[화학분석기사 필기] 17년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지
어떤 물질의 화학식이 C2H2CIBr로 주어졌고, 그 구조가 다음과 같을 때에 대한 설명으로 틀린 것은?
(1)과 (2)는 동일 구조이다.
(2)와 (4)는 동일 구조이다.
(2)와 (3)은 기하 이성질체 관계이다.
(3)과 (4)는 동일 구조이다.
C2H2ClBr는 이중결합을 사이에 둔 평면 분자라, 이중결합을 축으로 회전할 수 없어 치환기가 같은 쪽이냐 반대쪽이냐만으로 서로 다른 화합물이 생긴다. 그림에서 (1)은 왼쪽 탄소가 위 H·아래 Cl, 오른쪽 탄소가 위 Br·아래 H이므로 Cl과 Br이 서로 반대쪽이고, (2)는 왼쪽이 위 Br·아래 H, 오른쪽이 위 H·아래 Cl이므로 역시 반대쪽이다. 두 그림은 분자를 통째로 180° 돌린 관계라 같은 화합물이다.
(3)은 왼쪽이 위 H·아래 Br, 오른쪽이 위 H·아래 Cl로 Cl과 Br이 같은 쪽이고, (4)는 왼쪽이 위 Cl·아래 H, 오른쪽이 위 Br·아래 H로 역시 같은 쪽이다. 따라서 (3)과 (4)도 서로 같은 화합물이며, 반대쪽 배치인 (2)와 같은 쪽 배치인 (3)은 기하(시스-트랜스) 이성질체 관계다.
정리하면 이 그림에는 (1)=(2)인 반대쪽 배치와 (3)=(4)인 같은 쪽 배치, 두 종류의 화합물만 있다. 그러므로 (2)와 (4)를 동일 구조라고 한 설명이 틀렸다 — 두 구조는 이중결합을 회전시키지 않으면 겹칠 수 없는 기하 이성질체다.
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어떤 상태에서 탄소(C)의 전자 배치가 1s22s22px2로 나타났다. 이 전자배치에 대하여 옳게 설명한 것은?
들뜬 상태, 짝짓지 않은 전자 존재
들뜬 상태, 전자는 모두 짝지었음
바닥 상태, 짝짓지 않은 전자 존재
바닥 상태, 전자는 모두 짝지었음
바닥상태 탄소(전자배치 )는 훈트의 규칙에 따라 2개의 2p 전자가 서로 다른 p 오비탈에 하나씩 들어가 짝을 짓지 않은 상태로 존재한다.
그런데 문제의 배치처럼 두 전자가 모두 하나의 2p 오비탈에 들어가 있으면, 파울리 배타원리에 의해 이 두 전자는 스핀이 반대로 서로 짝을 지은 상태가 되며, 이는 훈트의 규칙을 따르지 않는 들뜬 상태의 전자배치에 해당한다.
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어느 실험과정에서 한 학생이 실수로 0.20M NaCI 용액 250mL를 만들었다. 그러나 실제 실험에 필요한 농도는 0.005M 이었다. 0.20M NaCI 용액을 가지고 0.005M NaCI 100mL를 만들려면, 100mL 부피 플라스크에 0.20M NaCI을 얼마나 넣어야 하는가?
2mL
2.5mL
4mL
5mL
희석 전후 용질의 몰수는 같으므로 를 적용한다.
이므로, 0.20M NaCl 용액 2.5mL를 100mL 부피플라스크에 넣고 표선까지 채우면 된다.
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다음 반응에서 산화된 원소는?
Zn
H
S
O
이 반응에서 Zn은 산화수가 0에서 +2로 증가하며 전자를 잃으므로 산화된다. 반면 H는 H2SO4에서 +1이었다가 H2에서 0으로 감소하며 전자를 얻어 환원된다.
S와 O는 반응 전후 각각 +6, -2로 산화수 변화가 없는 관찰자 원소이다. 따라서 이 반응에서 산화되는 원소는 Zn이다.
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황산칼슘(CaSO4)의 용해도곱(Ksp)이 2.4×10-5이다. 이 값을 이용하여 황산칼슘(CaSO4)의 용해도를 구하면? (단, 황산칼슘의 분자량은 136.2g이다)
1.414g/L
1.114g/L
0.667g/L
0.121g/L
황산칼슘의 용해도는 약 0.667 g/L이다.
황산칼슘은 로 해리하며, 몰용해도를 라 하면 이 성립한다.
따라서
이며, 여기에 분자량 을 곱하면
로 계산된다.
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메탄의 연소반응이 다음과 같을 때 CH4 24g 과 반응하는 산소의 질량은 얼마인가?
24g
48g
96g
192g
메탄의 몰질량은 16g/mol이므로 CH4 24g은 이다.
반응식에서 CH4 1몰당 O2 2몰이 필요하므로, 반응하는 O2는 이고, 이를 질량으로 환산하면 이다.
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Lewis 구조 가운데 공명구조를 가지는 화합물을 옳게 나열한 것은?
H2O, HF
H2O, O3
O3, NO3
H2O, HF, O3, NO3
공명구조는 하나의 루이스 구조만으로는 결합 특성을 제대로 표현할 수 없어, 여러 등가(또는 유사한) 구조를 겹쳐서 나타내야 하는 경우에 나타난다.
오존(O3)과 질산이온(NO3-)은 이중결합이 특정 위치에 고정되지 않고 여러 원자 사이에 비편재화되어 있어 대표적인 공명구조를 갖는다. 반면 물(H2O)과 플루오린화수소(HF)는 단일 루이스 구조만으로 결합을 충분히 설명할 수 있어 공명구조를 갖지 않는다.
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이온반지름의 크기를 잘못 비교한 것은?
Mg2+> Ca2+
F-< O2-
Al3+< Mg2+
O2-< S2-
이온반지름은 전자껍질 수가 늘어나면 커지고, 전자 수가 같은 이온끼리는 핵전하가 클수록 전자를 더 세게 끌어당겨 작아진다.
Mg2+과 Ca2+은 같은 2족 이온으로, 아래쪽인 Ca2+이 전자껍질을 하나 더 가지므로 반지름이 더 크다(Mg2+ < Ca2+). 따라서 Mg2+이 Ca2+보다 크다는 비교가 실제 경향과 반대로 서술된 것이다.
나머지 비교는 모두 옳다. F-과 O2-은 전자 수가 10개로 같은 등전자 이온인데 핵전하가 더 큰 F 쪽이 전자를 강하게 당겨 F- < O2-이고, Al3+과 Mg2+ 역시 등전자 관계라 핵전하가 큰 Al3+ < Mg2+이다. O2-과 S2-은 같은 16족으로 아래쪽인 S2-의 전자껍질이 더 많아 O2- < S2-이다.
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탄화수소 화합물에 대한 설명으로 틀린 것은?
탄소-탄소 결합이 단일결합으로 모두 포화된 것을 alkane이라 한다.
탄소-탄소 결합에 이중결합이 있는 탄화수소 화합물은 alkene 이라 한다.
탄소-탄소 결합에 삼중결합이 있는 탄화수소 화합물은 alkyne 이라 한다.
가장 간단한 alkyne 화합물은 프로필렌(C3H4)이다.
탄소-탄소 결합이 모두 단일결합인 탄화수소는 알케인(alkane), 이중결합을 포함하면 알켄(alkene), 삼중결합을 포함하면 알카인(alkyne)이라 부르는 것은 모두 옳은 설명이다.
그러나 가장 간단한 알카인은 탄소 2개 사이에 삼중결합 하나만 있는 아세틸렌(에타인, C2H2)이다. 프로필렌은 본래 이중결합을 가진 알켄(프로펜, C3H6)을 가리키는 이름이며, 설령 탄소 3개짜리 알카인(프로파인)을 뜻한다고 보더라도 탄소 수가 더 많으므로 가장 간단한 알카인이 될 수 없다. 따라서 가장 간단한 alkyne 화합물이 프로필렌이라는 설명은 옳지 않다.
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Na2CO3용액에 HCl 용액을 첨가하면 다음과 같은 반응이 진행된다. 이 반응에 근거하여 Na2CO3용액의 몰농도와 노르말농도 사이의 관계를 옳게 나타낸 것은?
0.10M = 0.20N
0.10M = 0.10N
0.10M = 0.05N
0.10M = 0.01N
이 반응에서 Na2CO3 1몰은 HCl(H+) 2몰과 반응하므로, Na2CO3 1몰이 내놓을 수 있는 당량수는 2가이다.
당량 농도(N)는 몰농도(M)에 당량수를 곱한 값이므로 의 관계가 성립하여 0.10M = 0.20N이 된다.
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용액에 관한 설명으로 틀린 것은?
휘발성 용매에 비휘발성 용질이 녹아있는 용액의 끓는점은 순수한 용매보다 높아진다.
용액은 둘 또는 그 이상의 물질로 이루어진 혼합물이다.
몰랄농도는 용액 1kg 당 포함된 용질의 몰수를 나타낸다.
몰농도는 용액 1L당 포함된 용질의 몰수를 나타낸다.
몰농도(molarity)는 용액 1L에 들어 있는 용질의 몰수를 나타내며, 비휘발성 용질이 녹은 용액의 끓는점이 순수한 용매보다 높아지는 것(끓는점 오름)과 용액이 두 가지 이상의 물질로 된 혼합물이라는 설명은 모두 옳다.
