26년 2회차

옳지 않은 설명은 왕수가 금·백금을 용해하지 못한다는 내용이다. 왕수는 오히려 금과 백금까지 녹이는 강력한 혼합산이다.

진한 질산의 산화력으로 금속이 이온화되고, 염산의 염화 이온이 클로로 착이온을 만들어 용해가 계속 진행된다.

• 암모니아와의 반응: $\mathrm{HNO_3 + NH_3 \rightarrow NH_4NO_3}$ 로 질산암모늄이 생기며 비료·폭약 원료로 쓰인다.
• 공업용 묽은 질산: 질산암모늄·질산칼륨 등 질소함유 비료의 원료로 쓰인다.
• 진한 질산: 니트로화 반응의 원료로서 염료·화약·의약품·로켓 연료 등에 쓰인다.

㉠은 $\mathrm{H_2SO_4}$, ㉡은 $\mathrm{HCl}$이다. Leblanc법 1단계는 소금과 황산의 반응이다.

반응식은 $\mathrm{NaCl + H_2SO_4 \rightarrow NaHSO_4 + HCl}$ 이다. 소금의 염소가 염화수소 기체로 빠져나가며 부생한다.

• 황산과 수산화나트륨의 조합: 소금의 염소가 갈 곳이 없어 물질수지가 맞지 않는다.
• 질산과 염화수소의 조합: 질산에는 황이 없으므로 황산수소나트륨을 얻을 수 없다.
• 질산과 수산화나트륨의 조합: 반응물에 황이 없고 염소의 행방도 설명되지 않는다.

사진공정의 순서는 감광제 도포 → 저온열처리 → 노광 → 현상이다. 막을 만들고, 굳히고, 빛을 쪼이고, 패턴을 드러내는 흐름이다.

스핀 코팅으로 감광막을 형성한 뒤 소프트 베이킹으로 용매를 날려 막을 안정시킨다. 이어서 마스크를 통해 노광하고 현상액으로 패턴을 드러낸다.

• 저온열처리부터 시작해 도포 후 현상, 노광으로 이어지는 순서: 감광막이 없는 상태에서 굽게 되고, 빛을 쪼이기 전에 현상하게 된다.
• 저온열처리와 노광을 먼저 하고 도포, 현상을 하는 순서: 감광제가 없는 웨이퍼에 노광하므로 패턴이 기록되지 않는다.
• 도포 직후 현상하고 저온열처리, 노광을 하는 순서: 노광 전에 현상하므로 드러낼 패턴이 없고, 노광이 마지막이어서 패턴이 남지 않는다.

계수는 ㉠ 1, ㉡ 3, ㉢ 2이다. 원자 수를 양변에서 맞추면 바로 결정된다.

㉠을 1로 두고 원소별로 맞춘다.
P 수지: 좌변의 인 원자가 2개이므로 인산 계수는 2이다.
H 수지: 우변 $2 \times 3 = 6$ 이므로 물의 계수는 3이다.
O 수지: 좌변 $5 + 3 = 8$, 우변 $2 \times 4 = 8$ 로 일치한다.

완성식은 $\mathrm{P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4}$ 이다.

• 계수 1, 1, 2: 수소가 좌변 2개, 우변 6개로 맞지 않는다.
• 계수 2, 1, 3: 인은 좌변 4개, 우변 3개로 맞지 않는다.
• 계수 2, 3, 2: 인이 좌변 4개, 우변 2개로 맞지 않는다.

설명에 해당하는 시멘트는 조강 포틀랜드시멘트이다. 핵심어는 초기 강도를 높였다는 점이다.

$\mathrm{C_3S}$ 함량을 보통 포틀랜드시멘트보다 높이고 더 곱게 분쇄해 수화를 빠르게 한다. 공기 단축이 필요한 공사에 쓰인다.

• 내황산염 포틀랜드시멘트: 황산염에 약한 $\mathrm{C_3A}$ 함량을 낮춰 황산염 저항성을 높인 시멘트이다.
• 백색 포틀랜드시멘트: 철 성분을 줄여 색을 희게 만든 시멘트이다.
• 중용열 포틀랜드시멘트: $\mathrm{C_3S}$·$\mathrm{C_3A}$ 를 줄여 수화열을 낮춘 시멘트로, 초기 강도 발현은 오히려 느리다.

옳은 것은 애노드에서 아연이 산화되는 반응이다. 애노드는 산화, 캐소드는 환원이 일어나는 전극이다.

Zn의 산화수는 0에서 +2로 증가하므로 산화이고, Cu의 산화수는 +2에서 0으로 감소하므로 환원이다.
애노드: $\mathrm{Zn(s) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2e^-}$
캐소드: $\mathrm{Cu^{2+}(aq) + 2e^- \rightarrow Cu(s)}$

• 구리 이온의 환원을 애노드 반응으로 쓴 것: 환원은 캐소드에서 일어나므로 전극이 바뀌었다.
• 1가 구리 이온의 환원을 캐소드 반응으로 쓴 것: 전지식의 이온은 2가 구리 이온이고 전자도 2개가 이동한다.
• 아연의 산화를 캐소드 반응으로 쓴 것: 산화는 애노드에서 일어나고, 생성 이온도 2가이다.

