2020년 화공기사 1~2회차 공업화학 기출풀이
61. 질산과 황산의 혼산에 글리세린을 반응시켜 만드는 물질로 비중이 약 1.6이고 다이너마이트를 제조할 때 사용되는 것은?
① 글리세릴 디니트레이트
② 글리세릴 모노니트레이트
③ 트리니트로톨루엔
④ 니트로글리세린
TIP) 질산/황산의 혼산 → NO2+ (친전자체: 니트로기) 를 제공한다. 니트로기 + 글리세린 → 니트로글리세린
답4
62. 석유의 증류공정 중 원유에 다량의 황화합물이 포함되어 있을 경우 발생되는 문제점이 아닌 것은?
① 장치 부식
② 공해 유발
③ 촉매 환원
④ 악취 발생
해설)
■원유의 조성 : C(87%), 수소(11%), 산소(2%이내), 질소(1%이내), 황(4%이내), Ash회분(0.01)
원유를 구성하는 탄화수소 : 파라핀계(알칸), 나프텐계(사이클로알칸), 방향족 탄화수소로 이중에서 파라핀계+나프텐계 = 80~90%를 차지 한다.
원유에 들어 있는 황은 대략 0.1~4 wt%범위이며, 주로 유기황화합물 형태로 존재
무기황화합물은 : 부식성으로 해로운 기체, 불쾌한 냄새가 난다.
대부분 황화합물은 수소처리 공정을 통하여 석유유분으로부터 제거되며, 이때 황화수소가 발생되게 되고, 이것은 적절한 흡수되고 황은 회수한다.
중질 석유유분 중에 처리되지 않고 남아 있는 황화합물은 연소하여 이산화황으로 되며, 대기오염의 원인이 된다.
답3
63. 95.6% 황산 100g을 40% 발연황산을 이용하여 100% 황산을 만들려고 한다. 이론적으로 필요한 발연황산의 무게(g)는?
① 42.4
② 48.9
③ 53.6
④ 60.2
64. 격막법 전해조에서 양극과 음극 용액을 다공성의 격막으로 분리하는 주된 이유로 옳은 것은?
① 설치 비용을 절감하기 위해
② 전류 저항을 높이기 위해
③ 부반응을 작게 하기 위해
④ 전해 속도를 증가시키기 위해
■전기분해에 의해 가성소다를 제조하는 전해소다법이라하며, 격막법과 수은법 그리고 멤브레인 셀법이 있다.
격막법은 식염수용액을 흑연양극과 철음극을 이용하여, 전기분해할때에 양극실과 음극실에서 생성하는 물질의 혼합을 피하기 위해 두전극실 사이에 격막(석면)을 사용하여 분리시켜, 음극실에는 가성소다와 수소를 양극실에서는 염소를 얻는 방법이다.
음극으로 탄소 또는 흑연을 사용하고, 양극의 경우 염소가 강한 부식력을 지니고 있어 양극자체가 쉽게 산화하므로 티타늄 등과 같은 전이금속 산화물을 포함한 를 코팅하여 사용한다. 이러한 전극을 DSA라하며, 이는 거의 부식되지 않으며 부반응인 산소생성반응이 매우 작게 일어난다.
(+)양극 : 2Cl- → Cl2 +2e- 1.36V = E1
(-)음극 : 2H2O +2e- → H2 + 2OH- -0.84V = E2
2H2O → O2 +4H- +4e- -1.23V = E3 (산소생성반응)
Eº = E1 + E2 > E1 + E3
∴ G = -nFE
산소생성반응을 일어나지 않기 위해 다공성 격막으로 분리시킨다.
답3
65. 25wt% HCl 가스를 물에 흡수시켜 35wt% HCl 용액 1ton을 제조하고자 한다. 이 때 배출가스 중 미반응 HCl 가스가 0.012wt% 포함된다면 실제 사용된 25wt% HCl 가스의 양(ton)은?
① 0.35
② 1.40
③ 3.51
④ 7.55
66. 고체 MgCO3가 부분적으로 분해되어진 계의 자유도는?
① 1
② 2
③ 3
④ 4
67. 다음 염의 수용액을 전기분해할 때 음극에서 금속을 얻을 수 있는 것은?
① KOH
② K2SO4
③ NaCl
④ CuSO4
68. 에스테르화(esterification) 반응을 할 수 있는 반응물로 옳게 짝지어진 것은?
① CH3COOC2H5, CH3OH
② C2H2, CH3COOH
③ CH3COOH, C2H5OH
④ C2H5OH, CH3CONH2
해설)
참고) 에스테르화 반응 ≠ 비누화반응
답3
69. 니트로 이온(NO2+)을 생성하는 중요 인자로 밝혀진 것과 가장 거리가 먼 것은?