다만 몰랄농도(molality)는 용액 1kg이 아니라 용매(solvent) 1kg에 녹아 있는 용질의 몰수로 정의된다. 따라서 몰랄농도를 용액 1kg 기준으로 설명한 것은 정의를 잘못 서술한 것이다.
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화학평형에 대한 설명으로 틀린 것은?
동적평형에 있는 계에 자극이 가해지면 그 자극의 영향을 최대화하는 방향으로 평형이 변화한다.
정반응이 발열반응이면 반응온도를 낮추면 평형상수가 증가한다.
평형상태에 있는 기체 반응혼합물을 압축하면 반응은 기체분자의 수를 감소시키는 방향으로 진행된다.
촉매는 반응혼합물의 평형조성에 영향을 주지 않는다.
동적평형에 있는 계에 외부 자극(농도·온도·압력 변화 등)이 가해지면, 르샤틀리에의 원리에 따라 계는 그 자극의 영향을 최소화(상쇄)하는 방향으로 평형을 이동시킨다. 자극의 영향을 최대화하는 방향으로 변화한다는 설명은 이 원리와 반대된다.
나머지 설명들, 즉 발열반응에서 온도를 낮추면 평형상수가 커진다는 것, 기체 혼합물을 압축하면 기체분자 수가 줄어드는 방향으로 반응이 진행된다는 것, 촉매가 평형조성 자체에는 영향을 주지 않는다는 것은 모두 화학평형의 일반적 성질과 일치하는 옳은 설명이다.
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다음 중 실험식이 다른 것은?
CH2O
C2H6O2
C6H12O6
C3H6O3
실험식은 화합물을 이루는 원소의 몰수 비를 가장 간단한 정수비로 나타낸 것이다. C6H12O6과 C3H6O3는 각각 6과 3으로 나누면 모두 CH2O가 되어 CH2O와 실험식이 같다.
반면 C2H6O2는 원소 비가 2:6:2 = 1:3:1로, 가장 간단한 정수비로 나타내면 CH3O가 되어 CH2O와는 다른 실험식을 갖는다.
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입체이성질체의 대표적인 2가지 형태 중 하나에 해당하는 것은?
배위이성질체
기하이성질체
결합이성질체
이온화이성질체
입체이성질체(stereoisomer)는 원자의 연결 순서(구성)는 같지만 공간 배열이 달라 생기는 이성질체로, 크게 광학이성질체(거울상이성질체)와 기하이성질체(cis-trans 이성질체)의 두 가지로 나뉜다.
배위이성질체, 결합이성질체, 이온화이성질체는 모두 원자들의 연결 방식(구성 성분이 배위권 안팎에 어떻게 배치되는지 등) 자체가 다른 구조이성질체에 속하므로, 공간 배열의 차이로 정의되는 입체이성질체와는 구분된다.
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다음 중 벤젠의 유도체가 아닌 것은?
벤조산
아닐린
페놀
헵테인
벤조산, 아닐린, 페놀은 모두 벤젠 고리에 작용기(각각 카복시기, 아미노기, 하이드록시기)가 치환된 벤젠 유도체이다.
반면 헵테인(heptane)은 탄소 7개로 이루어진 사슬형 알케인(포화 탄화수소)으로, 방향족 벤젠 고리 구조를 포함하지 않으므로 벤젠 유도체에 해당하지 않는다.
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철근이 녹이 슬 때 질량은 어떻게 되겠는가?
녹슬기 전과 질량 변화가 없다.
녹슬기 전에 비해 질량이 증가한다.
녹이 슬면서 일정 시간 질량이 감소하다가 일정하게 된다.
녹슬기 전에 비해 질량이 감소한다.
철이 녹스는 반응은 철이 공기 중 산소와 결합하여 산화철 계열의 녹을 생성하는 산화반응이다. 이 과정에서 대기 중의 산소 원자가 철에 결합되어 고체 생성물의 일부가 되므로, 반응 전 철근의 질량에 산소의 질량만큼이 더해진다.
따라서 녹이 슨 철근은 녹슬기 전에 비해 질량이 증가한다.
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다음 방향족 화합물 구조의 명칭에 해당하는 것은?
ortho-dichlorobenzene
meta-dichlorobenzene
para-dichlorobenzene
delta-dichlorobenzene
이치환 벤젠의 이름은 두 치환기가 붙은 고리 탄소의 상대 위치로 정해진다. 바로 이웃한 1,2-위치면 ortho(o-), 한 탄소 건너뛴 1,3-위치면 meta(m-), 고리 정반대인 1,4-위치면 para(p-)다.
그림의 구조는 두 개의 Cl이 서로 이웃한 고리 탄소에 하나씩 붙어 있어 사이에 다른 탄소가 끼어 있지 않다. 즉 1,2-dichlorobenzene이므로 ortho-dichlorobenzene이 된다.
참고로 delta-는 이치환 벤젠의 위치를 나타내는 접두어로 쓰지 않는다. 위치 접두어는 ortho·meta·para 세 가지뿐이다.
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0.120mol 의 HC2H3O2와 0.140mol 의 NaC2H3O2가 들어 있는 1.00L 용액의 pH를 계산하면 얼마인가? (단, Ka = 1.8×10-5이다)
3.82
4.82
5.82
6.82
이 완충용액의 pH는 약 4.82이다.
아세트산과 아세트산나트륨이 함께 들어 있는 용액은 완충용액이므로, 헨더슨-하셀바흐식
을 적용한다.이고, 이므로
을 더하면
로, 제시된 값 중 약 4.82에 가장 가깝다.
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0℃, 1atm에서 0.495g 의알루미늄이 모두 반응할 때 발생되는 수소 기체의 부피는 약몇 L 인가?
0.033
0.308
0.424
0.616
알루미늄의 몰질량은 27 g/mol이므로 0.495 g은 에 해당한다.
반응식 에서 Al과 H2의 몰비는 2:3이므로, 생성되는 H2는 이다.
0℃, 1atm(표준상태)에서 기체 1몰의 부피는 22.4 L이므로, H2 부피는 로 계산된다.
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산과 염기에 대한 다음 설명 중 틀린 것은?
산은 수용액 중에서 양성자(H+, 수소 이온)를 내놓는 물질을 지칭한다.
양성자를 주거나 받는 물질로 산과 염기를 정의하는 것은 브뢴스테드에 의한 산염기의 개념이다.
산과 염기의 세기는 해리도를 통해 가늠할 수 있다.
아레니우스에 의한 산의 정의는 물에서 해리되어 수산화 이온을 내놓는 물질이다.
산은 수용액에서 양성자(H+)를 내놓는 물질이라는 정의, 양성자를 주고받는 것으로 산·염기를 정의하는 브뢴스테드의 개념, 그리고 해리도로 산·염기의 세기를 가늠할 수 있다는 설명은 모두 옳다.
그러나 아레니우스의 산은 물에 녹아 수소이온(H+)을 내놓는 물질로 정의되며, 물에서 해리되어 수산화이온(OH-)을 내놓는 물질은 아레니우스의 염기에 대한 정의이다. 따라서 이 설명은 산과 염기의 정의를 서로 바꾸어 서술한 것이다.
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다음 중 질량의 SI 단위는?
mg
g
kg
ton
국제단위계(SI)에서 질량의 기본단위는 킬로그램(kg)이다. g, mg은 kg에서 파생된 단위이고, ton(톤)은 SI 기본단위가 아닌 관용 단위이다.
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0.10M NaCl 용액 속에 PbI2가 용해되어 생성된 Pb2+(원자량 207.0g/mol) 농도는 약 얼마인가? (단, PbI2의 용해도곱상수는 7.9×10-9이고 이온세기가 0.10M 일 때 Pb2+과 I-의 활동도계수는 각각 0.36과 0.75이다.)
33.4mg/L
114.0mg/L
253.0mg/L
443.0mg/L
0.10M NaCl 용액 속 Pb2+ 농도는 약 443 mg/L이다.
활동도를 고려한 용해도곱은
로 나타낼 수 있다. [Pb2+] = s, [I-] = 2s로 두면
이 된다.따라서
에서 , 이 된다. 이를 Pb2+의 원자량 207.0g/mol로 질량 농도로 환산하면
가 된다.
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칼슘이온 Ca2+을 무게분석법을 활용하여 정량하고자 한다. 이 때 효과적으로 사용할 수 있는 음이온은?
C2O42-
SO42-
CI-
SCN-
칼슘이온의 무게분석법에서는 Ca2+을 옥살산이온(C2O42-)과 반응시켜 잘 정제되는 옥살산칼슘(CaC2O4) 침전을 만든 뒤, 이를 걸러 강열하여 일정한 화학형태로 만들어 무게를 재는 방식이 대표적으로 사용된다.
황산이온, 염화이온, 싸이오사이안산이온은 칼슘과 용해도가 크거나 조성이 일정한 침전을 만들기 어려워 칼슘의 무게분석법에는 적합하지 않다.
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HCl 용액을 표준화하기 위해 사용한 Na2CO3가 완전히 건조되지 않아서 물이 포함되어 있다면 이것을 사용하여 제조된 HCl 표준용액의 농도는?
참값보다 높아진다.
참값보다 낮아진다.
참값과 같아진다.
참값의 1/2이 된다.
Na2CO3 1차 표준물질에 수분이 남아 있으면, 저울에 단 질량 중 일부는 물이므로 실제로 들어 있는 순수한 Na2CO3의 양은 그보다 적다. 그런데 표준화 계산에서는 잰 질량 전부를 순수한 Na2CO3로 보고 몰수를 구하므로, 계산에 쓰인 Na2CO3의 몰수는 실제보다 과대평가된다.
