14년 1회차

KNO₃는 물에 녹으면 K⁺와 NO₃^-로 완전히 해리되는 강전해질이므로 K⁺의 몰수는 KNO₃의 몰수와 같다.

0.10M 용액 0.10L에 들어있는 KNO₃의 몰수는 $0.10\ \mathrm{mol/L}\times 0.10\ \mathrm{L} = 0.010\ \mathrm{mol}$이므로, K⁺ 이온도 0.010몰 존재한다.

각 화합물의 수소 질량 백분율을 계산하면 HCl은 약 2.8%, H₂SO₄는 약 2.1%, H₂S는 약 5.9%인 반면, H₂O는 $\dfrac{2\times1.008}{18.02}\times100 \approx 11.2\%$로 가장 크다.

분자량이 작고 수소 원자가 차지하는 비중이 상대적으로 큰 H₂O가 네 화합물 중 수소의 질량 비율이 가장 높다.

NaCl은 이온결합 화합물로 물에 녹으면 거의 완전히 이온화되는 강전해질이고, NH₃는 물과 부분적으로만 반응해 이온을 생성하는 약전해질이다.

반면 아세톤(CH₃COCH₃)은 이온화되지 않고 분자 상태로 녹는 비전해질이므로 전해질 세기는 NaCl＞NH₃＞CH₃COCH₃ 순이 된다.

CH₃COOH+NaOH, CO₂+NaOH, H₂CO₃+Ca(OH)₂는 모두 산(또는 산성 산화물)과 염기가 반응해 염과 물을 생성하는 전형적인 산-염기 중화 반응이다.

반면 C₂H₅OH(에탄올)와 HCOOH(포름산)의 반응은 알코올과 카복실산이 축합해 에스터와 물을 생성하는 에스터화 반응으로, 단순한 양성자 이동에 의한 산-염기 반응으로 분류되지 않는다.

극성 용매인 물에는 극성 물질이나 이온성 물질이 잘 녹고, 무극성 용매인 사염화탄소에는 무극성 물질이 잘 녹는다(“like dissolves like”).

CH₃COOH는 카복실기(-COOH)로 수소결합이 가능한 극성 물질이고, NH₄NO₃는 이온성 화합물로 물 분자와 이온-쌍극자 상호작용을 하므로 둘 다 물에 훨씬 잘 녹는다.

반면 CO₂는 무극성 선형 분자이고 긴 탄화수소 사슬 화합물은 무극성이 강해 오히려 사염화탄소 쪽에 더 잘 녹는다.

아세틸렌(C₂H₂, 몰질량 약 26.04g/mol)의 완전연소 반응식은 C₂H₂ + 5/2 O₂ → 2CO₂ + H₂O이다.

1.00g의 아세틸렌은 $\dfrac{1.00}{26.04} \approx 0.0384\ \mathrm{mol}$이며, 반응식에서 C₂H₂ 1몰당 CO₂가 2몰 생성되므로 CO₂는 약 0.0768몰 생성된다.

표준상태(22.4L/mol)에서 CO₂의 부피는 $0.0768\ \mathrm{mol}\times 22.4\ \mathrm{L/mol} \approx 1.72\ \mathrm{L}$로, 제시된 값 중 1.725L에 가장 가깝다.

산은 푸른 리트머스 종이를 붉은색으로 변화시키고, 염기는 붉은 리트머스 종이를 푸른색으로 변화시킨다. '염기는 리트머스의 색깔을 파란색에서 빨간색으로 변화시킨다'는 설명은 산과 염기의 작용이 뒤바뀐 잘못된 설명이다.

아레니우스 산·염기의 정의나, 산이 마그네슘·아연 같은 금속과 반응해 수소 기체를 발생시킨다는 설명은 모두 옳은 내용이다.

이소프로필알코올(2-프로판올)은 프로판의 가운데 탄소에 하이드록시기(-OH)가 붙은 2차 알코올로, 구조식은 CH₃-CH(OH)-CH₃이다.

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

H₂C₂O₄(옥살산)에서 H의 산화수는 +1, O의 산화수는 -2이며 분자 전체 전하는 0이다.

이를 이용해 C의 산화수 x를 구하면 $2(+1) + 2x + 4(-2) = 0$에서 $x = +3$이므로, 옥살산에서 탄소의 산화수는 +3이다.

10g의 H₂는 $\dfrac{10\,\mathrm{g}}{2\,\mathrm{g/mol}} = 5\,\mathrm{mol}$이고 160g의 O₂는 $\dfrac{160\,\mathrm{g}}{32\,\mathrm{g/mol}} = 5\,\mathrm{mol}$이다.

반응식 2H₂+O₂→2H₂O에서 H₂ 2몰당 O₂ 1몰이 필요하므로 H₂ 5몰을 반응시키려면 O₂ 2.5몰이면 충분하다. O₂가 5몰이나 있으므로 H₂가 모두 소모되는 한계반응물이다.

H₂와 H₂O는 1:1 몰비이므로 생성되는 물은 5몰이고, 질량으로는 $5\,\mathrm{mol}\times18\,\mathrm{g/mol}=90\,\mathrm{g}$이다.

르 샤틀리에 원리에 따라, 온도를 높이면 흡열 반응 방향으로 평형이 이동해 평형상수가 증가한다. (a)는 ΔH°=+58kJ (흡열)이므로 온도 증가 시 정반응이 촉진되어 K가 증가하고, (b)는 ΔH°=-198kJ (발열)이므로 온도 증가 시 역반응이 촉진되어 K가 감소한다.

단위 음전하를 가지며 질량이 양성자의 약 1/2000에 불과할 정도로 매우 작은 입자는 전자이며, 전자는 모든 원자에 공통적으로 존재하며 원자핵 바깥의 궤도를 채운다.

양성자와 중성자는 전자보다 약 1800배가량 무거우므로 조건에 맞지 않고, '미립자'는 특정 입자를 가리키는 명칭이 아니다.

노르말(N) 농도는 몰(M) 농도에 당량수를 곱한 값이다. H₂SO₄는 한 분자당 H⁺ 2개를 내놓는 이양성자산이므로 당량수는 2이다.

따라서 $0.3\ \mathrm{M} \times 2 = 0.6\ \mathrm{N}$이 된다.

