【화학】 2019 MEET/DEET 화학

2019 MEET/DEET 화학

 

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블랙루 님 지적사항 수정 (23.10.19)

17_1 님 지적사항 수정 (24.06.12)

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1. 표는 어떤 Li 원자의 전자 배치를 4가지 양자수(n, l, m_l, m_s)로 나타낸 것이다. n, l, m_l, m_s는 각각 주양자수, 각운동량 양자수, 자기 양자수, 스핀 양자수이다. 

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ⑤

① 바닥 상태였다면 전자 3의 주양자수 n이 2여야 함

② 전자 1과 전자 2는 paired electrons이고, 전자 3이 유일한 홀전자를 구성함

③ 전자 1은 n = 1, l = 0이기 때문에 1s임 

④ 에너지는 n이 클수록 큼

⑤ 마디의 개수 = n - 1 = 2 

 

 

2. 표는 주기율표의 일부를 나타낸 것이다. 

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ④ 

① 같은 주기에서 원자 반지름은 족이 증가할수록 감소 

② 1차 이온화 에너지는 족이 증가할수록 증가하는데, 2족-13족 및 15족-16족 간 경향성 비교만 주의하면 됨

③ Slater's rule에 의해, F(1s²2s²2p⁵)의 유효핵전하는 9 - (0.35 × 6 + 0.85 × 2) = 5.2이고 Na(1s²2s²2p⁶3s¹)의 유효핵전하는 2.2임. 직관적으로 F의 최외각 전자는 1s 전자에 의해서만 주된 가리움 효과를 받지만 Na의 최외각 전자는 1s 및 2s 전자 모두에 의해 주된 가리움 효과를 받아 최외각 전자의 유효 핵전하는 F가 Na보다 큼 

④ 1s 오비탈의 에너지 준위는 유효 핵전하가 클수록 낮음. 즉, 유효 핵전하가 클수록 더 음의 위치 에너지를 가짐

⑤ 암기사항 

 

 

3. 그림은 XeO₂F₂의 공명 구조 일부를 나타낸 것이다.

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ②

① ㈎의 Xe의 최외각 전자는 14개로 팔전자 규칙을 만족하지 않음 

② ㈎에서 O, F의 형식 전하는 모두 0이고, 전체의 전하도 0이므로 Xe의 형식 전하도 0임 

③ ㈎에서 O는 sp2 혼성 오비탈을 가짐 

④ VSEPR에 의해, ㈏는 입체수 5에 전자쌍이 1개이므로 시소형(see-saw form)

⑤ 3주기 이상에서는 확장 오비탈 규칙이 적용되어 Xe의 형식 전하가 0인 ㈎가 선호됨 (즉, 공명 기여도가 큼)

 

 

4. 그림은 O₂의 2가지 상태에 대한 분자 오비탈의 에너지 준위와 전자 배치를 나타낸 것이다.

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ①, ②, ③, ④, ⑤

ㄱ. ㈎는 모든 전자가 pair를 이루고 있으므로 반자기성 (O)

ㄴ. ㈏가 바닥 상태가 되려면 spin의 합의 절댓값이 최대가 되어야 함 (X)

ㄷ. ㈎와 ㈏의 결합 차수는 (6 - 2) / 2 = 2 (X) 

○ 스핀 보존의 법칙(전자는 전이할 때 스핀이 바뀌지 않음)에 위배되는 전자 배치라서 모두 정답 처리 한 것으로 추정

 

 

5. 그림은 Ne(네온)과 Rn(라돈) 기체를 300 K에서 혼합하고 압축한 후, 250 K로 냉각하는 과정을 단계적으로 나타낸 것이다.

⑴ 문제 

 

 

⑵ 풀이 : ②

① ㈎ → ㈏에서 P₂ × 1 = 0.9 × 1 + P₁ × 1을 얻고, ㈏ → ㈐에서 1 × 1 / 250 = P₂ × 1 / 300을 얻음. 따라서 P₁ = 0.3 atm, P₂ = 1.2 atm을 얻음 

② ρ = MP / RT (단, M은 분자량)이므로, ρ_Rn : ρ_Ne = 11 × 0.3 : 1 × 0.9 = 11 : 3

③ 평균 운동 에너지는 순전히 온도에 비례함 

④ v_rms = √(3RT / M) (단, M은 분자량)이므로, v_{rms, Rn} : v_{rms, Ne} = 1 : √11

⑤ v_{rms, ㈏} : v_{rms, ㈐} = √300 : √250 = √1.2 : 1

 

 

6. 그림은 형석 CaF₂ 결정의 입방 단위 세포를 구성하는 모든 이온의 위치를 나타낸 것이다. 단위 세포의 모서리 길이는 a이다.