① C2H5ONO2
② N2O4
③ HNO3
④ N2O5
니트로늄 이온 : 친전자체 : 전자를 좋아한다. NO2+ : 니트로를 첨가시키기 위한 좋은 반응물질(니트로화)
HNO3/H2SO4 의 혼산 : NO2+ 생성
NO2 → N2O4 + Q
2N2O5 → 4NO2 + O2
2NO2 → NO2+ + O2 : 광분해 기작
답1
70. 접촉식 황산제조와 관계가 먼 것은?
① 백금 촉매 사용
② V2O5 촉매 사용
③ SO3 가스를 황산에 흡수시킴
④ SO3 가스를 물에 흡수시킴
해설)
황산의 제조공정은 3가지로 분류
1) 원료로부터 SO2를 제조하는 공정
2) SO2를 SO3로 산화시키는 공정 (연실법과 접촉식법) : 촉매는 과거 백금촉매였으나, 최근에는 V2O5촉매를 사용
3) SO3를 진한 황산에 흡수시키는 공정
발연황산과 98%황산을 제조.
발연황산 : 화약, 유기합성에 사용
진한황산 : 석유정제, 섬유, 비료에 사용
답4
71. 아닐린을 Na2Cr2O7을 산화제로 황산용액 중에서 저온(5℃)에서 산화시켜 얻을 수 있는 생성물은?
① 벤조퀴논
② 아조벤젠
③ 니트로벤젠
④ 니트로페놀
아닐린 및 벤조퀴논 분자 구조 필수 암기
해설)
아닐린에서 강력한 산화제를 사용했을 경우, 치환할수 있는 곳에 산화가 일어나는 형태로
답1
72. 고분자 합성에 의하여 생성되는 범용 수지 중 부가 반응에 의하여 얻는 수지가 아닌 것은?
해설)
부가반응의 예
①비닐단랑체의 라디칼 중합
②비닐단량체의 양이온 중합
③비닐단량체의 음이온 중합
④카보닐 화합물의 이온 중합
⑤배위 중합
단계성장중합반응 : 축합반응 : 탈수반응 : 작은분자의 제거가 동반
용어 : 범용수지(합성수지)
부가반응(첨가반응) : 이중결합에 의한 첨가반응
풀이)
②비닐계
③스티렌
④에틸렌
모두 단량체에 이중결합을 지님
① 탈수중합반응
TIP)
첨가반응은 분자구조에 O(산소)가 있으면 오답, 단량체에 무조건 이중결합이 존재하여야 한다. (=친핵성 첨가반응)
73. 융점이 327℃이며, 이 온도 이하에서는 용매가공이 불가능할 정도로 매우 우수한 내약품성이 지니고 있어 화학공정기계의 부식방지용 내식재료로 많이 응용되고 있는 고분자 재료는?
① 폴리테트라 플로로에틸렌
② 폴리카보네이트
③ 폴리이미드
④ 폴리에틸렌
■특수 엔지니어링 플라스틱
~고내열 부품에 사용하며, 사용온도가 150℃이상이 되는 플라스틱 수지이다.
①테플론(PTEE)
②폴리에터에터케톤(PEEK)
③폴리아릴레이트(PAR)
④폴리설폰
⑤폴리에터설폰
상품명 : 테플론
화학명 : 테트라 플로로에틸렌
답1
74. 수성가스로부터 인조석유를 만드는 합성법으로 옳은 것은?
① Williamson 법
② Kolbe-Schmitt법
③ Fischer-Tropsch법
④ Hoffman법
■Williamson ether synthesis 법 : 알코올로부터 에테르를 합성하는 법
■Kolbe–Schmitt reaction : 페놀로부터 살리실산을 합성하는 법
TIP)
아스피린 : 살리실산 : 해열제 ( 쿨베 - 시원하다 - 해열제 - 살리실산 )
■Ficher-Tropsch 법 :
■Hoffman 전위반응 : 아미드에서 아민으로 전환하는 반응
참고) 이 문제들은 기본적으로 구조를 알아야 쉽게 접근이 가능하다.
답3
75. 진성 반도체(intrinsic semiconductor)에 대한 설명 중 틀린 것은?
① 전자와 hole쌍에 의해서만 전도가 일어난다.
② Fermi 준위가 band gap내의 valence band 부근에 형성된다.
③ 결정 내에 불순물이나 결함이 거의 없는 화학양론적 도체를 이룬다.
④ 낮은 온도에서는 부도체와 같지만 높은 온도에서는 도체와 같이 거동한다.
해설)
■반도체 란?