반면 적정에 실제로 소비된 HCl의 부피는 더 적은 실제 Na2CO3 양에 대응하는 값이다. 과대평가된 몰수를 이 부피로 나누어 농도를 구하므로, 계산된 HCl 표준용액의 농도는 참값보다 높게 나온다.
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다음 중 화학평형에 대한 설명으로 옳은 것은?
화학평형상수는 단위가 없으면, 보통 K로 표시하고 K가 1보다 크면 정반응이 유리하다고 전의하며, 이때 Gibbs 자유에너지는 양의 값을 가진다.
평형상수는 표준상태에서의 물질의 평형을 나타내는 값으로 항상 양의 값이며, 온도에 관계없이 일정하다.
평형상수의 크기는 반응속도와는 상관이 없다. 즉, 평형상수가 크다고 해서 반응이 빠름을 뜻하지 않는다.
물질의 용해도곱(solubility product)은 고체염이 용액 내에서 녹아 성분 이온으로 나뉘는 반응에 대한 평형상수로 흡열반응은 용해도곱이 작고, 발열반응은 용해도곱이 크다.
화학평형상수는 반응이 평형에 도달했을 때의 농도(또는 활동도) 비로 정의되는 열역학적 양이고, 반응속도는 반응이 얼마나 빨리 진행되는지를 나타내는 동역학적 양이다. 두 개념은 서로 독립적이므로 평형상수가 크다고 해서 그 반응이 빠르게 일어난다는 뜻은 아니며, 따라서 평형상수의 크기가 반응속도와 상관이 없다는 설명이 옳다.
나머지 설명은 옳지 않다. 평형상수가 1보다 커서 정반응이 유리한 경우 표준 자유에너지 변화는 양이 아니라 음의 값을 가지며, 평형상수는 온도가 바뀌면 반응의 엔탈피 특성에 따라 값이 달라지므로 온도에 관계없이 일정하다고 할 수 없다. 또한 용해도곱의 크기는 용해가 흡열인지 발열인지만으로 크다·작다를 단정할 수 있는 값이 아니다.
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화학평형상수 값은 다음 변수 중에서 어느 값의 변화에 따라 변하는가?
반응물의 농도
온도
압력
촉매
화학평형상수 K는 특정 온도에서 정의되는 값으로, 온도가 바뀌면 반응의 열역학적 특성(반응엔탈피)에 따라 그 값이 변한다.
반면 반응물의 농도, 압력, 촉매의 유무는 평형이 이동하는 위치(평형 조성)에는 영향을 줄 수 있어도, 평형상수 값 자체는 변화시키지 않는다.
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일차 표준물질(primary standard)에 대한 설명으로 틀린 것은?
순도가 99.9% 이상이다.
시약의 무게를 재면 곧바로 사용할 수 있을 정도로 순수하다.
일상적으로 보관할 때 분해되지 않는다.
가열이나 진공으로 건조시킬 때 불안정하다.
일차 표준물질은 순도가 99.9% 이상으로 매우 높아 무게를 잰 뒤 별도의 정제 과정 없이 바로 표준용액 제조에 사용할 수 있다.
또한 일상적인 보관 조건에서 분해되거나 변질되지 않아야 하며, 흡습·산화 등에도 안정해야 한다.
특히 시약에 포함된 수분을 없애기 위해 가열이나 진공 건조 과정에서도 분해되지 않고 안정해야 하는 것이 일차 표준물질의 필수 조건이므로, 건조 시 불안정하다는 설명은 옳지 않다.
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다음 각각의 용액에 1M의 HCl을 2mL씩 첨가하였다. 어떤 용액이 가장 작은 pH 변화를 보이겠는가?
0.1M NaOH 15mL
0.1M CH3COOH 15mL
0.1M NaOH 30mL와 0.1M CH3COOH 30mL 의 혼합용액
0.1M NaOH 30mL와 0.1M CH3COOH 60mL의 혼합용액
완충 용량은 약산과 그 짝염기가 비슷한 몰수로 함께 존재할 때 가장 커지며, 이 경우 강산을 소량 첨가해도 pH 변화가 가장 작다.
0.1M NaOH 30mL(3mmol)와 0.1M CH3COOH 60mL(6mmol)를 섞으면 NaOH가 절반의 아세트산과 반응하여 아세트산나트륨 3mmol과 미반응 아세트산 3mmol이 남으므로, 아세트산과 아세트산이온이 1:1로 존재하는 전형적인 완충용액이 만들어진다.
이 조성은 pH가 아세트산의 pKa와 같아 완충 용량이 최대가 되는 지점이므로, HCl 2mL를 넣어도 pH 변화가 가장 작다.
반면 NaOH와 아세트산을 같은 몰수로 섞은 용액은 중화가 완결되어 아세트산나트륨만 남으므로 짝산-짝염기 쌍을 이루지 못해 완충 효과가 상대적으로 떨어진다.
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2.00μmol의 Fe2+이온이 Fe3+이온으로 산화되면서 발생한 전자가 1.5V의 전위차를 가진 장치를 거치면서 수행할 수 있는 최대일의 양은 약 몇 J 인가?
29J
2.9J
0.29J
0.029J
Fe2+가 Fe3+로 산화될 때 이온 1개당 전자 1개가 이동하므로, 2.00μmol의 Fe2+가 반응하면 2.00×10-6mol의 전자가 이동한다.
이동한 전하량은 이다.
최대일은 전하량과 전위차의 곱이므로 로 계산된다.
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EDTA(etylenediaminetetraacetic acid, H4Y)를 이용한 금속 Mn+적정으로 조건 형성상수(conditional formation constant) Kf´ 에 대한 설명으로 틀린 것은? (단, Kf는 형성상수이다.)
EDTA(H4Y)화학종중 [Y4-]의 농도 분율을 αY4-로 나타내면, αY4-=[Y4-]/[EDTA]이고 Kf´=αY4-Kf이다.
Kf´ 는 특정한 pH에서 MYn-4의 형성을 의미한다.
Kf´ 는 pH가 높을수록 큰 값을 갖는다.
Kf´ 를 이용하면 해리된 EDTA의 각각의 이온농도를 계산할 수 있다.
조건형성상수 Kf′는 특정 pH에서 EDTA의 여러 화학종 중 실제로 금속과 결합할 수 있는 Y4- 분율(αY4-)을 반영한 값으로, 로 정의되며 MYn-4 착물의 형성 정도를 나타낸다.
pH가 높아질수록 EDTA가 양성자를 잃고 Y4- 형태로 존재하는 비율(αY4-)이 커지므로 Kf′도 함께 커진다.
그러나 Kf′는 여러 양성자화 화학종(H3Y-, H2Y2-, HY3- 등)을 하나의 분율(αY4-)로 뭉뚱그린 값이기 때문에, 이 상수만으로는 해리된 EDTA의 개별 이온 농도까지 각각 구할 수는 없다.
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산화ㆍ환원 지시약에 대한 설명 중 틀린 것은? (단, E°는 표준환원전위, n은 전자수이다.)
지시약은 주로 이중 결합들이 콘주게이션(conjugated)된 유기물이다.
변색범위는 주로 이다.당량점에서의 전위와 지시약의 표준환원전위(E°)가 비슷한 것을 사용해야 한다.
분석하고자 하는 이온과 결합했을 때 산화된 상태와 환원된 상태의 색이 달라야 한다.
산화·환원 지시약의 변색범위는 Nernst식에서 유도되며, 25℃ 기준으로 로 나타내는 것이 옳다. 상수항 없이 단순히 로 쓰는 것은 잘못된 표현이다.
지시약이 이중결합이 콘주게이션된 유기물이라는 점, 당량점 전위와 지시약의 표준환원전위가 비슷해야 정확한 종말점을 얻을 수 있다는 점, 산화형과 환원형의 색이 서로 달라야 변색을 관찰할 수 있다는 점은 모두 옳은 설명이다.
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20.00mL의 0.1000M Hg22+를 0.1000M Cl-로 적정하고자 한다. Cl-를 40.00mL 첨가 하였을 때, 이 용액 속에서 Hg22+의 농도는 약 얼마인가? (단, Hg2Cl2(s) ⇆ Hg22+(aq) +2Cl-(aq), KSP=1.2×10-18이다.)
7.7×10-5M
1.2×10-6M
6.7×10-7M
3.3×10-10M
Hg22+ 2.00mmol(20.00mL×0.1000M)에 Cl- 40.00mL×0.1000M=4.00mmol을 넣으면, Hg2Cl2 침전 생성에 필요한 화학량론(Hg22+ : Cl- = 1 : 2)과 정확히 일치하는 당량점이 된다.
당량점에서는 과량의 Hg22+나 Cl-가 남지 않으므로, 용액 속 이온 농도는 오직 Hg2Cl2(s)의 용해평형으로만 결정된다. [Hg22+]=x, [Cl-]=2x로 두면 이다.
이를 풀면 , 로 계산된다.
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다음 중 KMnO4와 H2O2의 산화환원 반응식을 바르게 나타낸 것은?
MnO4- + 2H2O2 + 4H+ → MnO2 + 4H2O + O2
2MnO4- + 2H2O2 → 2MnO + 2H2O + 2O2
2MnO4- + 5H2O2 + 6H+ → 2Mn2+ + 8H2O + 5O2
2MnO4- + 5H2O2 → 2Mn2+ + 5H2O +13/2 O2
과망간산이온은 산성 조건에서 과산화수소를 산화시키는 반응에서 자신은 Mn2+로 환원되고, 과산화수소는 산소 기체로 산화된다.
