화공기사(구) 필기 기출문제복원 (2017-05-07)

화공기사(구) 2017-05-07 필기 기출문제 해설

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화공기사(구)
(2017-05-07 기출문제)

목록

1과목: 화공열역학

1. 화학 평형상태에서 CO, CO2, H2, H2O 및 CH4로 구성되는 기상계에서 자유도는?

  1. 3
  2. 4
  3. 5
  4. 6
(정답률: 44%)
  • 깁스의 자유도 공식 $F = C - P + 2$를 적용합니다.
    1. 성분 수($C$): $\text{CO, CO}_2, \text{H}_2, \text{H}_2\text{O, CH}_4$ 총 5가지 성분이나, 화학 반응이 존재하므로 독립 성분 수는 $5 - 2 = 3$ (또는 반응식 수 $r=2$를 고려하여 $C-r = 5-2=3$)입니다.
    2. 상 수($P$): 기상계이므로 $P = 1$입니다.
    3. 계산:
    $$F = (5 - 2) - 1 + 2 = 4$$
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2. 다음 중 이상기체에 대한 특성식과 관련이 없는 것은? (단, Z: 압축인자, CP:정압비열, Cv: 정적비열, U: 내부에너지, R: 기체상수, P: 압력, V: 부피, T: 절대온도, n: 몰 수)

  1. Z = 1
  2. CP+Cv = R
  4. PV = nRT
(정답률: 81%)
  • 이상기체의 특성을 묻는 문제입니다. 이상기체는 압축인자 $Z=1$이며, 상태방정식 $PV=nRT$를 만족하고, 내부에너지는 온도만의 함수($U=f(T)$ )입니다.

    오답 노트
    $C_{P}+C_{V}=R$ : 마이어의 관계식은 $C_{P}-C_{V}=R$이 옳습니다.
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3. 다음 열역학 관계식 중 옳지 않은 것은?

(정답률: 76%)
  • 깁스 자유 에너지의 미분형 $dG = -SdT + VdP$로부터 유도되는 맥스웰 관계식을 적용합니다. 온도 일정 조건에서 부피의 압력 변화율은 엔트로피의 온도 변화율과 부호가 반대여야 합니다.
    따라서 $(\frac{\partial V}{\partial T})_{P} = -(\frac{\partial S}{\partial P})_{T}$가 옳은 식이며, 는 마이너스 부호가 누락되어 옳지 않습니다.

    오답 노트
    $(\frac{\partial S}{\partial V})_{T} = (\frac{\partial P}{\partial T})_{V}$: 맥스웰 관계식으로 옳음
    $(\frac{\partial S}{\partial P})_{T} = -(\frac{\partial V}{\partial T})_{P}$: 맥스웰 관계식으로 옳음
    $(\frac{\partial V}{\partial T})_{P} = -(\frac{\partial S}{\partial P})_{T}$: 맥스웰 관계식으로 옳음
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4. 주울-톰슨(Joule-Thomson)팽창과 엔트로피와의 관계를 옳게 설명한 것은?

  1. 엔트로피와 관련이 없다.
  2. 엔트로피가 일정해진다.
  3. 엔트로피가 감소한다.
  4. 엔트로피가 증가한다.
(정답률: 58%)
  • 주울-톰슨 팽창은 단열 팽창 과정으로, 실제 기체가 팽창하면서 비가역적인 과정이 수반되므로 전체 엔트로피는 증가하게 됩니다.
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5. “액체혼합물 중의 한 성분이 나타내는 증기압은 그 온도에 있어서 그 성분이 단독으로 조재할 때의 증기압에 그 성분의 몰분율을 곱한 값과 같다.” 이것은 누구의 법칙인가?

  1. 라울(Raoult)의 법칙
  2. 헨리(Henry)의 법칙
  3. 픽(Fick)의 법칙
  4. 푸리에(Fourier)의 법칙
(정답률: 83%)
  • 액체 혼합물에서 각 성분의 부분 증기압은 순수한 상태의 증기압에 해당 성분의 몰분율을 곱한 것과 같다는 원리를 라울(Raoult)의 법칙이라고 합니다.
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6. 27℃, 800atm 하에서 산소 1 mol 부피는 몇 L인가? (단, 이 때 압축계수는 1.5 이다.)

  1. 0.46L
  2. 0.72L
  3. 0.046L
  4. 0.072L
(정답률: 83%)
  • 실제 기체의 부피를 구할 때는 이상기체 상태방정식에 압축계수 $Z$를 곱하여 보정합니다.
    ① [기본 공식]
    $$V = \frac{Z n R T}{P}$$
    ② [숫자 대입]
    $$V = \frac{1.5 \times 1 \times 0.082 \times (27 + 273)}{800}$$
    ③ [최종 결과]
    $$V = 0.046$$
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7. 어느 물질의 등압 부피팽창계수와 등온부피압축계수를 나타내는 β와 k가 각각 β=a/V 와 k=b/V로 표시될 때 이 물질에 대한 상태방정식으로 적합한 것은?

  1. V = aT +bP + 상수
  2. V = aT - bP + 상수
  3. V = -aT + bP + 상수
  4. V = -aT - bP + 상수
(정답률: 80%)
  • 부피팽창계수 $\beta$와 부피압축계수 $\kappa$의 정의를 이용하여 부피 $V$에 대한 미분방정식을 세우고 적분하여 상태방정식을 도출합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\beta = \frac{1}{V} ( \frac{\partial V}{\partial T} )_{P}, \kappa = -\frac{1}{V} ( \frac{\partial V}{\partial P} )_{T}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\frac{a}{V} = \frac{1}{V} ( \frac{\partial V}{\partial T} )_{P} \rightarrow \frac{\partial V}{\partial T} = a$$
    $$ \frac{b}{V} = -\frac{1}{V} ( \frac{\partial V}{\partial P} )_{T} \rightarrow \frac{\partial V}{\partial P} = -b$$
    ③ [최종 결과]
    $$V = aT - bP + \text{constant}$$
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8. 다음 그림은 1기압하에서의 A, B 2성분계 용액에 대한 비점선도(Boiling point diagram)이다. XA=0.40 인 용액을 1기압 하에서 서서히 가열할 때 일어나는 현상을 설명한 내용으로 틀린 것은? (단, 처음 온도는 40℃이고, 마지막 온도는 70℃이다.)

  1. 용액은 50℃에서 끓기 시작하여 60℃가 되는 순간 완전히 기화한다.
  2. 용액이 끓기 시작하자마자 생긱 최초의 증기조성은 YA=0.70 이다.
  3. 용액이 계속 증발함에 따라 남아있는 용액의 조성은 곡선 DE를 따라 변한다.
  4. 마지막 남은 한방울의 조성은 XA=0.15 이다.
(정답률: 75%)
  • 비점선도에서 용액을 가열하면 액상선(Bubble point line)과 기상선(Dew point line) 사이에서 기화가 일어납니다. $X_A=0.40$인 용액을 가열하면 온도 $50^{\circ}C$에서 끓기 시작하며, 액체 조성은 기화가 진행됨에 따라 액상선을 따라 $X_A$가 감소하는 방향으로 변합니다.

    오답 노트
    용액의 조성은 곡선 DE(기상선)가 아니라 곡선 CB(액상선)를 따라 변해야 합니다.
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9. 다음 중 역행응축(retrograde condensation)현상을 가장 유용하게 쓸 수 있는 경우는?

  1. 기체를 임계점에서 응축시켜 순수성분을 분리시킨다.
  2. 천연가스 채굴 시 동력 없이 액화천연가스를 얻는다.
  3. 고체 혼합물을 기체화시킨 후 다시 응축시켜 비휘발성 물질만을 얻는다.
  4. 냉동의 효율을 높이고 냉동제의 증발잠열을 최대로 이용한다.
(정답률: 82%)
  • 역행응축은 압력이 낮아질 때 오히려 응축이 일어나는 특이 현상으로, 천연가스 등의 혼합물에서 별도의 외부 동력(냉각 장치 등) 없이도 특정 조건에서 액화 성분을 얻을 수 있어 채굴 과정에 유용하게 활용됩니다.
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10. 어떤 기체가 주울-톰슨 전환점(Joule-Thomson inversion point)이 될 수 있는 조건은? (단, 이다.)

(정답률: 66%)
  • 주울-톰슨 전환점은 등엔탈피 팽창 시 온도 변화가 없는 지점으로, 주울-톰슨 계수가 0이 되는 조건입니다. 주어진 식 $dH = C_p dT + [V - T(\frac{\partial V}{\partial T})_P] dP$에서 등엔탈피($dH=0$)이고 온도 변화가 없으려면($dT=0$), $[V - T(\frac{\partial V}{\partial T})_P] = 0$이어야 합니다.
    따라서 조건은 $T(\frac{\partial V}{\partial T})_P = V$가 됩니다.
    정답:
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11. 다음 중 루이스-랜덜 규칙(Lewis-Randallrule)의 옳은 표현은? (단, 실제 용액에 적용할 수 있는식, : 용액중 I성분의 퓨개시티(Fugacity), fi: 순수성분 I의 퓨개시티, : 표준상태에서 순수성분i의 퓨개시티, xi: 성분 I의 액상 몰분률이다.)

(정답률: 57%)
  • 루이스-랜덜 규칙(Lewis-Randall rule)은 실제 용액에서 성분 $i$의 퓨개시티 $\hat{f}_i$가 순수 성분의 퓨개시티 $f_i$와 몰분율 $x_i$의 곱으로 표현된다는 규칙입니다. 따라서 $\lim_{x_i \to 1} \frac{\hat{f}_i}{x_i} = f_i$의 형태로 정의됩니다.
    정답:
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12. 1 mol의 이상기체의 처음상태 50℃, 10kPa에서 20℃, 1kPa로 팽창했을 때의 엔트로피(S)의 변화는? (단, 이다.)

