[해양경찰 무기공업화학] 25년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

친수성기는 황산기·히드록시기·암모늄기로 모두 3개이다.
친수성기는 이온성이나 극성을 띠어 물과 잘 어울리고, 친유성기는 비극성 탄화수소 부분이라 기름과 잘 어울린다.
황산기: 음이온성을 띠는 친수성기이다.
히드록시기: 물과 수소결합을 이루는 극성 친수성기이다.
암모늄기: 양이온성을 띠는 친수성기이다.
페닐기: 비극성 방향족 고리로 친유성기이다.
알킬기: 비극성 탄화수소 사슬로 친유성기이다.

물과의 반응에서 $\mathrm{CaCN_2}$ 1 mol당 암모니아 2 mol이 생기므로 발생 기체는 448 L이다.
반응식: $\mathrm{CaCN_2 + 3H_2O \rightarrow CaCO_3 + 2NH_3}$
순수한 양: $1000\ \mathrm{g} \times 0.8 = 800\ \mathrm{g}$
몰수: $\dfrac{800\ \mathrm{g}}{80\ \mathrm{g/mol}} = 10\ \mathrm{mol}$
암모니아 몰수: $10\ \mathrm{mol} \times 2 = 20\ \mathrm{mol}$
표준상태 부피: $20\ \mathrm{mol} \times 22.4\ \mathrm{L/mol} = 448\ \mathrm{L}$

묽은 황산이 수소를 내며 반응하는 금속은 수소보다 이온화 경향이 큰 금속이므로, 작은 금속이라고 한 설명이 틀렸다.
이온화 경향이 수소보다 큰 금속만 수소 이온을 환원시킨다. 예를 들어 $\mathrm{Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2}$ 이고, 구리처럼 작은 금속은 묽은 황산에서 수소를 내지 않는다.
건조제·탈수제 용도: 진한 황산은 흡습성이 커서 옳은 설명이다.
고농도 황산의 백분율 표시: 고농도 영역은 비중 변화가 작아 비중으로 농도를 구분하기 어려우므로 옳은 설명이다.
산성비의 원인: 대기 중 황산화물이 수분과 만나 황산을 만들므로 옳은 설명이다.

수소 10 mol이 반응하므로 발생 열량은 약 441 kcal이다.
표준상태에서 기체 1 mol은 22.4 L이므로 수소의 몰수는 다음과 같다.
$\dfrac{224\ \mathrm{L}}{22.4\ \mathrm{L/mol}} = 10\ \mathrm{mol}$
주어진 반응식은 수소 1 mol당 44.12 kcal의 열을 낸다.
$10\ \mathrm{mol} \times 44.12\ \mathrm{kcal/mol} = 441.2\ \mathrm{kcal}$

어닐링은 박막을 만드는 공정이 아니라 웨이퍼나 막을 가열해 성질을 개선하는 열처리 공정이다.
어닐링은 결정 결함을 회복시키고 주입된 불순물을 활성화하는 데 쓰이며, 나머지는 모두 기판 위에 물질을 쌓아 막을 만든다.
스퍼터링: 타깃에 이온을 충돌시켜 튀어나온 원자를 기판에 쌓는다.
화학기상증착: 기체 원료의 화학반응으로 기판 위에 막을 형성한다.
진공기화법: 진공에서 재료를 증발시켜 기판에 응축시킨다.

다이아몬드는 탄소 원자가 네 개의 탄소와 결합한 sp$^3$ 혼성 구조라 sp$^2$ 혼성으로 구성되지 않는다.
sp$^2$ 혼성 탄소는 세 개의 탄소와 결합해 판상 또는 곡면의 망 구조를 이룬다.
흑연: sp$^2$ 탄소의 육각 평면이 층을 이루어 쌓인 구조이다.
탄소나노튜브: 흑연 한 층이 원통으로 말린 sp$^2$ 구조이다.
풀러렌: 오각형과 육각형이 공 모양을 이룬 sp$^2$ 구조이다.

암모니아 산화는 기체 몰수가 늘어나는 반응이므로 압력을 가하면 산화율은 감소한다.
반응 전 기체는 9 mol, 반응 후 기체는 10 mol이다. 르샤틀리에 원리에 따라 가압은 몰수가 줄어드는 역방향에 유리하다.
오스트발트법: 암모니아 산화로 질산을 만드는 공업적 제법의 이름이 맞다.
백금-로듐 촉매: 이 공정의 대표 촉매로 옳은 설명이다.
산소/암모니아 농도비 2.2~2.3: 이론비보다 산소가 과잉일 때 산화율이 높아지므로 옳은 설명이다.