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ①

① Ca²⁺의 배위수는 Ca²⁺와 인접한 F^-의 개수로 8임

② F^-의 배위수는 F^-와 인접한 Ca²⁺의 개수로 정사면체 틈새와 관련하여 4임

③ 면심 입방 구조 

④ 주어진 구조가 단위 세포임 

⑤ 주어진 구조에서 Ca²⁺의 개수는 8 × 1/8 + 6 × 1/2 = 4임

 

 

7. 그림 ㈎는 벤젠과 톨루엔의 혼합 용액의 분별 증류 과정을 나타낸 것이고, 그림 ㈏는 1기압에서 벤젠의 몰분율(x_벤젠)에 따른 용액의 끓는점(곡선 Ⅰ)과 증기의 응축점(곡선 Ⅱ)을 나타낸 것이다. 그림 ㈎의 증류관 내부의 모든 위치에서 증기와 액체 용액은 평형을 이루고 있으며, A 지점과 B 지점의 온도는 각각 92 ℃와 84 ℃이다.

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ④

ㄱ. 우선 혼합 용액의 몰분율이 알려져 있지 않음을 유의해야 함. 만약 A에서 증기의 x_벤젠이 0.3이라면, A에서 벤젠과 톨루엔 모두가 액화하므로 순수 액체를 획득할 수 없음

ㄴ. 벤젠의 끓는점은 80 ℃이고, 톨루엔의 끓는점은 111 ℃이다. 끓는점이 높은 톨루엔이 증기관에서 먼저 액화하므로 x_벤젠은 A → B로 갈수록 높아짐

ㄷ. 끓는점이 낮은 벤젠이 증류관을 액화되지 않고 통과할 수 있어 순수 액체로 얻어지는 것은 벤젠임

 

 

8. 300 K에서 분해 반응, N₂O₄ (g) ⇄ 2NO₂ (g)의 평형 상수(K_p)는 0.16이다. 그림에서 ㈎는 300 K, 0.32 atm에서 NO₂와 N₂O₄가 평형을 이룬 상태를, ㈏는 ㈎의 온도를 310 K로 높인 후 도달된 평형 상태를, ㈐는 ㈏에 Ar 기체를 주입한 후 도달된 평형 상태를 나타낸 것이다.

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ⑤

① K_p = P_NO2² / P_N2O4 = 0.16, P_N2O4 + P_NO2 = 0.32 atm으로부터 P_N2O4 = P_NO2 = 0.16 atm을 얻음

② ΔG° = -RT ln K_p ＞ 0

③ ΔH° = ΔG° + TΔS° ＞ 0이므로, 르 샤틀리에 원리에 의해 310 K에서 K_p는 0.16보다 커짐 

④ ③에 의해, 온도 증가에 의해 정반응이 더 진행되므로 기체의 몰수 총합은 ㈏가 ㈎보다 큼

⑤ 만약 온도를 동일하게 유지한 채 갑자기 Ar을 투입하면 전체 압력이 높아지므로 전체 압력이 0.32 atm으로 맞춰지려면 역반응이 진행(→ NO₂ 감소, N₂O₄ 증가)돼야 함. 그러므로 N₂O₄의 분압은 ㈐에서가 ㈏에서보다 큼

 

 

9. 표는 25 ℃에서 Ag⁺과 관련된 평형 반응식과 평형 상수를 나타낸 것이다.

⑴ 문제 

 

 

⑵ 풀이 : ①

ㄱ. ㈎는 (1.8 × 10^-10) × (1.5 × 10⁷) = 2.7 × 10^-3 

ㄴ. AgCl(s) 0.10 mol이 모두 녹는다고 가정하면, Q = 0.10 × 0.10 / 0.8² = 1/64 ＞ 2.7 × 10^-3 = K. 따라서 다 녹지는 않음

ㄷ. Cl^- 농도는 거의 1.0 M로 고정되므로 s × 1.0 = 1.8 ×10^-10. 즉, AgCl(s)의 용해도는 1.8 × 10^-10 mol/L.

 

 

10. 그림은 298 K, 표준 상태에서 과산화 수소(H₂O₂)가 분해되는 반응 경로와 각 단계의 표준 반응 엔탈피를 나타낸 것이다.

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ②

ㄱ. 과산화 수소의 표준 기화 엔탈피는 (212 - 108) / 2 = 104 kJ / mol.

