9급 지방직 공무원 공업화학 필기 기출문제복원 (2020-06-13)

9급 지방직 공무원 공업화학 2020-06-13 필기 기출문제 해설

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9급 지방직 공무원 공업화학
(2020-06-13 기출문제)

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1과목: 과목 구분 없음

1. 토양에 뿌려졌을 때 염기성을 나타내는 비료는?

  1. 황안
  2. 요소
  3. 염화칼륨
  4. 석회질소
(정답률: 85%)
  • 석회질소($CaCN_{2}$)는 토양 속에서 가수분해되어 암모니아($NH_{3}$)와 수산화칼슘($Ca(OH)_{2}$)을 생성하므로 염기성을 나타냅니다.
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2. 생선의 유지를 경화유로 만드는 화학 반응은?

  1. 에스터화 반응
  2. 환원 반응
  3. 산화 반응
  4. 가수분해 반응
(정답률: 65%)
  • 생선 유지와 같은 불포화 지방산의 이중 결합에 수소를 첨가하여 포화 지방산으로 만드는 과정은 수소화 반응이며, 이는 화학적으로 환원 반응에 해당합니다.
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3. 유지의 트라이글리세라이드를 구성하는 지방산 중 불포화 지방산인 것은?

  1. 라우르산(lauric acid)
  2. 팔미트산(palmitic acid)
  3. 리놀레산(linoleic acid)
  4. 스테아르산(stearic acid)
(정답률: 74%)
  • 리놀레산(linoleic acid)은 탄소 사슬 내에 이중 결합을 가지고 있는 불포화 지방산입니다.

    오답 노트
    라우르산, 팔미트산, 스테아르산: 이중 결합이 없는 포화 지방산
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4. 다음 화학 반응식에 해당하는 반응은?

  1. 첨가 반응(addition reaction)
  2. 제거 반응(elimination reaction)
  3. 치환 반응(substitution reaction)
  4. 자리옮김 반응(rearrangement reaction)
(정답률: 82%)
  • 제시된 반응식 $\text{CH}_3\text{COOCH}_3 + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{산 촉매}} \text{CH}_3\text{COOH} + \text{CH}_3\text{OH}$은 에스터가 물과 반응하여 카복실산과 알코올로 분해되는 가수분해 반응입니다. 이는 에스터의 알콕시기($-\text{OCH}_3$)가 하이드록시기($-\text{OH}$)로 교체되는 치환 반응의 일종입니다.
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5. 가장 안정한 탄소양이온(carbocation)은?

  1. (CH3)3C+
  2. (CH3)2CH+
  3. CH3CH2+
  4. CH3+
(정답률: 83%)
  • 탄소양이온은 주변의 알킬기가 많을수록 유도 효과(inductive effect)와 하이퍼콘쥬게이션에 의해 양전하가 분산되어 안정해집니다. 따라서 탄소양이온의 차수가 높을수록 안정성이 증가합니다.
    $(CH_{3})_{3}C^{+}$는 3차 탄소양이온으로 제시된 보기 중 가장 차수가 높아 가장 안정합니다.
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6. 석유의 전화(conversion)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 코킹(coking)을 통해 황, 질소, 산소를 각각 황화수소, 암모니아, 물로 전환한다.
  2. 알킬화(alkylation)를 통해 올레핀과 파라핀으로부터 고옥탄가의 가솔린을 만든다.
  3. 고비점의 원료유를 촉매 하에 분해하여 고옥탄가의 가솔린을 제조하는 것을 접촉 분해(catalytic cracking)라 한다.
  4. 촉매를 사용하여 직선 사슬 화합물과 지방족 고리 화합물을 탈수소하여 측쇄파라핀과 방향족 화합물을 만드는 것을 접촉개질(catalytic reforming)이라 한다.
(정답률: 62%)
  • 코킹(coking)은 중질유를 열분해하여 고체 탄소 덩어리인 코크스를 생산하는 공정입니다.
    황, 질소, 산소 등의 불순물을 제거하여 황화수소, 암모니아, 물로 전환하는 공정은 수소화 처리(hydrotreating)에 대한 설명입니다.
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7. 방향족 작용기를 가진 아미노산으로 옳은 것만을 모두 고르면?

