) 완충용량이 커진다는 설명은 옳다.

적정에 사용된 KMnO₄의 몰수는 $0.020\,\mathrm{M}\times0.025\,\mathrm{L}=5.0\times10^{-4}\,\mathrm{mol}$이다. 산성 조건에서 과산화수소와 과망가니즈산 이온은 H₂O₂ 5몰당 MnO₄^- 2몰의 비율로 반응하므로, 적정에 사용된 과산화수소의 몰수는 $5.0\times10^{-4}\times\dfrac{5}{2}=1.25\times10^{-3}\,\mathrm{mol}$이다.

이 몰수는 500mL로 희석한 용액 중 취한 25.0mL(희석액) 안에 들어있으므로, 희석액의 농도는 $\dfrac{1.25\times10^{-3}}{0.025}=0.050\,\mathrm{M}$이 된다. 이 희석액은 원래 과산화수소 25.0mL를 500mL로 20배 희석한 것이므로, 원래 용액의 몰농도는 $0.050\times20=1.0\,\mathrm{M}$이다.

표준전극전위는 세기 성질(intensive property)로, 반쪽반응을 몇 배로 늘려 쓰더라도 반응물·생성물의 몰수(계수)에 관계없이 같은 값을 유지한다. 따라서 "반응물과 생성물의 몰수와 관계가 있다"는 설명은 옳지 않다.

표준전극전위가 온도의 영향을 받는다는 점, 관례상 환원반응 기준으로만 나타낸다는 점, 표준수소전극의 전위를 0.000V로 정의한 상대적인 값이라는 설명은 모두 옳다.

전하 균형식은 양이온 전하의 총량 = 음이온 전하의 총량이며, 각 이온의 전하수를 농도에 곱해야 한다. A^2-는 전하가 2이므로 계수 2가 붙어 $[\mathrm{H^{+}}]=[\mathrm{HA^{-}}]+2[\mathrm{A^{2-}}]+[\mathrm{OH^{-}}]$가 된다.

표준환원전위가 클수록(더 양의 값을 가질수록) 그 반쪽반응은 환원되려는 경향, 즉 산화력이 크다.

Ag⁺/Ag(s)의 표준환원전위는 0.779V로, Cd²⁺/Cd(s)의 -0.402V보다 훨씬 크므로, 상대적으로 산화력이 큰 산화제는 Ag⁺이다.

삼양성자산의 각 화학종이 우세하게 존재하는 pH 구간은 인접한 pK_a 값 사이로 나뉜다. pK_a1=2.0, pK_a2=6.0, pK_a3=10.0이므로, pH 6.0~10.0 구간에서는 HA^2-가 가장 많이 존재한다.

pH 9.0은 pK_a2와 pK_a3 사이에 있으므로 이 구간에 해당하며, 따라서 가장 많이 존재하는 화학종은 HA^2-이다.

표준시약의 양이 분석물의 양과 화학량론적으로 정확히 일치하는 지점은 당량점(equivalence point)이며, 종말점(end point)은 지시약의 색 변화 등으로 실제 적정을 멈추는 관찰 시점을 가리킨다. 두 개념을 혼동해 종말점을 당량점처럼 정의한 설명은 옳지 않다.

표준용액이 알려진 농도의 시약이라는 점, 역적정이 반응속도가 느리거나 표준시약이 불안정할 때 사용된다는 점, 부피분석이 순도가 정확히 알려진 일차표준물질에 근거한다는 설명은 모두 옳다.

이온의 농도곱이 용해도곱(Ksp)보다 큰 상태는 과포화 상태를 의미하며, 이때는 초과된 이온들이 고체로 침전되어 농도곱이 다시 Ksp와 같아질 때까지 침전이 계속 일어난다.

반대로 농도곱이 Ksp보다 작으면 고체가 더 용해될 수 있는 상태이며, 농도곱이 Ksp와 정확히 같을 때 비로소 그 온도에서의 포화 평형 상태에 도달한다.

전자기 복사선의 성질은 크게 파동성과 양자역학적(입자적) 성질로 나뉜다. 회절, 산란, 반사는 파동으로서 간섭·굴절과 관련된 파동성 성질에 해당한다.

반면 흡수는 복사선이 광자(quantum) 단위로 물질에 에너지를 전달하는 과정으로, 전자기 복사선의 입자성(양자역학적 성질)을 보여주는 대표적 현상이다.

