【화학】 2020 MEET/DEET 화학

2020 MEET/DEET 화학

 

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블랙루 님 지적사항 수정 (23.10.18)

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1. 그림 ㈎와 ㈏는 주양자수(n)가 2인 수소 원자 오비탈 두 가지에 대해 방사 방향 파동함수 R(r)를 각각 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?  

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ③

① ㈎의 방사방향 마디 수 = n - ℓ - 1 = 1 - ℓ = 0이므로 ℓ = 1

② ㈏의 방사방향 마디 수 = n - ℓ - 1 = 1 - ℓ = 1이므로 ℓ = 0. 따라서 오비탈은 구형. 실제로 r = 0일 때 R(r)이 최댓값을 갖는 개형 또한 구형 오비탈의 주요 특징 

③ 방사 방향 확률 분포 함수(f(r))는 f(r) = 4πr² |R(r)|²이고 R(r)은 발산하지 않으므로 r = 0에서 0이 됨. r = a일 때 f(r) ＞ 0이므로, 잘못된 설명

④ 수소 원자 오비탈의 에너지 준위는 축퇴돼 있으므로 n이 동일하면 동일함 

⑤ ㈎와 ㈏의 전체 마디 개수는 n - 1 = 1

 

 

2. 그림은 주기율표 2주기 원소의 일부에 대하여 1차 이온화 에너지와 2차 이온화 에너지의 일부분을 나타낸 것이다. 원소의 바닥 상태 원자에 대한 설명으로 옳은 것은? 

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ②

① 이온화에너지는 같은 주기에서 족이 증가할수록 증가 (예외 : 2족 ＞ 3족, 15족 ＞ 16족). 따라서 1차 이온화에너지로부터 (n+1)번 원자는 베릴륨(Be)이 될 수도 있고 질소(N)가 될 수도 있는데, n번 원자의 2차 이온화에너지가 (n+1)번 원자보다 작으므로 (n+1)번 원자는 베릴륨이 될 수 없음 (∵ Li의 2차 이온화에너지는 비활성기체인 He의 1차 이온화에너지이므로 상당히 많은 에너지를 요함). 따라서 (n+1)번 원자는 질소(N)이고 n번 원자는 탄소(C)이므로, n번 원자는 2p 오비탈에 전자를 가짐 

② 최외각 전자의 유효 핵전하는 같은 주기에서 족이 증가할수록 증가함 

③ 원자 반지름은 같은 주기에서 족이 증가할수록 감소함 

④ (n+3)번 원자는 플루오린(F)로 전기음성도가 4.0으로 가장 큰 원소 

⑤ (n+4)번 원자는 비활성기체인 네온(Ne)이므로 1차 이온화 에너지가 상당히 큼

 

 

3. 다음은 각각 C, O, S을 중심 원자로 하는 세 가지 분자이다. 가장 타당한 루이스 구조를 근거로, 원자가 껍질 전자쌍 반발 이론과 원자가 결합 이론을 적용하여 이에 대한 설명한 것으로 옳은 것은?

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ⑤

① CO₂는 O=C=O와 같은 결합을 하므로 중심 원자는 sp 혼성 오비탈을 가짐 

② O₃의 한 공명 기여체는 O^--O⁺=O인데 중심 산소가 sp² 혼성 오비탈을 가지므로 굽은형

③ 중심 원자의 형식 전하는 CO₂는 0이고 O₃는 +1

④ SO₂는 옥텟규칙의 확장이 적용되어 O=S=O와 같이 되고 VSEPR을 적용할 때는 O^--S²⁺-O^-와 같이 고려해 주어야 함. 따라서 ∠ (O-S-O)는 120º. 한편, ∠ (O-C-O)는 180º 

⑤ 중심 원자의 비공유 전자쌍은 O₃와 SO₂에 각각 1쌍씩 존재함 

 

 

4. 그림은 N와 O의 원자 오비탈로부터 만들어진 NO의 분자 오비탈 에너지 준위의 일부를 나타낸 것이다. 이 도표를 이용하여 바닥 상태의 N, NO, NO^-에 대해 설명한 것으로 옳은 것만을 〈보기〉에서 있는 대로 고른 것은? (단, NO와 NO^-의 분자 오비탈 에너지 준위는 같다.)