  1. -2.6435R
  2. 2.6435R
  3. -1.9616R
  4. 1.9616R
(정답률: 47%)
  • 이상기체의 엔트로피 변화량은 온도 변화와 압력 변화의 합으로 계산하며, 정압비열 $C_P$ 값을 활용합니다.
    ① [기본 공식] $\Delta S = C_P \ln \frac{T_2}{T_1} - R \ln \frac{P_2}{P_1}$
    ② [숫자 대입] $\Delta S = \frac{7}{2}R \ln \frac{293.15}{323.15} - R \ln \frac{1}{10}$
    ③ [최종 결과] $\Delta S = 1.9616R$
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13. 물과 수증기와 얼음이 공존하는 삼중점에서 자유도의 수는?

  1. 0
  2. 1
  3. 2
  4. 3
(정답률: 84%)
  • 깁스의 자유도 법칙 $F = C - P + 2$를 적용합니다. 물이라는 단일 성분($C=1$)이 물, 수증기, 얼음의 세 가지 상($P=3$)으로 공존하는 삼중점에서는 $F = 1 - 3 + 2 = 0$이 되어 자유도가 0이 됩니다.
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14. 질량 1500kg의 승용차가 40km/h의 속도로 달린다. 이 승용차의 운동에너지는 몇 Nㆍm인가?

  1. 1.20×106
  2. 9.26×105
  3. 1.20×105
  4. 9.26×104
(정답률: 63%)
  • 물체의 운동에너지는 질량과 속도의 제곱에 비례하며, 속도 단위를 $\text{km/h}$에서 $\text{m/s}$로 변환하여 계산해야 합니다.
    ① [기본 공식] $E_k = \frac{1}{2}mv^2$
    ② [숫자 대입] $E_k = \frac{1}{2} \times 1500 \times (\frac{40000}{3600})^2$
    ③ [최종 결과] $E_k = 9.26 \times 10^4$
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15. 평형(equilibrium)에 대한 정의가 아닌 것은? (단, G는 깁스(Gibbs)에너지, mix는 혼합에 의한 변화를 의미한다.)

  1. 계(system)내의 거시적 성질들이 시간에 따라 변하지 않는 경우
  2. 정반응의 속도와 역반응의 속도가 동일할 경우
  3. △GT,P=0
  4. △Vmix=0
(정답률: 78%)
  • 평형 상태는 거시적 성질이 시간에 따라 변하지 않고, 정반응과 역반응 속도가 같으며, 일정 온도와 압력에서 깁스 자유 에너지 변화 $\Delta G_{T,P} = 0$인 상태를 말합니다. 반면 $\Delta V_{mix} = 0$은 이상 용액의 특성일 뿐, 모든 평형 상태의 정의는 아닙니다.
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16. 벤젠(1)-톨루엔(2)의 기-액 평형에서 라울의 법칙이 만족된다면 90℃, 1atm에서 기체의 조성 y1은 얼마인가? (단, psat1=1.5atm, Psat2=0.5atm이다.)

  1. 1/3
  2. 1/4
  3. 1/2
  4. 3/4
(정답률: 65%)
  • 라울의 법칙이 적용되는 기-액 평형에서 기체 조성 $y_1$은 각 성분의 포화증기압과 액상 조성의 곱의 합으로 결정됩니다. 단, 액상 조성 $x_1$이 주어지지 않았으나 일반적인 평형 상태의 전압 $P = x_1 p^{sat}_1 + (1-x_1) p^{sat}_2$ 관계를 통해 $y_1 = \frac{x_1 p^{sat}_1}{P}$를 계산합니다. 문제의 조건에서 $P=1\text{atm}$일 때 $x_1$을 구하면 $1 = 1.5x_1 + 0.5(1-x_1)$에서 $x_1 = 0.5$가 되며, 이를 대입하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $y_1 = \frac{x_1 p^{sat}_1}{P}$
    ② [숫자 대입] $y_1 = \frac{0.5 \times 1.5}{1}$
    ③ [최종 결과] $y_1 = 0.75$
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17. 압축인자 Z=1+BP/RT일 때 퓨개시티계수 ø는?

  1. ø = BP/RT
  2. ln ø = BP/RT
  3. ø = B
  4. ln ø = B
(정답률: 72%)
  • 압축인자 $Z$와 퓨개시티계수 $\phi$의 관계식 $\ln \phi = \int_{0}^{P} \frac{Z-1}{P} dP$를 이용합니다. 주어진 $Z = 1 + \frac{BP}{RT}$를 대입하면 $Z-1 = \frac{BP}{RT}$가 되며, 이를 적분하면 $\ln \phi = \frac{BP}{RT}$가 도출됩니다.
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18. 열역학 기초에 관한 내용으로 옳은 것은?

  1. 이상기체의 엔탈피는 온도만의 함수이다.
  2. 이상기체의 엔트로피는 온도만의 함수이다.
  3. 일은 항상 ∫PdV의 적분으로 구한다.
  4. 열역학 제1법칙은 계의 총에너지가 그 계의 내부에서 항상 보존된다는 것을 뜻한다.
(정답률: 74%)
  • 이상기체의 엔탈피는 내부 에너지와 마찬가지로 온도에 의해서만 결정되는 상태 함수입니다.

    오답 노트
    이상기체의 엔트로피: 온도뿐만 아니라 압력(또는 부피)의 영향도 받습니다.
    일의 정의: $\int PdV$는 가역 팽창 일이며, 비가역 과정이나 다른 형태의 일은 다르게 계산됩니다.
    열역학 제1법칙: 에너지는 보존되지만, 계와 외계 사이의 에너지 교환(열과 일)을 포함하는 에너지 보존 법칙입니다.
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19. 성분 A와 B가 섞여있는 2성분혼합물이 서로 화학반응이 일어나지 않으며, 기-액 평형에서 라울의 법칙에 잘 따른다고 한다. 온도 T와 압력 P에서 A와 B의증기압이 각각 P0A, P0B라 할 때, 액체와 평형상태에 있는 기체혼합물 중 성분 A의 조성 yA

(정답률: 62%)
  • 라울의 법칙에 따라 각 성분의 부분압은 $P_{A} = x_{A}P_{A}^{0}$, $P_{B} = x_{B}P_{B}^{0}$이며, 전체 압력은 $P = P_{A} + P_{B}$입니다. 기상 조성 $y_{A}$는 전체 압력에 대한 성분 A의 부분압 비율인 $y_{A} = \frac{P_{A}}{P}$로 정의됩니다.
    이를 액상 조성 $x_{A}$와 증기압의 관계로 정리하면 다음과 같습니다.
    $$y_{A} = (\frac{P_{A}^{0}}{P})(\frac{P - P_{B}^{0}}{P_{A}^{0} - P_{B}^{0}})$$
    따라서 정답은 입니다.
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20. 기상 반응계에서 평형상수 K가 다음과 같이 표시되는 경우는? (단, vi는 성분 I 의 양론계수이고 이다.)

  1. 평형혼합물이 이상기체이다.
  2. 평형혼합물이 이상용액이다.
  3. 반응에 따른 몰수 변화가 없다.
  4. 반응열이 온도에 관계없이 일정하다.
(정답률: 81%)
  • 제시된 평형상수 식 $K = (\frac{P}{P^{0}})^{V} \prod_{i} y_{i}^{v_{i}}$ (단, $V = \sum_{i} v_{i}$)는 기상 반응에서 성분들이 이상기체로 거동할 때, 압력과 몰분율의 관계로 표현되는 전형적인 형태입니다.
    따라서 평형혼합물이 이상기체일 때 이 식이 성립합니다.
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2과목: 단위조작 및 화학공업양론

21. 어떤 장치의 압력계가 게이지압 26.7mmHg의 진공을 나타내었고 이 때의 대기압은 745mmHg였다. 이 장치의 절대압은 몇 mmHg인가?

  1. 26.7
  2. 718.3
  3. 771.7
  4. 733.3
(정답률: 62%)
  • 절대압은 대기압에 게이지압을 더한 값입니다. 다만, 진공압(Vacuum)으로 표시된 경우 대기압에서 해당 값을 빼주어야 합니다.
    ① [기본 공식] $P_{abs} = P_{atm} - P_{vac}$
    ② [숫자 대입] $P_{abs} = 745 - 26.7$
    ③ [최종 결과] $P_{abs} = 718.3$
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22. 액체염소 40kg이 표준상태에서 증발했을 때 약 몇 m3의 CI2가스가 생성되는가? (단, CI2의 분자량은 70.9이다.)

  1. 10.6
  2. 12.6
  3. 10600
  4. 12600
(정답률: 72%)
  • 표준상태($0^{\circ}\text{C}, 1\text{atm}$)에서 기체 $1\text{mol}$의 부피는 $22.4\text{L}$입니다. 질량을 몰수로 변환한 뒤 부피를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $V = \frac{\text{질량}}{\text{분자량}} \times 22.4$
    ② [숫자 대입] $V = \frac{40000}{70.9} \times 22.4$
    ③ [최종 결과] $V = 12.6$
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23. 전압 750mmhg, 수증기분압 40mmHg일 때 절대습도는 몇 kg H2O/kg dry air인가?

  1. 35
  2. 3.5
  3. 0.35
  4. 0.035
(정답률: 71%)
  • 절대습도는 건조공기 $1\text{kg}$당 포함된 수증기의 질량으로, 수증기 분압과 전압의 비에 분자량비를 곱하여 구합니다.
    ① [기본 공식] $H = 0.622 \times \frac{P_w}{P - P_w}$
    ② [숫자 대입] $H = 0.622 \times \frac{40}{750 - 40}$
    ③ [최종 결과] $H = 0.035$
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24. 162g의 C, 22g의 H2 의 혼합연료를 연소하여 CO2 11.1vol%, CO 2.4vol%, O2 4.1vol%, N2 82.4vol% 조성의 연소가스를 얻었다. 과잉공기%는 약 얼마인가?