수은은 상온에서도 증기압이 있어, 환원제로 Hg²⁺을 금속 수은 증기로 환원시킨 뒤 그 증기를 직접 흡수셀로 보내 측정하는 찬 증기 원자화(cold vapor generation)법이 가능하다.

전열 원자화나 글로우 방전 원자화는 고체·액체 시료를 고온으로 가열해 원자화하는 방식이고, 수소화물 생성법은 As, Se, Sb 등 휘발성 수소화물을 만드는 원소에 적용되는 방법으로 수은에는 해당하지 않는다.

원자흡수분광법에서 기체 상태의 자유원자는 에너지 준위가 불연속적이므로, 특정 파장에서만 좁은 폭으로 빛을 흡수한다. 따라서 나트륨 원자증기의 흡수 스펙트럼은 선(line) 스펙트럼 형태로 나타난다.

띠 스펙트럼은 분자의 회전-진동 준위가 겹쳐 나타나는 분자 흡수의 특징이고, 연속 스펙트럼은 고체 발열체나 플라스마처럼 에너지 준위가 연속적인 경우에 나타나므로 원자 증기의 흡수와는 다르다.

레일리(Rayleigh) 산란은 복사선의 파장보다 훨씬 작은 분자에 의해 일어나는 탄성 산란으로, 산란된 빛의 파장이 입사광과 같다는 특징을 가진다.

콜로이드 입자처럼 파장과 비슷하거나 큰 입자에 의한 산란은 틴들(Tyndall) 산란, 산란광의 진동수가 양자화된 만큼 변화하는 현상은 라만(Raman) 산란이며, 서로 다른 매질 경계에서의 반사는 산란과는 다른 현상이다.

푸리에 변환 적외선분광기(FTIR)는 모든 파장을 동시에 검출하는 다중화(Fellgett) 이점 덕분에 신호/잡음비가 개선되고 분석 속도가 빨라지며, 레이저 기준 파수 보정(Connes 이점)으로 스펙트럼이 일정하게 재현된다.

그러나 FTIR도 시료 측정 전후로 바탕(배경) 스펙트럼을 별도로 측정해 보정해야 하므로, 바탕보정이 필요 없다는 것은 FTIR의 실제 장점이 아니다.

π*→π 전이는 대응하는 π→π* 흡수의 몰흡광계수가 크고 들뜬상태의 고유 수명이 짧아 형광이 잘 나타나는 반면, σ*→σ 전이는 에너지 간격이 매우 커서 형광이 거의 관찰되지 않는다 — 이 두 설명은 옳다.

그러나 아이오딘이 치환된 C₆H₅I는 무거운 원자에 의한 중원자 효과(heavy atom effect)로 계간전이가 촉진되어 형광 세기가 오히려 약해지므로, 톨루엔(C₆H₅CH₃)보다 형광이 강하다는 설명은 틀렸다.

산성·염기성 치환기를 가진 방향족 화합물의 형광이 pH 영향을 받는다는 설명은 옳다.

물(H₂O)은 굽은형 3원자 분자이므로 진동자유도는 $3N-6=3\times3-6=3$가지이다(대칭 신축, 비대칭 신축, 굽힘 진동).

세 진동 모두 쌍극자모멘트 변화를 수반해 적외선 활성이므로, 적외선 흡수 스펙트럼에도 3개의 흡수띠가 나타난다.

가시광선~근적외선 영역의 분자흡수분광법에서는 연속적인 열복사 스펙트럼을 내는 텅스텐 필라멘트등이 광원으로 널리 사용된다.

중수소등은 자외선 영역, 속빈 음극등은 원자흡수분광법(AAS)의 선광원, 니크롬선등은 적외선 영역에 주로 쓰이므로 가시광선용 광원과는 거리가 있다.

분리 가능한 최소 파수 차이는 0.2 cm^-1이다.

회절발(회절격자)의 분리능은 $R=\dfrac{\bar\nu}{\Delta\bar\nu}$로 정의되므로, $R=5000$이고 관심 파수가 $1000\ \mathrm{cm^{-1}}$일 때 분리 가능한 최소 파수 차이는 다음과 같다.

$\Delta\bar\nu=\dfrac{\bar\nu}{R}=\dfrac{1000}{5000}=0.2\ \mathrm{cm^{-1}}$

전열 증기화(ETV)는 전열 원자화 장치와 비슷한 흑연로를 이용해 시료를 증기화하는 용도로만 사용하며, 증기화된 시료는 아르곤 흐름을 따라 플라스마 토치로 운반되어 그곳에서 원자화·이온화된다.

