[화학분석기능사 필기] 07년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

원소의 화학적 성질을 주로 결정하는 것은 제일 바깥 전자껍질(최외각)의 전자수, 즉 원자가전자 수이다.
화학반응은 주로 최외각 전자의 배치에 의해 결정되므로 같은 최외각 전자수를 가진 원소들은 유사한 화학적 성질을 보인다.
원자번호는 원소를 구분하는 고유 번호일 뿐 화학적 성질을 직접 결정하지는 않는다.
원자량은 질량 관련 값으로 화학적 반응성과는 직접 관련이 적다.
전자의 총수는 원자번호와 같아 원소를 식별하지만, 반응성을 좌우하는 것은 그중 최외각 전자이다.

$\mathrm{C_{18}H_{30}}$ 탄화수소 한 분자에는 2중결합이 최대 4개 존재할 수 있다.
포화 사슬형 탄화수소(alkane)는 $\mathrm{C_nH_{2n+2}}$ 조성을 가지므로 탄소 18개인 완전포화 화합물은 $\mathrm{C_{18}H_{38}}$이 되어야 한다.
불포화도는 $\dfrac{(2 \times 18 + 2) - 30}{2} = \dfrac{38-30}{2} = 4$로 계산되며, 삼중결합과 고리가 없다는 조건에서 이 불포화도가 모두 2중결합으로 나타나므로 최대 4개의 2중결합이 가능하다.

분산력(반데르발스힘)이 가장 큰 물질은 $\mathrm{CCl_4}$이다.
분산력의 크기는 분자의 전자 수와 분자 크기(분극률)에 비례해 커지는데, $\mathrm{CH_4}$, $\mathrm{SiH_4}$, $\mathrm{CF_4}$, $\mathrm{CCl_4}$ 중 분자량과 전자 수가 가장 큰 것은 $\mathrm{CCl_4}$이다.
따라서 이 네 물질 중 분극률이 가장 큰 $\mathrm{CCl_4}$의 분산력이 가장 크다.

프로판 11g을 완전연소시키면 0.75mol의 이산화탄소가 생성된다.
프로판의 분자량은 $3 \times 12 + 8 \times 1 = 44\ \mathrm{g/mol}$이므로 몰수는 $\dfrac{11\ \mathrm{g}}{44\ \mathrm{g/mol}} = 0.25\ \mathrm{mol}$이다.
연소 반응식 $\mathrm{C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O}$에 따라 $\mathrm{CO_2}$는 프로판의 3배 몰수로 생성되므로 $0.25 \times 3 = 0.75\ \mathrm{mol}$이 된다.

물리적 변화에 해당하는 것은 승화이다.
승화는 고체가 액체를 거치지 않고 바로 기체로(또는 그 반대로) 상태가 변하는 현상으로, 물질의 화학적 조성은 그대로 유지되는 물리적 변화이다.
연소는 산소와 반응해 새로운 물질(이산화탄소 등)을 생성하는 화학적 변화이다.
발효는 미생물의 대사작용으로 물질이 화학적으로 분해·변환되는 화학적 변화이다.
금속이 녹스는 것은 산소와 반응해 산화물을 생성하는 화학적 변화이다.

분자량이 매우 큰 화합물의 분자량 측정에는 삼투압 측정법이 가장 적합하다.
고분자량 물질은 몰농도가 낮아도 삼투압 값이 비교적 크게 나타나 측정 민감도가 높기 때문에, 끓는점 오름이나 어는점 내림 같은 다른 총괄성 방법보다 정밀한 분자량 측정이 가능하다.

주기율표에서 0족(비활성 기체)은 최외각 전자껍질이 모두 채워진 안정한 전자배치를 가져 다른 원소와 결합하려는 경향이 거의 없다.
따라서 화학적 반응성이 가장 작은 족은 0족이며, 다른 족의 원소들은 옥텟을 채우기 위해 전자를 잃거나 얻으려는 경향이 뚜렷하다.

(NH4)2SO4 1몰이 물에 녹으면 NH4+ 2몰과 SO42- 1몰, 즉 총 3몰의 이온이 생긴다.
$n = \dfrac{66\,\mathrm{g}}{132\,\mathrm{g/mol}} = 0.5\,\mathrm{mol}$
따라서 총 이온의 몰수는 $0.5\,\mathrm{mol} \times 3 = 1.5\,\mathrm{mol}$이 된다.

