[9급 국가직 공업화학] 12년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

지방족 화합물을 탈수소해 BTX를 만드는 반응은 접촉 개질이다.
접촉 개질은 백금계 촉매로 나프타의 나프텐을 탈수소하고 파라핀을 고리화·탈수소해 방향족(벤젠·톨루엔·자일렌)을 만들며, 부산물로 수소가 생긴다.
수증기 개질: 탄화수소와 수증기로 합성가스($\mathrm{H}_{2}$, CO)를 만든다.
이성화: 직쇄를 가지 달린 이성질체로 바꾼다.
알킬화: 아이소뷰테인과 올레핀을 결합해 고옥탄가 알킬레이트를 만든다.

Arrhenius식에서 ln k와 1/T는 직선 관계이다.
$k=A\,e^{-E_a/RT}$의 양변에 자연로그를 취하면
$\ln k=\ln A-\dfrac{E_a}{R}\cdot\dfrac{1}{T}$
따라서 ln k를 1/T에 대해 그리면 기울기 -$\mathrm{E}_{a}$/R인 직선이 되어 활성화 에너지를 구할 수 있다. k와 T, ln k와 T, ln k와 ln(1/T)는 직선 관계가 아니다.

펄프의 주요 성분이 아닌 것은 부타다이엔이다.
목재와 펄프는 셀룰로스·헤미셀룰로스·리그닌으로 이루어진다. 뷰타다이엔은 석유화학에서 얻는 C4 다이엔으로 합성고무의 단량체이다.
셀룰로스: 섬유의 골격을 이루는 주성분이다.
리그닌: 섬유를 접착하는 방향족 고분자로, 화학 펄프화에서 제거된다.
헤미셀룰로스: 셀룰로스와 함께 섬유를 이루는 다당류이다.

가장 안정한 라디칼은 알릴 라디칼이다.
알릴 라디칼은 홀전자가 인접 C=C의 π 결합과 공명하여 두 탄소에 비편재화되므로, 초공액만으로 안정화되는 알킬 라디칼보다 안정하다.
메틸 라디칼: 초공액이 없어 가장 불안정하다.
2차 라디칼: 3차보다 초공액이 적어 덜 안정하다.
3차 라디칼: 알킬 라디칼 중 가장 안정하지만 공명 안정화된 알릴 라디칼보다는 덜 안정하다.

석탄 가스화로 얻은 CO를 촉매하에 반응시켜 탄화수소를 만드는 방법은 Fischer-Tropsch법이다.
석탄을 가스화해 얻은 합성가스(CO + $\mathrm{H}_{2}$)를 철·코발트 촉매에서 반응시켜 탄화수소 사슬을 성장시키는 간접 액화법이다.
Bergius법: 석탄에 직접 고압 수소를 첨가하는 직접 액화법이다.
SRC법: 석탄을 용제로 녹여 정제하는 용제 정제 석탄법이다.
COED법: 석탄을 다단 열분해(건류)해 오일·가스·차를 얻는 방법이다.

생성물은 키랄 탄소의 배치가 그대로 유지된 1-메톡시-2-프로판올(C$\mathrm{H}_{3}$CH(OH)C$\mathrm{H}_{2}$OC$\mathrm{H}_{3}$)로, H가 점선·C$\mathrm{H}_{3}$가 쐐기로 출발물과 같은 배치인 구조이다.
염기성 조건의 메톡사이드는 입체 장애가 작은 C$\mathrm{H}_{2}$ 탄소를 $\mathrm{S}_{N}$2로 공격해 고리를 연다. 이때 키랄 탄소의 결합은 끊어지지 않으므로 입체 배치가 유지되고, 산소는 OH가 된다.
같은 골격이지만 C$\mathrm{H}_{3}$가 점선·H가 쐐기인 구조: 키랄 중심이 반전된 거울상으로, 이 탄소는 공격받지 않으므로 생기지 않는다.
두 산소가 모두 OC$\mathrm{H}_{3}$이고 C$\mathrm{H}_{3}$가 점선인 구조: 메톡사이드는 한 번만 첨가되고 에폭사이드 산소는 OH로 남는다.
두 산소가 모두 OC$\mathrm{H}_{3}$이고 H가 점선인 구조: 배치는 유지되었지만 키랄 탄소의 산소가 OH가 아니라 OC$\mathrm{H}_{3}$로 되어 있어 틀리다.