따라서 전기로가 시료 도입은 물론 원자화까지 담당한다는 설명은 틀렸다 — 원자화는 플라스마에서 일어난다. 신호가 전열원자흡수법처럼 순간적인(transient) 봉우리로 나타난다는 설명은 옳다.

CH₃-CH₂-CH₂Cl에서 밑줄 친 가운데 -CH₂- 기는 양쪽에 서로 다른 이웃 수소 그룹, 즉 CH₃의 3개 수소와 CH₂Cl의 2개 수소를 모두 이웃으로 갖는다.

이웃한 두 그룹의 수소 수가 다르므로 n+1 규칙을 각각 적용하여 곱해야 하며, 갈라지는 다중선의 수는 $(3+1)\times(2+1) = 12$가지가 된다.

¹³C NMR의 화학이동 범위는 약 200ppm 안팎으로 넓은 반면, ¹H NMR의 화학이동 범위는 약 10ppm 정도로 좁다.

따라서 같은 화학적 환경 차이라도 ¹³C 스펙트럼의 봉우리들은 ¹H 스펙트럼보다 약 20배 넓은 ppm 간격을 두고 나타난다.

방출분광법에 쓰이는 대표적인 고온 플라스마 광원은 유도쌍 플라스마(ICP), 직류 플라스마(DCP), 마이크로파 유도 플라스마(MIP) 세 가지이다.

흑연전기로(GFA)는 저항 가열로 시료를 원자화하는 전열원자화 장치이지 플라스마가 아니므로, 플라스마 광원의 종류에 포함되지 않는다.

프로판(CH₃CH₂CH₃)에서 양 끝 두 메틸기(CH₃-)의 수소 6개는 분자의 대칭성에 의해 서로 같은 화학적 환경을 가지고, 가운데 메틸렌기(-CH₂-)의 수소 2개는 이와 다른 환경을 가진다.

따라서 서로 다른 화학적 환경을 가진 수소는 2가지(말단 CH₃의 수소, 중심 CH₂의 수소)이다.

X선 형광법(XRF)은 시료를 파괴하지 않고 짧은 시간에 여러 원소를 동시에 정성·정량할 수 있으며, 발생하는 스펙트럼도 비교적 단순한 편이다 — 이 설명들은 옳다.

그러나 원자번호가 작은 가벼운 원소일수록 형광 수율이 낮고 X선이 쉽게 흡수되어 검출감도가 오히려 떨어진다. 따라서 가벼운 원소에 감도가 우수하다는 설명은 XRF의 장점이 아니다.

섬광 계수기, 반도체 변환기(광다이오드 등), 기체-충전 변환기(Geiger 계수관 등)는 모두 복사선 에너지를 전기신호로 바꾸는 검출기(변환기)이다.

속빈 음극등(hollow cathode lamp)은 원자흡수분광법에서 특정 원소의 선스펙트럼을 내보내는 광원이지 신호를 전기로 바꾸는 변환기가 아니므로 관련이 가장 적다.

고체 시료의 적외선 흡수 스펙트럼을 얻는 펠렛법에서는 적외선 영역에서 흡수가 거의 없는 KBr(브롬화칼륨) 분말과 시료를 곱게 섞어 압착해 투명한 펠렛을 만든다.

Na₂CO₃, NaHCO₃, NaOH는 적외선 영역에서 자체 흡수띠를 가지거나 시료와 반응할 수 있어 펠렛 희석제로 사용하지 않는다.

금속과 같은 전도성 고체 시료는 전극 사이에 고전압 스파크를 걸어 표면 물질을 증발시키는 스파크 증발법으로 원자분광기에 직접 도입하기에 가장 적합하다.

전열 증기화나 초음파 분무법은 주로 액체 시료에 쓰이고, 레이저 증발법은 비전도성 고체를 포함한 다양한 고체에 두루 쓰이지만, 전도성 고체 전용으로는 전통적으로 스파크 증발법이 사용된다.

지문에 나오는 기준접촉(reference junction)과 측정접촉(measuring junction)이라는 두 개의 접합점 구조는 열전기쌍(thermocouple)의 정의 그 자체이다. 서로 다른 두 금속을 두 곳에서 접합하면 두 접합의 온도가 다를 때 제베크 효과에 의해 온도차에 비례하는 기전력이 생기고, 적외선 복사선이 측정접촉을 데워 생긴 이 기전력을 읽어 복사선 세기를 측정한다.