아염소산(HClO2)의 칼륨염인 아염소산칼륨은 KClO2이다.
염소의 옥소산 염은 염소의 산화수에 따라 이름이 구분되며, KClO는 차아염소산칼륨, KClO3는 염소산칼륨, KClO4는 과염소산칼륨으로 불린다.

첨가반응은 이중결합·삼중결합의 불포화 결합이 끊어지면서 그 자리에 원자나 원자단이 결합해 들어가는 반응이다.
에틸렌의 이중결합에 브롬이 첨가되어 1,2-다이브로모에탄이 되는 반응이 이에 해당한다.
아세틸렌 3분자가 벤젠으로 바뀌는 반응은 첨가가 아니라 고리화(중합)반응이다.
에탄올이 물을 잃고 에틸렌이 되는 반응은 탈수(제거)반응이다.
메탄이 염소와 반응해 염화메틸이 되는 반응은 수소가 염소로 바뀌는 치환반응이다.

10℃ 상승마다 반응속도가 2배가 되므로, 20℃에서 60℃까지 40℃ 상승은 10℃ 단위로 4번 반복되어 반응속도는 16배로 빨라진다.
계산하면 $2^{\frac{60-20}{10}} = 2^4 = 16$이다. 8배는 30℃만 올랐을 때의 $2^3$에 해당하는 값이고, 64배는 온도 차 40℃ 대신 나중 온도 60℃를 그대로 10으로 나누어 $2^6$으로 잘못 계산한 값이다.

복분해(metathesis) 반응은 두 화합물이 서로 성분을 교환해 두 개의 새 화합물을 만드는 반응이다.
AB와 CD가 만나 AD와 BC로 바뀌는 형태가 이에 해당하며, 나머지 반응식들은 각각 화합·분해·치환 반응을 나타낸다.

양쪽성원소는 산과 염기 모두와 반응하여 염을 만드는 금속으로, Al·Zn·Sn·Pb 등이 대표적이다.
Ni(니켈)은 산화물이 염기성을 띠는 전형적인 전이금속으로, 양쪽성을 나타내지 않는다.

황화수소(H2S)는 실제로 물에 어느 정도 녹아 약산인 황화수소산을 이루므로, 물에 불용이라는 설명은 틀린 내용이다.
특유의 냄새를 가진 유독 기체라는 설명은 옳다.
산화되기 쉬운 -2가의 황을 포함해 환원제로 작용한다는 설명도 옳다.
알칼리와 반응해 황화물 염을 생성한다는 설명도 옳다.

일정 온도·압력에서 반응하는 기체의 부피비가 간단한 정수비로 나타나는 현상을 설명하는 것이 기체반응의 법칙이다.
수소 20mL와 산소 10mL가 반응해 수증기 20mL를 만드는 관계는 부피비 2:1:2의 간단한 정수비이므로, 바로 이 법칙의 예이다.

납축전지가 방전될 때는 황산이 소모되어 물로 바뀌므로 전해액의 황산 농도는 오히려 감소한다. 따라서 방전 시 황산 농도가 증가한다는 설명은 틀린 것이다.
충전과 방전이 모두 일어난다는 설명은 2차 전지의 특성으로 옳다.
산화전극과 환원전극에서의 반응식도 납축전지 방전 반응에 부합한다.

할로겐화은 중 AgF(플루오린화은)은 F-이 작아 수화에너지가 매우 커서, 격자에너지를 이기고 물에 잘 녹는 예외적인 화합물이다.
AgCl, AgBr, AgI는 모두 물에 거의 녹지 않는 불용성 침전을 형성한다.

산의 전체 농도를 1로 두었을 때 이온화되어 나온 H+의 비율을 나타내는 값이 전리도이다.
전리도가 클수록 강산에 가깝고, 작을수록 약산에 가까운 성질을 나타낸다.

NaCl, CaBr2, KBr은 모두 금속과 비금속의 결합으로 이루어진 이온결합 화합물로, 양이온과 음이온 사이의 정전기적 힘으로 결합되어 있다.
반면 NH3는 비금속 원소들 사이의 공유결합으로 이루어져 정전기적 힘에 의한 결합이 아니다.