전자 균형을 맞추면 MnO4- 1개당 전자 5개를 받고 H2O2 1개당 전자 2개를 내놓으므로, 계수비는 MnO4- 2 : H2O2 5가 되어야 한다.
수소·산소·전하까지 모두 맞춘 균형 반응식은 이다.
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다음 표에서 약 염기성 용액을 강산 용액으로 적정할 때 적합한 지시약과 적정이 끝난 후에 용액의 색깔을 옳게 나타낸 것은?
| 지시약 | 변색범위(pH) | 산성용액에서 색깔 | 염기성용액에서 색깔 |
|---|---|---|---|
| 메틸레드 | 4.8~6.0 | 빨강 | 노랑 |
| 페놀레드 | 6.4~8.0 | 노랑 | 빨강 |
| 페놀프탈레인 | 8.0~9.6 | 무색 | 빨강 |
메틸레드, 빨강
메틸레드, 노랑
페놀프탈레인, 빨강
페놀레드, 빨강
약염기를 강산으로 적정하면 당량점에서 남는 화학종은 약염기의 짝산이므로 용액이 산성(대개 pH 5 부근)이 된다. 따라서 변색범위가 산성 쪽에 걸쳐 있는 지시약을 골라야 한다. 표의 변색범위를 보면 메틸레드 4.8~6.0, 페놀레드 6.4~8.0, 페놀프탈레인 8.0~9.6이므로 당량점 pH를 감싸는 것은 메틸레드뿐이다.
적정이 끝난 시점의 용액은 산성이고, 표에서 메틸레드는 산성용액에서 빨강(염기성에서 노랑)이다. 그러므로 종말점을 지난 용액의 색은 빨강이 된다.
페놀프탈레인이나 페놀레드는 변색범위가 중성~염기성 쪽이라 당량점에 한참 못 미친 지점에서 이미 색이 변해 버려 강산을 적게 넣고도 종말점으로 오인하게 된다. 적정에서 지시약은 변색범위가 당량점 pH를 포함하도록 고르는 것이 원칙이다.
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다음과 같은 선표기법으로 나타내어진 전기화학전지에 관한 설명으로 틀린 것은?
Cd(s)는 산화되었다.
Ag+aq)는 환원되었다.
두 개의 염다리가 쓰였다.
이 전지에서 전자는 Cd(s)로부터 나와서 Ag(s)로 이동한다.
전지 표기법에서 이중 세로선(‖)은 염다리(salt bridge) 하나를 나타내는 기호이므로, 이 전지에는 염다리가 하나만 쓰였다. 두 개의 염다리가 쓰였다는 설명은 옳지 않다.
왼쪽의 Cd(s)는 산화되어 Cd2+가 되는 산화전극(anode)이고, 오른쪽의 Ag+는 환원되어 Ag(s)로 석출되는 환원전극(cathode)이다. 전자는 산화가 일어나는 Cd(s)에서 나와 외부 도선을 통해 Ag(s) 쪽으로 이동한다.
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금속착화합물(metal complex)에서 금속이온과 리간드간의 결합 형태는 무엇인가?
금속결합
이온결합
수소결합
배위결합
금속착화합물에서 금속이온은 빈 오비탈을 제공하고 리간드는 비공유 전자쌍을 제공하여 결합을 형성하는데, 이처럼 한쪽이 전자쌍을 독점적으로 제공하는 결합을 배위결합이라 한다.
금속결합은 금속 원자들 사이의 결합, 이온결합은 양이온과 음이온 사이의 정전기적 결합, 수소결합은 전기음성도가 큰 원자에 결합한 수소와 다른 전기음성 원자 사이의 상호작용으로 착물 형성 결합과는 성격이 다르다.
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증류수에 Hg2(IO3)2로 포화시킨 용액에 KNO3 같은 염을 첨가하면 용해도가 증가한다. 이를 설명할 수 있는 요인으로 가장 적합한 것은?
가리움 효과
착물형성
르샤틀리에의 원리
이온세기
Hg2(IO3)2처럼 잘 녹지 않는 염이 포화된 용액에 KNO3와 같이 반응에 관여하지 않는 전해질을 넣으면, 용액의 이온세기가 증가하면서 이온들의 활동도 계수가 낮아진다.
활동도 기준의 용해도곱(Ksp)은 일정하게 유지되므로, 활동도 계수가 낮아진 만큼 이온의 실제 몰농도는 오히려 증가해야 하며, 그 결과 난용성 염의 겉보기 용해도가 커진다.
이는 착물형성이나 가리움 효과처럼 특정 화학종 간 결합에 의한 것이 아니라, 관련 없는 이온이 늘어나 전체 이온 분위기가 바뀌는 데서 비롯된 현상이다.
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EDTA 적정 시 pH가 높은 경우에는 EDTA를 넣기 전에 수산화물인 M(OH)n전물이 형성되는 경우가 있으며 이런 경우에는 많은 오차가 발생한다. 다음 중 이를 방지하기 위한 가장 적절한 방법은?
pH를 낮춘다.
적정 전에 용액을 끓인다.
침전물을 거른 후 적정한다.
암모니아 완충용액을 가한다.
pH가 높은 상태에서 금속이온에 EDTA를 직접 가하면 EDTA가 반응하기 전에 금속이 수산화물 M(OH)n 침전으로 먼저 빠져나가 정량 오차가 커진다.
이를 막으려면 EDTA 적정 전에 암모니아 완충용액을 가해 금속이온을 암민착물 형태로 안정하게 붙잡아 두어야 하며, 이 완충용액은 동시에 pH를 적정에 알맞은 범위로 유지해 준다.
단순히 pH를 낮추거나 용액을 끓이거나 이미 생긴 침전을 걸러내는 방법으로는 금속이온이 EDTA와 반응할 수 있는 형태로 유지되지 않으므로 근본적인 해결책이 되지 않는다.
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다음 [표]의 표준 환원 전위를 참고할 때 다음 중 가장 강한 산화제는?
| 화학반응 | E°(V) |
|---|---|
| Na+ + e ⇌ Na(s) | -2.71 |
| Ag+ + e ⇌ Ag(s) | +0.80 |
Na+
Ag+
Na(s)
Ag(s)
표준 환원 전위 E°가 클수록 스스로 환원되려는 경향이 크고, 그만큼 상대 물질에서 전자를 빼앗는 힘 — 즉 산화제로서의 세기가 강하다.
표에 주어진 두 반쪽반응은 Na+ + e ⇌ Na(s)가 E° = −2.71 V, Ag+ + e ⇌ Ag(s)가 E° = +0.80 V이다. 두 값 중 확실히 큰 쪽은 은 이온의 환원 반응이므로, 전자를 가장 잘 받아들이는 Ag+가 가장 강한 산화제가 된다.
반대로 E°가 −2.71 V로 매우 작은 Na+는 전자를 받으려는 경향이 거의 없어 산화제로서 가장 약하다. 또한 Na(s)와 Ag(s)는 이미 환원된 금속 상태로 전자를 내놓는 쪽이므로 산화제가 아니라 환원제이며, 그중 E°가 가장 낮은 Na(s)가 가장 강한 환원제에 해당한다.
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25℃에서 100mL의 물에 몇 g의 Ag3AsO4가 용해될 수 있는가? (단, 25℃에서 Ag3AsO4의 Ksp=1.0×10-22, Ag3AsO4의 분자량 : 462.53g/mol이다.)
6.42×10-4g
6.42×10-5g
4.53×10-9g
4.53×10-10g
Ag3AsO4가 용해될 때 이므로, 몰용해도를 s라 하면 이다.
이를 풀면 , 이다.
물 100mL(0.1L)에 녹을 수 있는 질량은 으로 계산된다.
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NMR 기기에서 표준물로 사용되는 것은?
아세토니트릴
테트라메틸실란(TMS)
폴리스티렌-디 비닐 벤젠
8-히드록시 퀴놀린(8-HQ)
양성자 NMR과 13C NMR 모두에서 화학적이동의 기준(0ppm)으로는 테트라메틸실란(TMS, Si(CH3)4)을 사용한다.
TMS는 화학적으로 비활성이고 휘발성이 커 제거가 쉬우며, 대부분의 유기화합물보다 가리움 효과가 커서 스펙트럼의 가장 오른쪽(낮은 δ값)에 단일 봉우리로 나타나는 이상적인 표준물이다.
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다음 보기에서 삼중결합 진동모드를 관찰할 수 있는 분자는?
㉠
㉡
㉠, ㉡
㉠, ㉡, ㉢
적외선에서 어떤 진동 모드가 흡수로 관찰되려면 그 진동 동안 쌍극자 모멘트가 변해야 한다. 대칭 때문에 진동해도 쌍극자 모멘트가 그대로면 그 모드는 적외선 비활성이다.
제시된 세 화학종을 보면, ㉠의 C2H2(아세틸렌, HC≡CH)는 삼중결합을 가지고 있지만 대칭 중심을 가진 직선형 분자여서 C≡C 신축 진동 시 양쪽이 똑같이 늘어나 쌍극자 모멘트 변화가 0이다. 따라서 삼중결합 신축 모드가 IR에서 나타나지 않는다.
반면 ㉡의 CH3CCH(프로파인)는 삼중결합 한쪽에 메틸기가 붙어 대칭이 깨져 있어 C≡C 신축 시 쌍극자 모멘트가 변하고, 2100~2260 cm-1 부근에서 삼중결합 신축 띠가 관찰된다. 마지막 ㉢의 CH2CHCH3(프로펜)은 삼중결합 자체가 없는 이중결합 화합물이다.
