5급 공채 2차

2024년 5급 공채 기술 2차 공업화학

문제 4개 · 100점. 참고 답안·채점 기준은 앱에서 볼 수 있습니다.

제1문 (25점)

띠 간격(band gap)이 2.40eV인 고체 반도체 MX가 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)의 소재로 사용될 때, 다음 물음에 답하시오. (총 25점)
  1. (1) MX의 띠 간격에 해당하는 전자기파의 파장[nm]을 구하시오. (단, 플랑크 상수는 6.40×10-34Js, 빛의 속도는 3.00×108ms-1, 1eV는 1.60×10-19J이다) (5점)
  2. (2) 분말 상태의 MX가 자연광 조사 하에서 나타내는 색과 그 이유에 대해 설명하시오. (단, 가시광선 전자기파의 색 성분별 파장 범위는 아래 <표 1>과 같고, 빛의 반사는 무시한다) (9점)
    <표 1> 가시광선 전자기파의 색 성분별 파장 범위
    색 성분파장[nm]
    빨강
    주황
    노랑
    초록
    파랑
    보라    		645～699
    584～645
    576～584
    491～576
    424～491
    399～424
  3. (3) MX를 이용해 제작되는 LED의 구조와 작동 원리를 설명하고, LED에서 발생되는 빛의 색과 2)의 분말 MX의 색을 비교하여 설명하시오. (11점)

제2문 (25점)

여러 가지 상용고분자는 자유라디칼 중합을 통해 제조할 수 있다. 자유라디칼 중합은 개시, 성장, 종료 단계로 진행되며, 형성된 고분자의 분자량 분포는 다분산지수(Polydispersity Index, PDI)로 나타낸다. 이에 대한 다음 물음에 답하시오. (총 25점)
  1. (1) 자유라디칼 중합으로 형성되는 고분자는 일반적으로 PDI가 높다. 개시 단계와 종료 단계에서 PDI를 높이는 가장 중요한 원인에 대해 각각 설명하시오. (10점)
  2. (2) 자유라디칼 중합에서 PDI를 낮추는 방법으로 원자－이동 라디칼 중합법(ATRP, Atom Transfer Radical Polymerization)이 개발되었다. ATRP 중합법이 PDI를 낮추는 원리를 설명하시오. (5점)
  3. (3) ATRP 중합법에서는 성장 단계에서 단량체와 반응하는 라디칼의 농도가 일정하다고 가정한다. 단량체의 전환율을 \mathrm{P} = 1 - \frac{{[ M ]}}{{[ M ]_{{0}}}}로 정의할 때, 성장 단계에서 \ln ( 1 - \mathrm{P} )^{{- 1}}이 반응시간(t)에 선형적으로 비례함을 증명하시오. (단, \, [ \mathrm{M} ]_{{0}}와 [ \mathrm{M} ]은 각각 초기(t＝0) 및 특정 반응시간(t)에서의 단량체의 농도이다) (10점)

제3문 (25점)

그림은 600K에서 3mol의 폼산(HCOOH(g))이 일차 반응을 통해 이산화탄소(CO2(g))와 수소(H2(g))로 분해될 때, 반응시간(t)에 따른 HCOOH(g)의 부분 압력(PFA)을 나타낸다. 다음의 가정을 전제로 물음에 답하시오. (총 25점)
<가 정>
○기체는 이상기체이다.
○반응 온도는 일정하다.
○반응기의 부피는 일정하다.
○t＝0에서 반응기에 HCOOH(g)만 존재한다.

[그림]
  1. (1) 반감기[s]를 구하시오. (5점)
  2. (2) 속도상수를 구하시오. (단, ln2＝0.7이다) (10점)
  3. (3) HCOOH(g)이 완전 분해되었을 때, 계의 압력[mmHg]을 구하시오. (5점)
  4. (4) 600K에서 HCOOH(g)의 표준 생성열(\Delta H_{{\, f}}^{{\, o}})은 －378.6kJmol-1이고, CO2(g)의 \Delta H_{{\, f}}^{{\, o}}은 －393.5kJmol-1일 때, 600K에서 전체 분해 반응의 표준반응 엔탈피\Delta H_{{}}^{{\, o}}[kJ]를 구하시오. (5점)

제4문 (25점)

철의 부식반응에 의한 생성물인 녹(rust)이 생성되는 전기화학적 반응과정은 다음 두 단계로 나타낼 수 있다. 이에 대한 다음 물음에 답하시오. (총 25점)
①철(Fe)이 물과 산소와 반응하여 산화수가 ＋2인 철을 포함하는 수산화철로 침전되는 과정
②침전된 수산화철이 산소와 추가로 반응하여 산화수 ＋3의 철을 포함하는 갈색의 산화철이 생성되는 과정
  1. (1) 단계 ①, ② 과정의 화학반응식을 각각 적으시오. (10점)
  2. (2) 전기화학적으로 양극과 음극이 분리되면 부식전류를 측정함으로써 부식속도를 계산할 수 있다. 바닷물 속 철 전극이 Fe2+로 부식되며 1.0Am-2의 부식전류가 측정되었을 때, 부식속도[gm-2day-1]를 구하시오. (단, 패러데이 상수는 96,500Cmol-1이며, 철의 원자량은 56이다) (15점)