비금속 원소는 전기 전도성이 낮고, 다른 비금속과 공유결합을 이루며, 금속과 반응할 때 전자를 얻어 음이온이 되려는 경향이 있다는 설명은 모두 옳다.

다만 비금속은 주기율표에서 오른쪽 위쪽에 주로 배치되어 있으며, 왼쪽 윗부분은 알칼리·알칼리토금속 등 금속 원소가 위치한 영역이다. 따라서 '왼쪽 윗부분에 배치되어 있다'는 설명이 비금속의 특징으로 틀렸다.

아스파탐(C₁₄H₁₈N₂O₅)의 몰질량은 대략 294.3g/mol이다. 7.3g에 해당하는 몰수는 $\dfrac{7.3}{294.3} \approx 0.0248\ \mathrm{mol}$이다.

분자 하나에 질소 원자가 2개 들어있으므로 질소의 몰수는 $0.0248 \times 2 \approx 0.0496\ \mathrm{mol}$이고, 아보가드로수를 곱하면 질소 원자 개수는 $0.0496 \times 6.022\times10^{23} \approx 3.0\times10^{22}$개이다.

격자에너지는 이온의 전하량에 비례하고 이온 사이의 거리(이온 반지름의 합)에 반비례한다. 제시된 화합물은 모두 1가 양이온과 1가 음이온으로 이루어져 있으므로 전하 크기는 같고, 이온 반지름의 합이 클수록 격자에너지는 작아진다.

Cs⁺와 I^-는 각각 알칼리금속 양이온과 할로젠화 음이온 중 이온 반지름이 큰 편에 속해 두 이온 사이 거리가 가장 멀다. 따라서 CsI가 LiF, KF, NaBr에 비해 격자에너지가 가장 작다.

바닥상태 전자배치를 보면 N(질소)은 1s² 2s² 2p³으로, 2p 오비탈 3개에 전자가 하나씩 채워져(훈트 규칙) 홀전자 3개를 갖는다.

O는 2p⁴로 홀전자 2개, Al은 3p¹으로 홀전자 1개, S^2-는 Ar과 같은 전자배치(모든 오비탈이 채워짐)로 홀전자가 없다. 따라서 홀전자 3개를 갖는 것은 N이다.

CH₂=CH₂(에틸렌)이 중합되면 폴리에틸렌이 생성된다. 폴리스티렌은 벤젠고리가 붙은 스티렌이 중합되어 만들어지는 고분자이므로, 'CH₂=CH₂의 중합체는 폴리스티렌이다'라는 설명은 틀렸다.

CH₂=CH-CN → 폴리아크릴로니트릴, CH₂=CHOCOCH₃ → 폴리아세트산비닐, CH₂=CHCl → 폴리염화비닐은 모두 올바른 단량체-중합체 대응이다.

HF(aq) ⇌ H⁺(aq)+F⁻(aq) 평형에서, [HF]를 늘리거나 [F⁻]를 줄이면 르샤틀리에 원리에 따라 반응물이 늘거나 생성물이 줄어든 것을 보완하려 정반응(오른쪽)이 진행된다. NaOH를 넣으면 생성된 H⁺가 중화되어 없어지므로 이를 보충하려 역시 오른쪽으로 이동한다.

반면 NaF를 첨가하면 F⁻(공통이온)가 외부에서 추가로 공급되는 것이므로, 오히려 역반응(왼쪽)이 진행되어 HF의 해리가 억제되는 공통이온효과가 나타난다. 따라서 오른쪽으로 이동하지 않는 경우에 해당한다.

보일의 법칙, 기체 분자 운동론에서 절대온도가 평균 운동 에너지의 척도라는 설명, 반데르발스 식이 실제 기체를 보정한다는 설명은 모두 옳다.

그레이엄의 확산(분출)법칙은 분출 속도가 입자 질량의 제곱근에 반비례한다는 법칙이다. '입자 질량의 제곱근을 정비례'한다는 설명은 반비례 관계를 정비례로 뒤바꾼 것이므로 틀렸다.

먼저 당량점 부피를 구하면, I^- 초기 몰수는 $0.0500\ \mathrm{L}\times 0.1\ \mathrm{M} = 5.0\times10^{-3}\ \mathrm{mol}$이고, 이를 다 침전시키는 데 필요한 Ag⁺ 용액 부피는 $\dfrac{5.0\times10^{-3}}{0.050} = 0.100\ \mathrm{L}$(100mL)이다.

110.0mL를 가한 시점은 당량점을 지난 상태로, 가해진 Ag⁺ 총 몰수는 $0.110\ \mathrm{L}\times0.050\ \mathrm{M} = 5.5\times10^{-3}\ \mathrm{mol}$이며, I^-를 모두 침전시키고 남은 과량 Ag⁺는 $5.5\times10^{-3}-5.0\times10^{-3} = 5.0\times10^{-4}\ \mathrm{mol}$이다.

이 시점의 전체 부피는 50.0+110.0=160.0mL이므로 $[\mathrm{Ag^+}] = \dfrac{5.0\times10^{-4}}{0.160} \approx 3.1\times10^{-3}\ \mathrm{M}$이다. AgI의 용해도곱이 매우 작아 과량 Ag⁺ 대부분이 그대로 유리 이온으로 존재하므로 이 값이 실제 Ag⁺ 농도와 거의 같다.

1줄(J)의 에너지는 1쿨롱(C)의 전하가 전위차 1볼트(V)인 두 점 사이를 이동할 때 얻거나 잃는 에너지로 정의된다. 그런데 이 설명은 전하의 단위인 쿨롱 대신 전류의 단위인 암페어를 사용해, 시간 개념이 빠진 채로 전류와 전하를 혼동하고 있다.

나머지 설명은 모두 타당하다. 산화-환원 반응은 화학종 사이의 전자 이동으로 정의되고, 전지 전압은 반응의 자유 에너지 변화에 비례하며, 전류는 단위 시간당 이동하는 전하량으로서 전기화학 반응 속도에 비례한다.

NaF는 강전해질로 물에 녹으면 NaF → Na⁺ + F^-처럼 완전히 이온으로 해리된다. 약산의 짝염기인 F^-는 물과 반응해 F^- + H₂O ⇌ HF + OH^-의 가수분해 평형을 이루며, 난용성 CaF₂는 CaF₂ ⇌ Ca²⁺ + 2F^-의 용해 평형을 이룬다.