옳은 것은 ㉠, ㉡이다. 이산화황의 산화는 비가역이 아니라 가역 반응이므로 ㉢은 틀렸다.

반응식은 $\mathrm{2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3}$ 이며 발열 가역 반응이다. 그래서 전화기에서 온도를 조절해 평형과 속도를 함께 맞춘다.

• ㉠ 옳다: 삼산화황을 물에 직접 흡수시키면 황산 미스트가 생기므로 98 % 황산 용액으로 흡수한다.
• ㉡ 옳다: 백금 촉매는 고가이고 피독에 약해 공업적으로 바나듐계 촉매로 대체되었다.
• ㉢ 옳지 않다: 평형 반응이어서 조건에 따라 전화율이 달라진다.

옳지 않은 것은 대면적·연속공정·동시다중 증착이 불가능하다는 내용이다. 이 공정들이 가능하다는 것이 스퍼터링의 장점이다.

스퍼터링은 플라스마의 이온으로 타깃을 때려 튀어나온 입자를 기판에 쌓는 물리적 증착법이다. 타깃을 크게 하거나 여러 개 쓰는 방식으로 공정 확장이 쉽다.

• 결합 에너지와 부착력: 입자가 큰 운동에너지로 기판에 도달하므로 막의 부착력이 우수하다.
• 고 융점 재료의 증착: 재료를 녹이지 않고 충돌로 떼어내므로 고융점 금속·합금·내화물도 증착할 수 있다.
• 공정 제어성: 공정이 안정적이어서 막질과 막 두께를 제어하기 쉽다.

옳지 않은 것은 하수원수 중의 고형물 제거이다. 이는 2차 처리가 아니라 스크린·침전 등을 쓰는 1차 처리의 역할이다.

생물학적 2차 처리는 1차 처리를 거친 하수의 유기물을 미생물로 분해하는 단계이다.

• 모노드식: 기질 농도와 미생물 증식 속도의 관계를 나타내는 경험식으로 널리 쓰인다.
• 폭기조의 호기성 분해: 1차침전지에서 남은 유기물은 폭기조에서 호기성 미생물이 분해한다.
• 폭기조 미생물농도: 미생물농도가 높을수록 분해효율이 좋아지므로 슬러지 반송 등으로 높게 유지한다.

$sp^3$ 혼성탄소로만 구성된 동소체는 다이아몬드이다. 모든 탄소가 다른 탄소 4개와 사면체로 결합한다.

이 3차원 공유결합 망상 구조 때문에 다이아몬드는 매우 단단하고 전기가 통하지 않는다. 나머지 동소체는 $sp^2$ 혼성이 중심이다.

• 풀러렌: 오각형과 육각형 고리로 된 구형 분자로 $sp^2$ 혼성이 중심이다.
• 흑연: $sp^2$ 탄소의 평면 층이 쌓인 구조로 비편재 전자가 있어 전기가 통한다.
• 탄소나노튜브: 흑연 층을 말아 놓은 원통 구조로 $sp^2$ 혼성이 중심이다.

옳지 않은 것은 합성염산이 연소 공정으로만 이루어진다는 내용이다. 연소로는 기체 염화수소가 얻어질 뿐이어서 이를 물에 흡수시키는 공정이 뒤따라야 한다.

합성염산은 $\mathrm{H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl}$ 의 연소 단계 뒤에 냉각과 물 흡수 단계를 거쳐 제품이 된다.

• 염산제조법의 구분: 합성염산법과 부생염산법이 있다.
• 염산의 정의: 염화수소의 수용액이며 염화수소산이라고도 한다.
• 부생염산: 유기물의 염소화 공정에서 나오는 염화수소로 염산을 제조한다.

㉠은 알칼리 연료전지, ㉡은 용융탄산염 연료전지이다. ㉠의 핵심어는 진한 KOH 전해질, ㉡의 핵심어는 650 ℃ 작동과 일산화탄소 연료이다.

알칼리 연료전지는 아폴로 계획의 우주선 전원으로 쓰였다. 용융탄산염 연료전지는 고온에서 작동해 일산화탄소도 연료로 이용할 수 있다.

• 고분자전해질과 용융탄산염의 조합: 고분자전해질 연료전지는 KOH 용액이 아닌 고분자막을 전해질로 쓴다.
• 알칼리와 고체산화물의 조합: 고체산화물 연료전지는 ㉡의 작동 온도보다 더 높은 온도에서 작동한다.
• 고분자전해질과 고체산화물의 조합: 전해질과 작동 온도 두 특징이 모두 어긋난다.

