2025년 5급 공채 기술 2차 환경화학
문제 5개 · 100점. 참고 답안·채점 기준은 앱에서 볼 수 있습니다.
제1문 (10점)
산화－환원 현상은 자연수와 폐수의 환경화학적인 측면에서 매우 중요하다. 수권의 산화－환원에 대한 다음 물음에 답하시오. (총 10점)
- (1) 바닥층과 표면층으로 구분된 호숫물이 열역학적으로 평형을 이루고 있을 때, 호숫물의 바닥층과 표면층에 존재 가능한 탄소, 질소, 황 함유 화학종을 각각 하나씩 쓰시오. 또한 두 층에 존재하는 화학종들의 특징을 산화－환원 상태와 연관지어 설명하시오. (6점)
- (2) 호수에서 산소가 유기물질(CH2O)에 의해 환원되는 반응에 대한 화학반응식을 쓰고, 이 반응이 호수 생태계에 어떠한 영향을 미칠 수 있는지 설명하시오. (4점)
제2문 (10점)
질소는 N2의 안정한 형태로 존재하며, 대기 부피의 78%를 차지한다. 그러나 질소 화합물들의 형태는 매우 다양하며, 지구 환경의 여러 권역에 분포되어 있다. 이러한 질소 화합물들은 복잡한 경로를 통해 전 지구적으로 순환한다. 질소 순환에 관한 다음 물음에 답하시오. (총 10점)
- (1) 무기질소 화합물을 암모니아부터 질산염까지 제시하고 질소의 산화수 변화를 단계적으로 표시하시오. 또한 각 산화ㆍ환원 단계에서의 대표적인 화합물을 한 가지씩 제시하시오. (5점)
- (2) 하버－보시 공정(Haber-Bosch)과 화석연료 연소로부터 유래한 인류권의 고정ㆍ산화 질소가 지구 온난화에 영향을 미치는 직ㆍ간접적인 경로들을 모두 설명하시오. (5점)
제3문 (30점)
자동차 엔진의 실린더 내부에서는 연료에 함유된 C8H18이 연소되어 에너지가 발생된다. 연소 반응이 일어나면 엔진 내부의 온도가 매우 높아져서 C8H18과 함께 엔진으로 주입된 공기 성분인 질소(N2)와 산소(O2) 사이의 반응이 일어나 일산화질소(NO)가 생성(㉠)된다. 엔진 속에서 C8H18 11.4g과 공기 200.0g의 완전 연소 반응이 완결된 후 도달한 평형 상태(㉡)에서 NO(g)의 몰분율은 2.7×10-4이다. 엔진에서 배출된 NO(g)가 부피가 V \,L인 강철 용기 속에서 모두 O2(g)와 반응하여 NO2(g)로 변화한 후, 다음의 반응을 통해 300K에서 평형 상태(㉢)에 도달하였다. 이 반응의 평형상수(K_{{\mathrm{p}}})는 300K에서 3.6×10-2이다.
다음 물음에 답하시오. (단, \mathrm{N}_{2}, \mathrm{O}_{2}, \mathrm{C}_{{8}} \mathrm{H}_{{18}}의 분자량은 각각 28, 32, 114이고, 공기 중 \mathrm{N}_{2}와 \mathrm{O}_{2} 이외의 성분은 무시하며, 공기 중 N2와 O2의 질량 백분율은 각각 76.9%와 23.1%이고, 모든 기체는 이상 기체의 거동을 한다) (총 30점)
N2O4(g)⇄2NO2(g)
다음 물음에 답하시오. (단, \mathrm{N}_{2}, \mathrm{O}_{2}, \mathrm{C}_{{8}} \mathrm{H}_{{18}}의 분자량은 각각 28, 32, 114이고, 공기 중 \mathrm{N}_{2}와 \mathrm{O}_{2} 이외의 성분은 무시하며, 공기 중 N2와 O2의 질량 백분율은 각각 76.9%와 23.1%이고, 모든 기체는 이상 기체의 거동을 한다) (총 30점)
- (1) \mathrm{C}_{{8}} \mathrm{H}_{{18}}의 완전 연소 반응식과 ㉠ 반응의 화학 반응식을 각각 쓰시오. (6점)
- (2) 평형 상태(㉡)에서 NO(g)의 양[mmol]을 구하시오. (12점)
- (3) 평형 상태(㉢)에서
＝0.21일 때, V \,[L]를 구하시오. (단, 기체 상수 R은 0.082atmㆍLㆍmol-1ㆍK-1이다) (12점)NO2(g)의 양(mol) N2O4(g)의 양(mol)