반면 'NaF+H₂O→NaOH+HF'처럼 NaF 분자 전체가 물과 직접 반응한다는 반응식은, 이미 완전히 이온화된 NaF의 실제 화학 거동을 반영하지 않는 잘못된 표현이다. 실제 가수분해는 이온 상태인 F^-가 물과 반응하는 형태로 일어난다.

완충용량은 완충용액 1.00L의 pH를 1단위 변화시키는 데 필요한 센 산(또는 센 염기)의 몰수로 정의된다. 즉 일정량의 강산이나 강염기를 넣었을 때 완충용액이 그 침입에 얼마나 잘 저항하는지를 나타내는 척도이다.

완충용액을 구성하는 약산-짝염기 자체의 몰수나 농도비를 이야기하는 나머지 설명들은 완충용량의 정의와는 다른 개념이다.

공통이온 효과는 이미 평형을 이루고 있는 용해 평형에 같은 이온을 추가로 넣으면 평형이 침전 쪽으로 이동해 용해도가 감소하는 현상으로, 이는 평형계에 자극을 가하면 그 자극을 줄이는 방향으로 평형이 이동한다는 르 샤틀리에(Le Chatelier) 원리로 설명된다.

파울리 배타원리는 전자배치, 비어의 법칙은 흡광도, 패러데이 법칙은 전기분해량에 관한 원리로 공통이온 효과와는 직접 관련이 없다.

산화-환원 반응은 전자가 한 화학종에서 다른 화학종으로 이동하는 반응이며, 산화는 전자를 잃는 과정이다. 이때 전자를 잃는(산화되는) 물질이 환원제이고, 전자를 얻는(환원되는) 물질이 산화제이다.

따라서 '환원제는 다른 화학종으로부터 전자를 받는다'는 설명은 환원제와 산화제의 역할을 뒤바꾼 잘못된 설명이다. 환원제는 전자를 내주는 쪽이다.

약산인 CH₃COOH를 강염기 NaOH로 적정하면 당량점에서 생성되는 물질은 아세트산이온(CH₃COO^-)이다. 아세트산이온은 물과 반응해 약염기성을 띠므로 당량점의 pH는 7보다 큰 염기성 영역에 위치한다.

따라서 변색 범위가 염기성 쪽에 있는 페놀프탈레인이 적합한 지시약이며, 산성 영역에서 변색하는 메틸오렌지·메틸레드나 산성 쪽에 가까운 브로모크레졸그린은 당량점 부근에서 이미 색이 변해버려 적합하지 않다.

산·염기가 없는 KCl 용액에서는 물의 자동이온화로 생긴 H⁺와 OH^-의 농도가 서로 같다. 열역학적 물의 이온곱은 활동도로 나타내므로 $K_w = \gamma_{H^+}[H^+]\cdot\gamma_{OH^-}[OH^-]$이고, [H⁺]=[OH^-]=x라 하면 $x^2 = \dfrac{K_w}{\gamma_{H^+}\gamma_{OH^-}}$이다.

이온세기 0.05M에서 γ_H+=0.86, γ_OH-=0.81이므로 $x^2 = \dfrac{1.0\times10^{-14}}{0.86\times0.81} \approx 1.44\times10^{-14}$, 즉 $x \approx 1.20\times10^{-7}\ \mathrm{M}$이다.

H⁺의 활동도는 농도에 활동도 계수를 곱한 값이므로 $0.86\times1.20\times10^{-7} \approx 1.03\times10^{-7}$이 된다.

Ksp(용해도곱상수)는 일정 온도에서 정해지는 평형상수이므로 이온 농도가 달라져도 값 자체는 변하지 않는다. 반면 온도가 바뀌면 평형상수인 Ksp도 함께 변한다.

Cl⁻ 이온을 첨가하면 공통이온효과로 Hg₂Cl₂의 용해도(solubility)는 감소하지만, 이는 평형이 이동한 결과일 뿐 Ksp 값 자체가 감소하는 것은 아니다. 따라서 “Cl⁻을 첨가하면 Ksp가 감소한다”는 설명이 옳지 않다.

산화·환원 지시약은 산화형과 환원형의 색이 서로 달라야 하며, 당량점 부근의 전위와 지시약의 표준환원전위(E°)가 비슷해야 정확한 변색이 일어난다. 또한 이런 지시약은 대개 이중결합이 콘주게이션된 유기물이다.

다만 변색범위(전위폭)는 네른스트식에서 유도되는 $E = E^{\circ} \pm \dfrac{0.05916}{n}\,\mathrm{V}$ 형태이며, 단순히 $E=E^{\circ}\pm\dfrac{1}{n}$ 볼트로 표현하는 것은 0.05916V라는 인자가 빠진 잘못된 서술이다.

초기 SO₃ 1.0mol에서 평형 시 SO₂가 0.60mol 생성되었으므로, 2SO₃⇌2SO₂+O₂의 계수비에 따라 SO₃도 0.60mol 소모되고 O₂는 그 절반인 0.30mol 생성된다. 남은 SO₃는 1.0-0.60=0.40mol이다.

부피가 1.0L이므로 몰수가 곧 몰농도이며, $K = \dfrac{[\mathrm{SO_2}]^2[\mathrm{O_2}]}{[\mathrm{SO_3}]^2} = \dfrac{(0.60)^2\times0.30}{(0.40)^2} = \dfrac{0.108}{0.16} \approx 0.68$이 된다.

이 적정은 1전자 반응(Fe³⁺/Fe²⁺, n₁=1)과 2전자 반응(Tl³⁺/Tl⁺, n₂=2)이 결합된 비대칭 반응이므로, 당량점 전위는 단순 평균이 아니라 전자수로 가중한 $E_{eq} = \dfrac{n_1 E_1^{\circ} + n_2 E_2^{\circ}}{n_1+n_2}$로 구한다.

값을 대입하면 $E_{eq} = \dfrac{1\times0.77 + 2\times1.28}{1+2} = \dfrac{3.33}{3} = 1.11\,\mathrm{V}$가 된다.