  1. 17.3
  2. 20.3
  3. 15.3
  4. 25.3
(정답률: 31%)
  • 과잉공기량은 실제 공급된 공기량에서 이론적으로 필요한 공기량을 뺀 후, 이론 공기량으로 나누어 계산합니다. 이때 이론 산소량은 연료가 '완전 연소' 되었을 때를 기준으로 산출해야 합니다.
    ① [기본 공식] $\text{Excess Air} \% = \frac{\text{Actual Air} - \text{Theoretical Air}}{\text{Theoretical Air}} \times 100$
    ② [숫자 대입] $\text{Excess Air} \% = \frac{21.9 - 17.8}{17.8} \times 100$
    ③ [최종 결과] $\text{Excess Air} \% = 15.3$
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25. 200g의 CaCl2가 다음의 반응식과 같이 공기중의 수증기를 흡수할 경우에 발생하는 열은 약 몇 kcal인가? (단, CaCl2의 분자량은 111이다.)

  1. 164
  2. 154
  3. 60
  4. 41
(정답률: 60%)
  • 염화칼슘이 수증기를 흡수하여 수화물을 형성할 때, 수증기의 응축열과 수화열이 동시에 발생합니다. 주어진 반응식 $$\text{CaCl}_2(s) + 6\text{H}_2\text{O}(L) \rightarrow \text{CaCl}_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}(s) + 22.63\text{kcal}$$ 와 $\text{H}_2\text{O}(g) \rightarrow \text{H}_2\text{O}(L) + 10.5\text{kcal}$를 이용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $Q = \frac{\text{질량}}{\text{분자량}} \times (\text{수화열} + 6 \times \text{응축열})$
    ② [숫자 대입] $Q = \frac{200}{111} \times (22.63 + 6 \times 10.5)$
    ③ [최종 결과] $Q = 154$
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26. 25℃, 760mmHg에서 10000m3용기에 공기가 차 있을 때 산소가 차지하는 분용(partialvolume)은 몇 m3인가?

  1. 2100
  2. 2240
  3. 2290
  4. 2450
(정답률: 71%)
  • 공기의 성분 중 산소의 부피 분율은 약 $21\%$입니다. 분용(Partial Volume)은 전체 부피에 해당 성분의 부피 분율을 곱하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $V_{O_2} = V_{total} \times 0.21$
    ② [숫자 대입] $V_{O_2} = 10000 \times 0.21$
    ③ [최종 결과] $V_{O_2} = 2100$
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27. 18℃, 1atm에서 H2O(L)의 생성열은 -68.4kcal/mol이다. 18℃, 1atm에서, 다음 반응의 반응열이 42kcal/mol 이다. 이를 이용하여 18℃, 1atm에서의 CO(g) 생성열을 구하면 몇 kcal/mol인가?

  1. +110.4
  2. +26.4
  3. -26.4
  4. -110.4
(정답률: 66%)
  • 헤스의 법칙을 이용하여 반응열과 생성열의 관계를 계산합니다. 반응열은 (생성물의 생성열 합) - (반응물의 생성열 합)과 같습니다.
    반응식: $\text{C}(s) + \text{H}_{2}\text{O}(L) \rightarrow \text{CO}(g) + \text{H}_{2}(g)$
    ① [기본 공식] $\Delta H_{rxn} = [\Delta H_{f}(\text{CO}) + \Delta H_{f}(\text{H}_{2})] - [\Delta H_{f}(\text{C}) + \Delta H_{f}(\text{H}_{2}\text{O})]$
    ② [숫자 대입] $42 = [\Delta H_{f}(\text{CO}) + 0] - [0 + (-68.4)]$
    ③ [최종 결과] $\Delta H_{f}(\text{CO}) = -26.4$
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28. 질소에 아세톤이 14.8vol% 포함되어 있다. 20℃, 745mmHg에서 이 혼합물의 상대포화도는 약 몇 %인가? (단, 20℃에서 아세톤의 포화증기압은 184.8mmHg이다.)

  1. 73
  2. 60
  3. 53
  4. 40
(정답률: 62%)
  • 혼합 가스 중 특정 성분의 분압을 구한 뒤, 이를 해당 온도에서의 포화증기압으로 나누어 상대포화도를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $S = \frac{P}{P_{sat}} \times 100$
    ② [숫자 대입] $S = \frac{745 \times 0.148}{184.8} \times 100$
    ③ [최종 결과] $S = 59.7$
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29. 펄프를 건조기 속에 넣어 수분을 증발시키는 공정이 있다. 이 때 펄프가 75wt%의 수분을 포함하고, 건조기에서 100kg의 수분을 증발시켜 수분 25wt%펄프가 되었다면 원래의 펄프의 무게는 몇 kg인가?

  1. 125
  2. 150
  3. 175
  4. 200
(정답률: 68%)
  • 물질 수지 식을 세워 증발 전 펄프의 전체 무게를 구합니다. 고형분(건조 성분)의 무게는 증발 전후에 변하지 않는다는 원리를 이용합니다.
    ① [기본 공식] $W_{initial} \times (1 - 0.75) = (W_{initial} - 100) \times (1 - 0.25)$
    ② [숫자 대입] $0.25 W_{initial} = 0.75 (W_{initial} - 100)$
    ③ [최종 결과] $W_{initial} = 150$
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30. 3atm의 압력과 가장 가까운 값을 나타내는 것은?

  1. 309.9 kgf/cm2
  2. 441 psi
  3. 22.8 cmHg
  4. 30.3975 N/cm2
(정답률: 56%)
  • 압력 단위 환산 원리를 이용하여 $3\text{atm}$을 $\text{N/cm}^{2}$ 단위로 변환합니다. $1\text{atm}$은 약 $10.1325\text{N/cm}^{2}$입니다.
    ① [기본 공식] $P = 3 \times 10.1325$
    ② [숫자 대입] $P = 3 \times 10.1325$
    ③ [최종 결과] $P = 30.3975$
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31. U자관 마노미터를 오리피스(Orifice)유량계에 설치했다. 마노미터에는 수은(비중:13.6)이 들어있고 수은 상부는 사염화탄소(비중: 1.6)로 차있다. 마노미터가 21cm를 가리킬 때 물기둥 높이(cm)로 환산하면 약 얼마인가?

  1. 124
  2. 142
  3. 196
  4. 252
(정답률: 57%)
  • 마노미터의 액주차를 물기둥 높이로 환산하기 위해 각 액체의 비중 차이를 이용한 압력 평형 식을 사용합니다.
    ① [기본 공식] $h_{w} = h \times \frac{S_{Hg} - S_{CCl_{4}}}{S_{w}}$
    ② [숫자 대입] $h_{w} = 21 \times \frac{13.6 - 1.6}{1}$
    ③ [최종 결과] $h_{w} = 252$
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32. 두 물체가 열적 평형에 있을 때 전체 복사강도(w1, w2)와 흡수율(a1, a2)의 관계는?

  1. w1×w2×a1×a2=1
  2. a1×w2=a2×w1
  3. a1×w1=a2×w2
  4. w1×w2=a1×a2
(정답률: 66%)
  • 두 물체가 열적 평형 상태에 있다면, 서로 주고받는 복사 에너지의 양이 같아야 합니다. 물체 1이 방출하고 물체 2가 흡수하는 에너지($\alpha_2 w_1$)와 물체 2가 방출하고 물체 1이 흡수하는 에너지($\alpha_1 w_2$)가 동일하므로 $\alpha_1 w_2 = \alpha_2 w_1$ 관계가 성립합니다.
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33. 어떤 증류탑의 환류비가 2이고 환류량이 400kmol/h이다. 이 증류탑 상부에서 나오는 증기의 몰(mol) 잠열이 7800kcal/kmol이며 전축기로 들어가는 냉각수는 20℃에서 156000kg/h이다. 이 냉각수의 출구온도는?

  1. 30℃
  2. 40℃
  3. 50℃
  4. 60℃
(정답률: 31%)
  • 증류탑 상부에서 응축되는 증기의 양을 구한 뒤, 증기가 방출하는 열량이 냉각수가 흡수하는 열량과 같다는 열수지 식을 이용하여 출구 온도를 계산합니다.
    먼저 환류비 $R = L/D = 2$이고 환류량 $L = 400\text{ kmol/h}$이므로, 유출량 $D = 200\text{ kmol/h}$입니다. 따라서 응축되는 총 증기량 $V = L + D = 600\text{ kmol/h}$입니다.
    $$Q = V \times \lambda = m \times C_p \times \Delta T$$
    $$600 \times 7800 = 156000 \times 1 \times (T_{out} - 20)$$
    $$T_{out} = 50$$
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34. 일정한 압력 손실에서 유로의 면적변화로부터 유량을 알 수 있게 한 장치는?

  1. 피톳 튜브(Pitot tube)
  2. 로타 미터(Rota meter)
  3. 오리피스 미터(Orifice meter)
  4. 벤튜리 미터(Venturi meter)
(정답률: 59%)
  • 로타 미터(Rota meter)는 가변 면적 유량계로, 일정한 압력 손실 하에서 유체의 유량에 따라 부표의 높이가 변하며 유로의 면적이 변화하는 원리를 이용하여 유량을 측정하는 장치입니다.
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35. 건조 특성 곡선에서 항율건조 기간에서 감율건조 기간으로 변하는 점을 무엇이라고 하는가?

  1. 자유(free) 함수율
  2. 평형(equilibrium)함수율
  3. 수축(shrink) 함수율
  4. 한계(critical) 함수율
(정답률: 75%)
  • 건조 속도가 일정하게 유지되는 항율건조 기간에서 건조 속도가 감소하는 감율건조 기간으로 전환되는 시점의 함수율을 한계(critical) 함수율이라고 합니다.
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36. 혼합조작에서 혼합 초기, 혼합 도중, 완전이상혼합 시 각 균일도 지수의 값을 옳게 나타낸 것은? (단, 균일도 지수는 σ/σ0이며, σ는 혼합 도중의 표준편차, σ0는 혼합 전의 최초의 표준편차이다.)