전체 반응열은 -28 kcal/mol이다.
반응열 = 끊어지는 결합 에너지 합 - 생기는 결합 에너지 합
끊어지는 결합: $\mathrm{C_2H_5{-}H}\ 98+\mathrm{Cl{-}Cl}\ 58=156$
생기는 결합: $\mathrm{C_2H_5{-}Cl}\ 81+\mathrm{H{-}Cl}\ 103=184$
$\Delta H=156-184=-28\ \mathrm{kcal/mol}$
전파 단계 두 개(ㄴ: 98 - 103 = -5, ㄷ: 58 - 81 = -23)를 더해도 같은 값이 나오며, C$\mathrm{H}_{3}$-H(104)는 에테인과 무관한 함정 데이터이다.

얻을 수 있는 산소 분자는 1.5 × $10^{23}$개이다.
산화전극 반응: $\mathrm{2H_2O\rightarrow O_2+4H^++4e^-}$
$\mathrm{O}_{2}$ 1 mol에 전자 4 mol이 필요하다. 1 F는 전자 1 mol의 전기량이다.
$n(\mathrm{O_2})=\dfrac{1}{4}=0.25\ \mathrm{mol}$
$0.25\times 6.0\times10^{23}=1.5\times10^{23}$개

알킬기의 성질이 다른 것은 RX(할로젠화 알킬)이다.
RX에서는 전기음성도가 큰 할로젠이 전자를 끌어가 탄소가 부분 양전하(δ+)를 띠는 친전자체이다. 반면 유기금속 화합물에서는 탄소가 전기양성적인 금속과 결합해 부분 음전하(δ-)를 띠는 친핵체(탄소 음이온 성격)이다.
RMgX(Grignard 시약): R이 δ-로 친핵성이다.
RLi: R이 강한 탄소 음이온 성격을 가진다.
$\mathrm{R}_{2}$Zn: 역시 R이 δ-인 유기금속 화합물이다.

설명에 맞는 중합방법은 유화중합이다.
유화중합은 물을 매질로 유화제 미셀 안에서 중합하므로 열 분산이 쉽고 점도가 낮으며, 과황산염 같은 수용성 개시제를 쓰고 유기용매가 필요 없다.
벌크중합: 매질이 없어 점도가 높고 열 제거가 어렵다.
현탁중합: 물에 분산하지만 단량체에 녹는 유용성 개시제를 쓴다.
용액중합: 유기용매를 써서 용매 회수·환경 부담이 있다.

축중합으로 주로 만드는 고분자는 폴리에스터이다.
폴리에스터는 다이카복실산(또는 그 에스터)과 다이올이 물(또는 메탄올)을 내놓으며 에스터 결합을 만드는 축합중합으로 얻는다.
폴리염화비닐: 염화비닐의 첨가 중합체이다.
폴리스타이렌: 스타이렌의 첨가 중합체이다.
폴리에틸렌: 에틸렌의 첨가 중합체이다.

두 반응에서 모두 생기는 물질은 글리세롤이다.
바이오디젤 제조(트라이글리세라이드 + 메탄올의 에스터 교환)와 비누화(트라이글리세라이드 + NaOH) 모두 트라이글리세라이드의 에스터 결합이 끊어지면서 글리세롤이 떨어져 나온다.
트라이글리세라이드: 두 반응의 원료이다.
메탄올: 바이오디젤 반응의 원료이다.
메틸에스터: 바이오디젤 자체(주생성물)이며 비누화에서는 생기지 않는다.

지구온난화지수가 가장 높은 물질은 육불화황(S$\mathrm{F}_{6}$)이다.
S$\mathrm{F}_{6}$는 적외선 흡수력이 매우 크고 대기 수명이 극히 길어, 교토의정서 6대 온실가스 가운데 GWP가 가장 크다.
메테인: C$\mathrm{O}_{2}$보다 GWP가 크지만 S$\mathrm{F}_{6}$에 비하면 매우 작다.
아산화질소: 메테인보다 크지만 역시 S$\mathrm{F}_{6}$보다 훨씬 작다.
사염화탄소: 오존층 파괴물질이며 GWP는 S$\mathrm{F}_{6}$보다 작다.

필요한 암모니아의 최소량은 68 kg이다.
반응식: $\mathrm{2NH_3+CO_2\rightarrow NH_2COONH_4\rightarrow CO(NH_2)_2+H_2O}$
요소 몰수: $\dfrac{120}{60}=2\ \mathrm{kmol}$
N$\mathrm{H}_{3}$는 요소의 2배 몰이 필요하다.
$2\times2=4\ \mathrm{kmol}$ → $4\times17=68\ \mathrm{kg}$