염소의 옥소산에서 산소의 산화수는 -2, 수소는 +1로 두고 화합물 전체 전하가 0이 되도록 계산하면 HClO2에서 염소의 산화수는 +3이다.
같은 방식으로 HClO는 +1, HClO3는 +5, HClO4는 +7의 산화수를 갖는다.

탄화칼슘(CaC2)이 물과 반응하면 아세틸렌(C2H2) 가스와 수산화칼슘이 생성된다.
아세틸렌은 용접용 가스로 쓰이는 동시에 PVC 등 합성수지의 원료로도 이용된다.

은거울 반응은 알데하이드기(-CHO)가 은 이온을 환원시켜 은을 석출시키는 반응이다.
주어진 물질 중 알데하이드인 포름알데히드만 이 반응을 나타내며, 페놀·에탄올·메틸아세테이트는 알데하이드기가 없어 반응하지 않는다.

용매 1000g(1kg)에 녹아 있는 용질의 몰수로 정의되는 농도는 몰랄농도이다.
이는 용액 1L를 기준으로 하는 몰농도와 달리 용매의 질량을 기준으로 하기 때문에 온도 변화에 영향을 받지 않는다.

Mg2+, Na+, Ne, F-는 모두 전자수가 10개로 같은 등전자 이온(원자)이다.
전자수가 같을 때는 원자번호(양성자수)가 작을수록 핵이 전자를 끌어당기는 힘이 약해 이온반지름이 커진다.
이 중 원자번호가 9로 가장 작은 F-의 이온반지름이 가장 크다.

반감기가 5년이므로 10년이 경과하면 반감기 2회를 거친 것이다.
$2\,\mathrm{g} \times \left(\dfrac{1}{2}\right)^{2} = 0.5\,\mathrm{g}$이 남게 된다.

AgCl의 화학식량은 $107.9 + 34.45 = 142.35$이며, 생성된 AgCl의 몰수는 $\dfrac{0.245\,\mathrm{g}}{142.35\,\mathrm{g/mol}} \approx 0.00172\,\mathrm{mol}$이다.
이 몰수만큼 염소가 들어있으므로 염소의 질량은 $0.00172\,\mathrm{mol} \times 34.45\,\mathrm{g/mol} \approx 0.06\,\mathrm{g}$이 된다.

고체가 액체에 녹는 용해속도는 표면적, 교반, 온도에 크게 영향을 받는다.
고체 표면적이 클수록 용매와의 접촉면이 넓어져 용해가 빨라진다.
교반속도가 빠를수록 새로운 용매와의 접촉이 늘어 용해가 촉진된다.
온도가 높을수록 일반적으로 용해속도가 증가한다.
반면 압력의 증감은 고체-액체 용해속도에 거의 영향을 주지 않는다. 압력의 영향은 주로 기체의 용해도에서 두드러진다.

기체의 용해도는 압력에 비례한다는 것이 헨리의 법칙이 설명하는 핵심 원리이다.
질소는 무극성 기체로 오히려 물에 잘 녹지 않는다.
무극성 기체는 극성 용매인 물과의 상호작용이 약해 일반적으로 용해도가 낮다.
기체는 온도가 올라가면 분자 운동이 활발해져 용해도가 오히려 낮아진다.

용질이 용해도보다 적게 녹아 있어 더 녹을 수 있는 여지가 있는 용액을 불포화용액이라 한다.
용해도만큼 정확히 녹아 있으면 포화용액, 용해도 이상으로 녹아 있으면 불안정한 과포화용액이 된다.

티오시안산 적정법(볼하드법)은 Ag+을 티오시안산 표준액으로 적정하면서, 종말점 이후 과량의 SCN-이 Fe3+과 반응해 붉은색 착물을 만드는 것을 종말점 신호로 이용한다.
따라서 지시약으로는 Fe3+ 공급원인 철명반(황산제이철암모늄)이 사용된다.

PbS, CuS, HgS는 모두 흑색 침전을 형성하는 대표적인 황화물이다.
반면 CdS(황화카드뮴)는 노란색(황색) 침전을 형성하여 나머지와 구별된다.

