2024년 5급 공채 기술 2차 환경화학
문제 5개 · 100점. 참고 답안·채점 기준은 앱에서 볼 수 있습니다.
제1문 (30점)
다음은 25°C에서 pE값과 pH값에 따른 질소의 물속 주 화학종 유형을 나타낸 도표이다. (단, 농도와 활동도는 동일하다고 가정한다) (총 30점)
[그림]
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- (1) pE를 정의하고, pE와 물속 질소화학종의 관계를 설명하시오. (10점)
- (2) 다음 두 반쪽 반응을 이용하여 물속에서 {\mathrm{NO}_{2}^{{-}}} ( aq )를 주 화학종으로 발견할 수 없는 pH의 범위를 구하시오. (10점)
\mathrm{NO}_{{3}}^{{-}} ( aq ) + 10 \mathrm{H}^{{+}} ( aq ) + {8 \mathrm{e}^{{-}}} \, - > \, \mathrm{NH}_{{4}}^{{+}} ( aq ) + 3 \mathrm{H}_{{2}} \mathrm{O} ( l )
{{NO}_{2}^{{-}}} ( aq ) + {8 \mathrm{H}^{+}} ( aq ) + {{6 e}}^{{-}} \, \rightarrow \, {\mathrm{NH}_{4}^{{+}}} ( aq ) + {2 \mathrm{H}_{{2}} \mathrm{O}} ( l )pE°＝14.88
pE°＝15.08 - (3) {\mathrm{NH}_{4}^{{+}}} ( aq )와 {\mathrm{NH}_{3}} ( aq )의 경계가 pH＝9.26일 때, {\mathrm{NH}_{4}^{{+}}} ( aq )의 산 해리 상수를 구하고, {\mathrm{NO}_{2}^{{-}}} ( aq )와 {\mathrm{NH}_{3}} ( aq )의 경계를 나타내는 pE－pH식을 구하시오. (10점)
제2문 (15점)
다음은 수은(\mathrm{Hg})과 염소(\mathrm{Cl})가 관련된 4가지 화학 반응식과 25°C에서의 평형 상수(K)이다. (총 15점)
하천에 {\mathrm{HgCl}_{{2}}} ( aq )가 누출된 후 해리된 {\mathrm{Hg}^{{2 +}}} ( aq )가 {\mathrm{Cl}^{{-}}} ( aq )와 반응하여 착물을 형성할 때, 다음 물음에 답하시오. (단, 위 반응 외 다른 착물반응은 일어나지 않는다고 가정한다)
| {\, \mathrm{HgCl}^{{+}}} ( aq ) \, \rightarrow \, {\mathrm{Hg}^{{2 +}}} ( aq ) \, + \, {\mathrm{Cl}^{{-}}} ( aq ) {\, \mathrm{HgCl}_{{2}}} ( aq ) \, \rightarrow \, {\, \mathrm{HgCl}^{{+}}} \, ( aq ) + \, {\mathrm{Cl}^{{-}}} ( aq ) {\, \mathrm{HgCl}_{{3}}^{{-}}} ( aq ) \, \rightarrow \, {\mathrm{HgCl}_{{2}}} ( aq ) + \, {\mathrm{Cl}^{{-}}} ( aq ) {\, \mathrm{HgCl}_{{4}}^{{2 -}}} ( aq ) \, \rightarrow \, {\mathrm{HgCl}_{{3}}^{{-}}} ( aq ) \, + \, {\mathrm{Cl}^{{-}}} ( aq ) | K_{{1}} \, = \, 1.9 \times 10^{{- 7}} K_{{2}} \, = \, 3.1 \times 10^{{- 7}} K_{{3}} \, = \, 1.0 \times 10^{{- 1}} K_{{4}} \, = \, 1.1 \times 10^{{- 1}} |
하천에 {\mathrm{HgCl}_{{2}}} ( aq )가 누출된 후 해리된 {\mathrm{Hg}^{{2 +}}} ( aq )가 {\mathrm{Cl}^{{-}}} ( aq )와 반응하여 착물을 형성할 때, 다음 물음에 답하시오. (단, 위 반응 외 다른 착물반응은 일어나지 않는다고 가정한다)
- (1) {\mathrm{Hg}^{{2 +}}} ( aq )가 {\mathrm{Cl}^{{-}}} ( aq )와 반응하여 {\mathrm{HgCl}_{{4}}^{{2 -}}} ( aq )가 생성되는 반응의 화학 반응식을 쓰고, 이 반응에 대한 25°C에서의 평형 상수를 구하는 과정을 쓰시오. (5점)