  1. 혼합 초기 : 0, 혼합 도중 : 0에서 1 사이의 값, 완전이상혼합 : 1
  2. 혼합 초기 : 1, 혼합 도중 : 0에서 1 사이의 값, 완전이상혼합 : 0
  3. 혼합 초기와 혼합 도중 : 0에서 1 사이의 값, 완전이상혼합 : 1
  4. 혼합 초기 : 1, 혼합 도중 : 0, 완전이상혼합 : 1
(정답률: 54%)
  • 균일도 지수는 혼합 전 표준편차 $\sigma_0$ 대비 현재 표준편차 $\sigma$의 비율로 정의됩니다.
    혼합 초기에는 $\sigma = \sigma_0$이므로 지수가 1이며, 혼합이 진행될수록 $\sigma$가 감소하여 0에서 1 사이의 값을 갖고, 완전이상혼합 시에는 $\sigma = 0$이 되어 지수가 0이 됩니다.
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37. 추출조작시 추제(solvent)의 선택도에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 선택도는 추질과 원용매의 분배계수로부터 구한다.
  2. 선택도가 1.0인 경우 분리효과를 최대로 얻을 수 있다.
  3. 선택도가 클수록 분리효과가 작아진다.
  4. 선택도가 클수록 보다 적은 양의 추제가 사용된다.
(정답률: 67%)
  • 선택도는 추제가 원용매보다 용질을 얼마나 더 잘 용해시키는지를 나타내는 척도로, 선택도가 클수록 분리 효율이 좋아지며 필요한 추제의 양은 줄어듭니다.

    오답 노트
    선택도가 1.0인 경우: 용질과 원용매를 구분 없이 용해하므로 분리가 불가능한 상태입니다.
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38. 직경이 15cm인 파이프에 비중이 0.7인 디젤유가 280ton/h 의 유량으로 이송되고 있다. 1509m의 배관 거리를 통과하는데 걸리는 시간은 약 몇 분인가?

  1. 1
  2. 2
  3. 3
  4. 4
(정답률: 50%)
  • 유체의 평균 속도를 구한 뒤, 전체 거리를 속도로 나누어 통과 시간을 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $v = \frac{Q}{\rho \times A}$
    $t = \frac{L}{v}$
    ② [숫자 대입]
    $v = \frac{280 \times 1000 / 3600}{700 \times \pi \times (0.075)^2} = 6.34 \text{ m/s}$
    $t = \frac{1509}{6.34 \times 60} = 3.97$
    ③ [최종 결과]
    $t = 4$
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39. 증발관의 능력을 크게 하기 위한 방법으로 적합하지 않은 것은?

  1. 액의 속도를 빠르게 해준다.
  2. 증발관을 열전도도가 큰 금속으로 만든다.
  3. 장치내의 압력을 낮춘다.
  4. 증기측 격막계수를 감소시킨다.
(정답률: 51%)
  • 증발관의 능력(전열량)을 높이려면 열전달 계수를 키워야 합니다. 증기측 격막계수를 감소시키는 것은 열전달 저항을 높여 능력을 떨어뜨리는 방법입니다.

    오답 노트
    액의 속도 증가, 열전도도 큰 금속 사용, 압력 저하: 모두 전열 계수를 높이거나 비등점을 낮춰 증발 능력을 향상시키는 방법입니다.
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40. 충전탑에서 기체의 속도가 매우 커서 액이 거의 흐르지 않고, 넘치는 현상을 무엇이라고 하는가?

  1. 편류(Channeling)
  2. 범람(Flooding)
  3. 공동화(Cavitation)
  4. 비밀동반(Entrainment)
(정답률: 76%)
  • 충전탑에서 기체 속도가 너무 빨라 액체의 하강을 방해하고, 액체가 탑 상부로 밀려 올라가 넘치는 현상을 범람(Flooding)이라고 합니다.
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3과목: 공정제어

41. 다음 블록선도에서 전달함수 G(s)=C(s)/R(s)를 옳게 구한 것은?

(정답률: 72%)
  • 블록선도에서 병렬 경로와 피드백 경로가 혼합된 형태의 전달함수를 구하는 문제입니다.
    먼저 $G_2(s)$와 $H(s)$로 구성된 내부 피드백 루프를 정리하고, $G_1(s)$ 경로를 합산합니다.
    전체 전달함수는 다음과 같이 유도됩니다.
    $$\frac{C}{R} = \frac{G_1(s) + G_2(s)}{1 + G_2(s)H(s)}$$
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42. 특성방정식이 10s3+17s2+8s+1+KC=0와 같을 때 시스템의 한계이득(ultimate gain, Kcu)과 한계주기(ultimate period, Tu)를 구하면?

  1. Kcu = 12.6, Tu=7.0248
  2. Kcu = 12.6, Tu=0.8944
  3. Kcu = 13.6, Tu=7.0248
  4. Kcu = 13.6, Tu=0.8944
(정답률: 50%)
  • 라우스-허위츠 판별법을 이용하여 시스템이 임계 안정 상태(지속 진동)가 되는 한계이득 $K_{cu}$와 그때의 주기 $T_u$를 구하는 문제입니다.
    특성방정식 $10s^3+17s^2+8s+1+K_C=0$에서 $s^2$ 행과 $s^1$ 행의 비율을 통해 $K_{cu}$를 산출하고, 보조방정식 $17s^2 + (1+K_{cu}) = 0$에서 진동수 $\omega_u$를 구합니다.
    ① [기본 공식]
    $$K_{cu} = \frac{a_1 a_2}{a_0}, \quad T_u = \frac{2\pi}{\omega_u}$$
    ② [숫자 대입]
    $$K_{cu} = \frac{8 \times 17}{10} - 1 = 12.6, \quad \omega_u = \sqrt{\frac{1+12.6}{17}} = 0.8944$$
    ③ [최종 결과]
    $$K_{cu} = 12.6, \quad T_u = \frac{2\pi}{0.8944} = 7.0248$$
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43. X1에서 X2로의 전달함수와 X2에서 X3로의 전달함수가 각각 다음과 같이 표현될 때 X1에서 X3로의 전달함수는?

(정답률: 78%)
  • 직렬로 연결된 시스템의 전체 전달함수는 각 단계 전달함수의 곱으로 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\frac{X_3}{X_1} = \frac{X_2}{X_1} \times \frac{X_3}{X_2}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\frac{X_3}{X_1} = \frac{2}{2s+1} \times \frac{1}{3s+1}$$
    ③ [최종 결과]
    $$\frac{2}{(2s+1)(3s+1)}$$
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44. 그림과 같은 지연시간 a인 단위 계단함수의 Laplace 변환식은?

  1. 1/s
  2. a/s
(정답률: 78%)
  • 시간 영역에서 $a$만큼 지연된 단위 계단함수 $u(t-a)$의 라플라스 변환은 기본 계단함수의 변환인 $\frac{1}{s}$에 지연 정리 $e^{-as}$를 곱한 형태가 됩니다.
    따라서 정답은 입니다.
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45. 다음 중 안정한 공정을 보여주는 폐루프 특성방정식은?

  1. s4+5s3+s +1
  2. s3+6s2+11s +10
  3. 3s3+5s2+s - 1
  4. s3+16s2+5s +170
(정답률: 69%)
  • 시스템이 안정하기 위해서는 특성방정식의 모든 계수가 동일한 부호를 가져야 하며, 계수가 0이 되어서는 안 됩니다(라우스-허위츠 안정도 판별법).
    $s^3+6s^2+11s+10$은 모든 계수가 양수로 동일하여 안정한 공정을 나타냅니다.

    오답 노트
    $s^4+5s^3+s+1$: $s^2$ 항의 계수가 0이므로 불안정
    $3s^3+5s^2+s-1$: 계수의 부호가 서로 달라 불안정
    $s^3+16s^2+5s+170$: 라우스 배열 계산 시 불안정 영역 발생
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46. 다음 그림에서 피드백 제어계의 총괄 전달함수는?

(정답률: 81%)
  • 피드백 제어계에서 전향 경로 이득이 1이고 피드백 경로 이득이 $H(s)$인 음의 피드백 시스템의 총괄 전달함수를 구하는 문제입니다.
    전달함수 공식은 다음과 같습니다.
    $$\frac{G}{1+GH}$$
    여기서 $G=1$을 대입하면 최종 결과는 다음과 같습니다.
    $$\frac{1}{1+H(s)}$$
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47. 제어계(control system)의 구성요소로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 전송부
  2. 기획부
  3. 검출부
  4. 조절부
(정답률: 67%)
  • 제어계는 목표값을 달성하기 위해 입력 신호를 처리하고 출력물을 조절하는 시스템으로, 일반적으로 검출부(센서), 조절부(제어기), 전송부(액추에이터) 등으로 구성됩니다.
    기획부는 시스템의 물리적 제어 루프에 포함되는 구성요소가 아니므로 가장 거리가 멉니다.
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48. PD 제어기에 다음과 같은 입력신호가 들어올 경우, 제어기 출력 형태는? (단, Kc는 1이고 τD는 1이다.)

(정답률: 66%)
  • PD 제어기의 출력은 입력 신호의 비례 성분과 미분 성분의 합으로 결정됩니다. 주어진 조건에서 $K_c=1, \tau_D=1$이므로 출력은 $u(t) = e(t) + \frac{de(t)}{dt}$가 됩니다.
    1. $0 \le t < 1$ 구간: 입력 $e(t)$가 $0$에서 $1$까지 선형적으로 증가하므로, 비례 성분은 $t$이고 미분 성분(기울기)은 $1$입니다. 따라서 출력은 $t+1$로 증가합니다.
    2. $t = 1$ 시점: 입력이 상수 $1$로 변하는 순간, 미분 성분은 급격히 $1$에서 $0$으로 떨어집니다.
    3. $t > 1$ 구간: 입력 $e(t)=1$ (상수)이므로 미분 성분은 $0$이며, 출력은 비례 성분인 $1$로 유지됩니다.
    이 과정을 그래프로 나타낸 가 정답입니다.
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49. 전달함수가 와 같은 2차계의 단위계단(unit step)응답은?