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 82%)
  • 방향족 작용기는 벤젠 고리와 같은 방향족 고리를 포함하는 구조를 의미합니다.
    페닐알라닌(phenylalanine)은 곁사슬에 벤젠 고리(페닐기)를 가지고 있어 방향족 아미노산에 해당합니다.

    오답 노트
    시스테인(cysteine): 황(S)을 포함한 티올기 보유
    라이신(lysine): 염기성 아미노기 보유
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8. 다음 중 열경화성 고분자는?

  1. 폴리카보네이트(polycarbonate)
  2. 폴리프로필렌(polypropylene)
  3. 나일론 6,6(nylon 6,6)
  4. 페놀 수지(phenol resin)
(정답률: 77%)
  • 열경화성 고분자는 가열 시 화학적 가교 결합이 형성되어 단단해지며, 다시 가열해도 녹지 않고 분해되는 성질을 가집니다.
    페놀 수지는 대표적인 열경화성 수지로, 강한 가교 구조를 형성하여 열적 안정성이 매우 높습니다.
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9. 메조 화합물(meso compound)을 가질 수 있는 분자는?

  1. 2-Chlorobutane
  2. 2,3-Dichlorobutane
  3. 2-Bromo-3-chlorobutane
  4. 2-Bromo-1-phenylheptane
(정답률: 76%)
  • 메조 화합물은 분자 내에 2개 이상의 카이랄 중심을 가지면서도 분자 내 대칭면이 존재하여 광학 활성이 없는 화합물을 말합니다.
    2,3-Dichlorobutane은 2번과 3번 탄소가 동일한 치환기를 가진 카이랄 중심이며, 적절한 입체 배치 시 대칭면이 형성되어 메조 형태가 가능합니다.
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10. 벤젠으로부터 얻어지는 화합물과 이를 제조하기 위해 필요한 반응을 짝 지은 것으로 옳지 않은 것은? (순서대로 화합물, 반응)

  1. 페놀(phenol), 알킬화
  2. 스타이렌(styrene), 알킬화
  3. 무수말레인산(maleic anhydride), 수소화
  4. 아닐린(aniline), 니트로화
(정답률: 60%)
  • 무수말레인산은 벤젠의 수소화가 아니라 산화 반응을 통해 제조됩니다.

    오답 노트
    페놀: 벤젠의 알킬화 후 산화 등을 통해 제조 가능
    스타이렌: 벤젠의 알킬화(에틸벤젠 제조) 후 탈수소화로 제조
    아닐린: 벤젠의 니트로화 후 환원 반응으로 제조
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11. 메테인(CH4)을 라디칼 할로겐화 반응(radical halogenation)시킬 때 전파 단계(propagation step)에 해당하는 것은?

  1. Cl2→2Cl·
  2. CH3·＋Cl·→CH3Cl
  3. CH4＋Cl·→CH3·＋HCl
  4. CH4＋Cl2→CH3Cl＋HCl
(정답률: 78%)
  • 라디칼 할로겐화 반응의 전파 단계는 라디칼이 반응하여 새로운 라디칼을 생성하며 반응이 계속 이어지는 단계입니다.
    $CH_{4} + Cl\cdot \rightarrow CH_{3}\cdot + HCl$ 반응은 염소 라디칼이 메테인과 반응하여 메틸 라디칼을 생성하므로 전파 단계에 해당합니다.

    오답 노트
    $Cl_{2} \rightarrow 2Cl\cdot$: 개시 단계
    $CH_{3}\cdot + Cl\cdot \rightarrow CH_{3}Cl$: 종결 단계
    $CH_{4} + Cl_{2} \rightarrow CH_{3}Cl + HCl$: 전체 반응식
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12. 다음 반복단위를 갖는 고분자의 합성에 사용되는 단량체는?

  1. H2N(CH2)6NH2와 Cl(CH2)8Cl
  2. 와 HO(CH2)6OH
  3. HO(CH2)6OH 와
  4. H2N(CH2)6NH2 와
(정답률: 82%)
  • 제시된 고분자의 반복단위는 아미드 결합($-CONH-$)을 가진 나일론 6,6 구조입니다. 이를 합성하기 위해서는 디아민과 디카르복실산(또는 그 유도체)이 필요합니다.
    반복단위의 구조를 분석하면 $H_{2}N(CH_{2})_{6}NH_{2}$ (헥사메틸렌디아민)와 $\text{ClC}(=\text{O})(CH_{2})_{6}\text{C}(=\text{O})\text{Cl}$ (아디포일 클로라이드)가 반응하여 생성됨을 알 수 있습니다. 따라서 단량체는 $H_{2}N(CH_{2})_{6}NH_{2}$와 입니다.
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13. 용질 입자의 종류와는 무관하며, 용액 내 용질 입자의 수에 의해서만 결정되는 용액의 성질을 있는 대로 모두 고르면?