제4문 (20점)
일반적으로 퇴적물에 의한 인산염의 흡착은 Langmuir 흡착 등온식으로 표현된다. 아래의 두 시료는 오르토인산염 중 하나인 H3PO4를 이용하여 농도가 다른 두 수용액과 단일 퇴적물에서의 평형농도를 나타낸다. 두 시료가 동일한 Langmuir 흡착 등온식을 따른다고 할 때, 다음 물음에 답하시오. (총 20점)
| 수용액, C_{aq}(mol/L) | 퇴적물, C_{s}(mol/g) | |
| 시료 1 | 3.8×10-7 | 1.9×10-7 |
| 시료 2 | 1.4×10-7 | 1.0×10-7 |
- (1) Langmuir 흡착 등온식의 기본 가정을 쓰고, 흡착－탈착의 동적 평형의 원리를 이용하여 이 등온식을 유도하시오. (10점)
- (2) 퇴적물의 인에 대한 친화도[L/mol], 그리고 퇴적물의 최대 인 수용 능력[mol/g]을 계산하시오. (10점)
제5문 (30점)
다음은 25°C에서 이산화탄소와 관련된 여러 반응식과 평형상수를 나타낸 것이다. 이산화탄소 및 탄산칼슘 이외의 산이나 탄산종들을 유발할 수 있는 다른 물질들이 없다고 가정하였을 때, 다음 물음에 답하시오. (총 30점)
CO2(g)⇄CO2(aq) K_{{\mathrm{H}}}＝3.3×10-2M/atm
CO2(aq)＋H2O(l)⇄H2CO3(aq) K_{{\mathrm{r}}}＝2.0×10-3
H2CO3(aq)＋H2O(l)⇄H3O+(aq)＋HCO3-(aq) K_{{\mathrm{a} 1}}’＝2.0×10-4
H2CO3*(aq)＋H2O(l)⇄H3O+(aq)＋HCO3-(aq) K_{{\mathrm{a} 1}}＝K_{{\mathrm{r}}}ㆍK_{{\mathrm{a} 1}}’＝4.0×10-7
(H2CO3*(aq)는 CO2(aq)와 H2CO3(aq)를 포괄)
HCO3-(aq)＋H2O(l)⇄H3O+(aq)＋CO32-(aq) K_{{\mathrm{a} 2}}＝4.7×10-11
CaCO3(s)⇄Ca2+(aq)＋CO32-(aq) K_{{\mathrm{sp}}}＝5.0×10-9
2H2O(l)⇄H3O+(aq)＋OH-(aq) K_{{\mathrm{w}}}＝1.0×10-14
CO2(aq)＋H2O(l)⇄H2CO3(aq) K_{{\mathrm{r}}}＝2.0×10-3
H2CO3(aq)＋H2O(l)⇄H3O+(aq)＋HCO3-(aq) K_{{\mathrm{a} 1}}’＝2.0×10-4
H2CO3*(aq)＋H2O(l)⇄H3O+(aq)＋HCO3-(aq) K_{{\mathrm{a} 1}}＝K_{{\mathrm{r}}}ㆍK_{{\mathrm{a} 1}}’＝4.0×10-7
(H2CO3*(aq)는 CO2(aq)와 H2CO3(aq)를 포괄)
HCO3-(aq)＋H2O(l)⇄H3O+(aq)＋CO32-(aq) K_{{\mathrm{a} 2}}＝4.7×10-11
CaCO3(s)⇄Ca2+(aq)＋CO32-(aq) K_{{\mathrm{sp}}}＝5.0×10-9
2H2O(l)⇄H3O+(aq)＋OH-(aq) K_{{\mathrm{w}}}＝1.0×10-14
- (1) 탄산칼슘으로 포화되어 있으며, 대기 중 부분압력이 4.2×10-4atm인 이산화탄소와 분배평형을 이루는 지표수의 pH를 구하시오. (15점)
- (2) 칼슘의 용해도[mol/L]를 구하고, 기후변화에 의해 이산화탄소의 부분압력이 높아지면 칼슘의 용해도가 어떻게 변화하는지 설명하시오. (5점)
- (3) 실제 하천수의 수온은 25°C보다 현저히 낮은 10°C 정도로 측정된다. 이 경우, 이산화탄소의 용해과정은 발열반응이라는 점을 고려하였을 때, 용존 이산화탄소(H2CO3*(aq))의 농도는 1)의 경우와 어떻게 달라지는지 설명하시오. (10점)끝