MnO₄⁻ 반쪽반응은 Mn이 +7에서 +2로 5전자를 얻으므로 n=5이고, Fe³⁺→Fe²⁺ 반쪽반응은 전자 1개(m=1)를 얻는다. 두 반쪽반응의 전자수를 맞추려면 Fe 반쪽반응을 5배 하여 더해야 한다.

이때 Fe²⁺는 산화되어 Fe³⁺가 되는 역반응으로 들어가므로, 최종 반응식은 $\mathrm{MnO_4^-} + 5\mathrm{Fe^{2+}} + 8\mathrm{H^+} \rightarrow \mathrm{Mn^{2+}} + 5\mathrm{Fe^{3+}} + 4\mathrm{H_2O}$가 되어 전하와 원자 수가 모두 균형을 이룬다.

두 전극에서 반응이 자발적으로 진행되어 산화전극에서 환원전극으로 외부 도선을 통해 전자가 흐르며, 화학반응의 자유 에너지 감소를 전기 에너지로 변환해 방출하는 전지를 갈바니 전지(볼타 전지)라 한다.

이와 반대로 외부에서 전기를 가해 비자발적인 반응을 강제로 진행시키는 전지는 전해 전지라 하며, 표준 전지나 '자발 전지'는 이 현상을 가리키는 표준 용어가 아니다.

Ce⁴⁺/Ce³⁺(n=1)와 Fe³⁺/Fe²⁺(n=1)는 전자수가 같은 대칭 반응이므로, 백금전극에서의 당량점 전위(표준수소전극 기준)는 두 표준환원전위의 단순 평균인 $E_{eq} = \dfrac{1.70+0.76}{2} = 1.23\,\mathrm{V}$이다.

실제 측정은 SCE(포화칼로멜전극, E°=0.24V)를 기준전극으로 사용하므로, 두 전극 사이의 전위차는 $1.23 - 0.24 = 0.99\,\mathrm{V}$가 된다.

아세트산의 해리 반응 CH₃COOH ⇌ CH₃COO⁻+H⁺에서 산해리상수 Ka는 생성물의 농도곱을 반응물의 농도로 나눈 값이다.

따라서 $K_a = \dfrac{[\mathrm{CH_3COO^-}][\mathrm{H^+}]}{[\mathrm{CH_3COOH}]}$로 표현된다.

Ag⁺와 트리에틸렌테트라아민(trien)은 1:1 착물을 형성하므로 반응은 Ag⁺ + trien ⇌ Ag(trien)⁺이다. 혼합 초기 몰수는 Ag⁺가 $0.020\ \mathrm{L}\times0.01\ \mathrm{M}=2.0\times10^{-4}\ \mathrm{mol}$, trien이 $0.010\ \mathrm{L}\times0.05\ \mathrm{M}=5.0\times10^{-4}\ \mathrm{mol}$로 Ag⁺가 부족 시약이다.

형성상수(Kf=5.0×10⁷)가 매우 크므로 Ag⁺는 거의 전량 착물로 전환되고, 남는 trien은 $5.0\times10^{-4}-2.0\times10^{-4}=3.0\times10^{-4}\ \mathrm{mol}$이다.

전체 부피 30mL 기준으로 [Ag(trien)⁺]≈6.67×10^-3M, [trien]≈1.00×10^-2M이며, $K_f=\dfrac{[\mathrm{Ag(trien)^+}]}{[\mathrm{Ag^+}][\mathrm{trien}]}$를 [Ag⁺]에 대해 풀면 $[\mathrm{Ag^+}]=\dfrac{6.67\times10^{-3}}{5.0\times10^7\times1.00\times10^{-2}}\approx1.34\times10^{-8}\ \mathrm{M}$이 된다.

EDTA 적정에 쓰이는 자일레놀 오렌지 같은 금속이온 지시약은 특정 금속이온과 결합하면 색이 변하고, 그 결합 세기가 EDTA보다 약해야 하며, pH에 따라서도 색이 다소 달라진다는 설명은 모두 옳다.

다만 금속이온 지시약은 금속이온과의 착물 형성 여부에 따라 색이 변하는 것이지, 산화-환원 전위에 따라 색이 변하는 산화-환원 지시약이 아니다. 따라서 '산화-환원제로서 전위에 따라 색이 다르다'는 설명은 금속이온 지시약의 일반적 특징이 아니다.

필요한 AgNO₃의 몰수는 $0.05\ \mathrm{mol/L}\times0.050\ \mathrm{L}=2.5\times10^{-3}\ \mathrm{mol}$이다.

여기에 몰질량 169.9g/mol을 곱하면 $2.5\times10^{-3}\times169.9\approx0.425\ \mathrm{g}$의 AgNO₃가 필요하다.

전지의 표준전위는 환원이 일어나는 쪽의 표준환원전위에서 산화가 일어나는 쪽의 표준환원전위를 빼서 구한다.

이 반응에서는 Ag⁺가 환원되고 Cd이 산화되므로, $E^{\circ}_{\mathrm{cell}} = E^{\circ}_{\mathrm{Ag^+/Ag}} - E^{\circ}_{\mathrm{Cd^{2+}/Cd}} = 0.799-(-0.402) = 0.799+0.402$로 표현된다. 전자수를 맞추기 위해 Ag 반응식을 2배 해도 세기성 성질인 표준환원전위 값 자체는 그대로 사용한다.

흑연로(전열) 원자화 장치는 적은 양의 시료로도 분석이 가능하고, 원자화 효율이 높아 감도가 좋으며, 유기물 시료를 별도의 습식 전처리 없이 직접 넣어 분석할 수 있다는 장점이 있다.

반면 흑연로는 건조-회화-원자화의 여러 온도 단계를 거치며 시료 하나를 분석하는 데 시간이 오래 걸리고, 장치·흑연관 소모 비용도 불꽃원자화법에 비해 비싼 편이다. 따라서 '분석비용이 싸고 분석시간이 짧다'는 설명은 흑연로 원자화법의 장점으로 틀렸다.

분석기기에서 신호를 전기적 양으로 코드화하는 대표적 방식은 신호 크기를 연속적으로 표현하는 아날로그 영역, 이산적인 숫자로 표현하는 디지털 영역, 신호가 시간에 따라 변하는 방식(주파수·위상·펄스폭 등)을 이용하는 시간 영역 코드화이다.