솔베이법의 원료는 석회석과 염화나트륨(NaCl)이고, 암모니아 회수에는 수산화칼슘($\mathrm{Ca(OH)_2}$)을 쓴다.
염수에 암모니아와 이산화탄소를 넣으면 탄산수소나트륨이 침전한다.
$\mathrm{NaCl + NH_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow NaHCO_3 + NH_4Cl}$
석회석을 소성해 얻은 생석회로 만든 수산화칼슘이 암모니아를 회수한다.
$\mathrm{2NH_4Cl + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCl_2 + 2NH_3 + 2H_2O}$
NaOH와 $\mathrm{Ca(OH)_2}$ 조합: 원료는 NaOH가 아니라 소금이다.
NaCl과 $\mathrm{NaHCO_3}$ 조합: 탄산수소나트륨은 회수제가 아니라 공정의 중간 생성물이다.
NaOH와 $\mathrm{NaHCO_3}$ 조합: 원료와 회수제가 모두 틀렸다.

질소 함유량은 황산암모늄이 가장 낮고 요소가 가장 높다.
질소 함유량은 질소의 질량을 화학식량으로 나눠 구한다.
황산암모늄: $\dfrac{28}{132} \times 100 \approx 21.2\ \%$
염화암모늄: $\dfrac{14}{53} \times 100 \approx 26.4\ \%$
질산암모늄: $\dfrac{28}{80} \times 100 = 35\ \%$
요소: $\dfrac{28}{60} \times 100 \approx 46.7\ \%$
염화암모늄과 요소의 짝: 염화암모늄은 황산암모늄보다 함유량이 높아 최저가 아니다.
질산암모늄과 요소의 짝: 질산암모늄은 네 비료 중 두 번째로 높아 최저가 아니다.
요소와 질산암모늄의 짝: 요소가 최고이므로 최저와 최고가 뒤바뀐 짝이다.

솔젤(sol-gel)은 폐수처리가 아니라 세라믹·유리 등 무기재료를 합성하는 재료 제조법이다.
솔젤법은 용액 상태의 전구체를 졸에서 겔로 바꾼 뒤 건조·열처리해 재료를 얻는다. 나머지는 물속 오염물을 제거하는 공정이다.
중화: 산성이나 알칼리성 폐수의 pH를 조절한다.
응집침전: 응집제로 미세 입자를 뭉쳐 가라앉혀 제거한다.
이온교환: 수지로 물속 유해 이온을 다른 이온과 바꾸어 제거한다.

도가니의 용융 실리콘에 종자결정을 담가 서서히 끌어올리는 방법은 초크랄스키(Czochralski)법이다.
핵심은 도가니 용융과 종자결정 인상이며, 이 조합이 초크랄스키법의 특징이다.
플롯존법: 도가니 없이 막대의 좁은 용융대를 이동시켜 단결정을 만든다.
냉각도가니법: 도가니 벽을 냉각해 용융물과의 접촉 오염을 줄이는 용융 기술로, 종자결정 인상을 가리키는 이름이 아니다.
화학기상증착법: 기체 원료로 기판 위에 막을 쌓는 방법이다.

옳은 설명은 자동차 배터리 이용과 방전 시 황산 농도 감소이다.
방전 때 납은 산화수가 0에서 +2로 산화되고, 이산화납은 +4에서 +2로 환원되어 두 전극 모두 황산납이 된다. 이 과정에서 황산이 소비되고 물이 생긴다.
2차전지이며 충전할 수 없다는 설명: 2차전지는 충전해 재사용할 수 있으므로 틀렸다.
방전될수록 두 전극의 질량이 감소한다는 설명: 두 전극에 황산납이 쌓여 질량은 증가하므로 틀렸다.

건식법 인산 제조의 원료는 인광석, 규석, 코크스이므로 석회석이라고 한 설명이 틀렸다.
건식법은 전기로에서 인광석을 규석과 함께 코크스로 환원해 황인을 얻고, 이를 산화·흡수해 인산을 만든다.
습식법의 산 분해: 인광석을 무기산으로 분해하는 방법이라는 설명은 옳다.
건식법의 고농도·고순도 인산과 슬래그 활용: 규산칼슘 슬래그가 시멘트 원료가 되므로 옳은 설명이다.
습식법의 구분: 부생 석고의 형태에 따라 이수염법, 반수염법, 무수염법으로 나누므로 옳은 설명이다.