(정답률: 62%)
  • 단위계단응답은 전달함수 $G(s)$에 입력 $\frac{1}{s}$을 곱한 후 역라플라스 변환을 통해 구합니다.
    ① [기본 공식] $Y(s) = G(s) \times \frac{1}{s} = \frac{3}{s(s+1)(s+2)}$
    ② [숫자 대입] 부분분수 전개를 통해 식을 분리하면 다음과 같습니다.
    $$Y(s) = \frac{3/2}{s} - \frac{3}{s+1} + \frac{3/2}{s+2}$$
    ③ [최종 결과] 역라플라스 변환을 수행하면 가 도출됩니다.
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50. 를 근사화 했을 때의 근사적 전달함수로 가장 거리가 먼 것은?

(정답률: 41%)
  • 지연 요소인 $e^{-2s}$를 근사화하는 방법에는 $1-2s$, $\frac{1}{2s+1}$, $\frac{s-1}{s+1}$ 등이 있습니다. 주어진 전달함수 $\frac{5e^{-2s}}{10s+1}$에 이러한 근사식을 대입했을 때 도출되지 않는 형태를 찾는 문제입니다.

    오답 노트
    : 지연 요소의 일반적인 근사화 식을 적용하여 유도할 수 없는 형태입니다.
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51. 증류탑의 일반적인 제어에서 공정출력(피제어)변수에 해당하지 않는 것은?

  1. 탑정생산물 조성
  2. 증류탑의 압력
  3. 공급물 조성
  4. 탑저 액위
(정답률: 56%)
  • 공정출력(피제어)변수는 제어 대상이 되는 변수로, 조작변수를 통해 조절해야 하는 값입니다. 증류탑의 조성, 압력, 액위 등은 제어 대상이지만, 공급물의 조성은 외부에서 결정되어 들어오는 외란(Disturbance)에 해당합니다.
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52. 제어계의 응답 중 편차(offset)의 의미를 가장 옳게 설명한 것은?

  1. 정상상태에서 제어기 입력과 출력의 차
  2. 정상상태에서 공정 입력과 출력의 차
  3. 정상상태에서 제어기 입력과 공정 출력의 차
  4. 정상상태에서 피제어 변수의 희망값과 실제 값의 차
(정답률: 64%)
  • 편차(offset)란 제어계가 정상상태(Steady-state)에 도달했을 때, 우리가 설정한 목표값(Set-point)과 실제 측정된 출력값(Process Variable) 사이에 존재하는 차이를 의미합니다.
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53. 1차계의 시간상수 τ에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 계의 저항과 용량(capacitance)과의 곱과 같다.
  2. 입력이 계단함수일 때 응답이 최종변화치의 95%에 도달하는데 걸리는 시간과 같다.
  3. 시간상수가 큰 계일수록 출력함수의 응답이 느리다.
  4. 시간의 단위를 갖는다.
(정답률: 73%)
  • 1차계의 시간상수 $\tau$는 응답이 최종 변화치의 약 63.2%에 도달하는 데 걸리는 시간을 의미합니다.

    오답 노트
    입력이 계단함수일 때 응답이 최종변화치의 95%에 도달하는데 걸리는 시간과 같다: 95%가 아니라 63.2%에 도달하는 시간입니다.
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54. 공정 을 위하여 PI제어기 를 설치하였다. 이 폐루프가 안정성을 유지하는 불감시간(dead time) θ의 범위는?

  1. 0≤θ＜0.314
  2. 0≤θ＜3.14
  3. 0≤θ＜0.141
  4. 0≤θ＜1.41
(정답률: 36%)
  • 폐루프 시스템의 안정성을 판단하기 위해 특성방정식 $1 + G_c(s)G_p(s) = 0$을 이용합니다. 불감시간 $\theta$에 대한 안정성 한계는 위상교차주파수 $\omega$에서 위상각이 $-180^{\circ}$가 되는 지점입니다.
    ① [기본 공식]
    $$\angle G_c(j\omega) + \angle G_p(j\omega) = -180^{\circ}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\tan^{-1}(\frac{1}{\omega \tau}) - \theta\omega - \tan^{-1}(\omega \tau) = -180^{\circ}$$
    주어진 식에서 $\tau=1$이고 PI제어기의 $K_c=5, \tau_I=1$일 때, $\omega$를 구하면 $\omega \approx 1$ rad/s 근처에서 결정되며, $\theta < \frac{\pi}{2\omega}$ 관계를 통해 계산됩니다.
    ③ [최종 결과]
    $$0 \le \theta < 0.314$$
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55. 어떤 계의 단위계단 응답이 다음과 같을 경우 이 계의 단위충격응답(impulse response)은?

(정답률: 67%)
  • 단위충격응답은 단위계단응답을 시간 $t$에 대해 미분하여 구할 수 있습니다. 주어진 단위계단응답 $Y(t) = 1 - (1 + \frac{t}{r})e^{-\frac{t}{r}}$를 미분하면 다음과 같습니다.
    $$\frac{d}{dt}[1 - (1 + \frac{t}{r})e^{-\frac{t}{r}}]$$
    $$\frac{d}{dt}[1] - [\frac{1}{r}e^{-\frac{t}{r}} + (1 + \frac{t}{r})(-\frac{1}{r})e^{-\frac{t}{r}}]$$
    $$0 - [\frac{1}{r}e^{-\frac{t}{r}} - \frac{1}{r}e^{-\frac{t}{r}} - \frac{t}{r^2}e^{-\frac{t}{r}}]$$
    $$\frac{t}{r^2}e^{-\frac{t}{r}}$$
    따라서 정답은 입니다.
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56. 비례폭(proportional band)이 0에 가까운 값을 갖는 제어기는?

  1. PI controller
  2. PD controller
  3. PID controller
  4. on - off controller
(정답률: 69%)
  • 비례폭(Proportional Band)은 비례대라고 하며, 이 값이 0에 가깝다는 것은 비례 이득($K_c$)이 무한대임을 의미합니다. 이는 오차가 조금만 발생해도 출력이 최대 또는 최소로 급격히 변하는 on-off 제어기의 특성입니다.
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57. 자동차를 운전하는 것을 제어시스템의 가동으로 간주할 때 도로의 차선을 유지하며 자동차가 주행하는 경우 자동차의 핸들은 제어시스템을 구성하는 요소 중 어디에 해당하는가?

  1. 감지기
  2. 조작변수
  3. 구동기
  4. 피제어변수
(정답률: 67%)
  • 제어시스템에서 조작변수는 제어 목적을 달성하기 위해 제어기가 직접 조절하는 물리량입니다. 자동차 주행 시 차선을 유지하기 위해 운전자가 직접 움직이는 핸들은 시스템의 출력을 변화시키는 조작변수에 해당합니다.
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58. PID 제어기 조율과 관련한 설명으로 옳은 것은?

  1. Offset을 제거하기 위해서는 적분동작을 넣어야 한다.
  2. 빠른 공정일수록 ㅁ미분동작을 위주로 제어하도록 조율한다.
  3. 측정잡음이 큰 공정일수록 미분동작을 위주로 제어하도록 조율한다.
  4. 공정의 동특성 빠르기는 조율시 고려사항이 아니다.
(정답률: 73%)
  • 비례 제어만으로는 정상상태 오차인 Offset이 발생하며, 이를 제거하기 위해서는 오차의 누적값을 반영하는 적분동작(I)을 추가하여 설정값에 완전히 일치시켜야 합니다.

    오답 노트
    미분동작: 측정 잡음이 클 경우 잡음을 증폭시키므로 사용을 제한함
    공정 동특성: 제어기 조율 시 반드시 고려해야 하는 핵심 요소임
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59. 인 2차계 공정에서 단위계단 입력에 대한 공정응답으로 옳은 것은?(단, ζ, r＞0 이다.)

  1. ζ가 1보다 작을수록 overshoot이 작다.
  2. ζ가 1보다 작을수록 진동주기가 작다.
  3. 진동주기는 K와 r에는 무관하다.
  4. K가 클수록 응답이 빨라진다.
(정답률: 43%)
  • 제시된 전달함수 $\frac{K}{r^{2}s^{2} + \zeta rs + 1}$에서 감쇠계수 $\zeta$가 1보다 작을 때(부족감쇠) 진동이 발생하며, $\zeta$가 작아질수록 감쇠가 적어져 진동 주기가 짧아지고 오버슈트는 커집니다.

    오답 노트
    $\zeta$가 작을수록: 오버슈트 증가
    진동주기: $K$와 무관하며 $r$과 $\zeta$의 영향을 받음
    응답 속도: $r$이 클수록 빨라짐
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60. 다음의 전달함수를 역변환하면 어떻게 되는가?

(정답률: 70%)
  • 라플라스 역변환의 기본 공식 $\mathcal{L}^{-1} \{ \frac{a}{s^2 + a^2} \} = \sin at$를 이용하여 풀이합니다.
    ① [기본 공식] $f(t) = \frac{k}{\omega} \sin \omega t$
    ② [숫자 대입] $f(t) = \frac{5}{\sqrt{3}} \sin \sqrt{3} t$
    ③ [최종 결과] $f(t) = \frac{5}{\sqrt{3}} \sin \sqrt{3} t$
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4과목: 공업화학

61. 암모니아소다법에서 암모니아함수가 갖는 조성을 옳게 나타낸 것은?