ㄴ. 과정 b에서 반응 당 기체 분자의 수가 2에서 3으로 증가했으므로 계의 엔트로피는 증가함

ㄷ. b 반응의 엔탈피가 (-)이기 때문에, O=O 결합은 O-O 결합의 두 배보다 더 강한 결합임을 암시함

 

 

11. 표는 298 K에서 PCl₅(g)의 분해 반응 ㈎와 생성 반응 ㈏에 대한 반응식과 열화학 자료를 나타낸 것이다.

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ⑤

ㄱ. ㈏를 통해 PCl₅ (g)의 표준 생성 자유 에너지는 -305 kJ / mol. ㈎로부터 ΔG_f°(PCl₃ (g)) - ΔG_f°(PCl₅ (g)) = 35. ΔG_f°(PCl₃ (g)) = -270 kJ / mol

ㄴ. 35 kJ = 85 kJ - 298 K × ΔS°  

ㄷ. ΔH = ΔE + Δ(PV)이고 Δ(PV) = PΔV＞0이므로 ΔE는 85 kJ보다 작음

 

 

12. 다음은 H₂ (g) + Br₂ (g) → 2HBr (g) 반응에 대해 제안된 메커니즘이다.

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ③ 

① 단계 ⑴은 평형을 이루므로 정반응 속도와 역반응 속도를 내포함을 당연히 전제함  

② 단계 ⑵가 단계 ⑶보다 느리므로 활성화 에너지는 단계 ⑵가 더 크다고 할 수 있음 

③, ④ 다음과 같이 계산할 수 있음 

 

 

⑤ 라디칼은 대표적인 중간체 

 

 

13. 그림 ㈎는 300 K와 600 K에서 A → P₁ 반응의 반응물 농도를 반응 시간에 따라 각각 나타낸 것이고, 그림 ㈏는 300 K에서 B → P₂ 반응의 반응물 농도를 시간에 따라 나타낸 것이다.

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ④

① A → P₁ 반응은 A의 농도에 전혀 무관하므로 0차 반응

② k_{300 K} = 0.3 M / s, k_{600 K} = 0.6 M / s인데, 아레니우스 식 ln k = ln A - Ea / RT로부터 Ea = 8.31 × 600 × ln 2를 얻음

③ B → P₂ 반응은 1차 반응이고, 반감기가 10초이므로 k = ln 2 / 10 (s^-1)

④ B → P₂ 반응의 반응 속도는 k[B]로 표현되며 10초가 20초보다 [B]가 2배이므로 반응 속도도 2배여야 함

⑤ 300 K에서 ㈎의 초기 반응 속도는 0.3 M / s이고, ㈏의 초기 반응 속도는 0.12 × ln 2 M / s

 

 

14. 그림은 25 ℃에서 0.10 M 이양성자 염기 B의 수용액 10.0 mL를 0.10 M HCl 표준 용액으로 적정하여 얻은 적정 곡선을 나타낸 것이다.

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ③

ㄱ. ㈎에서 pK_b1 = pOH = 4가 성립함 

ㄴ. 맞는 설명 

ㄷ. 완충 용량은 짝산과 짝염기가 1 : 1로 있을 때 가장 크며, ㈏는 [BH⁺]만 존재하므로 완충 용량이 가장 작음

 

 

15. 그림은 25 ℃에서 약산 HA 수용액의 몰농도에 따른 pH를 나타낸 것이다.

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ①

ㄱ. [H⁺][A^-] / [HA] = K_a로부터 pH = -0.5 (log [HA] + log K_a)를 얻을 수 있음. K_a = 10^-7임을 쉽게 알 수 있어서, a = -0.5 (log 0.01 + log 10^-7) = 4.5

ㄴ. 핸더슨-하셀바흐 식에 따라, pH = 5.2 = pKa + log ([A^-] / [HA]). 따라서 [A^-] / ([HA] + [A^-]) = 10^-1.8 / (1 + 10^-1.8) ＞ 10^-3 

ㄷ. A^-의 염기 해리 상수(K_b)는 10^-14 / (10^-7) = 10^-7 

 

 

16. 그림은 산소와 물에 의해 철(Fe)이 부식되어 녹(Fe₂O₃·xH₂O)이 형성될 때, ⑴ ~ ⑶ 지점에서 일어나는 반응과 해당 반응식을 각각 나타낸 것이다.

