[9급 지방직 공업화학] 23년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

상압에서 끓는점이 가장 낮은 성분은 경질 나프타이다.
원유를 상압증류하면 탄소수가 적고 분자량이 작은 성분일수록 끓는점이 낮아 탑 위쪽에서 먼저 나온다. 끓는점 순서는 나프타 < 등유 < 경유 < 중유이다.
등유: 나프타보다 탄소수가 많아 끓는점이 더 높다.
경유: 등유보다 무거운 유분으로 끓는점이 더 높다.
중유: 상압증류의 잔류 성분으로 끓는점이 가장 높은 쪽에 속한다.

폴리스타이렌은 -CH(2)-CH(C(6)H(5))- 반복단위, 즉 주사슬 탄소에 벤젠 고리(페닐기)가 붙은 구조다.
스타이렌(CH(2)=CH-C(6)H(5))의 비닐기가 첨가중합하여 만들어진다.
-NH-(CH(2))(5)-CO- 반복단위는 아마이드 결합을 가진 나일론 6이다.
-CH(2)-CHCl- 반복단위는 염소가 붙은 폴리염화비닐(PVC)이다.
메틸기와 -COOCH(3)가 같은 탄소에 붙은 반복단위는 폴리메타크릴산메틸(PMMA)이다.

황산마그네슘에서 마그네슘의 산화수는 +1이 아니라 +2이므로 이 짝이 옳지 않다.
황산 이온의 전하가 −2이므로 화합물이 중성이 되려면 Mg는 +2여야 한다.
$x+(-2)=0 \Rightarrow x=+2$
물의 산소: $2(+1)+x=0 \Rightarrow x=-2$로 옳다.
염화알루미늄의 Al: $x+3(-1)=0 \Rightarrow x=+3$으로 옳다.
탄산나트륨의 C: $2(+1)+x+3(-2)=0 \Rightarrow x=+4$로 옳다.

아연은 비료의 3요소가 아니다.
비료의 3요소는 식물 생장에 다량으로 필요한 질소(N)·인(P)·칼륨(K)이다. 아연은 소량만 필요한 미량원소에 속한다.
질소: 잎과 줄기의 생장을 돕는 3요소이다.
인: 뿌리 발달과 개화·결실을 돕는 3요소이다.
칼륨: 뿌리·줄기를 튼튼하게 하는 3요소이다.

고립계는 주위와 물질도 에너지도 주고받지 못하므로, 물질 이동이 가능하다는 설명이 옳지 않다.
계는 경계를 통한 이동 여부로 구분한다. 열린계는 물질·에너지 모두, 닫힌계는 에너지만, 고립계는 둘 다 이동하지 않는다.
계의 종류를 열린계·닫힌계·고립계로 나누는 설명은 옳다.
열린계에서 물질과 에너지가 모두 이동한다는 설명은 옳다.
닫힌계에서 물질은 이동하지 않고 에너지는 이동한다는 설명은 옳다.

표준반응깁스에너지와 평형상수의 관계로 구하면 lnK = 40/3이다.
관계식: $\Delta_r G^\circ=-RT\ln K$
대입: $\ln K=-\dfrac{\Delta_r G^\circ}{RT}=-\dfrac{-32000\ \mathrm{J\,mol^{-1}}}{8\ \mathrm{J\,mol^{-1}K^{-1}}\times 300\ \mathrm{K}}$
결과: $\ln K=\dfrac{32000}{2400}=\dfrac{40}{3}$
4/3은 kJ을 J로 환산할 때 자릿수를 하나 덜 곱한 값이다.
400/3, 4,000/3은 단위 환산에서 자릿수를 과하게 키운 값이다.
단위 일치(kJ → J)가 핵심이다.

자발적 변화의 일반 조건은 계와 주위의 엔트로피 변화 합(우주의 엔트로피 변화)이 0보다 큰 것이다.
열역학 제2법칙에 따라 자발 과정에서는 $\Delta S + \Delta S_{surr} \gt  0$이 성립한다. 일정 온도·부피에서는 이것이 헬름홀츠 에너지 감소로 나타난다.
헬름홀츠 에너지 변화가 양수이면 비자발적이다. 자발 조건은 감소이다.
엔탈피 감소(발열)만으로는 자발성이 결정되지 않는다. 엔트로피 항이 함께 고려돼야 한다.
반응물·생성물의 운동에너지 비교는 자발성의 판단 기준이 아니다.