페놀류는 염화철(Ⅲ)(FeCl3) 수용액과 반응해 특유의 정색(보라~청색 계열) 반응을 나타낸다.
이는 페놀의 -OH기가 Fe3+과 착물을 형성하기 때문으로, 페놀류의 검출에 널리 이용되는 정성 반응이다.

크산토프로테인 반응은 단백질 속 방향족 아미노산의 벤젠고리가 진한 질산에 의해 나이트로화되면서 일어난다.
이 반응으로 단백질은 노란색(황색)으로 변하며, 이후 암모니아를 가하면 색이 더 진해진다.

CuSO4·5H2O의 화학식량은 $63.54 + 32 + 16\times4 + 5\times18 = 249.54$이며, 시료 0.5012g에 들어있는 몰수는 $\dfrac{0.5012}{249.54} \approx 0.002009\,\mathrm{mol}$이다.
이는 Cu2+의 몰수와 같고, $\mathrm{Cu^{2+} + 2KOH \rightarrow Cu(OH)_2 + 2K^{+}}$ 반응식에서 KOH는 Cu2+의 2배 몰수가 필요하다.
따라서 필요한 KOH의 질량은 $0.002009 \times 2 \times 56\,\mathrm{g/mol} \approx 0.225\,\mathrm{g}$이 된다.

네슬러 시약은 요오드화수은칼륨(K2HgI4)의 강알칼리 용액으로, HgI2, KI, KOH를 이용해 조제한다.
단체 요오드인 I2는 네슬러 시약 조제에 사용되지 않는다.

AgNO3는 1가 화합물이므로 당량농도(N)는 몰농도와 같다.
$n = \dfrac{10\,\mathrm{g}}{169.89\,\mathrm{g/mol}} \approx 0.0589\,\mathrm{mol}$이고, 이를 500mL(0.5L)에 녹였으므로 $N = \dfrac{0.0589\,\mathrm{mol}}{0.5\,\mathrm{L}} \approx 0.118\,\mathrm{N}$이 된다.

Cl-, Br-, I-, CNS- 이온은 모두 Ag+과 만나 불용성 은염 침전을 형성하는 공통된 성질을 가진다.
따라서 이들 음이온의 정성분석에서 침전 생성 시약으로는 질산은(AgNO3)이 사용된다.

Ca2+와 EDTA는 1:1로 반응하는 킬레이트 적정이다.
$0.01\,\mathrm{M} \times 50.0\,\mathrm{mL} = 0.5\,\mathrm{mmol}$의 Ca2+과 반응하려면 같은 몰수의 EDTA가 필요하다.
따라서 필요한 부피는 $V = \dfrac{0.5\,\mathrm{mmol}}{0.05\,\mathrm{M}} = 10\,\mathrm{mL}$이다.

1차 표준물질은 정확한 계량을 위해 분자량이 커야 적은 칭량 오차로도 정확한 몰수를 얻을 수 있다.
따라서 분자량이 작아야 한다는 조건은 1차 표준물질의 요건과 반대되는 틀린 설명이다.
조성이 순수하고 일정해야 한다는 조건은 옳다.
건조 중 조성 변화가 없어야 한다는 조건도 옳다.
습기·이산화탄소 흡수가 없어야 한다는 조건도 옳다.

염산(HCl)은 물에 녹아 H+과 Cl-으로 완전히 이온화되는 전해질이다.
반면 포도당, 설탕, 에탄올은 물에 녹아도 이온화되지 않는 비전해질로 전류를 흐르게 하지 못한다.

Fe3+/Fe2+ 전극의 전위는 네른스트식 $E = E^{\circ} + 0.0592 \log \dfrac{[\mathrm{Fe^{3+}}]}{[\mathrm{Fe^{2+}}]}$로 구한다.
60%가 산화되었으므로 $[\mathrm{Fe^{3+}}] : [\mathrm{Fe^{2+}}] = 60 : 40 = 1.5$이고, $\log 1.5 \approx 0.176$이다.
따라서 $E = 0.78 + 0.0592 \times 0.176 \approx 0.79\,\mathrm{V}$가 된다.