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ①

① Fe는 Fe³⁺이 되고 (산화수 변화 : +3) O₂는 2O^2-가 되므로 (산화수 변화 : -4), Fe와 O₂는 4 : 3의 몰비로 반응

② 전체 부식 과정에서 Fe는 1몰당 총 3몰의 전자를 잃음

③ 물을 통해 ⑴에서 ⑶으로 전자가 이동함 

④ NaCl이 물에 녹아 있으면 대체적인 산화환원 반응이 일어나서 부식이 더 빨라짐

⑤ 철보다 환원력이 큰 금속을 연결해야 함 

 

 

17. 표는 바닥 상태에 있는 4가지 착이온의 구조와 홀전자 개수를 나타낸 것이다.

⑴ 문제 

 

 

⑵ 풀이 : ⑤

○ 1, 2번째 착물 모두 Fe의 산화수는 +2이므로 4s² 전자 두 개 날리고, d 오비탈 전자 6개를 고려하면 됨

○ 3, 4번째 착물 모두 Ni의 산화수는 +2이므로 4s² 전자 두 개 날리고, d 오비탈 전자 8개를 고려하면 됨 

○ ㄱ. ㈎에서 Cl^-는 약한 장 리간드로 e_g와 t_2g 간 거리를 크게 벌리지 못해, ㈎는 high-spin이 됨. 팔면체의 오비탈 구성을 생각하면, 6개의 d 오비탈 전자를 채웠을 때 4개의 홀전자가 생김. 이에 반해, ㈐에서 CN^-는 강한 장 리간드로 e_g와 t_2g 간 거리를 크게 벌려, ㈐는 low-spin이 됨. 평면 사각형의 오비탈 구성을 생각하면, 8개의 d 오비탈 전자를 채웠을 때, 0개의 홀전자가 생김

○ ㄴ. Ni의 산화수는 +2이므로 4s² 전자 두 개 날리고, d 오비탈 전자 8개를 고려하면 됨. 4배위이므로 평면 사각형과 사면체를 고려할 수 있는데, 평면 사각형인 경우 홀전자 개수가 0이 되어 주어진 조건에 위배됨. 그러므로 사면체가 맞음

○ ㄷ. ㈏에서 CN^-는 강한 장 리간드로 e_g와 t_2g 간 거리를 크게 벌려, ㈏는 low-spin이 됨. 평면 사각형의 오비탈 구성을 생각하면, ㈏의 d 오비탈 전자 6개가 모두 paired이므로 반자기성이 맞음 

 

 

18. 그림은 두 자리 리간드인 bpy을 나타낸 것이다.

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ④

ㄱ. bpy를 xy-plane에 두었을 때, z축으로만 Cl^-이 있는 경우, z축으로만 Br^-이 있는 경우, 그 밖의 나머지 (거울상 이성질체 존재)와 같이 나타낼 수 있어 입체이성질체의 개수는 총 4개 

ㄴ. 두 개의 bpy가 같은 plane에 있을 때, 두 개의 bpy가 다른 plane에 있을 때 (거울상 이성질체 존재)와 같이 나타낼 수 있어 입체이성질체의 개수는 총 3개

ㄷ. 대칭성 리간드가 3개 붙어 있는 경우 거울상 이성질체를 가져, 입체이성질체의 개수는 총 2개

 

 

 

19. 다음은 고체 용해도의 온도 의존성을 이용한 분별 결정 실험이다.

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ②

㉠ 10 ℃에서 K₂Cr₂O₇이 가장 용해도가 낮으므로 가장 먼저 석출됨 

㉡ 80 ℃에서 NaCl이 가장 용해도가 낮으므로 그 다음으로 NaCl이 석출됨 

㉢ 여전히 잔존해 있는 Na₂Cr₂O₇과 KCl이 반응을 진행시켜 ㈒에 이르러 추가적으로 K₂Cr₂O7이 석출됨

 

 

20. 다음은 아스코브산(ascorbic acid, C₆H₈O₆) 수용액의 미지 농도를 분석하기 위한 실험이다.

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ④

① 녹말은 I^-는 염색하지 않지만 요오드 덩어리(예 : I₃^-)는 염색시킴

② I^-는 1.8 × 10^-2 mol을 가하고 I₂는 2.50 × 10^-3 mol을 가하는데 두 화합물이 1 : 1로 반응하므로 한계 반응물은 I₂ 

③ 아스코르브산은 산소를 받아들여 산화하므로 환원제임 

④ ㈏ 과정 이후에 250 mL 용액 안에 I^- = 6.2 × 10^-2 M, I₂ = 0, I₃^- = 10^-2 M이 됨 

 

 

⑤ I₃^- → 3I^-이 되는 과정에서 2몰의 전자가 이동하는데 이 전자들은 아스코브산으로부터 왔음

 

입력 : 2023.03.16 00:44