SN1 반응에서는 삼차 할로젠화 알킬이 일차보다 반응성이 크다.
SN1의 속도결정단계는 탄소양이온 생성이므로, 초공액·유도 효과로 양이온이 안정한 삼차 기질일수록 빠르다. 일차 탄소양이온은 매우 불안정해 SN1이 거의 일어나지 않는다.
탄소양이온 중간체가 안정할수록 SN1은 느려지는 것이 아니라 빨라진다.
SN2는 친핵체가 뒤쪽에서 공격하므로 기질의 입체장애가 클수록 느려진다.
SN2의 속도식은 $v=k[\mathrm{RX}][\mathrm{Nu}]$로 기질 농도에 비례한다.

제시된 분자(아스코르브산, 비타민 C)는 sp^2 탄소 3개, sp^3 탄소 3개이다.
이중결합에 참여하는 탄소가 sp^2이다. 락톤의 C=O 탄소 1개와 고리 안 C=C 탄소 2개로 모두 3개다.
단일결합만 갖는 탄소가 sp^3이다. 고리 산소에 붙은 고리 CH, 곁사슬의 CH(OH), 말단 CH(2)OH로 모두 3개다.
sp^2 2개로 센 조합은 C=O 탄소 또는 C=C 탄소 하나를 빠뜨린 것이다.
sp^3 2개 또는 4개로 센 조합은 곁사슬과 고리의 포화 탄소 수를 잘못 센 것이다.

옳은 것은 CNG의 주성분이 메테인이라는 설명뿐이다.
CNG는 메테인이 주성분인 천연가스를 고압으로 압축한 것이다.
LNG는 천연가스를 냉각(약 −162℃)해 액화한 것이며, 액화 전에 수분·불순물을 제거하므로 수분 함량이 매우 높다는 설명은 틀리다.
LNG의 주성분은 액체 상태의 메테인이다. 메테인 하이드레이트는 물 분자 격자에 메테인이 갇힌 별개의 고체 물질이다.

같은 온도·압력에서 부피비는 몰수비이므로 부피비는 1/3이다.
발열량 같음: $n_{\mathrm{CH_4}}\times 16\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\times 60\ \mathrm{kJ\,g^{-1}}=n_{\mathrm{H_2}}\times 2\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\times 160\ \mathrm{kJ\,g^{-1}}$
정리: $960\,n_{\mathrm{CH_4}}=320\,n_{\mathrm{H_2}}$
결과: $\dfrac{V_{\mathrm{CH_4}}}{V_{\mathrm{H_2}}}=\dfrac{n_{\mathrm{CH_4}}}{n_{\mathrm{H_2}}}=\dfrac{320}{960}=\dfrac{1}{3}$
3/8은 질량당 연소열의 비(60/160)만 쓰고 몰질량을 반영하지 않은 값이다.
3은 비를 거꾸로 잡은 값이다.
8/3은 연소열 비를 뒤집어 쓴 값이다.
메테인은 몰당 발열량이 커서 더 적은 부피로 같은 열을 낸다.

셀룰로오스는 포도당이 β-1,4-글리코사이드 결합으로 연결된 다당류이다.
β 결합 때문에 직선형 사슬이 수소결합으로 촘촘히 배열되어 섬유 구조를 이루며, α 결합의 녹말과 성질이 다르다. 반복 단위는 축합으로 물이 빠진 $(\mathrm{C_6H_{10}O_5})_n$이다.
셀룰로오스는 단당류가 아니라 다당류이다.
화학식은 포도당 분자식의 중합체가 아니라 물이 빠진 단위의 중합체로 표기한다.
α 결합의 아밀로오스와 아밀로펙틴으로 구성된 것은 셀룰로오스가 아니라 녹말이다.

옳은 것은 HLB의 친유·친수 경향과 분자량으로 계산 가능하다는 설명이다.
HLB는 친수성-친유성 균형을 나타내며, 값이 클수록 친수성이 강하다. 그리핀(Griffin)식은 분자 전체 분자량과 친수기 분자량으로 HLB를 구한다.
$\mathrm{HLB}=20\times\dfrac{M_h}{M}$
HLB가 낮을수록 친유성, 높을수록 친수성이라는 설명은 옳다.
분자량으로 HLB를 계산할 수 있다는 설명은 옳다.
세정용은 친수성이 큰 높은 HLB 영역, 소포용은 친유성이 큰 낮은 HLB 영역에 속하므로, 세정용이 더 작다는 설명은 틀리다.