결국 삼중결합 진동모드를 실제로 관찰할 수 있는 것은 ㉡의 프로파인 한 가지뿐이다.
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양성자와 13C 원자사이에 짝풀림을 하는 여러 가지 방법이 있다. 13C NMR에 이용하는 짝풀림이 아닌 것은?
넓은 띠 짝풀림
공명 비킴 짝풀림
펄스 배합 짝풀림
자기장 잠금 짝풀림
13C NMR에서 양성자와의 짝풀림을 위해 실제로 쓰는 방법에는 모든 양성자를 동시에 짝풀림시키는 넓은 띠(broadband) 짝풀림, 공명 위치를 살짝 벗어나 조사해 짝지음 정보 일부를 남기는 공명 비킴(off-resonance) 짝풀림, 펄스를 조합해 특정 구간에서만 짝풀림을 거는 펄스 배합(gated) 짝풀림이 있다.
반면 자기장 잠금(field-lock)은 분광기가 기준 신호를 이용해 자기장 세기를 안정적으로 고정하는 장치로, 이는 신호 안정화를 위한 기능일 뿐 양성자-탄소 간 짝풀림을 수행하는 방법이 아니다.
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나트륨 D라인의 파장은 589nm이다. 이 광선이 굴절률 1.09인 매질을 지날 때 ㉠이 광선의 에너지, ㉡주파수(frequency)를 각각 구한 값으로 옳은 것은? (단, 프랭크상수 h = 6.627×10-34Jㆍsec, 광속 с=2.99×108m/sec이다.)
㉠3.66×10-19J, ㉡6.04×1014Hz
㉠3.66×10-19J, ㉡5.54×1014Hz
㉠3.36×10-19J, ㉡5.08×1014Hz
㉠3.36×10-19J, ㉡4.66×1014Hz
광자의 에너지와 진동수는 광원 자체의 성질로 결정되며, 매질에 따라 달라지는 것은 속도와 파장뿐이므로 진공(공기) 중 파장 589nm 값을 그대로 사용해 계산한다.
진동수는 이다.
에너지는 로 계산되며, 매질의 굴절률은 파장이 줄어드는 정도에만 관여할 뿐 에너지·진동수 계산에는 쓰이지 않는다.
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광학기기의 구성이 각 분광법과 바르게 짝지어진 것은?
흡수분광법 ; 시료→파장선택기→검출기→기록계→광원
형광분광법 ; 광원→시료→파장선택기→검출기→기록계
인광분광법 ; 광원→시료→파장선택기→검출기→기록계
화학발광법 ; 광원과 시료→파장선택기→검출기→기록계
화학발광법은 화학반응 자체에서 빛이 발생하므로 별도의 광원이 필요 없이 시료가 곧 광원 역할을 하며, 이 빛을 파장선택기로 걸러 검출기와 기록계로 전달하는 구성이 옳다.
흡수분광법은 광원의 빛이 시료를 먼저 통과한 뒤 파장선택기와 검출기를 거쳐야 하므로 광원이 맨 앞에 와야 하고, 형광·인광 분광법은 광원의 빛으로 시료를 들뜨게 한 뒤 방출되는 빛을 별도의 파장선택기로 골라 검출해야 하므로 여기 제시된 순서와는 차이가 있다.
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분광분석기기에서 단색화 장치에 대한 설명으로 가장 거리가 먼 것은?
연속적으로 단색광의 빛을 변화하면서 주사하는 장치이다.
분석하려는 성분에 맞는 광을 만드는 역할을 한다.
필터, 회절발 및 프리즘 등을 사용한다.
슬릿은 단색화장치의 성능특성과 품질을 결정하는데 중요한 역할을 한다.
단색화 장치는 프리즘·회절발·필터 등 분산 소자와 슬릿을 이용해 광원이 내는 여러 파장 중 원하는 좁은 파장 대역만 골라내고, 파장을 연속적으로 바꾸어가며 주사할 수 있는 장치이며 슬릿나비는 분해능과 성능을 좌우하는 핵심 요소다.
다만 단색화 장치는 이미 존재하는 빛에서 특정 파장을 선택·분리하는 역할을 하는 것이지, 분석하려는 성분에 맞추어 빛을 새로 만들어내는 장치는 아니므로 그러한 설명은 단색화 장치의 기능과는 거리가 멀다.
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NMR 스펙트럼의 1차 스펙트럼 해석에 대한 규칙의 설명으로 틀린 것은?
동등한 핵들은 다중 흡수 봉우리를 내주시 위하여 서로 상호작용하지 않는다.
짝지움 상수는 네 개의 결합길이보다 큰 거리에서는 짝지움이 거의 일어나지 않는다.
띠의 다중도는 이웃 원자에 있는 자기적으로 동등한 양성자의 수(n)dp 의해 결정되며, n으로 주어진다.
짝지움 상수는 가해준 자기장에 무관하다.
NMR 1차 스펙트럼에서 이웃한 자기적으로 동등한 양성자 n개가 있으면 봉우리는 n+1개로 갈라지는 다중선으로 나타나며, 이것이 이른바 n+1 규칙이다.
그런데 이 설명은 다중도가 n으로 주어진다고 서술하고 있어 n+1 규칙과 어긋나므로 틀린 설명이다.
동등한 핵끼리는 서로 짝지음이 나타나지 않는다는 것, 짝지음 상수가 결합 4개 이상 떨어지면 거의 사라진다는 것, 짝지음 상수가 외부 자기장 세기와 무관하다는 것은 모두 1차 스펙트럼 해석의 옳은 규칙이다.
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어떤 금속(M)-리간드(L) 착화합물의 해리는 다음과 같이 진행된다. (전하 생략) : ML2 > M + 2LM농도가 2.30×10-5M이고 과량의 L을 가하여 모든 M이 착물(ML2)로 존재할 때 흡광도(A)가 0.780이었다. 같은 양의 M을 화학양론적 양의 L과 혼합한 용액의 흡광도(A)가 0.520이었다면 이 때, 착화합물의 해리도(%)는 얼마인가?
66.5
33.5
16.8
1.68
과량의 리간드를 가해 M이 모두 ML2 착물로 존재할 때의 흡광도(0.780)는 총 금속량이 전부 착물로 존재할 때의 흡광도에 해당한다.
화학양론적 양의 L만 넣었을 때 측정된 흡광도(0.520)는 착물 일부가 해리되어 흡광에 기여하지 못하는 M, L이 생겼기 때문에 낮아진 값이다.
착물로 남아있는 분율은 이므로, 해리된 분율(해리도)은 , 즉 약 33%(보기의 33.5%에 해당)로 계산된다.
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불꽃 원자화와 비교한 유도결합 플라스마 원자화에 대한 설명으로 옳은 것은?
이온화가 적게 일어나서 감도가 더 높다.
자체흡수효과가 많이 일어나서 감도가 더 높다.
자체반전효과가 많이 일어나서 감도가 더 높다.
고체상태의 시료를 그대로 분석할 수 있다.
유도결합플라스마(ICP)는 불꽃보다 훨씬 높은 온도(약 6000~10000K)를 갖지만, 아르곤 플라스마 자체에서 발생하는 풍부한 자유전자가 시료 원자의 추가 이온화를 억제하는 방향으로 작용한다.
그 결과 ICP는 불꽃 원자화에 비해 이온화 간섭이 오히려 적게 일어나며, 이는 검량선의 재현성과 감도를 높이는 데 유리하게 작용한다.
자체흡수나 자체반전 효과는 시료 농도가 높을 때 신호를 왜곡시켜 감도를 오히려 떨어뜨리는 방해 요인이며, ICP도 대부분 액상 시료를 분무하여 도입하므로 고체 시료를 그대로 분석하는 것은 일반적인 방법이 아니다.
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원자 분광법에서 용액 시료의 도입 방법이 아닌 것은?
초음파 분무기
기체 분무기
글로우 방전법
수소화물 발생법
초음파 분무기, 기체(공압) 분무기, 수소화물 발생법은 모두 용액 시료를 에어로졸이나 기체 형태로 만들어 원자화 장치에 도입하는 방법이다.
반면 글로우 방전법은 저압 아르곤 기체 중 방전으로 고체 시료 표면을 직접 스퍼터링시켜 원자 증기를 만드는 방법으로, 용액 시료가 아닌 고체 시료 도입에 사용된다.
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불꽃, 전열, 플라스마 원자화 장치의 특징에 대한 설명으로 틀린 것은?
플라스마의 경우 원자화 온도는 보통 4000~6000℃ 정도 이다.
불꽃원자화는 재현성은 좋으나 시료효율, 감도는 좋지 않다.
전열원자화 장치가 불꽃 원자화 장치보다 많은 양의 시료를 필요로 한다.
전열원자화 장치의 경우 중앙에 구멍이 있는 원통형 흑연관에서 원자화가 일어난다.
플라스마 원자화는 원자화 온도가 약 4000~6000℃에 이르러 불꽃보다 훨씬 고온이며, 불꽃 원자화는 재현성은 좋지만 시료 이용효율과 감도가 상대적으로 낮은 편이다.
전열(흑연로) 원자화 장치는 가운데 구멍이 뚫린 원통형 흑연관에 시료를 넣고 전류를 흘려 가열하는 방식이다.