지문의 세부 설명도 모두 열전기쌍의 특징이다. 기준접촉을 측정접촉과 같은 상자에 넣고 큰 열용량을 갖도록 설계하며 입사복사선으로부터 가려 두는 것은 기준접촉이 복사선으로 데워지지 않고 주위 온도에서 안정하게 머물게 하기 위함이고, 신호를 토막내어(chopping) 교류 성분만 증폭하므로 두 접촉의 온도차만 의미가 있어 기준접촉을 절대적인 일정 온도로 붙들어 둘 필요가 없다.

나머지 보기는 접합점 구조와 무관하다. 전자증배관은 이차전자 방출을 연쇄로 일으켜 이온·광자를 증폭하는 검출기, Faraday 컵은 이온의 전하를 직접 받아 전류로 재는 질량분석용 검출기, 단일채널 검출기는 한 번에 한 파장만 측정하는 검출 방식을 가리키는 말이다.

구리금속 내부의 회절면 사이의 거리는 약 1.541 Å이다.

Bragg 식은 $n\lambda = 2d\sin\theta$이며, 1차 회절($n=1$)에서 $2\theta=50.5^\circ$이므로 $\theta=25.25^\circ$이다.

회절면 간격은
$d=\dfrac{n\lambda}{2\sin\theta}=\dfrac{1\times1.315}{2\times\sin25.25^\circ}\approx\dfrac{1.315}{0.853}\approx1.541$
Å로 계산된다.

1차 이온화로 생성된 이온 중 특정 모이온(precursor ion)을 선택한 다음, 이를 다시 충돌 등으로 2차 분해시켜 생성이온을 분석하는 기법은 탠덤 질량분석법(MS/MS)이다. 이를 통해 화학구조 규명, 반응 연구, 대사체 동정 등에 활용된다.

GC/MS, LC/MS는 분리기법과 질량분석기를 연결(hyphenated)한 것이고, ICP/MS는 ICP를 이온화원으로 쓰는 질량분석법으로, 모두 이온을 재차 선택·분해하는 2단계 이온화 과정은 아니다.

전기화학 전지의 벌크 용액에서 이온이 정전기장(전위 기울기)의 영향을 받아 이동하는 질량이동 과정을 전기이동(migration)이라 한다.

확산은 농도 기울기에 의한 이동, 대류는 기계적 흐름(교반·온도차 등)에 의한 이동으로, 전기장에 의한 이동과는 구별된다.

브롬(Br)은 ⁷⁹Br과 ⁸¹Br 두 동위원소의 존재비가 각각 약 50.7%, 49.3%로 거의 같아, 질량분석 스펙트럼에서 두 동위원소 봉우리의 세기가 거의 1:1로 나타난다.

염소는 ³⁵Cl/³⁷Cl이 약 3:1이고, 플루오린과 아이오딘은 각각 단일 동위원소(¹⁹F, ¹²⁷I)만 존재하므로 이러한 이중봉우리 패턴이 나타나지 않는다.

크로마토그래피 분리는 정지상과 이동상 사이에서 시료 성분이 흡착, 분배, 이온교환 등의 상호작용을 통해 다르게 지연되는 현상을 직접 이용한다.

끓는점은 GC에서 시료의 휘발성과 관련은 있지만 분리가 일어나는 직접적인 물리적 메커니즘 자체는 아니므로, 나머지 세 가지와는 성격이 다르다.

짧은 펄스로 주기적 충격을 주어 이온을 만든다는 점, 질량범위에 사실상 상한이 없다는 점, 데이터 획득이 빠르다는 점은 비행시간형(Time-of-Flight) 질량분석기의 대표적 특징이다.

TOF는 일정 전압 V로 가속한 이온이 자유비행관(길이 L)을 지나 검출기에 닿는 시간을 잰다. 가속 후 운동에너지가 zeV로 모두 같으므로 속도는 v = √(2zeV/m), 비행시간은 t = L√(m / 2zeV), 즉 t는 √(m/z)에 비례한다. 가벼운 이온이 먼저, 무거운 이온이 나중에 도착하면서 분리된다.

시간을 재려면 출발 시각이 정해져야 하므로 이온을 한꺼번에 만들어 내보내는 펄스 이온화(전자빔 펄스, MALDI의 레이저 펄스)가 반드시 필요하고, 자기장·전기장 분리소자가 없어 구조가 간단하고 튼튼하며 이온원에 접근하기 쉽다. 반면 sector형과 이중초점형은 자기장(및 전기장)으로, 사중극자형은 라디오파 전기장으로 특정 m/z만 통과시키므로 연속 이온빔을 쓰고 측정 가능한 질량범위가 제한된다.