도체와 부도체의 성격을 지닌 물체( 넓은 의미)
1) 10-4~10-10 전기저항을 가진 물체
2) 마이너스 온도계수 가진 물체 ; 온도↑ → 전기저항↓ ( 금속은 온도↑→전기저항↑)
3) 불순물이 전기저항에 영향을 주는 물체
4) 광전효과, Hall 효과, 전류 작용을 나타내는 물체
■페르미의 에너지 밴드이론
에너지 밴드란? 전자가 채워져 있는 높이- 각 물질들은 전자의수가 다르기 때문에, 페르미 레벨 또한 다를 것이다. 전자가 다른 두 물질이 큰 쪽에서 작은쪽으로 자동적으로 이동하여, 페르미 레벨이 같을때까지 조절된다는 이론.
<결정에서의 궤도 형성>
전도대 : 전자의 이동 : 높은 에너지 : 전자가 활발하게 움직일수 있는 구역
금지대 : 전자가 존재할 수 없는 에너지 상태의 부분 : 이것이 반도체 와 도체를 구별하는 기준이 됨.
충만대 : 정공의 이동 : 낮은 에너지
■반도체 → 순수한 반도체 : 진성반도체는 항상 전자 : 4개 & 정공 : 4개 로 같다. → 충만대의 정공수와 전도대의 전자수가 동일하므로, 페르미 레벨은 항상 금지대의 중앙에 있다는 것을 알수 있다.
순수한 반도체 그 이외를 불순물이라한다.(ex. 3족 또는 5족) = 13족 15족
순수한 반도체에서 불술물을 첨가시켜 반도체의 기본 근간이라 할수 있다.
답2
76. 염화수소 가스의 합성에 있어서 폭발이 일어나지 않도록 주의하여야 할 사항이 아닌 것은?
① 공기와 같은 불활성 가스로 염소가스를 묽게 한다.
② 석영괘, 자기괘 등 반응완화 촉매를 사용한다.
③ 생성된 염화수소 가스를 냉각 시킨다.
④ 수소가스를 과잉으로 사용하여 염소가스를 미반응 상태가 안되도록 한다.
염산의 제조
1)직접 염산(순수염산제조)
① 합성염산법 → : 특징 :자외선, 라디칼, 발열반응
가. 와 로부터 생성반응 (일종의 연쇄반응)
라디칼반응 → 활성적인 연쇄반응 → 폭발적인 연소반응 → 연소반응진행을 억제 하기 위한 조업 → 공급가스양 과 가스압을 조절, 연소탑의 외부로 물로 냉각
공급가스양 조절은 의 과량주입하고, 의 양을 줄여야 한다 (WHY? 염소라디칼분자가 생성하므로)
- 내열, 내염소성의 석영유리 또는 합성수지 함침 불침투 흑연재료로 만든 반응기 사용하여 자외선 차단
- 원료의 몰비를 1:1 보다 약 10% 수소과잉상태로 반응시켜 폭발방지, 미반응 를 남기지 않는다.
- 불활성가스로 희석하거나 반응완화 촉매를 사용
③생성된 HCl 가스를 냉각시킨다 (x) → 연소탑의 외부를 물로 냉각시킨다.
답3
77. 다음 중 고옥탄가의 가솔린을 제조하기 위한 공정은?
① 접촉개질
② 알킬화 반응
③ 수증기분해
④ 중합반응
■옥탄가 = 이소옥탄 / (이소옥탄 + n-헵탄) : 가솔린 연료가 높은 압축비에 얼마나 잘 견딜수 있는가의 척도
옥탄가가 높으면 높은 압축비에 잘 견디고, 열효율이 높다.
이소옥탄의 함량이 높을수록 고옥탄가이다. → 이소옥탄 (가지달린) 즉, 가지가 많을수록 방향족일수록 고옥탄가
■개질(refoming) ; 고옥탄가의 가솔린을 얻는 조작(가지를 달린 조작) or BTX을 주요 얻는 공정
1)접촉개질 : ⓛ나프텐의 탈수소반응, ②이성질화 분해반응, ③수소화 분해반응
그러나, 접촉개질에서 고옥탄가의 가솔린 생산을 만족하지 못하기에(대기오염 등의 문제), 고옥탄가 생산의 주 목적으로 알킬화, 이성질화, 중합 등을 행한다.
답2
78. 솔베이법에서 암모니아는 증류탑에서 회수된다. 이 때 쓰이는 조작 중 옳은 것은?
① Ca(OH)2를 가한다.
② Ba(OH)2를 가한다.
③ 가열 조작만 한다.
④ NaCl을 가한다.
답1
79. 가성소다(NaOH)를 만드는 방법 중 격막법과 수은법을 비교한 것으로 옳은 것은?
① 격막법에서는 막이 파손될 때에 폭발이 일어날 위험이 없다.