일정한 전기량이 흘러 Ag⁺가 Ag로 환원될 때 필요한 전자 몰수는 패러데이 법칙에 따라 전기량을 패러데이 상수로 나누어 구한다.
$n_{e^-} = \dfrac{Q}{F} = \dfrac{12500\,\mathrm{C}}{96500\,\mathrm{C/mol}} \approx 0.1295\,\mathrm{mol}$
Ag⁺ + e⁻ → Ag 반응은 전자 1몰당 Ag 1몰이 석출되므로 은의 질량은 다음과 같다.
$m = 0.1295\,\mathrm{mol} \times 107.88\,\mathrm{g/mol} \approx 13.97\,\mathrm{g}$

보오메(Baumé) 비중계는 식염(NaCl) 용액을 기준으로 눈금을 정한 비중계이다. 물보다 무거운 액체용의 경우 순수한 물을 0도, 15% 식염수를 15도로 잡아 그 사이를 등분하는 방식으로 눈금이 매겨진다.
셀룰로오스 비중계라는 명칭은 일반적으로 쓰이지 않는다.
알코올 비중계는 알코올 농도 측정용으로 눈금 기준이 다르다.
오스트발트 비중계는 비중병(피크노미터) 방식으로 물을 기준 삼아 비중을 재는 기구이다.

굴절계에서 액체 경계면의 빛이 여러 색으로 퍼지는 분산 현상을 없애기 위해 Amici 프리즘(보정 프리즘)을 사용한다.
Amici 프리즘은 여러 개의 프리즘을 조합해 백색광의 분산은 상쇄시키면서 굴절 방향만 바꾸도록 설계되어 있어 경계선을 선명하게 관찰할 수 있게 해 준다.

액체를 고정상으로 사용하는 기체-액체 크로마토그래피에서 성분의 분리는 이동상과 고정 액체 사이의 분배계수 차이에 의해 일어난다.
흡착계수의 차는 고정상이 고체인 흡착 크로마토그래피의 분리 원리이므로 액체 흡착제를 쓰는 경우와는 구분된다.

고정상이 고체인 흡착 크로마토그래피에서는 표면에 흡착력을 가진 고체 분말을 충전제로 사용하는데, 유리는 흡착성이 거의 없어 흡착제로 쓰이지 않는다.
활성알루미나는 대표적인 극성 흡착제이다.
실리카겔은 표면 실라놀기로 흡착 작용을 하는 흡착제이다.
활성탄소는 비표면적이 넓어 흡착력이 큰 흡착제이다.

금속 나트륨은 물이나 공기 중 수분과 격렬히 반응하므로 파라핀 속에 담가 보관한다.
파라핀은 나트륨과 반응하지 않으면서 공기·수분을 차단해 주는 불활성 매질 역할을 한다.

적외선분광광도계로 고체 시료를 다룰 때는 용액법, 페이스트법, KBr 정제법 등을 사용하며, 기화법은 시료를 기체 상태로 만들어야 하므로 고체 시료의 취급법에 해당하지 않는다.
용액법은 고체를 적당한 용매에 녹여 액체 셀에 넣어 측정한다.
페이스트법은 고체를 광유 등과 섞어 페이스트로 만들어 측정한다.
KBr 정제법은 고체 시료를 KBr과 섞어 압축한 정제로 만들어 측정한다.

전위차 적정에서 기준전극은 측정 중 전위가 변하지 않고 일정하게 유지되어야 하며, 실제로는 칼로멜 전극이나 은-염화은 전극이 주로 쓰인다. 백금 전극은 오히려 지시전극(산화환원 전위를 감지하는 전극)으로 쓰인다.
따라서 기준전극이 백금으로 만들어진다는 설명은 전위차 적정의 원리와 맞지 않는다.
Nernst식에 따라 전위가 결정된다는 것, 종말점 결정에 이용된다는 것, 전위가 고정되어야 한다는 설명은 모두 전위차 적정의 일반적 특징이다.

두 전극 사이의 전위차로 용액의 액성을 재고 사용 전에 보정이 필요한 기기는 pH 미터다.
유리전극과 기준전극 사이에 생기는 기전력이 수소이온 농도에 따라 달라지는 원리를 이용하며, 측정 전에 pH 4·7·10 같은 표준완충용액으로 캘리브레이션을 해야 값을 신뢰할 수 있다.
비색계는 용액의 색과 빛의 흡수를 비교해 농도를 구하는 광학 기기다.
점도계는 유체의 점성 저항을, 굴절계는 빛의 굴절률을 측정하므로 전극 전위차와는 무관하다.