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ④

ㄱ. N = [He] 2s²2p³, O = [He] 2s²2p⁴이므로 11개의 전자를 위 오비탈에 채워나간다고 가정하면, NO의 HOMO는 π_2p*이므로 1차 이온화 에너지인 E_∞ - E_π2p*는 N의 1차 이온화 에너지인 E_∞ - E_2p보다 작음  

ㄴ. NO의 결합 차수는 (6 - 1) / 2 = 2.5이고, NO^-의 결합 차수는 (6 - 2) / 2 = 2

ㄷ. NO의 홀전자 개수는 1개이고 NO^-의 홀전자 개수는 2개. 참고로 둘 다 HOMO는 π_2p* 

 

 

5. 그림은 300 K에서 같은 몰수의 기체 X와 Y의 밀도를 압력에 따라 각각 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것은? (단, X와 Y는 이상 기체로 거동한다.)

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ②

① 전체 질량은 일정하고 B에서의 밀도가 C에서의 밀도의 2배이므로 부피는 C에서가 B에서의 2배

② PV = nRT로부터 P × (M / RT) = ρ (단, M은 분자량)을 얻을 수 있음. 따라서 기울기가 2배 높은 X가 분자량도 2배 높음

③ A에서가 C에서보다 분자량은 2배이고 밀도는 2배이므로 분자 수는 동일함. 즉, PV = nRT로부터 (압력 × 부피)는 동일

④ 단위 부피당 기체 분자 수는 밀도 / 분자량이고, A에서가 B에서보다 밀도는 동일한데 분자량이 2배이므로 단위 부피당 기체 분자 수는 B에서가 A에서의 2배 

⑤ P × (M / RT) = ρ로부터 온도를 2배로 높이면 밀도가 반이 됨 

 

 

6. 온도 T에서, 그림 ㈎는 순수한 물과 염산(HCl) 수용액이 반투막을 경계로 분리된 초기 비평형 상태를, ㈏와 ㈐는 왼쪽 액체에 가해진 압력이 각각 1 atm과 1.2 atm인 조건에서 양쪽 액체의 높이가 같게 유지되도록 오른쪽 액체에 각각 2 atm과 P의 압력이 가해진 평형 상태를 나타낸 것이다. 이에 대한 설명을 옳은 것만을 〈보기〉에서 있는 대로 고른 것은? (단, 용액은 이상 용액이고 수용액과 물의 밀도는 같으며 압력에 따른 액체의 부피 변화는 없다. 이온은 반투막을 통과할 수 없고, RT = 25 L·atm/mol이다.)

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ① 

ㄱ. ㈏에서 오른쪽에 가해지는 압력이 더 높으므로, 삼투압으로 인해 물이 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하려고 함을 알 수 있음. 따라서 오른쪽 액체의 농도가 높으므로 왼쪽 액체는 순수한 물임

ㄴ. ΔP = 1 atm = i MRT (단, i는 반트호프 인자) = 2 × M × 25로부터 M = 1/50 M = 0.02 M 

ㄷ. P - 1.2 = 1이므로 P는 2.2 atm 

 

 

7. 그림 ㈎는 입방 조밀 쌓임 구조를 갖는 금속 M의 단위 세포를, ㈏는 M²⁺이 면심 입방 구조로 배열된 금속 산화물 MO의 단위 세포를 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 〈보기〉에서 있는 대로 고른 것은? 

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ③

ㄱ. ㈎에서 한 변의 길이를 2a라 두면 √2a = 2r (단, r은 원자의 반지름)이고, ㈎에는 총 네 개의 원자가 들어 있음. 따라서 전체 부피 중 원자가 차지한 부피의 비율은 다음과 같음

 

 

ㄴ. 팔면체 구멍(정팔면체 틈새)에 대한 설명은 여기를 참고

ㄷ. 배위수는 특정 원자와 가장 가까운 원자들의 수로 ㈎에서 M의 배위수는 12인 반면, ㈏에서 O^2-의 배위수는 인접한 M²⁺의 개수인 6 

 

 

8. 298 K에서, 그림은 황의 동소체의 연소와 관련된 과정과 각 과정의 표준 반응 엔탈피(ΔHº)를, 표는 황의 동소체의 표준 생성 엔탈피(ΔH_fº)를 나타낸 것이다. 298 K 표준 상태에서 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 〈보기〉에서 있는 대로 고른 것은? 