② 제품의 가성소다 품질은 격막법보다 수은법이 좋다.
③ 수은법에서는 고동도를 만들기 위해서 많은 증기가 필요하기 때문에 보일러용 연료가 많이 필요하다.
④ 전류 밀도에 있어서 격막법은 수은법의 5∼6배가 된다.
수은법의 특징
- 음극재료로 수은을 이용하는 방법으로 고순도 얻음.
- 나트륨아말감을 물과 접촉시키면 수은에 녹아 있던 나트륨이 물과 반응하여 수산화나트륨 수용액이 되고, 수소기체가 발생한다. 수산화나트륨을 증발시키면, 순도 높은 수산화나트륨이 얻게 된다.
- 수은법의 전해조에 중금속불순물이 미량이도 혼입되면, 음극의 수소과전압이 저하하여, 반응이 현저히 늦어지므로 공급 간수의 정제는 대단히 중요하다
- 환경오염을 유발하여, 현재에는 사용하지 않는다.
격막법의 특징
- 포화함수를 60~70℃예열, 양극에 도입하면 격막을 통해 음극으로 흘러가서 알칼리 생성.
- 석면을 격막으로 사용하는 이유는 양극에서 발생하는 염소기체와 음극액이 수산화나트륨과 반응하여 차아염소산의 생성을 막기 위해서이다.
답2
80. 아래와 같은 장/단점을 갖는 중합반응공정으로 옳은 것은?
| <장점> - 반응열 조절이 용이하다 - 중합속도가 빠르면서 중합도가 큰 것을 얻을수 있다. - 다른 방법으로는 제조하기 힘든 공중합체를 만들수 있다. <단점> - 첨가제에 의한 제품오염의 문제점이 있다. |
① 괴상중합
② 용액중합
③ 현탁중합
④ 유화중합
답4
해설
중합 : 고분자 반응공학
개요
고분자와 저분자 화합물의 대량생산 시 고려되어야 할 차이점은 다음과 같다.
높은 분자량과 분자량 분포를 보이므로 높은 용융 점도를 보인다. 중합반응은 엔트로피 감소를 의미하므로, 전체 중합반응은 엔탈피 감소, 즉 발열반응이다. 따라서 생성열의 제거가 부득이한 문제로 발생한다. 부가중합반응은 사슬 운반체의 정상 상ㅌ태 농도가 보통 낮으므로, 불순물에 매우 민감하며, 사슬 성장 중합반응 역시 높은 분자량을 얻기 위해서는 높은 전환율이 필요하다.
중합반응에서는 얻어진 생성물은 증류,결정화 등의 연속과정을 통해 생성물의 질을 향상시키는 것에 불가능하다. 즉 중합반응은 이미 생성물의 순도는 거의 결정된다. 원하는 생성물을 얻기 위해서는 적절한 반응기와 작동 조건을 선택하는 문제가 중요시되며, 반응기에서 발생가능한 현상에 대한 충분한 지식이 요구된다.
중합체는 중합방법에 따라 그 형태가 괴상, 입상, 용액상 분말상이 만들어진다. 일반적으로 중합은 액체상태에서 행해지고 있으며, 이것은 대부분의 단량체가 액체상태로 되어 있기 때문이다. 단량체가 기상으로 되어 있는 경우는 적으며, 대표적인 것은 에틸렌 단량체를 기상중합하여 폴리에틸렌을 만드는 것이다.
대부분의 고분자는 중합방법으로 괴상, 용액, 현탁, 유화중합법으로 제조된다.
중합 공정의 분류는 균질공정과 비균질 공정으로 나뉜다.
균일한 공정은 단량체,개시제,용매 등의 반응물이 서로 용해성이 있으며, 생성되는 고분자에 대해서도 상용성이 있는 경우를 뜻한다. 그 예는 벌크중합, 용액중합
비균일공정은 촉매, 단량체, 고분자 생성물이 서로 비용해성인 경우로, 현탁,에멀젼,계면중합이 있다.
■유화중합(Emulsion poiymerization)
~ 단량체를 분산매에 유화분산(액체 중에서 이 액에 용해되지 않고, 미립자형태로 분산되어 있는 상태)시켜 중합시키는 방법이다. 유화중합은 스티렌, 염화비닐과 같이 물에 녹지 않은 비닐단량체를 중합시키는데 적합하다.
장점 : 시스템의 물리적 상태는 높은 중합속도 및 높은 평균 사슬길이를 얻을수 있다. 좁은 분자량 분포, 라텍스, 즉 유화상태에서 직접사용이 가능하다.
단점 : 중합 시스템상 순수한 중합체를 얻기 어렵다. 고형 중합체 생성물을 요구하는 경우 공정이 어려워진다. 물의 존재로 인해 수득률이 낮다.