다만 전열원자화 장치는 수 μL 수준의 매우 적은 양의 시료만으로도 분석이 가능한 것이 큰 장점이며, 오히려 연속적으로 많은 양의 시료가 필요한 쪽은 불꽃 원자화 장치이므로 이 설명은 사실과 반대다.
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다음 1H-핵자기공명(NMR)스펙트럼의 화학적 이동(chemical shift)에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?
외부자기장 세기가 클수록 화학적이동(δ, ppm)은 커진다.
가리움이 적을수록 낮은 자기장에서 봉우리가 나타난다.
300MHz NMR로 얻은 화학적이동(Hz)은 200MHz NMR로 얻은 화학적이동(Hz)보다 크다.
화학적 이동은 편재 반자기 전류효과 때문에 나타난다.
화학적이동(δ, ppm)은 절대 주파수 차이를 분광기 기준 주파수로 나누어 정규화한 값이므로, 외부 자기장(분광기 주파수) 세기가 달라져도 ppm 단위 값 자체는 변하지 않는 것이 화학적이동 개념의 핵심이다.
따라서 자기장이 커질수록 δ(ppm)가 커진다는 설명은 틀렸으며, 실제로 커지는 것은 Hz 단위로 나타낸 절대적 이동 폭이다(예: 300MHz에서 잰 Hz값이 200MHz에서 잰 값보다 큼).
가리움이 적을수록 핵 주위의 유효 자기장이 커져 더 낮은 외부 자기장에서도 공명이 일어나므로 낮은 자기장(높은 δ) 쪽에 봉우리가 나타나며, 화학적이동은 핵 주위 전자의 국소적 반자기 순환전류(가리움 효과)에서 비롯된다.
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0.5nm/mm의 역선 분사능을 갖는 회절발 단색화 장치를 사용하여 480.2nm와 480.6nm의 스펙트럼선을 분리하려면 이론상 필요한 슬릿나비는 얼마인가?
0.2mm
0.4mm
0.6mm
0.8mm
회절발 단색화 장치에서 통과하는 파장 범위인 유효 띠나비는 역선분산능(D-1)에 슬릿나비(W)를 곱한 값, 즉 로 주어진다.
이론적으로 인접한 두 스펙트럼선을 분리하려면 유효 띠나비가 두 선의 파장차의 절반이 되어야 하므로, 파장차 480.6nm−480.2nm=0.4nm의 절반인 0.2nm가 필요한 유효 띠나비다.
따라서 필요한 슬릿나비는 이다.
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원자 X선 분광법 중 고체 시료에 들어 있는 화합물에 대한 정성 및 정량적인 정보를 제공해 주고, 결정성 물질의 원자 배열과 간격에 관한 정보를 제공해 주는 방법은?
X-선 형광법
X-선 회절법
X-선 흡수법
X-선 방출법
X-선 회절법은 결정성 고체 시료에 X-선을 쬐어 나타나는 회절 무늬를 분석함으로써 시료를 이루는 화합물의 정성·정량 정보는 물론, 원자들이 결정 안에서 배열되는 방식과 면 간격까지 알아낼 수 있는 방법이다.
X-선 형광법은 원소의 정성·정량 분석에, X-선 흡수법과 방출법은 각각 원소의 흡수단·전자전이 관련 정보를 얻는 데 주로 쓰이며 결정 구조 정보를 직접 제공하지는 않는다.
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IR 변환기의 종류가 아닌 것은?
thermocouple
pyroelectric detector
photodiode array(PDA)
photo-conducing detector
적외선(IR) 영역에서는 열전쌍(thermocouple), 초전형 검출기(pyroelectric detector), 광전도 검출기(photo-conducting detector, 예: MCT)가 실제로 사용되는 변환기(검출기)다.
반면 photodiode array(PDA)는 실리콘 기반 반도체 소자로 주로 자외선-가시광선(UV-Vis) 영역에서 사용되며, 파장이 긴 적외선 영역에서는 감응하지 못해 IR 변환기로 쓰이지 않는다.
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형광(Fluorescence)에 대한 설명으로 가장 옳은 것은?
σ*→σ 전이에서 주로 발생한다.
pyridine, furan 등 간단한 헤테로 고리화합물은 접합고리구조를 갖는 화합물보다 형광을 더 잘 발생한다.
전형적으로 형광은 수명이 약 10-10~10-5s 정도이다.
250nm이하의 자외선을 흡수하는 경우에 형광을 방출한다.
형광은 들뜬 단일항 상태(S1)에서 바닥상태로 매우 빠르게 되돌아오며 빛을 내는 현상으로, 발광 수명이 매우 짧아 대략 10-10~10-5초 정도의 시간 규모에서 일어난다.
형광은 주로 π*→π나 π*→n 등 상대적으로 낮은 에너지의 전이에서 비롯되며, σ*→σ처럼 에너지가 매우 큰 전이에서는 대개 형광보다 무복사 전이가 우세하다.
또한 파이리딘·퓨란 같은 단순한 헤테로고리 화합물은 계간전이가 잘 일어나 형광을 잘 내지 못하는 반면, 나프탈렌 등 접합고리 구조를 갖는 방향족 화합물이 형광을 훨씬 잘 낸다.
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원자분광법에서 원자선 나비는 여러 가지요인들에 의해서 넓힘이 일어난다. 선 넓힘의 원인이 아닌 것은?
불확정성효과
지만(Zeeman)효과
도플러(D0ppler)효과
원자들과의 충돌에 의한 압력효과
원자선의 나비가 넓어지는 원인으로는 에너지-시간 불확정성에 의한 자연 선폭, 원자와 다른 입자의 충돌로 인한 압력(충돌) 넓힘, 원자의 열운동에 의한 도플러 넓힘이 대표적이다.
반면 지만(Zeeman) 효과는 자기장을 걸어 주었을 때 하나의 에너지준위가 여러 개로 갈라지는(분리되는) 현상으로, 선의 나비를 넓히는 넓힘 기구가 아니라 원자흡수분광법에서 바탕 보정에 이용되는 별개의 현상이다.
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빛의 흡수와 발광(luminescence)을 측정하는 장치에서 두드러진 차이를 보이는 분광기 부품은?
광원
시료 용기
검출기
단색화 장치
흡수분광법은 광원의 빛이 시료를 지나며 줄어든 정도를 재는 것이므로 광원-시료-검출기가 일직선으로 배치되고 파장선택기 하나만으로 흡수 파장을 고정하면 된다.
반면 발광(형광 등) 측정에서는 여기 파장을 고르기 위한 파장선택기와, 시료에서 방출되는 빛 중 원하는 파장만 검출기로 보내기 위한 파장선택기가 각각 따로 필요해 보통 두 개의 파장선택기를 사용한다.
이처럼 흡수와 발광 측정 장치는 광원이나 검출기 자체보다도 단색화(파장선택) 장치의 구성과 개수에서 두드러진 차이를 보인다.
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어떤 분자가 S1상태로부터 형광 빛을 내놓고(fluoresce), T1상태로부터 인광 빛을 내놓는다(phosphoresce). 다음 설명 중 옳은 것은?
형광파장이 인광파장보다 짧다.
형광파장보다 인광파장이 흡수파장에 가깝다.
한 분자에서 나오는 빛이므로 잔광시간(decaytime)은 유사하다.
인광의 잔광시간이 형광의 잔광시간보다 일반적으로 짧다.
같은 들뜬 단일항 상태(S1)에서 나오는 형광보다, 이보다 에너지가 더 낮은 삼중항 상태(T1)에서 나오는 인광이 더 긴 파장(더 낮은 에너지)의 빛을 낸다. 즉 형광의 파장이 인광의 파장보다 짧다.
흡수한 에너지에 가장 가까운 파장의 빛을 내는 쪽은 에너지 손실이 상대적으로 적은 형광이며, 인광은 계간전이를 거치며 에너지를 더 많이 잃은 뒤 방출되므로 흡수파장에서 더 멀어진다.
또한 인광은 스핀이 금지된 삼중항→바닥상태 전이이기 때문에 전이 확률이 낮아, 스핀 허용 전이인 형광보다 잔광시간이 훨씬 길게 나타난다.
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순수한 화합물 A를 녹여 정확히 10mL의 용액을 만들었다. 이 용액 중 1mL를 분취하여 100mL로 묽힌 후 250nm에서 0.50cm의 셀로 측정한 흡광도가 0.432이었다면 처음 10mL 중에 있는 시료의 몰농도는? (단, 몰 흡광계수(ε)는 4.32×103M-1cm-1이다.)
1×10-2M
2×10-2M
1×10-3M
2×10-4M
희석한 용액의 흡광도로부터 몰흡광계수와 셀 길이를 이용해 농도를 구하면 이다.
이 농도는 원래 10mL 용액 중 1mL를 취해 100mL로 묽힌(희석배수 100배) 뒤 측정한 값이므로, 처음 10mL 용액의 몰농도는 이다.
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다음 이성질체 혼합물 중 키랄 정지상 관으로만 분리가 가능한 혼합물질은?
구조 이성질체 혼합물
거울상 이성질체 혼합물
부분 입체이성질체 혼합물
시스-트랜스 이성질체 혼합물
거울상 이성질체(광학이성질체)는 서로 실상과 거울상 관계에 있어 끓는점·녹는점·극성 등 대부분의 물리적·화학적 성질이 동일하므로 일반적인 정지상으로는 분리할 수 없다.
