[9급 지방직 공업화학] 18년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

촉매에 의해 가장 크게 달라지는 부분은 곡선의 꼭대기인 전이 상태(B)이다.
촉매는 활성화 에너지가 더 낮은 새로운 반응 경로를 제공하므로 봉우리 높이가 낮아지고, 그 결과 반응 속도가 빨라진다.
반응물 에너지(A): 촉매가 있어도 출발 물질의 에너지는 그대로이다.
반응열(C): 반응물과 생성물의 에너지 차이로, 촉매와 무관하게 일정하다.
생성물 에너지(D): 생성물 자체가 바뀌지 않으므로 변하지 않는다.

효소 반응의 속도 상수와 온도의 관계는 Arrhenius 식으로 나타낸다.
Arrhenius 식은 $k=A\,e^{-E_a/RT}$ 로, 온도가 오르면 활성화 에너지를 넘는 분자 비율이 늘어 속도 상수가 지수적으로 증가함을 보여 준다(효소는 고온에서 변성되어 이 경향이 꺾인다).
이상 기체식은 기체의 압력·부피·온도·몰수 사이의 상태 관계식이다.
Beer–Lambert 식은 흡광도가 농도와 광로 길이에 비례함을 나타내는 분광 분석식이다.
van der Waals 식은 분자 부피와 분자 간 인력을 보정한 실제 기체의 상태식이다.

이온 결합 화합물은 NaCl이다.
이온 결합은 전기음성도 차가 큰 금속 양이온과 비금속 음이온 사이의 정전기적 인력으로 형성되며, NaCl 은 $\mathrm{Na^+}$ 와 $\mathrm{Cl^-}$ 로 이루어진다.
HCl 은 수소와 염소가 전자쌍을 공유한 극성 공유 결합 분자이다.
$\mathrm{BF_3}$ 는 비금속 원자끼리 결합한 공유 결합 분자(평면 삼각형)이다.
$\mathrm{NH_3}$ 는 질소와 수소가 공유 결합한 분자(삼각뿔형)이다.

비료의 3요소가 아닌 것은 마그네슘(Mg)이다.
비료의 3요소는 질소(N)·인(P)·칼륨(K)으로, 식물이 다량 요구하지만 토양에서 부족해지기 쉬운 원소이다. 마그네슘은 엽록소 구성 원소로 필요하지만 3요소에는 들지 않는다.
질소는 단백질·엽록소 합성에 필요한 3요소의 하나이다.
인은 핵산·ATP 구성과 뿌리 발달에 필요한 3요소의 하나이다.
칼륨은 삼투압 조절·효소 활성에 관여하는 3요소의 하나이다.

제시된 네 진술이 모두 옳다.
전기 화학 반응은 전극과 전해질의 계면에서 전자가 오가는 불균일 반응이며, 전류와 전위가 반응을 지배한다.
반응 속도와 전류: 패러데이 법칙에 따라 단위 시간당 반응한 물질량이 전류에 비례하므로 옳다.
전극 전위의 의미: 전극 전위는 전극 속 전자의 에너지 준위를 나타내므로 옳다.
전류와 전위의 동시 조절: 둘은 서로 종속되어 있어 하나를 정하면 다른 하나가 결정되므로(정전류 또는 정전위 중 택일) 옳다.
반응 장소: 전자 이동은 전극 표면 근처에서만 일어나므로 옳다.

리포밍에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 중질유를 분해해 가솔린을 만드는 기술이라는 설명이다.
리포밍(개질)은 옥탄가가 낮은 나프타의 분자 구조를 바꾸는 공정이고, 중질유를 분해해 가솔린을 얻는 것은 분해(cracking) 공정이다.
촉매(백금계 등)를 사용하는 리포밍을 접촉 개질이라 한다 — 옳은 설명이다.
나프텐계 탄화수소를 탈수소하여 방향족 탄화수소로 바꾸는 것이 개질의 주반응이다 — 옳은 설명이다.
방향족·가지 달린 탄화수소가 늘어 옥탄가가 높아진다 — 옳은 설명이다.

주생성물은 고리 탄소 하나에 메틸기와 브로민이 함께 붙은 1-브로모-1-메틸사이클로헥세인이다.
HBr의 양성자가 고리 밖 말단 탄소에 붙으면 고리 탄소에 안정한 3차 탄소양이온이 생기고, 여기에 브로민화 이온이 결합한다(마르코브니코프 규칙).
브로모메틸사이클로헥세인: 양성자가 고리 탄소에 붙어 불안정한 1차 탄소양이온을 거쳐야 하므로 주생성물이 아니다.
이중 결합이 남은 채 이웃 고리 탄소에 브로민이 붙은 구조: 첨가 반응이 일어나지 않은 형태라 해당하지 않는다.
메틸기와 브로민이 서로 이웃한 다른 탄소에 붙은 구조: 탄소양이온 위치와 맞지 않는 생성물이다.