'파수 영역'은 적외선 분광법 등에서 파장의 역수(cm^-1)로 표시하는 스펙트럼 축의 단위일 뿐, 전기적 신호를 코드화하는 방식이 아니므로 해당하지 않는다.

검정곡선법은 농도를 아는 표준용액 여러 개로 곡선을 얻어 사용하는 방법, 표준물 첨가법은 매트릭스 효과가 우려되는 복잡한 시료에 유용한 방법, 내부표준물법은 시료·바탕용액·검정표준물 모두에 일정량의 내부표준물을 첨가하는 방법이라는 설명은 모두 옳다.

표준물 첨가법의 핵심은 원래 시료에 소량의 표준물을 순차적으로 첨가하면서도 시료 매트릭스 조성은 거의 변하지 않도록 유지함으로써 매트릭스 효과를 상쇄시키는 데 있다. 따라서 '표준물을 첨가한 후에 시료 매트릭스가 변화한다'는 설명은 표준물 첨가법의 원리와 어긋난다.

자외선(UV) 분광분석에 사용하는 용매는 측정 파장 영역에서 자체 흡수가 없어야 하며, 이를 위해 용매의 자외선 차단파장(cutoff wavelength)이 측정 파장보다 짧아야 한다.

벤젠은 방향족 고리의 π→π* 전이로 인해 자외선 영역에서 강한 흡수를 나타내며 차단파장이 약 280nm 부근이므로, 250nm에서 측정하면 벤젠 자체의 흡수가 시료의 흡광도 측정을 방해한다.

반면 물, 메탄올, 에탄올은 자외선 차단파장이 200nm 부근으로 매우 짧아 250nm 영역에서는 용매 자체의 흡수가 거의 없으므로 UV 분광분석의 용매로 적합하다.

선광원(line source)은 특정한 좁은 파장에서만 강하게 방출하는 광원으로, 원자흡수분광법(AAS)에서 사용하는 속빈 음극등(hollow cathode lamp)이 대표적이다. 음극에 도금된 목적원소가 방전에 의해 들뜬 뒤 그 원소 고유의 날카로운 선스펙트럼을 방출한다.

Nernst 백열등, 니크롬 선, 글로바(globar)는 모두 넓은 파장 범위에 걸쳐 연속적으로 빛을 내는 연속광원(continuum source)으로, 적외선 분광법 등에서 사용되며 선광원과는 성격이 다르다.

글로우 방전(glow discharge)은 저압 기체 중에서 방전을 일으켜 고체 시료 표면의 원자를 직접 스퍼터링(sputtering)하여 기화·원자화시키는 방법으로, 고체 시료를 용액화하지 않고 그대로 원자화할 때 사용한다.

기체 분무기와 초음파 분무기는 액체 시료를 미세한 에어로졸로 만들어 도입하는 장치이고, 수소화물 생성법은 As, Se 등 특정 원소를 휘발성 수소화물로 만들어 도입하는 액체 시료 전용 방법이므로 고체 시료 도입에는 해당하지 않는다.

지름 1~2mm, 길이 약 20mm의 원통형 막대로, 지르코늄·이트륨·토륨 등의 희토류 산화물로 만들어지고 양 끝에 백금 리드선이 연결되어 전류가 흐르면 저항 가열되는 적외선 광원은 네른스트 백열등(Nernst glower)이다.

Globar 광원은 탄화규소(SiC) 막대를, 텅스텐 필라멘트등과 수은아크등은 각각 금속 필라멘트와 방전관을 사용하는 광원으로 재질과 발광 방식이 다르다.

불꽃원자화에서 불꽃온도는 연료와 산화제의 조합에 따라 달라지며, 아세틸렌(C2H2)과 산소(O2)의 조합이 약 3,050~3,150℃로 가장 높은 온도를 낸다.

아세틸렌-산화이질소(N2O) 불꽃은 약 2,600~2,800℃, 수소-산소 불꽃은 약 2,550~2,700℃ 수준이며, 천연가스-공기 불꽃은 1,700~1,900℃ 정도로 가장 낮다.

FT-IR 분광기는 마이켈슨 간섭계를 이용해 모든 파장의 정보를 한 번에 간섭도(interferogram) 형태로 기록한 뒤 푸리에 변환으로 스펙트럼을 얻는 방식이므로, 빛을 파장별로 분리하는 단색화장치(모노크로미터)가 필요 없다.

광원장치, 빛살분할기(beam splitter), 간섭계는 모두 FT-IR을 구성하는 핵심 요소로, 분산형 적외선 분광기에서 파장을 순차적으로 분리하던 단색화장치의 역할을 간섭계가 대신한다.

푸리에변환 분광법은 모든 파장의 신호를 동시에 검출하는 다중이점(Fellgett's advantage) 덕분에 주어진 분리능에서 신호대잡음비가 개선되고, 전체 간섭도를 짧은 시간에 기록·저장할 수 있으며, 파장 재현성이 매우 높아 거의 일정한 스펙트럼을 얻을 수 있다는 장점을 가진다.

그러나 이러한 장점들은 파장(주파수)의 정확도와 신호대잡음비 개선에 관한 것이지, 투광도(투과율) 자체의 측정 정확도가 분산형기기보다 특별히 높아지는 것은 아니므로 이는 FT분광법의 장점으로 서술하기에 적절하지 않다.

필요한 분해능은 약 982.2이다.

분해능(R)은 두 흡수선을 구별하는 데 필요한 값으로
$R=\dfrac{\lambda}{\Delta\lambda}$
로 정의되며, 여기서 λ는 두 선의 평균 파장, Δλ는 두 선의 파장 차이다.

두 선의 평균 파장은 $\dfrac{589.0+589.6}{2}=589.3$이고 파장 차이는 $589.6-589.0=0.6$이므로, 분해능은
$R=\dfrac{589.3}{0.6}\approx982.2$

형광과 인광의 세기 및 파장은 분자구조(강직한 평면구조, 공액계 등), 용액의 pH(이온화 상태 변화), 온도(충돌에 의한 비활성화, 즉 소광 효과)에 크게 영향을 받는다.

반면 압력은 일반적인 액상 형광·인광 측정 조건에서 발광 세기나 파장에 미치는 영향이 거의 없어, 위 변수들과 비교했을 때 가장 거리가 먼 요인이다.