기준전극은 분석물의 농도와 무관하게 일정한 전위를 유지해야 하고, 지시전극은 분석물의 활동도 변화에 따라 전위가 변해야 하며, 염다리에는 이동도가 비슷한 K⁺과 Cl^-으로 구성된 염화포타슘(KCl)이 이상적으로 쓰인다 — 이 세 설명은 모두 옳다.

그러나 표준수소전극은 이론적 기준일 뿐 기체 취급과 전극 관리가 까다로워, 실무에서는 포화칼로멜전극(SCE)이나 Ag/AgCl 전극을 기준전극으로 흔히 사용한다. 따라서 수소전극을 일반적으로 사용한다는 설명은 틀렸다.

이 반쪽전지의 전극전위는 약 0.0303V이다.

백금 전극에서 일어나는 반쪽반응은 $2\mathrm{H^+} + 2\mathrm{e^-} \rightleftharpoons \mathrm{H_2(g)}$이며 표준환원전위는 정의상 0V이므로, Nernst식은
$E = 0 - \dfrac{0.05916}{2}\log\dfrac{P_{\mathrm{H_2}}}{[\mathrm{H^+}]^2}$
로 쓸 수 있다.

HCl이 강산으로 완전히 해리한다고 보면 $[\mathrm{H^+}] = 3.12\,\mathrm{M}$, $P_{\mathrm{H_2}} = 0.920\,\mathrm{atm}$이며, 대입하면 $\dfrac{0.920}{(3.12)^2} \approx 0.0945$이고 $\log(0.0945) \approx -1.025$이므로
$E \approx 0.0303\,\mathrm{V}$
로 계산된다.

적하 수은 전극은 매 방울마다 새로운 표면이 생겨 재현성이 크고, 확산전류는 분석물 농도에 비례하며, 반파전위는 화학종 고유의 값이므로 정성적 정보를 제공한다 — 이 설명들은 모두 옳다.

그러나 수은은 비교적 낮은 양(+)전위에서도 쉽게 산화되어 산화 반응 연구보다는 환원 반응 연구에 유리하다. 따라서 산화 반응 연구에 유용하다는 설명은 옳지 않다.

음료수에 포함된 카페인의 농도는 약 81 mg/L이다.

내부표준법 관계식 $\dfrac{A_x}{A_{std}}=F\times\dfrac{C_x}{C_{std}}$을 이용한다.

혼합액 중 caffeine-D₃의 농도는, $1.11\ \mathrm{g/L}=1110\ \mathrm{mg/L}$인 표준용액을 $0.050\ \mathrm{mL}$ 취해 $1.000\ \mathrm{mL}$ 시료에 더한 것이므로
$C_{std}=\dfrac{1110\times0.050}{1.050}\approx52.9\ \mathrm{mg/L}$
이다.

이를 관계식에 대입하면 혼합액 기준 카페인 농도는
$C_x=\dfrac{A_x}{A_{std}}\times\dfrac{C_{std}}{F}=\dfrac{1733}{1144}\times\dfrac{52.9}{1.04}\approx77.0\ \mathrm{mg/L}$
이다.

이 값은 표준물질 첨가로 부피가 늘어난 혼합액 기준 농도이므로, 원래 $1.000\ \mathrm{mL}$ 음료수 기준으로 환산하려면 늘어난 부피($1.050\ \mathrm{mL}$)만큼 보정해야 한다.
$77.0\times\dfrac{1.050}{1.000}\approx81\ \mathrm{mg/L}$
가 음료수 원래의 카페인 농도이다.

포화칼로멜전극(SCE)의 표준수소전극(SHE) 기준 전위가 $+0.241\ \mathrm{V}$이므로, SHE 기준으로 $-0.121\ \mathrm{V}$인 전위를 SCE 기준으로 환산하면 그만큼을 빼주면 된다.

$E_{\mathrm{vs\,SCE}}=E_{\mathrm{vs\,SHE}}-0.241=-0.121-0.241=-0.362\ \mathrm{V}$

이상적인 기준전극은 가역적이어서 Nernst식을 따라야 하며, 온도 변화에 과민하게 반응하지 않고, 시간이 지나도 안정된 전위를 유지하며, 작은 전류가 흐른 뒤에도 원래 전위로 신속히 되돌아와야 한다.