이들을 구별하려면 정지상 자체가 광학활성을 갖는 키랄 정지상을 사용해 두 거울상 이성질체와 서로 다른 세기로 상호작용하도록 만들어야 하며, 구조 이성질체나 부분입체이성질체, 시스-트랜스 이성질체는 물리적 성질 차이가 있어 일반 정지상으로도 분리가 가능하다.
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카드늄 전극이 0.0150M Cd+2용액에 담구어진 경우 반쪽전지의 전위를 Nernst식을 이용하여 구하면 약 몇 V인가?
-0.257
-0.311
-0.457
-0.511
반쪽전지의 전위는 약 -0.457V이다.
카드뮴 반쪽반응 의 Nernst식은 Cd(s)의 활동도가 1이므로
로 쓸 수 있다.을 대입하면 이므로,
로 계산된다.
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HPLC의 검출기에 대한 설명으로 옳은 것은?
UV 흡수 검출기는 254nm의 파장만을 사용한다.
굴절율 검출기는 대부분의 용질에 대해 감응하나 온도에 매우 민감하다.
형광검출기는 대부분의 화학종에 대해 사용이 가능하나 감도가 낮다.
모든 HPLC 검출기는 용액의 물리적 변화만을 감응한다.
굴절율(RI) 검출기는 시료 성분에 관계없이 이동상과 굴절률이 다른 대부분의 용질에 감응하는 범용 검출기이지만, 온도 변화에 굴절률이 민감하게 반응하므로 정밀한 온도 조절이 필요할 만큼 온도에 매우 민감하다.
반면 UV 검출기는 254nm 고정 파장뿐 아니라 가변 파장이나 다이오드 배열형(PDA)처럼 여러 파장을 쓸 수 있고, 형광검출기는 형광을 내는 일부 화학종에만 쓸 수 있는 대신 감도는 오히려 매우 높은 편이며, 전기화학검출기처럼 물리적 변화가 아닌 화학(전기화학적) 변화에 감응하는 검출기도 있으므로 나머지 설명은 모두 옳지 않다.
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전위차법에서 지시전극은 분석물의 농도에 따라 전극전위의 값이 변하는 전극이다. 지시전극에는 금속 지시전극과 막 지시전극이 있다. 다음 중 막 지시전극에 해당하는 것은?
은/염화은 전극
산화-환원 전극
유리전극
포화칼로멜전극
전위차법의 지시전극 중 막(membrane) 지시전극은 이온 선택적인 막을 통한 전위차로 특정 이온의 농도를 감지하는 전극으로, 대표적인 예가 pH를 측정하는 유리전극이다.
은/염화은 전극과 포화칼로멜전극은 기준전극으로 쓰이는 대표적 전극이고, 산화-환원 전극은 백금 같은 불활성 금속 표면에서 전자를 주고받아 용액의 산화-환원 전위를 감지하는 금속 지시전극이므로 막 지시전극과는 원리가 다르다.
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전위차 적정법에 대한 설명으로 틀린 것은?
서로 다른 해리도를 갖는 산 또는 염기성 용액의 혼합물을 적정하여 각 화합물의 당량점을 측정할 수 있다.
알맞은 지시약이 없는 경우, 착색용액이나 비용매 중에서 적정 당량점을 찾을 수 있다.
전위차법은 침전적정법, 착화적정법에 응용할 수 있다.
지시약을 전위차법과 함께 사용하면 종말점 예상이 어려워진다.
전위차 적정법은 해리도가 다른 여러 산·염기 혼합물의 각 당량점을 구별해 낼 수 있고, 적당한 지시약이 없는 착색 용액이나 비수용매 중에서도 당량점을 찾을 수 있으며, 침전적정이나 착화적정에도 널리 응용된다.
지시약을 전위차법과 함께 사용하면 지시약의 변색으로 종말점 부근을 미리 가늠할 수 있어 전위 측정을 어디서 세밀하게 할지 좁혀주므로, 종말점 예상이 오히려 쉬워지지 어려워지지는 않는다.
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전자충격법에 의한 질량분석법으로 물질을 분석할 때 분자 이온의 안정도가 가장 작을 것이라고 생각되는 것은?
CH3CH2CH3
CH3CH2OH
CH3CHO
CH3COCH3
전자충격(EI) 이온화에서 분자이온의 안정성은 화합물의 구조에 따라 크게 달라지는데, 알코올류는 분자이온이 매우 불안정하여 물이나 알킬 라디칼을 쉽게 잃고 빠르게 조각나는 경향이 있다.
반면 알칸이나 알데하이드, 케톤은 알파 쪼개짐 등을 거치더라도 상대적으로 분자이온 봉우리가 더 잘 관찰되는 편이어서, 보기 중 에탄올의 분자이온 안정도가 가장 낮다고 볼 수 있다.
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모세관 전기이동을 이용하여 시료를 분리하는 주요 원인은 다음 중 어느 것인가?
전기삼투와 전기이동
모세관 내부에 충전된 고정상에 의한 분리효과
고전압에 의한 분리관 내 수소이온 농도의 기울기에 의한 분리
모세관에 연결된 고전압 전극의 힘에 의하여 끌려가는 힘
모세관 전기이동은 모세관 안의 완충용액에 고전압을 걸었을 때 나타나는 두 가지 이동, 즉 모세관 벽의 표면전하로 인해 용액 전체가 한쪽으로 흐르는 전기삼투와 각 이온이 자신의 전하·크기에 따라 서로 다른 속도로 이동하는 전기이동의 조합으로 시료 성분을 분리한다.
일반적인 모세관 전기이동에는 별도의 충전 고정상이 없으며, 분리관 내 수소이온 농도 기울기나 전극 자체의 흡인력이 주된 분리 원인은 아니다.
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액체크로마토그래피에서 분리효율을 높이고 분리시간을 단축시키기 위해 기울기용리법(gradient elution)을 사용한다. 이 방법에서는 용매의 어떤 성질을 변화시켜 주는가?
극성
분자량
끓는점
녹는점
기울기용리법(gradient elution)은 액체크로마토그래피 분석이 진행되는 동안 이동상(용매)의 조성을 시간에 따라 변화시켜 극성을 점차 바꾸어 주는 방법이다.
이동상의 극성을 서서히 조절하면 머무름 시간이 서로 다른 성분들이 고르게 용리되어 분리효율이 높아지고 전체 분석시간이 단축된다.
분자량, 끓는점, 녹는점은 용리액 자체의 조작 대상이 아니며, 기울기용리법이 실제로 변화시키는 것은 용매의 극성이다.
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백금(Pt)전극을 써서 수소이온을 발생시키는 전기량 적정법으로 염기수용액을 정량할 때 전해용액으로서 적당한 것은?
0.10M Ce2(SO4)3수용액
0.01M FeSO4
0.08M TiCl3
0.10M NaCl 또는 Na2SO4
전기량적정법에서 백금전극으로 수소이온(H⁺)을 발생시키려면 물이 산화되는 반응(2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻)이 일어나야 하고, 이때 전해질 자체는 산화·환원되지 않고 전류만 운반해야 한다.
0.10M NaCl 또는 Na₂SO₄와 같은 중성염은 지지전해질 역할만 하면서 전극 반응을 방해하지 않으므로 H⁺를 정량적으로 발생시키는 데 적합하다.
반면 세륨, 철, 티타늄의 산화-환원 짝은 그 자체가 산화·환원되어 다른 종류의 적정 시약을 발생시키는 데 쓰이는 것으로, 수소이온 발생용 전해질로는 적합하지 않다.
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기체크로마토그래피법에서의 시료의 주입방법은 크게 분할주입과 비분할주입으로 나뉜다. 다음 중 분할주입(split injection)에 대한 설명이 아닌 것은?
열적으로 안정하다.
기체시료에 적합하다.
고농도 분석물질에 적합하다.
불순물이 많은 시료를 다룰 수 있다.
분할주입(split injection)은 시료를 주입구에서 순간적으로 고온 기화시킨 뒤 그 중 일부만 컬럼으로 보내고 나머지는 배출시키는 방식으로, 농도가 높은 시료를 다룰 때 컬럼 과부하를 막기 위해 사용한다.
기체 시료 주입에도 사용할 수 있고, 비휘발성 불순물이 많은 시료라도 대부분이 컬럼으로 들어가지 않고 배출되므로 컬럼 오염을 줄이면서 분석할 수 있다는 것이 분할주입의 장점이다.
다만 분할주입은 짧은 시간에 높은 온도로 시료를 기화시키는 과정을 거치므로 열에 약한 성분은 오히려 분해될 위험이 있어, 열적으로 안정하다는 설명은 분할주입의 특징으로 보기 어렵다.
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[그래프]는 항생제 클로람페니콜(RNO2) 2mM용액의 순환전압전류곡선이다. 0.0V에서 주사를 시작하여 피크 A를 얻었고, 이어서 B와 C를 순서대로 얻었다. 이 피크들이 나타나는 이유는 다음과 같다. 다음 설명 중 틀린 것은?
피크 A의 반응은 비가역반응이다.
0.4V에서 주사를 시작하면 피크 C가 첫 번째로 나타난다.
반대 방향으로 주사를 시작하면, 피크 B는 나타나지 않는다.
10회 전압 순환동안 피크 B의 크기는 변하지 않는다.
주어진 순환전압전류곡선은 0.0 V에서 음전위 방향(−0.8 V까지)으로 주사하면서 −0.7 V 부근에서 환원 피크 A(RNO2가 4전자 환원되어 RNHOH 생성)를 얻고, 되돌아오는 양전위 주사에서 +0.1 V 부근의 산화 피크 B(RNHOH → RNO, 2전자 산화), 다시 음전위로 되돌릴 때 그 근처에서 환원 피크 C(RNO → RNHOH)를 얻는 형태다.