적외선 흡수분광법에서 두 신축진동 사이에 센 짝지음(coupling)이 나타나려면 두 진동이 하나의 원자를 공통으로 공유해야 한다. 두 원자가 각각 단독으로, 즉 공통 원자를 공유하지 않고 결합을 이루고 있으면 서로의 진동이 거의 영향을 주지 않으므로, 이 경우에 센 짝지음이 일어난다는 설명은 짝지음의 성립 조건과 정반대여서 틀렸다.

진동 짝지음의 일반 원리는 다음과 같다. 신축진동끼리는 공통 원자를, 굽힘진동끼리는 공통 결합을 가질 때 짝지음이 일어나고, 두 개 이상의 결합만큼 떨어져 진동하면 상호작용이 거의 없으며, 짝지음은 같은 대칭성을 가진 진동끼리 일어난다. 또한 짝지음하는 두 진동의 에너지가 서로 비슷할수록 상호작용은 커진다.

그림은 인광 측정용 인광계(phosphoroscope)의 개요도이다. 가운데 시료용기가 액체 질소를 담는 Dewar 플라스크 속에 들어 있고, 왼쪽 흡광 단색화 장치에서 들어온 빛은 흡광 셔터·필터를 거쳐 시료에 닿으며, 시료에서 나온 빛은 방출 셔터·필터를 지나 오른쪽 방출 단색화 장치로 간다. 시료 앞뒤의 같은 축에는 회전 원통형 초퍼 두 개가 달려 여기광과 방출광을 번갈아 통과시킨다.

인광은 삼중항 상태에서 바닥 상태로 돌아오는 스핀 금지 전이라 수명이 10^-4초에서 수 초에 이를 만큼 길다. 대신 상온 용액에서는 충돌에 의한 비복사 소광이 심해 거의 관측되지 않으므로 액체 질소(77 K)로 얼려 강직한 매질을 만들어야 신호를 얻을 수 있다. 그림에 Dewar 플라스크와 액체 질소가 등장하는 것이 결정적 단서다.

회전 초퍼는 여기광을 차단한 뒤 잠깐 기다렸다가 방출광만 검출하도록 시간 분리를 만들어 준다. 수명이 나노초대인 형광과, 조사와 동시에만 나타나는 산란광(라만 포함)은 이 지연 시간 동안 모두 사라지고 수명이 긴 발광만 남는다. 형광이나 라만 산란 측정에는 저온 Dewar도 회전 초퍼도 필요 없으며, 화학발광은 시약의 화학반응 자체로 빛이 나므로 애초에 여기 광원도 여기 단색화 장치도 쓰지 않는다.

n→π* 전이는 비공유전자쌍(n)이 반결합 π* 오비탈로 전이하는 것으로, 용매의 극성이 증가하면 바닥상태의 n 오비탈이 들뜬상태의 π* 오비탈보다 용매와 더 강하게 수소결합·용매화되어 안정화되므로 전이에 필요한 에너지가 커진다.

전이 에너지가 커지면 흡수 파장은 짧아지므로, 용매 극성이 증가함에 따라 n→π* 흡수 봉우리는 짧은 파장 쪽으로 청색 이동(blue shift)한다.

에탄올(C2H6O)은 화학적으로 구별되는 세 종류의 수소(CH3, CH2, OH)를 가지므로 화학적 이동에 따라 세 곳에서 양성자 봉우리가 나타난다. TMS 기준점(0 ppm)에서 가장 가까이, 즉 가장 낮은 화학적 이동값에서 나타나는 봉우리는 메틸(CH3)기 수소이며, 이는 인접한 메틸렌(CH2)의 수소 2개와 스핀-스핀 짝지음(n+1 규칙)을 하여 삼중선(세 개의 봉우리)으로 갈라진다.

따라서 TMS에 가장 가까운 봉우리가 넷으로 갈라진다는 설명은 실제로는 삼중선으로 갈라지는 것과 어긋나 틀린 설명이다.

OH 수소를 중수소로 치환하면 교환반응에 의해 OH 봉우리가 사라진다는 설명, 그리고 300MHz 장비를 쓰면 60MHz일 때보다 화학적 이동에 의한 봉우리 간 간격이 Hz 단위로 크게 벌어지는 반면 짝지음 상수(J)는 그대로여서 스핀-스핀 갈라짐을 더 명확히 관찰할 수 있다는 설명은 모두 옳다.

공액이중결합(conjugated double bond)이 많아질수록 π 전자의 비편재화가 커져 HOMO-LUMO 에너지 차이가 줄어들고, 흡수 봉우리는 더 긴 파장 쪽으로 이동한다.

1,3-부타디엔, 1,3,5-헥사트리엔, 1,3,5,7-옥타테트라엔은 모두 이중결합이 서로 공액되어 있어 공액 사슬이 길어질수록 흡수 파장이 길어진다. 반면 1,4-펜타디엔은 두 이중결합이 하나의 sp3 탄소로 분리되어 공액을 이루지 않는 구조이므로, 고립된 알켄처럼 훨씬 짧은 파장에서 흡수하여 이 중 가장 짧은 흡수 파장을 갖는다.

결정에 의한 X선 회절은 브래그 법칙 $\lambda = 2d\sin\theta$로 설명되며, 여기서 d는 결정면 간격, θ는 입사각(2θ가 회절각)이다.

2θ=69.36°이므로 θ=34.68°이고, d=2.01Å을 대입하면 $\lambda = 2 \times 2.01 \times \sin(34.68^\circ) \approx 2 \times 2.01 \times 0.569 \approx 2.287$ (단위: Å)로 계산되어 관측된 형광 X선의 파장과 일치한다.

1차 스펙트럼에 대한 역선분산능은 1.0nm/mm이다.

단색화장치의 역선분산능(reciprocal linear dispersion, D^-1)은
$D^{-1}=\dfrac{d}{nf}$
로 나타내며, d는 회절발의 홈 간격, n은 회절 차수, f는 초점거리이다.

1mm당 2000개의 홈이 새겨져 있으므로 홈 간격은 $d=\dfrac{1\ \mathrm{mm}}{2000}=500\ \mathrm{nm}$이고, 초점거리는 $f=0.50\ \mathrm{m}=500\ \mathrm{mm}$이다.