어는점이 가장 낮은 것은 N$a_{2}$S$\mathrm{O}_{4}$ 0.020 mol이다.
어는점 내림은 용질 입자 수(몰랄농도 × 반트호프 인자 i)에 비례한다.
$\Delta T_f=i\,K_f\,m$
NaOH 0.025 mol: i = 2 → 입자 0.050 mol
NaCl 0.025 mol: i = 2 → 0.050 mol
N$a_{2}$S$\mathrm{O}_{4}$ 0.020 mol: i = 3 → 0.060 mol(최대)
포도당 0.030 mol: 비전해질 i = 1 → 0.030 mol

자연계 아미노산은 대부분 L형이므로, D형을 가진다는 설명이 옳지 않다.
단백질을 이루는 아미노산은 글리신(비키랄)을 제외하면 모두 L-아미노산이다. D형은 일부 세균 세포벽 등에서만 발견된다.
단백질의 단량체: 옳다.
산성기(-COOH)와 염기성기(-N$\mathrm{H}_{2}$)를 모두 가진다: 옳다.
아미노산끼리는 아마이드(펩타이드) 결합으로 연결: 옳다.

이온주입은 도펀트 양을 정확히 조절할 수 있는 것이 장점이므로, 정확히 조절할 수 없다는 설명이 옳지 않다.
이온주입은 이온 빔 전류와 시간으로 도즈(주입량)를, 가속 에너지로 주입 깊이를 정밀하게 제어할 수 있어 확산법을 대체했다.
플라즈마 식각 순서: 진공 반응기 도입 → C$\mathrm{F}_{4}$·CH$\mathrm{F}_{3}$와 소량 $\mathrm{O}_{2}$ 주입 → RF 플라즈마 발생 → 기체 생성물 배기로 옳다.
CVD: 반응물을 기체 상태로 공급해 기판 표면 화학반응으로 박막을 형성하므로 옳다.
웨이퍼 세척: 기계적 처리와 RCA 같은 화학적 세정을 함께 쓰므로 옳다.

옳지 않은 것은 헥사메틸렌 다이아이소사이아네이트와 1,4-뷰테인다이올로 만든 고분자의 반복단위이다.
아이소사이아네이트(-NCO)와 하이드록시기(-OH)가 반응하면 우레탄 결합(-NH-CO-O-)이 생긴다. 올바른 반복단위는 -[CONH(C$\mathrm{H}_{2}$)${}_{6}$NHCO-O(C$\mathrm{H}_{2}$)${}_{4}$O]-인데, 제시된 구조는 다이올의 산소 두 개가 빠져 있다.
다이메틸 테레프탈레이트 + 에틸렌 글라이콜 → PET 반복단위: 옳다.
카프로락탐 개환중합 → -[CO(C$\mathrm{H}_{2}$)${}_{5}$NH]-(나일론 6): 옳다.
파이로멜리트산 이무수물 + 옥시다이아닐린 → 폴리이미드: 옳다.

옳지 않은 것은 1-브로모프로페인에 포타슘 tert-뷰톡사이드를 반응시켜 에터가 생긴다고 한 반응이다.
tert-뷰톡사이드는 부피가 매우 큰 강염기라 탄소를 공격($\mathrm{S}_{N}$2)하기 어렵고 β-수소를 떼어내므로, 1차 할로젠화물이라도 E2 제거로 프로펜이 주생성물이 된다.
1-클로로-1-메틸사이클로펜테인 + KOH/에탄올 → 1-메틸사이클로펜텐: 더 치환된 알켄(Zaitsev)이 생기므로 옳다.
1-브로모프로페인 + NaCN → C$\mathrm{H}_{3}$C$\mathrm{H}_{2}$C$\mathrm{H}_{2}$CN: 1차 할로젠화물의 $\mathrm{S}_{N}$2로 옳다.
(C$\mathrm{H}_{3}$)${}_{3}$CBr + 에탄올 가열 → tert-뷰틸 에틸 에터: 3차 탄소양이온을 거치는 $\mathrm{S}_{N}$1 가용매분해로 옳다.

옳은 것은 A와 B의 물리적 성질이 다르다는 것뿐이다.
A는 의자형 고리에서 1,3 위치의 두 OH가 고리의 반대 면에 있는 trans-1,3-사이클로헥세인다이올(키랄)이고, B는 두 OH가 모두 쐐기인 cis-1,3-사이클로헥세인다이올로 대칭면이 있는 메소 화합물이다. 둘은 거울상이 아닌 입체이성질체, 즉 부분입체이성질체이다.
물리적 성질이 다르다: 부분입체이성질체는 녹는점·끓는점 등이 다르므로 옳다.
1:1 혼합물은 광학활성이 없다: B는 비활성이지만 A는 광학활성이라 혼합물도 광학활성을 띤다.
거울상 이성질체 관계이다: 한쪽이 메소 화합물이라 거울상 관계가 될 수 없다.