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ⑤

ㄱ. 결합에너지는 어떤 물질 1몰이 그 물질을 구성하고 있는 원자들의 기체상으로 분해될 때의 반응 엔탈피임. 즉, S₂(g)의 결합 에너지는 280 × 2 - 130 = 430 kJ / mol

ㄴ. ΔH₄º = 4 × 130 - 2920 - 100 = -2500 kJ

ㄷ. SO₂(g)의 ΔH_fº는 (4 × 130 - 2920) / 8 = -300 kJ/mol

 

 

9. 다음은 CO(g)의 연소 반응식을, 표는 300 K에서 CO(g)와 CO₂(g)의 표준 생성 반응 엔탈피와 표준 생성 자유 에너지를 나타낸 것이다. 300 K에서 이 반응에 대한 설명으로 옳은 것만을 〈보기〉에서 있는 대로 고른 것은?

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ④

ㄱ. ΔEº = ΔHº - Δ(PV) = ΔHº - (1 - 1.5)RT ＞ ΔHº

ㄴ. ΔGº = -390 - (-140) = -250 kJ

ㄷ. ΔS = (ΔH - ΔG) / T이므로, ΔSº = ((-390) - (-390)) / 300 - ((-110) - (-140)) / 300 = -0.1 kJ / K = -100 J / K 

 

 

10. 다음은 25 ℃의 수용액에서 수화된 이온 Fe(H₂O)₆²⁺과 Fe(H₂O)₆³⁺의 해리 평형 반응식과 평형 상수(K)를 각각 나타낸 것이다. 25 ℃에서 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 〈보기〉에서 있는 대로 고른 것은?

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ①

ㄱ. Fe의 산화수는 +2로 동일함. 해리 반응은 산·염기 반응이므로 산화수가 감소하지 않음

ㄴ. K = 10^-9.5 = [Fe(H₂O)₅OH⁺] × [H₃O⁺] / [Fe(H₂O)₆²⁺] = 0.01 × [H₃O⁺] → [H₃O⁺] = 10^-7.5

ㄷ. 중심금속의 전하가 클수록 결정장 갈라짐이 크고, 결정장 갈라짐이 클수록 형성상수가 커짐. 해리 반응의 평형상수도 형성상수처럼 해석할 수 있음. 한편, 직관적으로 중심금속의 전하와 리간드 간의 결합력이 더 큰 생성물이 생성되는 쪽의 평형상수가 더 크다고 추정할 수 있어서 (반응물은 중성리간드인 H₂O만 있으므로 생성물을 더 중요하게 보아야 함), 중심금속의 전하가 클수록 K 값도 같이 커진다고 할 수 있음

 

 

11. 그림 ㈎와 ㈏는 NaOH 수용액과 Na₂CO₃ 수용액을 각각 HCl 수용액으로 적정할 때의 적정 곡선을 나타낸 것이다. NaOH과 Na₂CO₃이 미지의 농도로 혼합되어 있는 수용액으로부터 50 mL씩 취해 페놀프탈레인과 브로모크레졸 그린 지시약을 각각 사용하여 0.10 M HCl 표준 용액으로 적정하였다. 표는 각각의 적정에서 종말점까지 사용된 HCl 표준 용액의 부피를 나타낸 것이다. 실험 내용으로부터 계산한 혼합 수용액의 NaOH와 Na₂CO₃의 농도를 옳게 짝지은 것은?

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ② 

○ 상황 1. 페놀프탈레인 변색 구간 : NaOH가 당량점에 도달하고, Na₂CO₃가 제1당량점에 도달

○ 상황 2. 브로모크레졸 그린 변색 구간 : Na₂CO₃가 제2당량점에 도달 

○ 결론 1. [Na₂CO₃] × 50 mL = 0.10 M × (45 - 25) mL ⇔ [Na₂CO₃] = 0.040 M (∵ 상황 2)

○ 결론 2. [NaOH] × 50 mL + [Na₂CO₃] × 50 mL = 0.10 M × 25 mL ⇔ [NaOH] = 0.050 - 0.040 = 0.010 M

 

 

12. 다음은 A(g)가 B(g)로 되는 반응의 반응식과 온도 T에서 농도로 정의된 평형 상수 K_c(T)를 나타낸 것이다.

 

A(g) ⇄ 2B(g), K_c(T)

 

그림은 일정 압력에서, 실린더에 A(g)와 B(g)가 1몰씩 존재하는 평형 상태 ㈎에서 온도를 400 K로 증가시켜 평형 상태 ㈏에 도달하고, 온도 300 K로 감소시킨 후 평형 상태 ㈐에 도달한 과정을 나타낸 것이다. A(g)의 몰분율은 ㈏에서 1/3이고, ㈐에서 2/3이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 〈보기〉에서 있는 대로 고른 것은? (단, 기체는 이상 기체로 거동하고, 피스톤의 질량 및 마찰은 무시한다.)

