2020 화분기(화학분석기사) 실기 필답형 기출 이론 정리 (업데이트 201021)

이 글을 보고 계신분들은 필기 시험은 가뿐하게 통과하고 오셨으리라 생각한다. 혹시 우연치 않게 정보를 모으다가 이 글을 보신 분은 

chemiolin.tistory.com/329

[화학분석기사] 2020 새롭게 달라진 화학분석기사 필기 후기, 공부법, 팁

이 글을 먼저 보고 오시면 필기시험을 이해하는 데에 도움이 될 것이라 믿는다. 

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2020년 들어오면서 NMR, IR, MS 등 분석기기 이론과 계산문제가 복합적으로 엮여서 출제되는 경향이 생기는 것 같다. 공부 제대로 하지 않으면 작업형 만점 받지 않는 이상 불안불안 할듯하다.

(개인적으로 도움 많이 받은 사이트 :jinh.kr/qualify/ 저작권 관련해서 2019년 초반 시험까지만 올라와있음) &네이버카페 예비화공인 카페 미리 가입해두고 등업해두시길!
(www.hidocedu.com/index.asp 여기서 나는 2020, 2019 필답 문제만 해설 강의 긁고 들었다)

단순 이론이나 단답형이 아니라 계산문제로 알아두어야 할 사항들.

1. Proton NMR 문제
- 기본적인 다중도, 피크 위치 등 숙지
- IR과의 연관성 나올 가능성이 다분함 (IR로 작용기 알려주고 나머지 푸는 방식)
- 불포화도 계산, 분자 대칭여부 등을 필두로 능숙하게 풀 수 있어야함

2. 질량분석기
- 20년도 3차에서 비행시간형 질량분석기 (TOF) 공식 유도 문제가 나옴
- 기본적인 원리, 계산 문제도 나올 가능성이 있는 것 같음

3. 전기화학 문제
- 기본적인 galvanic cell의 전위차 문제는 필수적으로 알아두어야함 (Nernst equation)
- 더 심하게 꼬면 표준환원전극 아니고 칼로멜 전극 같은 걸로 줘서 마지막에 함정 팔 수도

4. pH 계산 문제
- pKa (or Ka)를 주고 산의 농도 준다음 포인트 (중화점 이전, 중화점, 중화점 이후) 등에서 pH를 구하는 방법
- 특히 약산+강염기 or 강산 + 약염기 식으로 pH가 7에서 중화되지 않는 케이스가 나올 가능성이 높음

5. 농도 계산 문제
- 기본적으로 %농도를 주고 나오는 염산 몰농도 계산, 전기화학과 연관지을 수 있음 

6. 열분해 문제 or 엔탈피 문제
- 엔탈피 문제 본하버 사이클 등의 개념 다시 읽어보고 가면 좋을듯
- 열분해해서 물 떨어지고 하는 문제들은 풀이방법만 알면 쉽게 풀 수 있음

7. 기타
- nλ=d(sin a + sin b)를 이용하는 슬릿 관련 문제
- A=εbc = -logT 를 이용하는 흡광도, 투과도 문제
- Q값과 Student't 값을 활용한 신뢰도, 신뢰구간 문제

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기타 이론 위주의 문제

AAS

1. 연료: 천연가스/수소/아세틸렌
   광원: 속 빈 음극등

2. 스펙트럼 방해: 분석원소의 흡수선이 방해 물질의 흡수선과 겹쳐서 단색화 장치로 분리할 수 없을 때
-Zeeman 효과 / 연속광원 (중수소등) / 두 선 / Smith-Hieftje(광원 자체반전에 의한 보정, 속 빈 음극등에 저전류와 고전류를 교대로 흘려서 나타난 흡광도의 차이로부터 바탕보정을 하는 방법)

3. 화학적 방해: 원자화 과정 중에 분석물이 여러 화학적 변화에 의해 다른 물질로 변하여 분석선을 흡수하지 못할 때
 1) 비휘발성 화합물: 높은 온도의 불꽃, 해방제 또는 보호제
 2) 산화물, 수산화물 분해가 안될 때 : 연료가 풍부한 불꽃을 사용
 3) 이온화 방해: 이온화 E 낮은 알칼리 금속(Na, K, Li) 존재시 중성원자 만들기 어려움. 이 물질이 아닌 다른 물질들의 이온화 방지를 위해 (K, Cs, Rb)와 같은 것을 오히려 넣어줘서 대신 희생하는 억제제 역할로 넣을 수도 있음 (분석 물질은 중성 원자로 존재하게). Sr 정량위해 K를 넣는 이유와 같음

4. Ca 정량시 EDTA로 보호 (Al, Si, H3PO4 방해 방지 H3PO4는 Ca3(PO4)2를 만들어 중성 Ca 원자를 못 만들게 함). 더 높은 온도의 아세틸렌 - 산화이질소 불꽃 사용. Sr2+, La3+ 같은 해방제 사용. 마찬가지로 Fe 정량시 황산이온 (SO42-)와 결합하면 안정한 물질이 만들어져 Fe 중성 원자를 만들지 못함.