여기서 피크 C는 RNO의 환원이므로, RNO를 만들어 주는 피크 B가 먼저 일어나야만 나타날 수 있다. 처음 용액에는 RNO2만 들어 있고 RNO는 존재하지 않으므로, 0.4 V에서 음전위 방향으로 주사를 시작하면 −0.7 V 부근의 피크 A가 가장 먼저 나타난다. 즉 시작 전위를 0.4 V로 바꿔도 C가 첫 번째로 나올 수는 없다 — 이 설명이 잘못됐다.
나머지 설명은 곡선과 맞아떨어진다. 피크 A는 되돌림 주사에서 짝이 되는 산화 피크가 보이지 않으므로 비가역 반응이고, 반대 방향(양전위)으로 먼저 주사하면 아직 RNHOH가 생성되지 않아 B가 나타나지 않는다. 또 B와 C는 RNHOH/RNO의 가역 짝이고 매 순환마다 A가 RNHOH를 다시 공급하므로, 여러 번 순환시켜도 B의 크기는 유지된다.
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용액 중 이온들이 전극표면으로 이동하는 주요 과정이 아닌 것은?
확산
전기이동
대류
화학반응성
전극 표면으로 이온이 운반되는 물질전달 과정은 크게 확산(농도 구배에 의한 이동), 전기이동(전기장에 의한 이온의 이동), 대류(용액의 흐름이나 교반에 의한 이동) 세 가지로 구분된다.
화학반응성은 전극 반응이 얼마나 잘 일어나는지를 나타내는 성질일 뿐, 이온을 전극 표면으로 실어 나르는 물질전달 메커니즘에는 해당하지 않는다.
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기체크로마토그래피 검출기 중 니켈-63(63Ni)과 같은 β-선 방사체를 사용하며, 할로겐과 같은 전기 음성도가 큰 작용기를 지닌 분자에 특히 감도가 좋고 시료를 크게 변화시키지 않는 검출기는?
불꽃 이온화 검출기(FID; flame ionization detector)
전자 포착 검출기(ECD; electron capture detector)
원자 방출 검출기(AED; atomic emission detector)
열전도도 검출기(TCD; thermal conductivity detector)
니켈-63과 같은 β-선 방사성 동위원소를 이온화원으로 사용하는 검출기는 전자포착검출기(ECD)이다. ECD는 방사선으로 생성된 전자를 시료 분자가 포착하면서 발생하는 전류 감소를 측정한다.
할로겐과 같이 전기음성도와 전자친화도가 큰 작용기를 가진 분자는 전자를 잘 포착하므로 ECD에서 특히 감도가 높게 나타나며, 방사선 자체가 시료를 크게 변화시키지 않는다는 특징도 있다.
불꽃이온화검출기(FID)는 탄화수소 전반에, 열전도도검출기(TCD)는 모든 성분에 비선택적으로 반응하고, 원자방출검출기(AED)는 플라스마를 이용하는 방식이어서 이 설명과는 원리가 다르다.
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10cm 관에 물질 A와 B의 분리 할 때 머무름 시간은 각각 10분과 12분이고, A와 B의 봉우리 나비는 각각 1.0분과 1.1분이다. 관의 분리능을 계산하면?
1.5
1.9
2.1
2.5
분리능은 두 봉우리의 머무름 시간 차이를 봉우리 나비의 합으로 나눈 값의 두 배로 구한다.
머무름 시간 차이는 12분-10분=2분이고 봉우리 나비의 합은 1.0분+1.1분=2.1분이므로, 가 된다.
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시차주사 열량법(differential scanning calorimetry, DSC)에서 시료온도를 일정한 속도로 변화시키면서 시료와 기준으로 흘러들어오는 열 흐름의 차이가 측정되는 기기장치는?
전력-보상 DSC기기(power-compensated DSC instrument)
열-플럭스 DSC기기(heat-flux DSC instrument)
변조 DSC기기(modulated DSC instrument)
시차 열 분석기기(differential thermal analytical instrument)
시차주사열량법(DSC) 기기는 크게 두 방식으로 나뉜다. 전력보상형(power-compensated) DSC는 시료와 기준물질을 같은 온도로 유지하는 데 필요한 전기 에너지(전력) 차이를 직접 측정하는 방식이다.
이와 달리 열-플럭스(heat-flux) DSC는 시료와 기준물질 사이의 온도 차이를 이용해 그 둘로 흘러 들어가는 열 흐름(heat flow)의 차이를 계산해 내는 방식으로, 문제에서 설명한 구조에 해당한다.
변조 DSC나 시차열분석기(DTA)는 각기 다른 변형 기법으로, 이 설명과는 구별된다.
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열무게 측정장치의 구성이 아닌 것은?
단색화장치
온도 감응장치
저울
전기로
열무게분석법(TGA) 장치는 시료의 질량을 온도(또는 시간)에 따라 연속적으로 기록하는 장치로, 정밀한 저울, 시료를 가열하는 전기로, 온도를 측정·제어하는 온도 감응장치 등으로 구성된다.
단색화장치(monochromator)는 특정 파장의 빛을 선택하는 광학 부품으로 UV-Vis나 IR과 같은 분광기기에 쓰이는 구성요소이며, 질량 변화를 측정하는 열무게 측정장치의 구성요소는 아니다.
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벗김 분석(Stripping Method)이 감도가 좋은 이유는?
전극을 커다란 수은방울을 사용하기 때문이다.
농축단계에서 사전에 전극에 금속이온을 농축하기 때문이다.
전극에 높은 전위를 가하기 때문이다.
전극의 전위를 빠른 속도로 주사하기 때문이다.
벗김분석(stripping analysis)은 농축(전착) 단계와 벗김 단계의 두 단계로 이루어진다. 먼저 일정 시간 동안 전극에 충분히 음(−)의 전위를 걸어 시료 중의 금속이온을 전극 표면에 전착시켜 미리 농축시킨다.
이렇게 전극에 농축된 금속을 다시 산화(또는 환원)시켜 벗겨내면서 발생하는 전류를 측정하므로, 시료 원래 농도보다 훨씬 큰 신호를 얻을 수 있어 다른 전기화학적 분석법보다 감도가 뛰어나다.
수은방울 전극의 크기, 걸어주는 전위의 높낮이, 전위 주사 속도 등은 신호의 모양이나 측정 조건에 관여할 뿐, 감도가 특별히 좋아지는 근본 원인인 사전 농축 과정과는 구별된다.
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유도결합 플라스마(ICP) 원자방출 광원장치는 원자 방출 및 질량분석기와 결합하여, 금속의 정성 및 정량에 많이 사용되고 있다. 이 ICP에 대한 설명으로 틀린 것은?
무전극으로 광원을 발생시켜, 기존의 다른 방출광원보다 오염가능성이 적다
불활성 기체를 사용하여 광원을 발생시켜, 산화물 분자들의 간섭을 줄였다.
상대적으로 이온이 많이 발생하여, 쉽게 이온화되는 원소들에 의한 영향이 크다.
고온으로서 원자화 및 여가상태로 만드는 효율이 높다.
ICP는 전극이 필요 없는 방식으로 플라스마를 발생시키므로 전극 오염에 따른 방해가 적고, 아르곤 같은 불활성 기체를 사용해 산화물 분자에 의한 간섭도 줄어든다. 또한 고온을 이용하므로 원자화 및 들뜬상태로의 여기 효율이 매우 높다.
ICP는 전자 밀도가 매우 높아, 쉽게 이온화되는 원소(알칼리금속 등)가 시료에 섞여 들어와도 플라스마 전체의 전자 밀도가 크게 바뀌지 않아 오히려 이온화 간섭의 영향이 작다. 이는 불꽃 원자화법과 대비되는 ICP의 장점이다.
따라서 쉽게 이온화되는 원소들에 의한 영향이 크다는 설명은 ICP의 실제 특성과 반대된다.
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Van Deemter 식으로부터 얻을 수 있는 가장 유용한 정보는 무엇인가?
이동상의 적절한 유속(flow rate)을 알 수 있다.
정지상의 적절한 온도(temperature)를 알 수 있다.
선택계수(α, selectivity coefficient)를 알 수 있다.
분석물질의 머무름 시간(retention time)을 알 수 있다.
Van Deemter 식은 형태로, 충전탑의 이론단높이(H)를 이동상의 선속도(u)에 대한 함수로 나타낸다.
이 식을 선속도에 대해 그래프로 그리면 아래로 볼록한 곡선이 되고, 그 최소점에 해당하는 선속도가 이론단높이를 최소화하는 최적 유속이 된다. 따라서 이 식으로부터 가장 유용하게 얻을 수 있는 정보는 이동상의 적절한 유속이다.
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분자량이 50.00 과 50.01 인 물질을 질량분석기에서 분리하기 위하여 최소한 어느 정도의 분리능을 가진 질량분석기를 사용해야 하는가?
100.5
1000.5
5000.5
10000.5
질량분석기의 분리능은 인접한 두 질량 봉우리를 구분하는 능력을 나타내는 값으로, 다음과 같이 정의한다.
여기서 m은 두 봉우리 질량의 평균값, Δm은 두 질량의 차이다. m=(50.00+50.01)/2=50.005, Δm=0.01이므로 가 되어, 이 값 이상의 분리능을 가진 기기가 있어야 두 봉우리를 구분할 수 있다.
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