결정화가 가장 어려운 것은 메틸기 방향이 불규칙한 어택틱 폴리프로필렌이다.
곁사슬 배향이 무작위이면 사슬이 규칙적으로 접히지 못해 결정 격자를 이루기 어렵고, 대부분 비정질로 남는다.
폴리에틸렌: 곁사슬이 없어 사슬이 촘촘히 배열되므로 결정화가 쉽다.
아이소택틱 폴리프로필렌: 메틸기가 모두 같은 쪽을 향해 규칙성이 높아 결정성이 크다.
신디오택틱 폴리프로필렌: 메틸기가 번갈아 규칙적으로 배향되어 결정화가 가능하다.

(가)는 에틸 tert-뷰틸 에테르, (나)는 2-메틸프로펜(아이소뷰틸렌)이다.
두 반응 모두 브로민화 이온이 떨어져 나가 생긴 tert-뷰틸 탄소양이온을 거친다. SN1에서는 에탄올의 산소가 이 양이온을 공격해 에테르가 되고, E1에서는 이웃 메틸기의 수소가 빠져 이중 결합이 생긴다.
탄소-탄소 결합 생성물(에틸기가 탄소에 직접 붙은 알케인): 에탄올은 산소로 공격하므로 C-C 결합이 생기지 않는다.
에틸렌: 에탄올이 아니라 tert-뷰틸 양이온에서 수소가 제거되므로 탄소 골격이 유지된 아이소뷰틸렌이 생긴다.

Wacker 공정에 필요하지 않은 화합물은 염화 납이다.
Wacker 공정은 $\mathrm{PdCl_2}$ 가 에틸렌을 산화해 아세트알데하이드를 만들고, 환원된 Pd 를 $\mathrm{CuCl_2}$ 가 재산화하며, 생성된 CuCl 은 산소와 HCl 로 다시 $\mathrm{CuCl_2}$ 가 되는 촉매 순환 공정이다.
$\mathrm{C_2H_4+PdCl_2+H_2O\rightarrow CH_3CHO+Pd+2HCl}$
$\mathrm{Pd+2CuCl_2\rightarrow PdCl_2+2CuCl}$
$\mathrm{2CuCl+2HCl+\tfrac{1}{2}O_2\rightarrow 2CuCl_2+H_2O}$
염화 팔라듐은 에틸렌을 산화하는 주촉매이다.
염화 구리는 Pd 를 재산화하는 공촉매(산화제)이다.
염산은 염화 구리 재생과 산성 수용액 유지에 쓰인다.

유지(지방·기름)의 기본 단위는 트리글리세라이드이다.
유지는 글리세롤 1분자에 지방산 3분자가 에스터 결합한 트리글리세라이드(트라이아실글리세롤)로 이루어진다.
아크릴로나이트릴은 아크릴 섬유·ABS 수지의 원료 단량체이다.
뷰틸알데하이드는 옥소 합성으로 얻는 알데하이드로 뷰탄올 등의 원료이다.
클로로프렌은 합성고무(네오프렌)의 단량체이다.

친전자체는 나이트로늄 이온과 트라이메틸설포늄 이온이다.
친전자체는 전자가 부족해 전자쌍을 받아들이는 화학종으로, 양전하를 띤 두 이온이 이에 해당한다. 나이트로늄 이온은 방향족 나이트로화의 공격종이고, 트라이메틸설포늄 이온은 메틸기를 내주는 메틸화제로 작용한다.
사이안화 이온: 탄소의 비공유 전자쌍과 음전하를 지닌 대표적 친핵체이다.
메틸아민: 질소의 비공유 전자쌍을 내주는 염기·친핵체이다.

효모 발효로 바이오에탄올을 만들 때 가장 적합한 기질은 글루코스이다.
효모는 해당 과정과 알코올 발효로 육탄당을 에탄올과 이산화탄소로 바꾼다.
$\mathrm{C_6H_{12}O_6\rightarrow 2C_2H_5OH+2CO_2}$
아세트산은 에탄올이 더 산화된 물질로 효모 발효의 기질이 아니다.
퍼퓨랄은 리그노셀룰로스 전처리 중 생기는 발효 저해 물질이다.
페놀은 미생물에 독성이 있는 방향족 화합물로 기질이 될 수 없다.