  1. 전염소 90g/L, 암모니아 160g/L
  2. 전염소 240g/L, 암모니아 45g/L
  3. 전염소 40g/L, 암모니아 240g/L
  4. 전염소 160g/L, 암모니아 90g/L
(정답률: 54%)
  • 암모니아소다법에서 사용되는 암모니아함수의 표준 조성은 전염소 $160g/L$, 암모니아 $90g/L$입니다.
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62. 공업적으로 수소를 제조하는 방법이 아닌 것은?

  1. 수성가스법
  2. 수증기개질법
  3. 부분산화법
  4. 공기액화분리법
(정답률: 53%)
  • 수소 제조에는 수성가스법, 수증기개질법, 부분산화법 등이 사용됩니다.

    오답 노트
    공기액화분리법: 수소가 아닌 질소, 산소, 아르곤 등 공기 성분을 분리하는 방법입니다.
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63. 벤젠이 Ni촉매하에서 수소화 반응을 하였을 때 생성되는 것은?

  1. 시클로헥산
  2. 벤즈알데히드
  3. BHC
  4. 디히드로벤젠
(정답률: 61%)
  • 벤젠($C_6H_6$)이 $Ni$ 촉매 하에서 수소화 반응을 하면 벤젠 고리의 이중 결합이 모두 포화되어 시클로헥산($C_6H_{12}$)이 생성됩니다.
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64. 다음은 석유정제공업에서의 전화법에 대한 설명이다. 어떤 공정에 대한 설명인가?

  1. 접촉분해법
  2. 열분해법
  3. 수소화분해법
  4. 이성화법
(정답률: 71%)
  • 고체 산촉매나 제올라이트 촉매를 사용하고, 카르보늄 이온 반응 기구를 통해 방향족 탄화수소를 많이 생성하는 공정은 접촉분해법의 핵심 특징입니다.
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65. 시리콘 진성반도체의 전도대(conduction band)에 존재하는 전자수가 6.8×1012/m3이며, 전자의 이동도(mobility)는 0.19m2/Vㆍs, 가전자대(valence band)에 존재하는 정공(hole)의 이동도는 0.0425m2/Vㆍs일 때 전기전도도는 얼마인가? (단, 전자의 전하량은 1.6×10-19Coulomb이다.)

  1. 2.06×10-7 ohm-1m-1
  2. 2.53×10-7 ohm-1m-1
  3. 2.89×10-7 ohm-1m-1
  4. 1.09×10-6 ohm-1m-1
(정답률: 42%)
  • 진성반도체의 전기전도도는 전자와 정공의 농도 및 이동도의 합으로 계산합니다. 진성반도체이므로 전자 농도($n$)와 정공 농도($p$)는 동일합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\sigma = n e (\mu_{e} + \mu_{h})$$
    ② [숫자 대입]
    $$\sigma = (6.8 \times 10^{12}) (1.6 \times 10^{-19}) (0.19 + 0.0425)$$
    ③ [최종 결과]
    $$\sigma = 2.53 \times 10^{-7}$$
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66. 건식법에 의한 인산제조공정에 대한 설명 중 옳은 것은?

  1. 인의 농도가 낮은 인광석을 원료로 사용할 수 있다.
  2. 고순도의 인산은 제조할 수 없다.
  3. 전기로에서는 인의 기화와 산화가 동시에 일어난다.
  4. 대표적인 건식법은 이수석고법이다.
(정답률: 66%)
  • 건식법은 저품위(인의 농도가 낮은) 인광석을 원료로 사용하여 고순도, 고농도의 인산을 제조할 수 있는 공정입니다.

    오답 노트
    고순도 인산 제조 불가: 건식법은 고순도 제조가 가능함
    기화와 산화 동시 발생: 기화와 산화 공정을 분리하여 진행함
    이수석고법: 대표적인 습식법 공정임
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67. 석유 중에 황화합물이 다량 들어 있을 때 발생되는 문제점으로 볼 수 없는 것은?

  1. 장치 부식
  2. 환원 작용
  3. 공해 유발
  4. 악취 발생
(정답률: 77%)
  • 석유 내 황화합물은 연소 시 황산화물을 생성하여 공해를 유발하고, 장치 부식을 일으키며, 특유의 악취를 발생시킵니다. 환원 작용은 황화합물 존재 시 발생하는 주요 문제점으로 보기 어렵습니다.
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68. 격막식 전해조에서 전해액은 양극에 도입되어 격막을 통해 음극으로 흐르고, 음극실의 OH이온이 역류한다. 이 때 격막실 전해조 양극의 재료는?

  1. 철망
  2. Ni
  3. Hg
  4. 흑연
(정답률: 76%)
  • 격막법 전해조에서 양극은 염소 가스($Cl_{2}$)가 발생하며, 이에 견딜 수 있는 흑연이 재료로 사용됩니다.

    오답 노트
    철: 격막법의 음극 재료
    수은: 수은법의 음극 재료
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69. 인산비료에서 유효인산 또는 가용성 인산이란?

  1. 수용성 인산만이 비효를 갖는 것
  2. 구용성 인산만이 비효를 갖는 것
  3. 불용성 인산만이 비효를 갖는 것
  4. 수용성 인산과 구용성 인산이 비효를 갖는 것
(정답률: 60%)
  • 식물이 흡수하여 이용할 수 있는 유효인산(가용성 인산)은 물에 녹는 수용성 인산과 구연산 등에 녹는 구용성 인산의 합계를 의미합니다.
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70. 톨루엔의 중간체로 폴리우레탄 제조에 사용되는 TDI의 구조식은?

(정답률: 59%)
  • TDI(Toluene Diisocyanate)는 톨루엔을 원료로 하여 제조되며, 벤젠 고리에 메틸기($CH_{3}$) 하나와 두 개의 이소시아네이트기($-NCO$)가 결합된 구조를 가집니다. 따라서 정답은 입니다.
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71. 접촉식 황산제조 공정에서 전화기에 대한 설명 중 옳은 것은?

  1. 전화기 조작에서 온도조절이 좋지 않아서 온도가 지나치게 상승하면 전화율이 감소하므로 이에 대한 조절이 중요하다.
  2. 전화기는 SO3생성열을 제거시키며 동시에 미반응 가스를 냉각시킨다.
  3. 촉매의 온도는 200℃ 이하로 운전하는 것이 좋기 때문에 열 교환기의 용량을 증대시킬 필요가 있다.
  4. 전화기의 열교환방식은 최근에는 거의 내부 열교환방식을 채택하고 있다.
(정답률: 59%)
  • 황산 제조 공정의 $SO_{2}$ 산화 반응은 발열 반응이므로, 르샤틀리에 원리에 의해 온도가 지나치게 상승하면 평형이 역반응 쪽으로 이동하여 전화율이 감소하게 됩니다. 따라서 정밀한 온도 조절이 필수적입니다.
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72. 고분자에서 열가소성과 열경화성의 일반적인 특징을 옳게 설명된 것은?

  1. 열가소성 수지는 유기용매에 녹지 않는다.
  2. 열가소성 수지는 분자량이 커지면 용해도가 감소한다.
  3. 열경화성 수지는 열에 잘 견디지 못한다.
  4. 열경화성 수지는 가열하면 경화하다가 더욱 가열하면 연화한다.
(정답률: 51%)
  • 열가소성 수지는 선형 또는 분지형 구조를 가지며, 분자량이 증가할수록 분자 간의 엉킴이 심해져 용매에 녹아나오기 어려워지므로 용해도가 감소합니다.

    오답 노트
    유기용매에 녹지 않는다: 적절한 유기용매에 용해 가능함
    열에 잘 견디지 못한다: 열경화성 수지는 가교 구조로 인해 열 안정성이 매우 높음
    가열하면 연화한다: 열경화성 수지는 한 번 경화되면 재가열해도 녹지 않고 분해됨
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73. 술(에탄올)을 마시고 나서 숙취의 원인이 되는 물질은?

  1. 아세탈
  2. 아세틸코린
  3. 아세딜에텔
  4. 아세트알데히드
(정답률: 81%)
  • 에탄올이 체내에 흡수되면 간에서 알코올 분해 효소(ADH)에 의해 아세트알데히드로 산화됩니다. 이 아세트알데히드가 체내에 축적되면 두통, 구토, 안면 홍조 등의 숙취 증상을 유발하는 핵심 물질이 됩니다.
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74. 염화비닐은 아세틸렌에 다음 중 어느 것을 작용시키면 생성되는가?

  1. NaCI
  2. KCI
  3. HCI
  4. HOCI
(정답률: 77%)
  • 아세틸렌($C_{2}H_{2}$)에 염화수소($HCl$)를 첨가 반응시키면 염화비닐($CH_{2}=CHCl$)이 생성됩니다.
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75. 연실법 황산제조 공정 중 glover탑에서 질소산화물 공급에 HNO3를 사용할 경우, 36wt%의 HNO3 20kg으로 약 몇 kg의 NO를 발생시킬 수 있는가?

  1. 0.8
  2. 1.7
  3. 2.2
  4. 3.4
(정답률: 61%)
  • 질산($HNO_{3}$)의 열분해 반응을 통해 $NO$가 생성되는 화학 양론적 계산 문제입니다.
    반응식: $4HNO_{3} \rightarrow 4NO_{2} + O_{2} + 2H_{2}O$이후 $NO_{2}$가 $NO$로 환원되거나 직접 분해되는 경로를 고려하여 $HNO_{3}$ 1몰당 $NO$ 1몰이 생성된다고 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\text{NO 질량} = \text{HNO}_{3} \text{ 순수 질량} \times \frac{M_{NO}}{M_{HNO_{3}}}$
    ② [숫자 대입] $\text{NO 질량} = (20 \times 0.36) \times \frac{30}{63}$
    ③ [최종 결과] $\text{NO 질량} = 3.4$
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76. Fischer 에스테르화 반응에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 염기성 촉매 하에서의 카르복시산과 알코올의 반응을 의미한다.
  2. 가역반응이다.
  3. 알코올이나 카르복시산을 과량 사용하여 에스테르의 생성을 촉진할 수 있다.
  4. 반응물로부터 물을 제거하여 에스테르의 생성을 촉진할 수 있다.
(정답률: 42%)
  • Fischer 에스테르화 반응은 카르복시산과 알코올이 반응하여 에스테르와 물이 생성되는 반응으로, 반드시 산 촉매 하에서 진행됩니다.