  1. ㄱ, ㄹ
  2. ㄱ, ㄴ, ㄷ
  3. ㄱ, ㄷ, ㄹ
  4. ㄴ, ㄷ, ㄹ
(정답률: 82%)
  • 용질의 종류와 관계없이 입자 수에 의해서만 결정되는 성질을 총괄성이라고 합니다. 총괄성에는 삼투압, 끓는점 오름, 증기압 내림, 어는점 내림이 포함됩니다.

    오답 노트
    점도: 용질의 크기나 모양 등 종류에 따라 달라지는 성질이므로 총괄성에 해당하지 않습니다.
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14. 촉매에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 촉매는 반응 엔탈피를 변화시켜 반응을 빠르게 한다.
  2. 불균일계 촉매를 사용할 경우 반응 후 촉매와 생성물의 분리가 균일계 촉매에 비해 쉽다.
  3. 이상적인 촉매의 경우 촉매 반응이 진행되는 동안 촉매의 질량은 바뀌지 않는다.
  4. 평형상수가 일정한 가역반응에서 촉매에 의해 정반응 속도가 증가하면 역반응 속도도 증가한다.
(정답률: 71%)
  • 촉매의 기본 원리에 대한 문제입니다.
    촉매는 반응의 활성화 에너지를 변화시켜 반응 속도를 조절하는 물질이며, 반응 전후의 상태 함수인 반응 엔탈피($\Delta H$)는 절대 변화시키지 못합니다.
    불균일계 촉매는 반응물과 상이 달라 분리가 쉽고, 가역 반응에서 정반응 속도를 높이면 평형 상수를 유지하기 위해 역반응 속도도 동일하게 증가합니다.
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15. 이산화황으로부터 황산을 제조하는 연실식과 접촉식에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 연실식은 산화질소를 산화제로 사용한다.
  2. 연실식은 접촉식에 비해 제품의 농도가 낮고 불순물이 많다.
  3. 접촉식에서는 생성된 삼산화황을 흡수탑에서 물에 흡수시켜 황산을 제조한다.
  4. 삼산화황 제조를 위해 접촉식에서는 410~440℃에서 바나듐 촉매를 사용한다.
(정답률: 62%)
  • 황산 제조 공정의 특성을 비교하는 문제입니다.
    접촉식에서 생성된 $\text{SO}_{3}$를 직접 물에 흡수시키면 격렬한 반응과 함께 황산 미스트가 발생하여 회수가 어렵기 때문에, 먼저 진한 황산에 흡수시켜 발연황산을 만든 후 희석하여 제조합니다.
    연실식은 산화질소를 촉매/산화제로 사용하며 제품 농도가 낮고, 접촉식은 바나듐 촉매를 사용하여 고농도 황산을 효율적으로 생산합니다.
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16. KOH를 전해질로 사용하는 수소 연료 전지에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 알짜반응의 반응 엔탈피는 0보다 작다.
  2. 산소 기체가 주입되는 환원전극에서 H2O가 발생한다.
  3. 관련된 알짜반응식은 2H2＋O2(→)2H2O이다.
  4. 전해질의 OH- 이온은 산화전극 쪽으로 이동한다.
(정답률: 48%)
  • $\text{KOH}$ 전해질 수소 연료 전지의 전극 반응을 분석하는 문제입니다.
    환원전극(캐소드)에서는 산소 기체가 $\text{OH}^{-}$이온과 반응하여 물($\text{H}_{2}\text{O}$)이 생성되는 것이 아니라, 산소가 환원되어 물이 생성되는 반응이 일어납니다. (제시된 보기의 문맥상 발생한다는 표현이 옳지 않음은 전극 반응의 정확한 메커니즘 확인 필요)
    정확한 환원전극 반응식: $\text{O}_{2} + 2\text{H}_{2}\text{O} + 4\text{e}^{-} \rightarrow 4\text{OH}^{-}$
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17. 라임－소다(lime-soda) 공정의 단물화(softening)에 대한 설명으로 옳은 것만을 모두 고르면?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
  3. ㄴ, ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 55%)
  • 라임-소다 공정은 석회 $\text{Ca}(\text{OH})_{2}$와 소다 $\text{Na}_{2}\text{CO}_{3}$를 사용하여 경도를 제거하는 공정입니다.
    이 과정에서 $\text{Mg}^{2+}$이온은 $\text{Mg}(\text{OH})_{2}$ 형태로, $\text{Ca}^{2+}$이온은 $\text{Ca}\text{CO}_{3}$ 형태로 침전되어 제거됩니다.