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ④

ㄱ. ㈏에서 A는 0.75 mol, B는 1.5 mol. ㈐에서 A는 1.2 mol, B는 0.6 mol. 온도가 증가할 때 정반응이 더 진행되므로, 정반응은 흡열 반응 (∵ 르 샤틀리에 원리)

ㄴ. ㈏에서 기체의 전체 몰수는 2.25 mol이고 ㈐에서 기체의 전체 몰수는 1.8 mol

ㄷ. V가 계의 부피라고 할 때,  K_{c, 400 K} = (1.5 / V_{400 K})² / (0.75 / V_{400 K}), K_{c, 300 K} = (0.6 / V_{300 K})² / (1.2 / V_{300 K})가 성립함. 그 결과 K_{c, 400 K} / K_{c, 300 K} = (3 / V_{400 K}) / (0.3 / V_{300 K}) = 10 × V_{300 K} / V_{400 K} = 10 × (1.8 × 300) / (2.25 × 400) = 6

 

 

13. A + BC → AB + C 반응에서 그림 ㈎는 반응의 진행에 따른 퍼텐셜 에너지 변화를, 그림 ㈏는 온도 T₁과 T₂에서 반응물의 상대 운동 에너지와 충돌 빈도 사이의 관계를 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 〈보기〉에서 있는 대로 고른 것은? 

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ①

ㄱ. 반응물의 퍼텐셜 에너지가 생성물의 퍼텐셜 에너지보다 낮으므로 정반응은 발열 반응

ㄴ. 일반적으로 활성화 에너지 E_a는 온도에 따라 변하지 않는다고 가정함 

ㄷ. T₁에서가 T₂에서보다 E_a를 넘는 분자가 많으므로 반응 속도가 더 빠름 

 

 

14. 다음은 A가 P로 되는 반응의 화학 반응식과 반응 속도식을 나타낸 것이다. 그림은 반응물의 초기 농도([A]₀)에 따른 반감기(t_1/2)의 역수를 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 〈보기〉에서 있는 대로 고른 것은?

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ③

ㄱ. 반감기가 초기 농도에 반비례하는 경우는 2차 반응

ㄴ. t_1/2 = 1/6 = 1 / (k × 2) → k = 3 → v = k[A]₀² = 12 M/s

ㄷ. 600 K에서 k는 3이고 200 K에서 k는 1. k = A exp(-Ea / RT)에서 지수함수 개형상 400 K에서 k ≠ 2

 

 

15. 다음은 온도 T에서 A(g)와 B(s)가 반응하여 C(s)를 생성하는 반응식과 압력으로 정의된 평형 상수 K_p이다.

 

A(g) + B(s) ⇄ C(s), K_p = 10

 

T에서 25 L 용기에 A(g)와 B(s)를 0.3 몰씩 넣은 후 도달한 평형 상태에 대해 설명한 것으로 옳은 것은? (단, RT = 25 L·atm/mol이며, A(g)는 이상 기체로 거동하고 고체의 부피와 증기압은 무시한다.)

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ⑤

① K_p = 1 / P_A = 10 → P_A = 0.1 atm

② P_A = 0.1 = nRT / V = n → C(s)의 양 = 0.3 - n = 0.2 mol

③ T에서 도달한 평형 상태에서 반응 자유 에너지가 0일 뿐 표준 반응 자유 에너지가 0인 것은 아님 

④ B(s)를 가해도 A(g)의 압력이 변하지 않음 : B(s)가 평형 상수에 영향을 주지 않으므로 

⑤ 부피가 평형 상수에 영향을 주지 않음 

 

 

16. 다음은 산성 수용액에서 일어나는 산화-환원 반응의 균형 반응식과 평형 상수(K)를, 표는 관련된 반쪽 반응식과 25 ℃에서의 표준 환원 전위(Eº)를 나타낸 것이다. 25 ℃에서 위의 산화-환원 반응에 대한 설명으로 옳은 것만을 〈보기〉에서 있는 대로 고른 것은?