- (2) 25°C의 하천에서 {\mathrm{Cl}^{{-}}} ( aq )와 {\mathrm{HgCl}_{{2}}} ( aq )의 평형농도가 각각 0.9×10－3M과 1.2×10－8M일 때, {\mathrm{HgCl}_{{4}}^{{2 -_{{}}}}} ( aq ), {\mathrm{HgCl}_{{3}}^{{-_{{}}}}} ( aq ), {\mathrm{HgCl}_{{}}^{{+_{{}}}}} ( aq ), {\mathrm{Hg}_{{}}^{{2 +_{{}}}}} ( aq )의 농도(\mathrm{M})를 각각 구하시오. (10점)
제3문 (15점)
도금공장폐수는 중금속오염 문제를 일으킬 가능성이 높다. 크롬산(\mathrm{CrO}_{3})을 산성용액에서 전기화학적 방법으로 환원시켜 금속표면에 크롬을 도금할 때, 다음 물음에 답하시오. (단, 크롬의 원자량은 52이다) (총 15점)
- (1) 산성용액에서 일어나는 크롬산의 전기화학적 환원 반쪽반응식을 쓰고, 20A의 전류로 2.0M 크롬산 용액을 환원시켜 39.0g의 크롬을 도금하는 데 필요한 시간(hr)을 구하시오. (단, 패러데이 상수 F＝9.65×104C/(mole－)) (10점)
- (2) 도금 후 남아있는 \mathrm{Cr}(VI) 이온은 인체에 유해하기 때문에 덜 해로운 Cr(III)로 환원시키는 방법으로 처리한다. \mathrm{Cr}(VI) 이온은 산성용액에서 {\mathrm{Cr}_{{2}} \mathrm{O}_{{7}}^{{2 -}}} ( aq ) 형태로 존재한다고 할 때, 이 화합물이 \mathrm{Cu} 금속을 넣었을 때 자발적으로 환원이 일어나는지 여부와 그 이유를 설명하시오. (5점)
\mathrm{Cr}_{{2}} \mathrm{O}_{{7}}^{{2 -}} ( aq ) + 14 \mathrm{H}^{{+}} ( aq ) + 6 \mathrm{e}^{{-}} \, - > \, {2 \mathrm{Cr}^{{3 +}} ( aq ) + 7 \mathrm{H}_{{2}} \mathrm{O} ( l )}
{\mathrm{Cu}^{{2 +}}} ( aq ) + 2 e^{{-}} \, \rightarrow \, {\mathrm{Cu}} ( s )E°＝1.33V
E°＝0.34V
제4문 (20점)
폐기물에 포함되어 있는 유해화학물질(hazardous chemical)이 자연계에 배출되어 인체와 생태계에 끼치는 위해성(risk)을 평가하기 위해서는 유해화학물질의 이동(transport), 영향(effect), 운명(fate)에 대한 이해가 필요하다. 다음 물음에 답하시오. (총 20점)
- (1) 지하수를 통한 유해화학물질의 이동성을 평가하기 위하여 분배계수(distribution coefficient)를 이용할 수 있다. 이 계수의 정의와 의미를 설명하시오. (10점)
- (2) 위해성 평가(Risk Assessment)에서 사용하는 용량－반응(dose-response) 곡선에 대해 설명하시오. (10점)
제5문 (20점)
자연계에서 carbonate-bicarbonate system의 평형을 이해하는 것은 중요하다. 이를 위해서 알칼리도(alkalinity)라는 용어를 사용한다. 다음 물음에 답하시오. (총 20점)
- (1) 알칼리도(alkalinity)와 페놀프탈레인 알칼리도(phenolphthalein alkalinity)가 무엇인지 각각 설명하시오. (5점)
- (2) 페놀프탈레인 알칼리도가 \mathrm{P}이고 총알칼리도가 \mathrm{T}이며, \mathrm{OH}^{-}와 {\mathrm{HCO}_{3}}^{-}는 함께 존재할 수 없고, 다음의 관계가 있다고 가정한다.\mathrm{P} = [ \mathrm{OH}^{{-}} ] + {0.5 [ CO_{3}^{2} -} ]
\mathrm{T} = [ \mathrm{OH}^{{-}} ] + [ \mathrm{CO}_{3}^{2} - ] + [ {HCO_{3}^{-}} ]
이때 \mathrm{OH}^{-}, \mathrm{CO}_{3}^{2} -, \mathrm{HCO}_{3}^{-} 농도를 근사적으로 구하는 다음 알칼리도 계산표의 (가)～(다)를 \mathrm{P}와 \mathrm{T}를 사용하여 채우고 그 이유를 설명하시오. (10점)적정 결과 [ \mathrm{OH}^{{-}} ] [ \mathrm{CO}_{3}^{2} - ] [ \mathrm{HCO}_{3}^{-} ] \mathrm{P} = 0 0 0 \mathrm{T} \mathrm{P} < 0.5 \mathrm{T} 0 2 \mathrm{P} \mathrm{T} - 2 \mathrm{P} \mathrm{P} = 0.5 \mathrm{T} 0 (가) 0 \mathrm{P} > 0.5 \mathrm{T} (나) (다) 0 \mathrm{P} = \mathrm{T} \mathrm{T} 0 0 - (3) 알칼리도를 측정하는 적정(titration)방법과 알칼리도 표현방법에 대하여 설명하시오. (5점)