1차 스펙트럼(n=1)에 대해 계산하면
$D^{-1}=\dfrac{500\ \mathrm{nm}}{1\times500\ \mathrm{mm}}=1.0\ \mathrm{nm/mm}$

아날로그 필터, 변조기(modulator), 동시화복조기(lock-in amplifier)는 신호를 물리적으로 처리하여 잡음을 줄이는 하드웨어 장치로, 원치 않는 주파수 성분을 걸러내거나 신호를 특정 주파수로 변조한 뒤 그 성분만 선택적으로 검출하여 신호대잡음비를 높인다.

Fourier 변환기는 시간영역 신호를 주파수영역으로 수학적으로 변환·처리하는 디지털 신호처리(소프트웨어적) 기법이므로, 잡음을 줄이는 하드웨어 장치로 분류되지 않는다.

네른스트 식은 $E=E^{\circ}-\dfrac{0.0592}{n}\log\dfrac{1}{[\mathrm{Cd}^{2+}]}$으로 표현되며, [Cd2+]=1.0M이면 로그항이 0이 되어 전위는 표준환원전위와 같아진다.

따라서 1.0M Cd2+ 용액에 담근 카드뮴전극의 반쪽전위는 표준전위인 $E^{\circ}=-0.40\ \mathrm{V}$와 동일하다.

질량분석스펙트럼에서 동위원소 봉우리(M+2 봉우리 등)의 상대적 크기는 분자에 포함된 원소의 자연 동위원소 존재비에 좌우된다. 염소(Cl)는 ³⁵Cl과 ³⁷Cl이 약 3:1의 비율로 존재하기 때문에, 염소를 포함한 화합물은 모봉우리(M)에 비해 상당히 큰 M+2 봉우리를 나타낸다.

염화에틸은 분자 내에 염소 원자를 포함하고 있어 뚜렷한 M+2 동위원소 봉우리를 보이는 반면, 에탄·에탄올·아세톤은 C, H, O로만 이루어져 있어 동위원소 봉우리가 상대적으로 매우 작다.

이론단수는 $N=16\left(\dfrac{t_R}{W}\right)^2$로 구하며, 머무름시간 12분, 봉우리 밑변 나비 2.4분을 대입하면 $N=16\times\left(\dfrac{12}{2.4}\right)^2=16\times25=400$단이 된다.

단높이(HETP)는 분리관 길이를 이론단수로 나눈 값이므로 $H=\dfrac{L}{N}=\dfrac{30\ \mathrm{cm}}{400}=7.5\times10^{-2}\ \mathrm{cm}$로 계산된다.

유리전극은 이온 선택성 전극의 대표적인 예로, 유리막이 수소이온에 선택적으로 감응하는 특성을 이용해 pH를 측정한다. pH전극과 기준전극을 하나로 합친 복합전극은 내부에 별도의 기준전극(내부 기준전극과 외부 기준전극)을 필요로 한다.

그러나 선택계수(selectivity coefficient)는 목적이온에 대한 간섭이온의 상대적 감응 정도를 나타내는 값으로, 이 값이 작을수록 간섭이 적어 선택성이 우수한 전극이다. 따라서 선택계수가 클수록 성능이 우수하다는 설명은 사실과 반대된다.

역상 액체크로마토그래피(RP-LC)는 비극성 정지상과 상대적으로 극성인 이동상을 사용하므로, 극성이 클수록 정지상과의 상호작용이 약해 먼저 용리되고 비극성일수록 정지상에 강하게 머물러 늦게 용리된다.

보기의 화합물 중 n-헥산올은 하이드록시기(OH)를 가지고 있어 상대적으로 가장 극성이 크므로, 비극성인 n-헥산·벤젠·톨루엔보다 정지상과의 상호작용이 약해 가장 먼저 용리된다.

질량분석기의 대표적인 시료도입장치로는 시료를 직접 이온화실 근처로 넣는 직접 도입장치, 일정량을 배치식으로 기화시켜 넣는 배치식 도입장치, 그리고 GC·LC 등과 연결하여 분리된 성분을 순차적으로 넣는 크로마토그래피 도입장치가 있다.

펠렛식 도입장치는 질량분석법에서 표준적으로 사용되는 시료도입 방식이 아니므로, 나머지 세 방법과 달리 질량분석기의 시료도입장치에 해당하지 않는다.

기록지 상에서 봉우리 꼭지점까지의 거리를 기록지 속도로 나누면 머무름시간을 구할 수 있다. $t_R=\dfrac{30\ \mathrm{cm}}{5\ \mathrm{cm/min}}=6\ \mathrm{min}$

머무름부피는 머무름시간에 이동상(전개 가스)의 유속을 곱하여 구하므로 $V_R=t_R\times F=6\ \mathrm{min}\times20\ \mathrm{mL/min}=120\ \mathrm{mL}$이다.

불꽃이온화검출기(FID)는 시료가 수소 불꽃에서 연소될 때 생성되는 탄소 이온을 검출하는 원리로, C-H 결합을 가진 유기화합물에 대해 감도가 높고 물, 무기가스, 무기이온 등에는 거의 반응하지 않는다.

따라서 자연수 중에 존재하는 유기물질에 의한 오염도를 측정하는 데에는 FID가 적합하지만, 물의 함량 측정이나 이산화탄소·이산화황과 같이 C-H 결합이 없는 무기 화학종의 정량에는 FID가 반응성이 낮아 적절하지 않다.

염산(H+, Cl-)을 수산화나트륨(Na+, OH-)으로 적정할 때, 이동도가 매우 큰 수소이온(H+)이 점차 소모되면서 이동도가 훨씬 작은 나트륨이온(Na+)으로 치환되므로, 당량점에 이르기까지 용액의 전도도는 계속 감소한다.

당량점(종말점)을 지나면 더 이상 중화반응이 일어나지 않고 이동도가 큰 수산화이온(OH-)이 그대로 용액에 과량으로 축적되므로, 전도도는 다시 증가하기 시작한다.

적하수은전극(DME)은 표면이 계속 새롭게 갱신되어 오염의 영향을 적게 받고 재현성 있는 평균전류를 얻을 수 있으며, 수소의 환원에 대한 과전압이 커서 넓은 음극(환원)측 전위범위를 사용할 수 있다는 장점이 있다.