    오답 노트
    염기성 촉매 하에서의 반응: 산 촉매가 필요함
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77. NaOH 제조 공정 중 식염수용액의 전해 공정 종류가 아닌 것은?

  1. 격막법
  2. 증발법
  3. 수은법
  4. 이온교환막법
(정답률: 59%)
  • NaOH 제조를 위한 식염수 전해 공정은 전해질의 분리를 위해 격막법, 수은법, 이온교환막법을 사용합니다.

    오답 노트
    증발법: 용액의 농도를 높이는 분리 공정일 뿐 전해 공정이 아님
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78. 부타디엔에 무수말레이산을 부가하여 환상화합물을 얻는 반응은?

  1. Diels-Alder 반응
  2. Wolff-Kishner 반응
  3. Gattermann-Koch 반응
  4. Fridel-Craft 반응
(정답률: 50%)
  • 디엔(Diene)인 부타디엔과 친디엔체(Dienophile)인 무수말레이산이 반응하여 6원환 구조의 사이클로헥센 유도체를 형성하는 대표적인 [4+2] 고리첨가 반응입니다.
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79. 다니엘 전지의 (-) 극에서 일어나느 반응은?

  1. CO+CO2-3→2CO2+2e-
  2. Zn→Zn2++2e-
  3. Cu2++2e-→Cu
  4. H2→2H++2e-
(정답률: 61%)
  • 다니엘 전지의 (-)극(산화전극)에서는 아연($Zn$) 금속이 전자를 잃고 아연 이온($Zn^{2+}$)으로 산화되는 반응이 일어납니다.
    반응식: $Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^{-}$
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80. 염화수소 가스의 직접 합성 시 화학반응식이 다음과 같을 때 표준상태 기준으로 200L의 수소가스를 연소시키면 발생되는 열량은 약 몇 kcal 인가?

  1. 365
  2. 394
  3. 407
  4. 603
(정답률: 73%)
  • 이상기체 상태방정식을 이용하여 수소 가스의 몰수를 구한 뒤, 반응식의 반응열을 곱하여 총 발생 열량을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $Q = \frac{V}{22.4} \times \Delta H$
    ② [숫자 대입] $Q = \frac{200}{22.4} \times 44.12$
    ③ [최종 결과] $Q = 394$
    따라서 발생되는 열량은 약 $394\text{ kcal}$ 입니다.
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5과목: 반응공학

81. 화학 반응의 온도의존성을 설명하는 이론 중 관계가 가장 먼 것은?

  1. 아레니우스(Arrhernius)법칙
  2. 전이상태이론
  3. 분자 충돌 이론
  4. 볼츠만(Boltzmann)법칙
(정답률: 57%)
  • 화학 반응 속도의 온도의존성은 활성화 에너지와 충돌 횟수를 다루는 아레니우스 법칙, 전이상태이론, 분자 충돌 이론을 통해 설명됩니다.

    오답 노트
    볼츠만 법칙: 입자의 에너지 분포 상태를 설명하는 통계역학적 법칙으로, 반응 속도의 온도의존성을 직접적으로 설명하는 주된 이론과는 거리가 멉니다.
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82. 정용 회분식 반응기에서 단분자형 0차 비가역 반응에서의 반응이 지속되는 시간t의 범위는? (단, CA0는 A성분의 초기농도, k는 속도상수를 나타낸다.)

(정답률: 74%)
  • 0차 반응은 반응 속도가 농도에 무관하게 일정하므로, 초기 농도 $C_{A0}$가 모두 소모될 때까지 걸리는 시간은 속도상수 $k$의 역수에 비례합니다.
    ① [기본 공식] $t = \frac{C_{A0}}{k}$
    ② [숫자 대입] $t = \frac{C_{A0}}{k}$
    ③ [최종 결과] $t \le \frac{C_{A0}}{k}$
    따라서 반응이 지속되는 시간의 범위는 입니다.
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83. 불균일 촉매반응에서 확산이 반응율속 영역에 있는지를 알기 위한 식과 가장 거리가 먼 것은?

  1. Thiele modulus
  2. Weixz-Prater 식
  3. Mears 식
  4. Langmuir-Hishelwood 식
(정답률: 56%)
  • Thiele modulus, Weisz-Prater 식, Mears 식은 모두 촉매 내부 또는 외부의 확산 영향(물질전달 제한)을 평가하여 반응 속도 결정 단계를 분석하는 데 사용되는 식입니다.


    오답 노트
    Langmuir-Hinshelwood 식: 확산이 아닌 촉매 표면에서의 흡착과 반응 메커니즘을 설명하는 속도론 식입니다.
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84. 회분식 반응기에서 반응시간이 tF일 때 CA/CA0의 값을 F라 하면 반응차수 n과 tF의 관계를 옳게 표현한 식은? (단, k는 반응속도상수 이고, n≠1 이다.)

(정답률: 54%)
  • 회분식 반응기에서 $n \neq 1$인 $n$차 반응의 적분 속도식은 $t_F = \frac{1}{k(n-1)} [C_{A0}^{1-n} - C_A^{1-n}]$ 입니다. 여기서 $F = C_A/C_{A0}$를 대입하여 정리하면 다음과 같습니다.
    $$t_F = \frac{F^{1-n}-1}{k(n-1)} C_{A0}^{1-n}$$
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85. 단일반응 A→R의 반응을 동일한 조건하에서 촉매 A,B,C,D를 사용하여 적분반응기에서 실험하였을 때 다음과 같은 원료성분 A의 전화율 XA와 V/FO(또는 W/FO를 얻었다. 촉매 활성이 가장 큰 것은? (단, V는 촉매체적, W는 촉매질량, FO는 공급원료 mole 수 이다.)

  1. 촉매 A
  2. 촉매 B
  3. 촉매 C
  4. 촉매 D
(정답률: 72%)
  • 촉매 활성이 클수록 동일한 촉매 양($V/F_0$ 또는 $W/F_0$)에서 더 높은 전환율 $X_A$를 얻거나, 동일한 전환율에 도달하는 데 필요한 촉매 양이 가장 적습니다.

    그래프에서 동일한 $X_A$ 값에 도달하기 위해 가장 작은 $V/F_0$ 값을 가지는 곡선은 촉매 A이므로, 촉매 A의 활성이 가장 큽니다.
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86. 부피유량 v가 일정한 관형반응기 내에서 1차 반응 A→B이 일어난다. 부피유량이 10L/min, 반응속도상수 k가 0.23/min 일 때 유출농도를 유입농도의 10%로 줄이는데 필요한 반응기의 부피는? (단, 반응기의 입구조건 V=0일 때 CA=CAO이다.)

  1. 100L
  2. 200L
  3. 300L
  4. 400L
(정답률: 56%)
  • 관형반응기(PFR)에서 1차 반응의 설계 방정식은 유입 농도와 유출 농도의 비를 통해 반응기 부피를 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $\tau = \frac{V}{v} = \frac{1}{k} \ln\frac{C_{A0}}{C_A}$
    ② [숫자 대입] $\frac{V}{10} = \frac{1}{0.23} \ln\frac{1}{0.1}$
    ③ [최종 결과] $V = 100$
    따라서 필요한 반응기의 부피는 $100\text{L}$입니다.
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87. 비가역 액상반응에서 공간시간 τ가 일정할 때 전환율이 초기 농도에 무관한 반응차수는?

  1. 0차
  2. 1차
  3. 2차
  4. 0차, 1차, 2차
(정답률: 53%)
  • 1차 반응의 경우, 반응속도식은 $-r_A = kC_A$이며 이를 적분하면 전환율 $X_A = 1 - e^{-k\tau}$가 됩니다. 이 식에서 전환율은 공간시간 $\tau$와 속도상수 $k$에만 의존하며, 초기 농도 $C_{A0}$ 항이 소거되므로 초기 농도와 무관하게 결정됩니다.
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88. 다음 그림은 농도-시간의 곡선이다. 이 곡선에 해당하는 반응식을 옳게 나타낸 것은?

(정답률: 72%)
  • 제시된 그래프 를 보면 반응물 A가 감소하면서 두 가지 생성물 R과 S가 동시에 증가하며, 시간이 흐름에 따라 농도가 일정 값으로 수렴하는 가역 반응의 형태를 띱니다. 이는 A가 R과 S로 각각 가역적으로 변환되는 병렬 가역 반응을 의미하므로 가 정답입니다.
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89. 2번째 반응기의 크기가 1번째 반응기 체적의 2배인 2개의 혼합 반응기를 직렬로 연결하여 물질 A의 액상분해 속도론을 연구한다. 정상상태에서 원료의 농도가 1mol/L 이고, 1번째 반응기에서 평균체류 시간은 96초 이며 1번째 반응기의 출구 농도는 0.5mol/L 이고, 2번째 반응기의 출구 농도는 0.25mol/L 이다. 이 분해반응은 몇 차 반응인가?

  1. 0차
  2. 1차
  3. 2차
  4. 3차
(정답률: 55%)
  • 혼합 반응기(CSTR) 직렬 연결에서 각 반응기의 물질 수지식을 통해 반응 차수를 결정합니다. 1번째 반응기에서 농도가 $1 \text{mol/L}$에서 $0.5 \text{mol/L}$로 감소했고, 체적이 2배인 2번째 반응기에서 $0.5 \text{mol/L}$에서 $0.25 \text{mol/L}$로 다시 절반이 감소했습니다.
    반응 속도식 $r = kC^n$에서 체류 시간 $\tau$와 농도 변화의 관계를 분석하면, 체적이 2배 증가했을 때 농도 감소 비율이 동일하게 유지되는 것은 $n=2$인 2차 반응의 특성입니다.
    ① [기본 공식] $\tau = \frac{C_{in} - C_{out}}{kC_{out}^n}$
    ② [숫자 대입] $96 = \frac{1 - 0.5}{k(0.5)^n} \text{ 이고 } 2 \times 96 = \frac{0.5 - 0.25}{k(0.25)^n}$
    ③ [최종 결과] $n = 2$
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90. 촉매반응의 경우 촉매의 역할을 잘 설명한 것은?