T1은 A의 유리전이 온도보다 낮으므로, T1에서 A는 유리상이다.
무정형 고분자는 유리전이 온도 아래에서 사슬 분절 운동이 멈춘 단단한 유리상, 위에서는 고무상이 된다. 유리전이는 상변화(녹음·끓음)가 아니다.
유리전이 온도는 끓는점이 아니다. 고분자는 끓기 전에 분해된다.
유리전이 온도는 녹는점이 아니다. 녹는점은 결정 영역이 녹는 온도로 무정형 고분자에는 없다.
무정형 고분자는 유리전이 온도 아래에서 결정을 만드는 것이 아니라 무질서한 유리상이 된다.

PET 시료의 밀도는 1.24 g/mL이다.
부피 분율 기준이므로 밀도는 부피 분율 가중 평균으로 구한다.
$\rho = \phi_c\rho_c + (1-\phi_c)\rho_a$
$\rho = 0.20 \times 1.40 + 0.80 \times 1.20$
$\rho = 0.28 + 0.96 = 1.24\ \mathrm{g\,mL^{-1}}$
1.28은 결정 부피 분율 40%, 1.32는 60%, 1.36은 80%일 때의 값으로 결정 영역 20%와 맞지 않는다.

불균일 촉매는 반응물과 다른 상으로 존재한다는 설명이 옳다.
예를 들어 기체 반응물에 고체 촉매를 쓰는 경우가 불균일 촉매이다. 촉매는 활성화 에너지를 낮춰 반응 속도를 높이지만 반응의 열역학적 양은 바꾸지 않는다.
촉매는 활성화 에너지를 낮춰 반응속도 상수를 증가시킨다.
촉매는 정반응과 역반응을 똑같이 빠르게 하므로 평형상수는 변하지 않는다.
반응엔탈피는 반응물과 생성물의 상태로 정해지므로 촉매가 바꾸지 못한다.

DNA에만 있는 염기는 티민, RNA에만 있는 염기는 우라실이다.
아데닌·구아닌·사이토신은 DNA와 RNA에 공통으로 있고, 피리미딘 염기 중 티민은 DNA에서, 우라실은 RNA에서 아데닌과 짝을 이룬다.
아데닌은 DNA와 RNA 모두에 있으므로 DNA에만 있는 염기가 아니다.
사이토신은 DNA와 RNA 모두에 있으므로 RNA에만 있는 염기가 아니다.

환원전극에서는 Ni^2+가 전자를 얻어 Ni로 석출되는 반응이 일어난다.
전체 반응에서 Zn은 Zn^2+로 산화되고(산화전극), Ni^2+는 Ni로 환원된다.
Zn^2+가 Zn으로 환원되는 반응은 전체 반응의 역방향이므로 일어나지 않는다.
Zn이 Zn^2+로 되는 반응은 산화이며 산화전극(anode)에서 일어난다.
Ni가 Ni^2+로 되는 반응은 산화이며 전체 반응과 방향이 반대다.

질소 함량이 가장 높은 것은 요소이다.
질소 함량 = 질소 질량 ÷ 화학식량으로 비교한다. 요소 $\mathrm{CO(NH_2)_2}$는 $\dfrac{28}{60} \approx 0.47$로 가장 크다.
질산 암모늄 $\mathrm{NH_4NO_3}$: $\dfrac{28}{80} = 0.35$
황산 암모늄 $\mathrm{(NH_4)_2SO_4}$: $\dfrac{28}{132} \approx 0.21$
질산 칼슘 $\mathrm{Ca(NO_3)_2}$: $\dfrac{28}{164} \approx 0.17$

감광제층을 두껍게 하려면 웨이퍼의 회전속도를 낮춘다.
스핀 코팅에서는 원심력이 용액을 바깥으로 밀어내므로, 회전이 빠를수록 막이 얇아지고 느릴수록 두꺼워진다. 막 두께는 회전속도·점도·고형분 함량에 주로 좌우된다.
웨이퍼의 반경을 늘려도 막을 두껍게 하는 효과가 없다. 막 두께는 크기보다 회전 조건과 용액 성질로 정해진다.
점도를 낮추면 용액이 더 잘 퍼져 나가 막이 더 얇아진다.
고형분 함량을 낮추면 건조 후 남는 감광제가 줄어 막이 더 얇아진다.