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ①

ㄱ. Mn의 산화수는 +7에서 +2가 되고, N의 산화수는 +3에서 +5가 되므로 2 × (7 - 2) = a × (5 - 3) → a = 5 

ㄴ. H⁺ 이온은 산화수가 바뀌지 않으므로 산으로 작용

ㄷ. ΔGº = -RT ln K = -nFEº, Eº = (1.51 - 0.96) (∵ 세기 성질). 그러므로 log K = (1.51 - 0.96) × 10 / 0.0592

 

 

17. 그림은 갈바니 전지를 나타낸 것이다. 왼쪽 반쪽 전지에서 Cu²⁺ (aq)과 Cr³⁺ (aq)의 농도는 0.2 M 씩이고, 오른쪽 반쪽 전지에서 Cu²⁺ (aq)의 농도는 1 M이다. 왼쪽 반쪽 전지에서는 Cu²⁺ (aq)이 Cr³⁺ (aq)으로 산화되고, 오른쪽 반쪽 전지에서는 Cu²⁺ (aq)이 Cu (s)로 환원된다. 표는 관련된 이온의 25 ℃에서의 표준 환원 전위(Eº)를 나타낸 것이다. 25 ℃에서 이 전지에 대한 설명으로 옳은 것만을 〈보기〉에서 있는 대로 고른 것은? (단, 주어진 전지 반응 이외의 산화-환원 반응은 일어나지 않는다.)

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ⑤

ㄱ. Latimer diagram에 의해, (㈎ × 1 + 2 × (-0.90)) = 3 × (-0.74) → ㈎ = -0.42 V

ㄴ. 전체 반응식 : 2Cr²⁺ (aq) + Cu²⁺ (aq) → 2Cr³⁺ (aq) + Cu (s), Eº = 0.76 V = 초기 기전력 (∵ Q = 1)

ㄷ. 반응이 진행되어 Cu가 0.01 mol 석출되면, 전자는 0.02 mol 이동했다는 의미이므로 Cr³⁺가 0.02 mol 만큼 증가

 

 

18. 표는 바닥 상태에 있는 세 가지 팔면체 착이온의 색, 가시 영역의 최대 흡수 파장(λ_최대), 자기적 성질을 나타낸 것이다. X, Y는 한 자리 중성 리간드이고, Z는 두 자리 중성 리간드이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것은? (단, 착이온의 색은 Ni²⁺의 d 오비탈 사이의 전자 전이에 의한 것이다.)

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ④

① 보색표 참고 : [NiY₆]²⁺는 파랑색이므로 흡수색은 주황색이고 이때 파장은 590 nm임. [NiZ₃]²⁺는 보라색이므로 흡수색은 노란색이고 이때 파장 ㈎는 590 nm보다 짧아야 함 

② 중심금속 Ni²⁺는 d 오비탈 전자가 8개이므로 high spin이든 low spin이든 상자기성을 띠게 됨 

③ [NiX₆]²⁺에서 Ni²⁺의 3d_xy에 있는 전자는 2개이고 3d_x²-y²에 있는 전자는 1개

④ 맞는 설명

⑤ X가 Y보다 약한 장 리간드이므로 최대 흡수 파장이 더 긺 

 

 

19. 다음은 화학식이 Co(en)₂Cl₂Br로 같은 두 가지 착화합물 A와 B 각각의 수용액에 Ag⁺ (aq)이 가해져 침전이 생성되는 반응의 반응식을 나타낸 것이다. en은 에틸렌다이아민 (NH₂CH₂CH₂NH₂)이고, 반응식의 C와 D는 팔면체 착이온이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 〈보기〉에서 있는 대로 고른 것은?

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ③

ㄱ. 맞는 설명

ㄴ. Co(en)₂Cl₂⁺는 거울상 관계에 있는 두 개의 cis-Co(en)₂Cl₂⁺와 한 개의 trans-Co(en)₂Cl₂⁺가 존재함 

 

 

ㄷ. C의 입체이성질체의 개수 또한 3개

 

 

 

20. 다음은 기체의 확산 속도에 대한 기체 분자량과 온도의 영향을 알아보기 위한 실험 과정이다. 기체의 분자 운동론에 근거하여 실험 내용을 설명한 것으로 가장 적절한 것은?

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ③

① B에서 기체상 NH₃가 발생함 

② 흰색 고리의 주성분은 염화 암모늄(NH₄Cl)

③ 염산 기체의 분자량(36.5)은 암모니아 기체의 분자량(17)보다 크므로 흰색 고리는 염산과 가까움 

④ 흰색 고리의 폭이 넓어지는 것은 맞지만 중심이 이동하는 것은 아님 

⑤ 기체 분자의 이동 속도가 감소하므로 흰색 고리의 형성에 걸리는 시간이 증가함 

 

입력 : 2022.12.18 18:11