Leblanc법은 소금을 얻는 제염법이 아니라 소금을 원료로 탄산나트륨을 만드는 소다 제조법이다.
제염법은 바닷물에서 소금을 얻는 방법이고, 르블랑법은 소금을 황산으로 처리해 얻은 황산나트륨을 거쳐 소다를 만든다.
천일제염법: 바닷물을 염전에서 햇빛과 바람으로 증발시킨다.
이온교환막 제염법: 이온교환막과 전기투석으로 바닷물을 농축한다.
증기가압식 기계제염법: 증발 증기를 압축해 열원으로 재사용하며 염수를 증발시킨다.

태양광전지는 빛을 전기에너지로 직접 변환할 뿐, 화학에너지를 거치거나 에너지를 저장하지 않는다.
반도체의 광기전력 효과로 생긴 전자와 정공이 전류를 만든다. 화학에너지 형태로 저장하는 것은 이차전지의 역할이다.
풍력발전: 바람의 운동에너지로 터빈을 돌려 발전기의 전자기 유도로 전기를 얻는다.
조력발전: 밀물과 썰물의 운동에너지로 터빈을 돌려 같은 원리로 전기를 얻는다.
리튬이차전지: 충전과 방전에서 화학에너지와 전기에너지가 가역적으로 변환된다.

전해질은 이온전도도가 높아야 하며, 전자전도도가 높으면 안 되므로 이 설명이 틀렸다.
전해질은 리튬 이온을 전달하고 전자는 외부 회로로 흐르게 해야 한다. 전자가 전해질로 흐르면 내부 단락과 자가방전이 일어난다.
수시 충전: 메모리 효과가 없어 수시로 충전해도 그로 인한 용량 손실이 없고 수명에도 유리하다.
방전 시 양극활물질: 리튬 이온과 전자를 받아들이므로 환원된다.
충·방전의 원리: 화학에너지와 전기에너지의 변환이 가역적이어서 가능하다.

올바른 순서는 산화 → 감광제 도포 → 노광 → 식각이다.
먼저 산화막을 만들고, 감광제를 입힌 뒤 빛으로 패턴을 옮겨, 드러난 부분을 제거한다. 패턴이 먼저 만들어져야 식각할 수 있다.
산화 → 식각 → 감광제 도포 → 노광: 패턴이 없는 상태에서 식각이 먼저 와서 틀렸다.
감광제 도포 → 식각 → 산화 → 노광: 노광 전에 식각하고 산화막보다 감광제가 먼저라 틀렸다.
감광제 도포 → 산화 → 노광 → 식각: 산화막을 가공하려면 산화막 위에 감광제를 입혀야 하므로 틀렸다.

산성 토양에는 염기성 비료인 석회질소(칼슘시안아마이드)가 가장 적합하다.
석회질소는 토양 수분과 반응하면서 칼슘의 수산화물을 내어 토양의 산성을 중화한다.
황안: 강산과 약염기의 염으로 산성 비료여서 토양을 더 산성화한다.
요소: 화학적으로 중성인 질소 비료이다.
염화칼륨: 화학적으로 중성인 칼리 비료로 염기성 비료가 아니다.

촉매는 활성화에너지를 낮춰 정반응과 역반응의 속도를 모두 증가시킨다.
촉매는 반응 경로만 바꿀 뿐 반응물과 생성물의 에너지 상태는 바꾸지 않으므로, 평형에 더 빨리 도달하게 할 뿐이다.
평형상수 변화: 촉매는 평형상수를 바꾸지 못한다.
반응속도상수 불변: 활성화에너지가 달라지면 아레니우스 식에 따라 속도상수도 달라진다.
엔탈피·엔트로피 감소: 둘은 상태함수이므로 경로가 달라져도 변화량이 그대로이다.

탄산나트륨은 비료 제조 원료로 쓰이지 않는다.
비료의 주성분은 질소·인·칼륨인데, 탄산나트륨은 이 성분을 공급하지 못한다.
비누 제조 원료: 지방산을 중화해 나트륨 비누를 만드는 알칼리 원료로 쓰인다.
유리 제조 원료: 규사의 용융 온도를 낮추는 나트륨 공급원으로 쓰인다.
글루타민산소다 제조 원료: 글루탐산을 중화해 나트륨염으로 만드는 데 쓰인다.