옳지 않은 것은 촉매가 반응 엔탈피를 변화시킨다는 내용이다. 촉매는 엔탈피가 아니라 활성화 에너지를 낮추어 반응을 빠르게 한다.

촉매는 다른 반응 경로를 제공할 뿐 반응물과 생성물의 에너지 차이는 바꾸지 못한다.

• 촉매의 질량: 이상적인 촉매는 반응에서 소모되지 않으므로 반응 전후 질량이 같다.
• 정반응과 역반응: 평형상수가 일정하므로 정반응 속도가 커지면 역반응 속도도 함께 커진다.
• 불균일계 촉매의 분리: 생성물과 상이 달라 균일계 촉매보다 분리가 쉽다.

잘못 짝지어진 것은 석회질소 - 산성이다. 석회질소는 염기성 비료이다.

석회질소($\mathrm{CaCN_2}$)는 물과 반응해 수산화칼슘을 내므로 수용액이 염기성을 나타낸다.

• 과린산석회: 유리 인산을 포함해 산성을 나타낸다.
• 요소: 이온으로 해리되지 않아 중성을 나타낸다.
• 용성인비: 칼슘·마그네슘 성분을 포함한 염기성 비료이다.

㉠의 촉매는 $\mathrm{CoMo/Al_2O_3}$, ㉡의 촉매는 $\mathrm{V_2O_5/TiO_2}$이다. ㉠은 수소화 탈황, ㉡은 암모니아를 이용한 선택적 촉매 환원 반응이다.

㉠은 유기황을 수소로 분해해 황화수소로 제거한다. ㉡은 질소산화물을 암모니아로 환원해 질소와 물로 바꾼다.

• $\mathrm{CoMo/Al_2O_3}$ 와 $\mathrm{Fe_3O_4/Al_2O_3}$ 의 조합: 철계 촉매는 암모니아 합성에 쓰이는 촉매이다.
• $\mathrm{Pt/Al_2O_3}$ 와 $\mathrm{Fe_3O_4/Al_2O_3}$ 의 조합: 백금계 촉매는 나프타 개질에 쓰이고, 철계 촉매도 ㉡과 맞지 않는다.
• $\mathrm{Pt/Al_2O_3}$ 와 $\mathrm{V_2O_5/TiO_2}$ 의 조합: 황 화합물에 피독되기 쉬운 백금계는 수소화 탈황의 대표 촉매가 아니다.

옳지 않은 것은 이온을 빠르게 공급해야 한다는 내용이다. 완효성 비료는 질소를 서서히 공급하는 것이 목적이다.

속효성 비료는 이온이 빨리 공급되어 유실되기 쉽다. 완효성 비료는 천천히 녹고 분해되어 효과가 오래 지속된다.

• 용해도와 분해 속도: 물에 잘 녹지 않고 분해가 느려 비효가 지속된다.
• 우레아포름과 황산구아닐 요소: 대표적인 완효성 질소비료이다.
• 산림용 비료: 자주 시비하기 어려운 산림에 적합하다.

탄산수소나트륨이 침전물로 생성되는 공법은 Solvay법이다. 암모니아소다법이라고도 한다.

암모니아를 포화시킨 소금물에 이산화탄소를 불어넣으면 용해도가 작은 탄산수소나트륨이 석출된다.
$\mathrm{NaCl + NH_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow NaHCO_3 + NH_4Cl}$
이를 걸러 가열하면 소다회가 된다.

• 암모니아산화법: 암모니아를 산화해 질산을 만드는 공법으로 소다회 제조법이 아니다.
• Leblanc법: 소금을 황산나트륨으로 바꾼 뒤 석회석·석탄과 가열해 탄산나트륨을 얻는 공법으로 탄산수소나트륨 침전 단계가 없다.

옳은 것은 ㉡, ㉢이다. ㉠은 압축력과 인장력의 강약을 바꿔 쓴 틀린 설명이다.

유리는 압축력에 강하고 인장력에 약하다. 표면의 미세한 흠에 인장 응력이 집중되기 때문이다.

• ㉠ 옳지 않다: 상온에서 탄성 재료인 것은 맞지만 인장력에 약하다.
• ㉡ 옳다: 화학적 내구성이 높지만 플루오린화수소가 규산염 망목을 공격해 유리를 녹인다.
• ㉢ 옳다: 자유전자가 없어 일반적으로 부도체이다.

인 함량의 기준 성분은 $\mathrm{P_2O_5}$이다. 인산 비료의 함량은 인 원소가 아니라 이 산화물로 환산해 나타낸다.

예를 들어 비료의 유효 인산은 오산화이인 환산량으로 표시한다.

• $\mathrm{PO_4}$: 인산 이온의 단위로, 비료 함량 표시 기준이 아니다.
• $\mathrm{PO_3}$: 메타인산 이온의 단위로, 비료 함량 표시 기준이 아니다.
• $\mathrm{P_2O_3}$: 인의 산화수가 오산화이인보다 낮은 삼산화이인으로, 비료 함량 표시 기준이 아니다.