따라서 비가역적이고 Nernst식에 따라야 한다는 설명은 모순이다 — 기준전극은 비가역적이 아니라 가역적이어야 Nernst식이 성립하고 안정된 기준 전위를 제공할 수 있다.

시차주사열량법(DSC)은 열량(열과 전이·반응 온도)을, 시차열분석(DTA)은 시료와 기준물질의 온도차로 전이·반응 온도를 측정하며, 방출기체분석(EGA)은 열분해로 생성되는 기체의 종류와 양을 측정한다 — 이 연결은 모두 옳다.

그러나 열무게법(TGA)은 온도 변화에 따른 시료의 질량(무게) 변화를 측정하는 기법이지 크기나 점도의 변화를 측정하는 것이 아니므로, 이 연결은 잘못되었다.

이 관의 분리능은 약 5.71이다.

크로마토그래피 분리능은 $R_s=\dfrac{2(t_{R,B}-t_{R,A})}{W_A+W_B}$로 구한다.

머무름시간 차 $t_{R,B}-t_{R,A}=11-5=6\ \mathrm{min}$, 봉우리 나비의 합 $W_A+W_B=1+1.1=2.1\ \mathrm{min}$이므로,
$R_s=\dfrac{2\times6}{2.1}\approx5.71$
이다.

시차열분석(DTA)에서 봉우리 위치는 시료가 상전이(녹음·기화 등)를 일으키는 온도에 대응한다. 벤조산과 같은 물질은 압력이 높아지면 끓는점(기화 온도)도 함께 상승한다.

따라서 대기압과 200psi에서 측정한 DTA 봉우리 온도가 달라지는 것은 압력에 따라 끓는점이 변했기 때문이라고 설명하는 것이 가장 타당하다.

열전도도검출기(TCD)는 이동상 기체와 분석물의 열전도도 차이를 이용해 신호를 얻으며, 측정 후에도 시료를 화학적으로 파괴하지 않는 비파괴 검출기이다.

불꽃이온화검출기(FID), 열이온검출기(TID), 원자방출검출기(AED)는 모두 시료를 불꽃이나 플라스마에서 태우거나 분해하여 검출하므로 파괴형 검출기이다.

기체 크로마토그래피의 이동상(운반기체)으로는 정지상이나 시료와 반응하지 않는 질소, 헬륨, 수소가 일반적으로 사용된다.

산소는 반응성이 높아 시료를 산화시키거나 검출기(특히 FID의 불꽃)에 영향을 줄 수 있어 운반기체로는 사용하지 않는다.

크로마토그래피, 추출법, 증류법은 모두 성분 간 물리·화학적 차이를 이용해 혼합물을 분리해 내는 분리분석법이다.

폴라로그래피는 적하 수은 전극에서 전위를 변화시키며 전류를 측정하는 전기화학적(전압전류법) 정량분석법으로, 물질을 분리하는 기법이 아니다.

질량분석법은 이온화된 분자의 질량과 조각이온 패턴으로부터 원소 조성, 분자 구조, 동위원소 존재비에 관한 정보를 얻을 수 있다.

그러나 시료의 열적 안정성은 온도에 따른 물리적 변화를 다루는 열분석법(TGA·DTA 등)의 영역이며, 질량분석법이 직접 제공하는 정보는 아니다.

HPLC 검출기는 짧은 시간에 신속히 감응하고, 낮은 농도의 분석물에도 높은 감도를 가지며, 넓은 농도 범위에서 선형적으로 감응해야 이상적이다.

반면 검출기 셀의 부피가 크거나 반응이 느리면 용리되어 나오는 봉우리(띠)가 퍼지고 넓어져(band broadening) 분리능이 떨어지므로, 용리 띠가 빠르고 넓게 퍼져야 한다는 설명은 이상적인 검출기 특성과 반대된다.

Van Deemter 식은 이론단높이(H)를 이동상의 선속도(u)의 함수로 나타낸 것으로, $H = A + \dfrac{B}{u} + Cu$ 형태를 갖는다. 이 식을 그래프로 그리면 H가 최소가 되는 지점이 나타나는데, 그 지점의 선속도가 컬럼 효율이 가장 좋은 최적 이동상 유속이다.

따라서 Van Deemter 도시로부터 얻을 수 있는 가장 유용한 정보는 분리 효율을 극대화하는 이동상의 적절한 유속이다.

머무름 시간이나 선택 계수는 크로마토그램의 다른 요소로부터 얻어지는 값이고, 정지상의 온도는 반데임터 도시가 직접 제공하는 정보가 아니다.