단백질의 이차 구조를 결정하는 가장 중요한 힘은 수소 결합이다.
α-나선과 β-병풍 구조는 주사슬의 C=O 와 N–H 사이 수소 결합으로 안정화된다.
공유 결합(펩타이드 결합)은 아미노산 서열인 일차 구조를 이룬다.
이온 결합(염다리)은 곁사슬 사이에 작용하여 주로 삼차 구조 안정화에 기여한다.
분산력은 소수성 곁사슬 사이의 약한 인력으로 삼차 구조의 접힘에 기여한다.

이 반응은 축합 중합이다.
아미노기와 카복실기가 반응해 아마이드 결합을 만들 때마다 물 분자가 빠져나가며, n개의 단량체에서 물 (n−1)개가 제거되어 폴리아마이드가 생긴다.
부가 중합: 이중 결합이 열리며 단량체가 그대로 이어지므로 부산물이 생기지 않는다.
이온 중합: 양이온·음이온 개시제로 비닐 단량체가 사슬 성장하는 부가 중합의 한 형태이다.
배위 중합: 지글러-나타 촉매 등 금속 착물에 단량체가 배위하며 성장하는 방식으로, 물 이탈과 무관하다.

결정성 고분자에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 용융 온도 이상에서 결정성을 보인다는 설명이다.
용융 온도($T_m$) 이상에서는 결정 영역이 녹아 무정형 용융체가 되므로 결정성이 사라진다. 결정은 용융 온도 아래로 냉각될 때 형성된다.
HDPE 는 가지가 적어 사슬이 규칙적으로 쌓이는 대표적 결정성 고분자이다 — 옳은 설명이다.
결정 영역과 무정형 영역의 굴절률 차로 빛이 산란되어 결정화도가 높을수록 불투명해진다 — 옳은 설명이다.
결정화도는 밀도·강도·강성·내열성 등 물성에 영향을 준다 — 옳은 설명이다.

전자 재료로 많이 쓰이는 희토류는 란타넘족이다.
희토류는 란타넘족 15원소에 스칸듐·이트륨을 더한 17원소를 말하며, 영구자석·형광체·디스플레이 등 전자 재료에 쓰인다.
할로젠족은 17족 비금속 원소로 희토류에 속하지 않는다.
알칼리 토금속은 2족 원소로 희토류에 속하지 않는다.
알칼리 금속은 1족 원소로 희토류에 속하지 않는다.

연결이 옳지 않은 것은 알칼리 연료 전지(AFC)와 탄산수소칼륨의 연결이다.
AFC 의 전해질은 수산화칼륨(KOH) 수용액이다. 탄산염이 생기면 전해질이 열화되므로 AFC 는 오히려 $\mathrm{CO_2}$ 혼입을 피해야 한다.
인산형 연료 전지(PAFC)는 진한 인산을 전해질로 쓴다 — 옳은 연결이다.
고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)를 산소 이온 전도체로 쓴다 — 옳은 연결이다.
용융 탄산염 연료 전지(MCFC)는 리튬·칼륨 탄산염 혼합 용융염을 쓴다 — 옳은 연결이다.

세탄가 0의 기준 물질은 α-메틸나프탈렌(1-메틸나프탈렌)이다.
세탄가는 디젤 연료의 착화성을 나타내며, 착화성이 좋은 노말 세테인을 100, 착화가 잘 되지 않는 방향족인 α-메틸나프탈렌을 0으로 정한다.
n-헵테인: 가솔린 옥테인가의 0 기준 물질이다.
2-메틸헵테인: 곁가지가 있는 알케인으로 세탄가 기준 물질이 아니다.
메틸사이클로헥세인: 나프텐계 탄화수소로 기준 물질에 해당하지 않는다.

ZSM-5 에 포함되지 않는 원소는 황(S)이다.
ZSM-5 는 규소·알루미늄 산화물 사면체($\mathrm{SiO_4}$, $\mathrm{AlO_4}$)가 산소를 공유하며 연결된 고실리카 알루미노실리케이트 제올라이트이다.
산소는 사면체를 서로 잇는 골격 원소이다.
알루미늄은 골격에 음전하를 만들어 산점(이온 교환 자리)을 제공한다.
규소는 골격의 주성분으로 ZSM-5 는 Si/Al 비가 높다.