빛의 세기를 감지해 전기 신호로 변환하는 장치는 분광광도계 구성 요소 중 측광부이다.
광원부는 빛을 발생시키는 부분이다.
파장선택부는 원하는 파장만 골라내는 단색화 장치이다.
시료부는 시료를 담아 빛을 통과시키는 부분이다.

충전제로 흡착성 고체 분말을 사용하는 것은 기체-고체 크로마토그래피(GSC)이며, 기체-액체 크로마토그래피(GLC)는 고체 지지체 표면에 액체 고정상을 입혀 사용하는 방식이다.
운반가스의 일정한 유량 유지, 유기화합물의 정성·정량분석 활용, 시료도입부·분리관·검출기의 온도 유지는 모두 가스크로마토그래피에 대한 옳은 설명이다.

기체크로마토그래피의 운반 기체는 시료나 고정상과 반응하지 않는 불활성 기체이어야 하며, 보기 중에서는 아르곤이 이에 해당한다.
염소, 아세틸렌, 암모니아는 반응성이 있거나 가연성이어서 운반 기체로 부적합하다.

폴라로그래피에서 조성, 온도, 전극 특성이 일정할 때 확산전류는 일코비치식에 따라 금속 이온의 농도에 비례한다.
전해액의 부피, 전해조의 크기, 대기압은 확산전류를 결정하는 요인이 아니다.

1690~1760 cm⁻¹ 부근의 강한 흡수띠는 카르보닐기(C=O)의 신축진동에 해당하며, 이 범위는 케톤류의 C=O 흡수 영역과 잘 맞는다.
알칸류는 이 영역에 특징적인 강한 흡수가 없고, 아민류와 아미이드류는 N-H 및 아미드 C=O 흡수 위치가 이 범위와 다르게 나타난다.

수산화이온농도가 $1.0\times10^{-4}\,\mathrm{mol/L}$이면 pOH는 다음과 같이 구해진다.
$\mathrm{pOH} = -\log(1.0\times10^{-4}) = 4$
물의 이온곱 관계 $\mathrm{pH} + \mathrm{pOH} = 14$를 이용하면 pH는 10이 된다.

수화수를 구하면 X = 6 이므로 시약의 조성은 CoCl2·6H2O 다.
석출된 코발트의 몰수는 $\dfrac{0.100\,\mathrm{g}}{59.0\,\mathrm{g/mol}} = 1.695 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}$ 이고, $\mathrm{Co^{2+} + 2e^- \rightarrow Co(s)}$ 에서 코발트 1몰은 시약 1몰에서 나오므로 시약의 몰수도 같다.
따라서 시약의 화학식량은 $\dfrac{0.403\,\mathrm{g}}{1.695 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}} \approx 238$ 이다.
여기서 CoCl2 의 130 을 빼면 수화수 몫이 $238 - 130 = 108$ 이고, $\dfrac{108}{18.0} = 6$ 이므로 물 6분자가 결합해 있다.

HPLC에서 흔히 쓰이는 검출기는 UV/Vis, RI, IR 등이며, ECD(전자포획검출기)는 할로겐 화합물 검출에 특화된 기체크로마토그래피용 검출기로 액체 시료를 다루는 HPLC에는 사용하지 않는다.

아세톤과 메탄올은 모두 인화점이 낮은 가연성 유기용제이므로, 인화점이 높은 물질이라는 설명은 옳지 않다.
화기엄금 표시, 가열·충격 회피, 정전기 발생 방지는 낮은 인화점의 가연성 액체를 다룰 때 요구되는 안전 수칙으로 타당하다.

전자전이에 필요한 에너지 크기는 대체로 $\sigma \to \sigma^* > n \to \sigma^* > \pi \to \pi^* > n \to \pi^*$ 순으로 크며, 결합성 σ전자를 반결합성 σ* 오비탈로 여기시키는 σ → σ* 전이가 가장 큰 에너지(가장 짧은 파장의 빛)를 필요로 한다.