5. 선넓힘 원인
 1) 불확정성 효과 - 전이 상태의 수명이 달라 생기는 효과
 2) 도플러 효과 - 빠르게 움직이는 원자에 의한 효과
 3) 전기장, 자기장 효과 - 센 자기장에서 에너지 준위가 분리됨
 4) 압력 효과 - 다른 원자와의 충돌

6. 낮은 분자량 알코올, 에스테르, 케톤 등의 유기용매 사용시 흡광도 증가 이유
 1) 표면장력이 낮아져 불꽃에 도달하는 시료의 양이 많아졌다
 2) 유기용매가 물보다 더 빠른속도로 증발하여 원자화가 잘 일어난다
 3) 용액의 점도를 감소시켜 분무기가 빨아올리는 효율을 더 좋게 만든다

7. 동심관 형태 기체 분무기: 흡인 (aspiration) - 분무 (spray, nebulization)

8. 할로젠 안 되는 이유: 금속 이온과 결합하여 만들어지는 화합물이 증발되면 빛을 산란시켜 흡광도 측정에 오차를 일으킴

9. Pb 정량시 Fe 방해극복 방법: 수소화물 생성법으로 Pb를 휘발성이 큰 수소화물 PbH4를 만든다. 이후 Ar과 같은 비활성 기체를 이용하여 철로부터 분리한다음 분석한다 (수소화물 생성시 쉽게 기체화 되어서 용기 내에서 모은 후 한꺼번에 원자화 장치에 도입하여 원자화 시킬 수 있기 때문에 검출 한계가 낮아진다, 감도가 좋아진다).

10. 원자화 장치 4가지
 1) 불꽃 원자화 장치
 2) 전열 원자화 장치 (시료를 낮은 온도에서 증발시켜서 건조 시킨 후, 전기적으로 가열된 흑연고나 흑연 컵에 회화 전류를 수백 A까지 빠르게 증가시켜 온도를 2000-3000도로 한다)
 3) 글로우 방전 원자화 장치
 4) 수소화물 생성 원자화 장치 

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Chromatography (HPLC, GC ...)

머무름시간: 시료를 칼럼에 주입한 후 용질이 완전히 용리 되는데까지 걸린 시간. 분배계수 K가 클수록 길어짐

HPLC
-컬럼에 영향을 주는 속도론적 변수 4가지
 1) 유속 2) 세로 확산항 (B/μ) 3)다중 통로항 (A) 4) 질량 이동 계수 (Cμ)

-보호칼럼
 1) 이동상에 들어 있는 오염물질, 부유 물질 제거 2) 정지상에 매우 오래 머무는 성분 제거 3) 이동상에 정지상을 포화시켜 분석칼럼에서 정지상이 손상되는 것을 최소화 

-검출기 4가지
 1)UV-Vis 2) MS 3) IR 4) 전기화학 5) 시차 굴절률 6) 형광 7) 증발 광산란

-등용매용리 : 시작부터 끝까지 용매의 농도 또는 조성을 일정하게 유지하며 용리
-기울기용리 : 서로 다른 두 세가지 이동상을 혼합하는 비율을 단계적으로 변화시키면서 용리

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GC

획기적인 정성, 정량 위한 방법
-분석물이 열에 의해 변질되면 GC-MS에서 측정하기 어려워진다. 그러므로 분석물이 변질이 일어나지 않도록 될 수 있는 한 온도를 낮추어 주거나 크로마토그래피법을 개선하여 변질 문제로 생기는 어려움을 해결.

검출기
1) FID, 불꽃이온화 2) TCD 열전도 3) AED 원자방출 4) TID 열이온화 5) ECD 전자포획 6) FPD 불꽃광도법

-유도체화(derivatization) 이유 2가지
1) 선택성 향상 2) 빠른 분리 3) 분석 대상 물질의 감도가 높아짐

-정상(이동상이 비극성) / 역상(이동상이 극성, 물, MeCN, MeOH, THF..) : 먼저 용리되는 것의 극성 = 이동상 극성
ex) 극성이 작은 물질 먼저 용리 - 이동상이 비극성 - 정상 분배 크로마토그래피 - 고정상이 극성 - 이동상의 극성이 증가할 수록 용리시간이 단축 (관에서 더 잘 빠져나와서 검출기까지 이동)
ex) 극성이 큰 물질 먼저 용리 - 이동상이 극성 - 역상 분배 크로마토크래피 - 고정상이 비극성 - 이동상의 비극성이 증가할 수록 용리시간이 단축

-용리 속도: 전하가 작을 수록 빨리 용리, 수화지름이 클 수록(이온 반지름이 작을 수록)