반면 수은은 비교적 낮은 양극(산화) 전위에서 쉽게 산화되는 성질이 있어 오히려 양극측 사용 가능 전위범위를 제한하는 단점으로 작용한다. 따라서 수은이 쉽게 산화되지 않아 효과적이라는 설명은 사실과 반대되어 DME의 장점으로 볼 수 없다.

배제크로마토그래피(size-exclusion chromatography, 겔여과·겔투과크로마토그래피)는 분자 크기에 따라 다공성 충전물의 세공을 통과하는 정도가 달라지는 원리를 이용하며, 분자량이 매우 크고 범위가 넓은 단백질·핵산 등 생체 고분자를 분리하는 데 가장 널리 쓰인다.

흡착·분배·이온교환크로마토그래피는 각각 표면흡착력, 분배계수, 이온성 상호작용 차이를 이용하는 방법으로 저분자량 화합물 분리에 주로 사용되며, 분자량 10,000 이상의 거대 생체분자 분리에는 배제크로마토그래피만큼 적합하지 않다.

전자충격장치(EI), 화학적 이온화장치(CI), 장탈착장치(FD)는 모두 중성 분자를 기체상태의 이온으로 전환시키는 이온원(ion source)에 해당한다.

이중초점 분석기(double focusing analyzer)는 생성된 이온을 질량 대 전하비(m/z)에 따라 분리·분석하는 질량분석부(mass analyzer)로, 이온을 만드는 장치가 아니라 이미 만들어진 이온을 분리하는 장치이다.

기체-고체 크로마토그래피(GSC)는 고체 정지상 표면에 기체 성분이 흡착되는 현상을 이용하며, 충전 컬럼과 열린관(모세관) 컬럼 모두에 적용할 수 있고 기체-액체 컬럼(GLC)에 잘 머물지 않는 저비점·기체상 화학종의 분리에 유용하다.

다만 흡착 등온선이 비선형적이기 때문에 GSC의 분포상수는 일반적으로 GLC보다 더 크며, 이로 인해 봉우리 tailing(비대칭)이 심해지는 경우가 많다. 따라서 GSC의 분포상수가 GLC보다 적다는 설명은 실제와 반대되어 틀린 설명이다.

전압전류법에서 용존산소는 자체적으로 환원반응을 일으켜 목적 화학종의 전류 신호와 겹쳐 정량을 방해하므로 측정 전에 제거해야 한다.

가장 일반적인 방법은 질소나 아르곤 같은 불활성기체를 시료용액 속으로 일정 시간 불어 넣어(퍼징) 용존산소를 밀어내는 것이며, 온도를 높이거나 pH를 낮추거나 강하게 저어주는 것만으로는 용존산소를 효과적으로 제거할 수 없다.

분배 크로마토그래피, 액체-고체 크로마토그래피, 이온교환 크로마토그래피는 모두 액체 이동상을 사용하는 액체크로마토그래피(LC)의 종류이다.

이들과 달리 확산 크로마토그래피는 액체를 이동상으로 사용하는 표준적인 크로마토그래피 분류에 속하지 않으므로, 이동상이 액체인 크로마토그래피가 아닌 것에 해당한다.

시차주사열량법(DSC)으로 중합체를 측정하면 결정화(발열), 용융(흡열), 산화·열분해(발열) 등 다양한 열적 전이가 열량 변화로 나타난다.

승화는 고체가 액체를 거치지 않고 곧바로 기체로 변하는 상전이로, 일반적인 고분자 시료의 DSC 측정에서는 관찰되지 않는 현상이므로 나머지 세 가지 전이와 달리 중합체의 열량변화와 관련이 가장 적다.

굴절률검출기(RI detector)는 이동상과 용질 사이의 굴절률 차이를 이용하므로 발색단이 없는 화합물을 포함해 대부분의 용질에 범용적으로 감응할 수 있다는 장점이 있는 반면, 온도 변화에 매우 민감하여 정밀한 온도 제어가 필요하다.

UV 흡수 검출기는 254nm뿐 아니라 다양한 파장을 선택하거나 광다이오드 배열로 여러 파장을 동시에 측정할 수 있고, 형광검출기는 형광을 내는 특정 화학종에만 사용할 수 있는 대신 감도가 매우 높으며, 모든 HPLC 검출기가 물리적 변화에만 감응하는 것은 아니고 UV 검출기처럼 화학적·전자적 흡광 특성에 감응하는 검출기도 있다.

전자충격이온화법(EI)에서는 관례적으로 70eV의 전자에너지를 사용하여 시료를 이온화한다. 이 에너지에서 얻어지는 조각화(fragmentation) 패턴이 재현성이 높아 오랫동안 표준으로 채택되어 왔다.

그 결과 대부분의 상업용 질량스펙트럼 라이브러리(NIST 등)가 70eV 조건에서 구축되어 있어, 같은 조건으로 얻은 스펙트럼을 라이브러리 검색(library search)으로 비교·동정할 수 있다.

비누거품 유속계(soap bubble flowmeter)는 기체가 컬럼(분리관)을 통과해 시스템을 빠져나오는 출구, 즉 관 바로 뒤에 연결하여, 실제로 컬럼을 통과한 뒤의 유속을 직접 측정하는 방식으로 사용한다.

유속제어기 직후나 시료주입기·관 바로 앞에 연결하면 컬럼을 통과하기 전의 유속만 측정하게 되어, 컬럼 내 압력 강하나 온도 변화로 인한 실제 유속과 차이가 생길 수 있으므로 적절한 측정 위치가 아니다.

전자충격법(EI, electron impact)은 시료 분자에 약 70eV에 이르는 고에너지 전자빔을 충돌시켜 이온화하는 방법으로, 다른 이온화법에 비해 훨씬 큰 에너지를 전달한다.

전기분무 이온화법(ESI), 빠른 원자 충격법(FAB), 열분무 이온화법(TSI)은 상대적으로 낮은 에너지로 분자를 이온화하는 연성 이온화법(soft ionization)으로, 분자이온을 잘 보존하여 조각화가 적게 일어난다는 점에서 전자충격법과 대비된다.