  1. 평형상수 K 값을 높여준다.
  2. 평형상수 K 값을 낮추어 준다.
  3. 활성화 에너지 E값을 높여준다.
  4. 활성화 에너지 E값을 낮추어 준다.
(정답률: 74%)
  • 촉매는 반응 경로를 변경하여 반응이 일어나는 데 필요한 최소 에너지인 활성화 에너지를 낮춤으로써 반응 속도를 빠르게 만드는 물질입니다.

    오답 노트
    평형상수 K 값: 촉매는 반응 속도만 변화시킬 뿐, 열역학적 평형 상태나 평형상수에는 영향을 주지 않습니다.
    활성화 에너지 E값 높임: 에너지를 높이면 반응 속도가 느려지므로 촉매의 역할과 반대됩니다.
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91. N2O2의 분해 반응은 1차 반응이고 반감기가 20500s 일 때 8시간 후 분해된 분율은 얼마인가?

  1. 0.422
  2. 0.522
  3. 0.622
  4. 0.722
(정답률: 63%)
  • 1차 반응에서 분해된 분율은 초기 농도 대비 감소한 양의 비율을 의미하며, 반감기와 시간을 이용해 계산합니다. 8시간은 $8 \times 3600 = 28800$ s 입니다.
    ① [기본 공식] $분해분율 = 1 - e^{-kt} = 1 - e^{-\frac{\ln 2}{t_{1/2}}t}$
    ② [숫자 대입] $분해분율 = 1 - e^{-\frac{0.693}{20500} \times 28800}$
    ③ [최종 결과] $분해분율 = 0.622$
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92. 어떤 반응의 온도를 24℃에서 34℃로 증가시켰더니 반응 속도가 2.5배로 빨라졌다면, 이 때의 활성화 에너지는 몇 kcal 인가?

  1. 10.8
  2. 12.8
  3. 16.6
  4. 18.6
(정답률: 64%)
  • 온도 변화에 따른 반응 속도 상수의 변화는 아레니우스 식을 통해 활성화 에너지 $E_a$를 구할 수 있습니다.
    $$\ln(\frac{k_2}{k_1}) = \frac{E_a}{R} (\frac{1}{T_1} - \frac{1}{T_2})$$
    $$\ln(2.5) = \frac{E_a}{1.987} (\frac{1}{297.15} - \frac{1}{307.15})$$
    $$0.916 = \frac{E_a}{1.987} (1.10 \times 10^{-4})$$
    $$E_a \approx 16.6 \text{ kcal}$$
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93. 플러그흐름반응기 또는 회분식반응기에서 비가역 직렬 반응 A→R→S, k1=2min-1, k2=1min-1이 일어날 때 CR이 최대가 되는 시간은?

  1. 0.301
  2. 0.693
  3. 1.443
  4. 3.332
(정답률: 55%)
  • 직렬 반응 $A \xrightarrow{k_1} R \xrightarrow{k_2} S$에서 중간 생성물 $R$의 농도가 최대가 되는 시간 $t_{max}$는 두 속도 상수의 값으로 결정됩니다.
    $$t_{max} = \frac{\ln(k_1 / k_2)}{k_1 - k_2}$$
    $$t_{max} = \frac{\ln(2 / 1)}{2 - 1}$$
    $$t_{max} = \ln 2 \approx 0.693$$
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94. 회분식 반응기(batch reactor)에서 비가역 1차 액상반응인 반응물 A가 40% 전환되는데 5분 걸렸다면 80% 전환되는 데는 약 몇 분이 걸리겠는가?

  1. 7분
  2. 10분
  3. 12분
  4. 16분
(정답률: 68%)
  • 비가역 1차 반응에서 전환율 $X_A$와 시간 $t$의 관계는 로그 함수 관계로 나타납니다.
    $$t = -\frac{\ln(1 - X_A)}{k}$$
    $$5 = -\frac{\ln(1 - 0.4)}{k} \implies k = -\frac{\ln 0.6}{5} \approx 0.1022$$
    $$t = -\frac{\ln(1 - 0.8)}{0.1022}$$
    $$t \approx 15.75$$
    따라서 약 $16$분이 걸립니다.
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95. 다음과 같은 효소발효반응이 플러그흐름 반응기에서 CA0=2mol/L, v=25L/min 의 유입속도로 일어난다. 95% 전화율을 얻기 위한 반응기 체적은 약 몇 m3인가?

  1. 1
  2. 2
  3. 3
  4. 4
(정답률: 43%)
  • 플러그흐름 반응기(PFR)에서 체적 $V$는 유입 속도 $v$와 반응 속도 $-r_A$의 적분식으로 계산합니다.
    $$V = v \int_{C_{Af}}^{C_{A0}} \frac{dC_A}{-r_A}$$
    $$V = 25 \int_{0.1}^{2} \frac{1 + 0.5C_A}{0.1C_A} dC_A$$
    $$V = 250 \int_{0.1}^{2} (\frac{1}{C_A} + 0.5) dC_A = 250 [\ln C_A + 0.5C_A]_{0.1}^{2}$$
    $$V = 250 (\ln 20 + 0.95) \approx 250 (2.996 + 0.95) \approx 986.5 \text{ L}$$
    단위를 $\text{m}^3$로 환산하면 약 $1 \text{ m}^3$가 됩니다.
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96. A→R→S(k1,k2)인 반응에서 k1=100, k2=1이면 회분식 반응기에서 CS/CA0에 가장 가까운 식은? (단, 두 반응은 모두 1차이다.)

  1. e-100t
  2. e-t
  3. 1-e-100t
  4. 1-e-t
(정답률: 28%)
  • 직렬 반응 $A \xrightarrow{k_1} R \xrightarrow{k_2} S$에서 최종 생성물 $S$의 농도비는 반응 속도 상수의 차이를 이용해 구할 수 있습니다. 특히 $k_1 \gg k_2$인 경우, $A$가 매우 빠르게 $R$로 변환되므로 전체 반응 속도는 느린 단계인 $k_2$에 의해 결정되는 유사 1차 반응으로 간주할 수 있습니다.
    따라서 $C_S/C_{A0} = 1 - e^{-k_2 t}$의 형태가 되며, $k_2 = 1$을 대입하면 $1 - e^{-t}$가 됩니다.
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97. 촉매 반응일 때의 평형상수(KPC)와 같은 반응에서 촉매를 사용하지 않았을 때의 평형상수(KP)와의 관계로 옳은 것은?

  1. KP＞KPC
  2. KP＜KPC
  3. KP=KPC
  4. KP+KPC=0
(정답률: 59%)
  • 촉매는 반응 경로를 변경하여 반응 속도를 빠르게 할 뿐, 반응물과 생성물의 에너지 상태(열역학적 상태)에는 영향을 주지 않습니다. 따라서 화학 평형 상수는 촉매 사용 여부와 관계없이 동일합니다.
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98. Arrhenius 법칙에 따라 반응 속도상수 k의 온도 T에 대한 의존성을 옳게 나타낸 것은? (단, θ는 양수 값의 상수이다.)

  1. k ∝ exp(θT)
  2. k ∝ exp(θ/T)
  3. k ∝ exp(-θT)
  4. k ∝ exp(-θ/T)
(정답률: 66%)
  • Arrhenius 법칙은 반응 속도상수 $k$가 온도의 역수에 지수적으로 비례함을 나타냅니다. 활성화 에너지를 포함한 상수 $\theta$가 양수일 때, 온도가 상승함에 따라 $k$값이 증가하는 형태인 음의 지수 함수 꼴을 가집니다.
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99. 액상반응 A→R, -rA, -rA=kC2A이 혼합 반응기(mixed flow reactor)에서 진행되어 50%의 전화율을 얻었다. 만약 크기가 6배인 똑같은 성능의 반응기로 대치한다면 전화율은 어떻게 되겠는가?

  1. 0.55
  2. 0.65
  3. 0.75
  4. 0.85
(정답률: 64%)
  • 2차 반응의 혼합반응기 설계식 $\tau = \frac{C_{A0}X}{kC_{A0}^{2}(1-X)^{2}}$에서 $\tau$는 부피 $V$에 비례합니다. 부피가 6배가 되면 체류시간 $\tau$도 6배가 됩니다.
    ① [기본 공식] $\frac{\tau_{2}}{\tau_{1}} = \frac{X_{2}(1-X_{1})^{2}}{X_{1}(1-X_{2})^{2}}$
    ② [숫자 대입] $6 = \frac{X_{2}(1-0.5)^{2}}{0.5(1-X_{2})^{2}}$
    ③ [최종 결과] $X_{2} = 0.75$
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100. A→R, rR=k1CAa1, A→S, rs=k2CAa2에서 R이 요구하는 물질일 때 옳은 것은?

  1. a1＞a2 이면 반응물의 농도를 낮춘다.
  2. a1＜a2 이면 반응물의 농도를 높인다.
  3. a1=a2 이면 CSTR이나 PFR에 관계없다.
  4. a1과 a2에 관계없고 k1과 k2에만 관계된다.
(정답률: 66%)
  • 두 반응의 반응 차수가 동일한 경우($a_1 = a_2$), 반응 속도식의 형태가 같으므로 반응기의 종류(CSTR 또는 PFR)나 배치 순서에 관계없이 동일한 전화율을 얻을 수 있습니다.
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