-FID 장점
1) 높은 감도 2) 넓은 선형 질량 감응 범위 3) 작은 바탕 잡음 4) 편리하고 고장이 잘 안일어남 5) 대부분 이동상과 물에 대한 감도가 매우 낮음

-열린모세관 칼럼 3가지
1) GLC : WCOT / FSOT / SCOT
2) GGC : PLOT

-150도에서 낮은 분자량을 갖는 분자는 분리가 잘 안되고, 큰 분자량을 갖는 분자는 느리게 나와 분리가 똑바로 일어나지 않는 경우 : 150도보다 낮은 온도에서 150 보다 높은 온도까지 서서히 온도를 증가시키며 분석하는 온도 프로그래밍

-시료주입
 -분할주입: 소량 부피 주입 / 일부만 칼럼에 들어감 / 빠른 증발을 위한 높은 온도 / 휘발성 시료에 적합 / 진한 농도 시료
 -비분할주입: 0.01% 이하 묽은 농도 / 높은 분리능 / 큰 휘발성 용매에 용해된 끓는점이 높은 용질 대상 / 시료 천천히 주입되어서 칼럼에서 냉각 트래핑 또는 용매 트래핑이 필요

-화학이온화: 기체 분석물질의 분자량 (탄화수소 등) 측정시 약한 이온원인 화학 이온화 사용

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분광법(Spectroscopy)

1) 흡광 (Absorption) 2) 형광 (Fluorescence) 3) 인광 (Phosphorescence) 4) 산란 (Scattering) 5) 방출 (Emission) 6) 화학발광 (Chemiluminescence)

IR, AAS: 1) 광원 2) 시료 3) 파장선택기 4) 검출기 5) 신호처리기
UV-Vis: 1) 광원 2) 파장선택기 3) 시료 4) 검출기 5) 신호처리기 

분광광도계는 단색화 장치를 이용하여 파장 선택 가능. 광도계는 파장 선택시 필터를 이용, 하나 또는 몇가지 파장만 선택가능 

IR (진동전이, 회전전이 측정)
진동 또는 회전운동을 통해 쌍극자 모멘트 변화가 있는 물질 (CH3OH, HCl, H2O, NH3 / N2 O2 CO2 등은 안됨)
진동 (신축 + 굽힘 (가위질, 좌우 흔듦, 앞뒤 흔듦, 꼬임))
슬릿너비: 스펙트럼 분해능이 높아져서 상세구조 파악 가능, 정성 분석 용이
광원 4가지
1) Nernst 백열등 2)Globar 광원 3) 텅스텐 필라멘트 4) 백열선 5) 수은아크

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UV-Vis
발색단(Chromophore): UV-Vis 영역 파장을 흡수할 수 있는 불포화 유기 작용기. π결합을 가지고 있어서 n-π* or π-π*전이를한다.

Beer-Lambert law (A = εbc = -logT) 한계점
1) 겉보기 화학편차 2) 묽은 농도에서만 사용 3) 다색복사선의 겉보기 기기편차 4)미광복사선 존재시 기기편차

Cell의 재료가 파장에 따라 서로 다른 이유: 측정영역의 파장을 흡수하지 않는 물질로 만들어야 하기 때문. 350 nm 유리 사용 금지. 대신 석영, 용융 실리카 큐벳 사용 

Metal complex : 전이 금속 이온과 리간드 사이에서 전자 전이가 일어나는 전하 이동 전이가 빛의 흡수를 일으킴 (MLCT, LMCT ..)

용매 차단점 (Solvent cut off): 물을 기준물로 하여, 한 용매의 흡광도를 측정하였을 때, 흡광도가 1인 파장. 파장 한계라고도 하며, 차단점 아래의 파장에서는 용매의 흡광도가 매우 크기 대문에 분석물의 흡수파장은 용매의 차단점보다 더 커야 한다. (250 nm에서 용매 흡광도가 커지는 경우, 260, 270 등 250보다 큰 범위까지만 측정 가능)

시료 내에 들어있는 금속이나 토양 등에 의해 방해를 받아서 오차가 생기는 경우 표준물 첨가법을 통해서 오차를 제거

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X-ray

검출기 종류 3가지
1)이온화 함 2) 비례 계수기 3) Geiger 관
X선 변환기 검출기
1) 섬광계수기 2) 반도체 변환기 3) 기체충전 변환기

XRF는 ICP에 비해 감도 낮음

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NMR
1) 송신기 코일, 수신기 코일 2) 자석 3)시료 탐침 4) 신호처리장치 

센 자석 사용시 장점: 선너비가 일정하다면 화학적 이동이 더 크게 증가하여 분해능 증가 / 자기장의 세기가 증가하면 바닥상태와 들뜬상태의 에너지 차이가 더 커져서 감도가 증가

NMR 신호를 단순화시키는 방법: 이중공명법 (스핀 짝풀림)을 사용하면 스펙트럼이 간단해져 해석하기가 쉬워진다. Fourier 변환기 사용, 외부 자기장 세기 증가