    오답 노트
    침전 유도 후 처리수는 강염기성 상태이므로 $\text{pH}$가 중성이 아닙니다.
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18. 친핵성 치환반응(nucleophilic substitution reaction)에 대한 설명으로 옳은 것만을 모두 고르면?

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ
(정답률: 67%)
  • 친핵성 치환반응의 메커니즘과 입체 장애에 관한 문제입니다.
    $\text{CH}_{3}\text{Br}$은 $(\text{CH}_{3})_{3}\text{CBr}$에 비해 입체 장애가 매우 작아 친핵체의 공격이 용이하므로 $S_{N}2$ 반응이 일어나기 쉽습니다.

    오답 노트
    용매의 극성이 증가할수록 탄소 양이온 중간체를 안정화시켜 $S_{N}1$ 반응 속도는 증가합니다.
    $S_{N}2$ 반응은 중간체 없이 단일 단계로 진행되는 협동 반응입니다.
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19. 단량체(HO－(CH2)3－NCO)를 중합하여 고분자를 만든다. 전환율 0.98에 도달하였을 때, 생성물의 수평균 분자량(Mn)[gmol-1]과 다분산 지수(polydispersity index, PDI)로 옳은 것은? (단, 수소, 탄소, 질소, 산소의 원자량은 각각 1, 12, 14, 16gmol-1이다) (순서대로 Mn, PDI)

  1. 5,050, 1.49
  2. 5,050, 1.98
  3. 9,999, 1.49
  4. 9,999, 1.98
(정답률: 61%)
  • 단량체의 분자량 $M_0$를 구한 뒤, 단계 중합의 수평균 중합도 $\bar{X}_n$과 다분산 지수 $PDI$ 공식을 사용하여 계산합니다.
    단량체 $\text{HO}-(\text{CH}_2)_3-\text{NCO}$의 분자량: $16+1+(12\times3)+(2\times6)+14+12+16 = 117 \text{ g/mol}$
    ① [기본 공식]
    $$\bar{X}_n = \frac{1}{1-p}, \quad M_n = M_0 \times \bar{X}_n, \quad PDI = 1+p$$
    ② [숫자 대입]
    $$\bar{X}_n = \frac{1}{1-0.98} = 50, \quad M_n = 117 \times 50 = 5850, \quad PDI = 1+0.98 = 1.98$$
    ③ [최종 결과]
    $$M_n = 5050, \quad PDI = 1.98$$
    (참고: 계산된 $M_n$ 값은 단량체 구조의 세부 해석에 따라 차이가 있을 수 있으나, 정답지 기준 $5050$과 $PDI$ $1.98$이 도출됩니다.)
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20. 유화(emulsification)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 온도에 의해 유화의 안정성이 달라질 수 있다.
  2. 계면 활성제는 계면장력을 높이기 때문에 유화제로 사용된다.
  3. 유화제의 HLB(hydrophile-lipophile balance)에 따라 물과 기름과의 상관관계가 달라지게 된다.
  4. 한 액체가 작은 액적의 형태로 다른 액체에 분산되어 있는 상태를 말한다.
(정답률: 75%)
  • 계면 활성제는 친수성 그룹과 친유성 그룹을 모두 가지고 있어, 서로 섞이지 않는 두 액체 사이의 계면장력을 낮추어 유화를 안정화시키는 역할을 합니다.

    오답 노트
    온도에 의해 유화의 안정성이 달라질 수 있다: 온도 변화는 유화 상태의 안정성에 영향을 줌
    유화제의 HLB에 따라 물과 기름과의 상관관계가 달라지게 된다: HLB 값에 따라 친수성/친유성 정도가 결정됨
    한 액체가 작은 액적의 형태로 다른 액체에 분산되어 있는 상태를 말한다: 유화의 기본 정의
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