【화학】 2012 MEET/DEET 화학

2012 MEET/DEET 화학 

 

추천글 : 【화학】 MEET/DEET 화학 풀이 

---

 

1. 그림은 원자 번호가 연속인 2, 3주기 원자 A ~ J의 전자 친화도를 원자 번호 순으로 나타낸 것이다. 바닥 상태의 원자 A ~ J에 대한 설명으로 옳은 것은? 

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ④

○ 전자 친화도 : 대체로 주기율표에서 오른쪽 위로 갈수록 전자친화도가 큰데, 오히려 원자 번호가 클수록 전자 친화도가 감소하는 경향을 보이는 건 부호 정의가 다소 다르게 돼 있기 때문으로 추정됨. 또한, 홀전자가 최대가 되는 2족, 15족, 18족의 전자친화도는 매우 작은데 (위 그래프에서는 역으로 매우 높게 나옴), C와 E가 원자번호가 2밖에 차이가 나지 않아 C는 18족, E는 2족으로 보는 게 타당함. 그러므로 C는 Ne, E는 Mg라고 보아야 함 

① A는 O이고 E는 Mg이므로, A와 E는 1 : 1 이온 화합물을 만듦 

② B는 F이고 J는 Cl이므로 전기 음성도는 B가 더 큼. 참고로, F는 전기 음성도가 가장 큰 원소

③ E, 즉 Mg의 제2 이온화 에너지를 따지는 것은 Na의 제1 이온화 에너지를 따지는 것과 같고 알칼리 금속은 쉽게 1가 양이온이 되므로 E의 제2 이온화 에너지는 아주 작다고 할 수 있음. 참고로, 2, 3주기에서 제1 이온화 에너지가 가장 큰 원소는 Ne이므로 2, 3주기에서 제2 이온화 에너지가 가장 큰 원소는 D, 즉 Na라고 할 수 있음 

④ 전체 마디의 개수 : E의 원자, 즉 Mg의 전자 오비탈의 마디면 수는 주양자수(n) 3에 대하여 n-1 = 2이므로 맞는 설명 

⑤ G는 Si, H는 P인데 원자 반지름은 같은 주기에서 원자 번호가 증가할수록 감소하므로 H가 G보다 작음 

 

 

2. 다음은 XeF₄과 SbF₅가 반응하여 이온 화합물 XeF₃⁺SbF₆^-을 생성하는 반응식이다. 

 

XeF₄ (g) + SbF₅ (g) → XeF₃⁺SbF₆^- (s)

 

원자가 껍질 전자쌍 반발 이론과 원자가 결합 이론을 적용하여 반응에 관련된 Xe 화합물을 설명한 것으로 옳은 것은? 

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ⑤

① 평면사각형 구조 

 

 

② d²sp³ (∵ 결합수가 6이므로). Xe의 경우 전자배치가 [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p⁶인데 5s 오비탈 전자준위와 4d 오비탈 전자 준위가 거의 비슷하고 Aufbau principle 상으로 5p 오비탈 다음으로 6s, 4f, 5d, ···가 와서 에너지 준위가 세 단계나 높은 5d가 결합에 참여하는 것보다 4d가 결합에 참여하는 게 자연스러움. 따라서 중심원자의 원자번호가 낮으면 s^x p^y d^z와 같이 오는 게 자연스럽고, 중심원자의 원자번호가 높으면 d^z s^x p^y와 같이 오는 게 자연스러움. 그러므로 XeF₄의 경우 d²sp³ 혼성 오비탈을 만듦. 그러나 에너지적으로 자연스럽다 아니다인 거지 에너지만 많이 제공되면 XeF₄도 sp³d²가 될 수도 있음

③ XeF₃⁺은 T자형이 되고, 비공유 전자쌍은 수평면에 놓임

 

 

④ (Xe의 형식전하) + (F의 형식전하) × 3 = (Xe의 형식전하) - 3 = +1이므로 (Xe의 형식전하) = 4

⑤ XeF₄ 및 XeF₃⁺ 모두에서 Xe의 비공유 전자쌍은 2쌍 

 

 

3. 다음의 반데르발스 식에서 P, V_m, T, R는 각각 기체의 압력, 몰부피, 절대 온도, 기체 상수이고 a와 b는 반데르발스 상수이다.

 

 

그림 ㈎는 기체 A ~ C의 반데르발스 상수를 나타낸 것이고, 그림 ㈏는 200 K에서 기체 A ~ C의 압축 인자(PV_m / RT)를 압력에 따라 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 ⟨보기⟩에서 있는 대로 고른 것은? 

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ②

○ 반데르발스 방정식 

○ ㄱ : 압축성 인자 Z = PV_m / RT로 정의됨. (Ⅰ)은 분자 간 척력이 크게 나타나므로 a 값이 가장 작은 A를 나타냄 

○ ㄴ : a 값이 중간인 B는 중간에 있는 (Ⅱ)와 대응됨. V_m = ZRT / P에서 B의 Z 값은 20 atm에서 1보다 작으므로, 몰부피는 기체 B가 이상 기체보다 작다고 할 수 있음 

○ ㄷ : 기체 분자 자체가 차지하는 부피를 보정하기 위한 상수인 b가 가장 작으므로 맞는 설명 

 

 

4. 그림은 O와 H 원자 오비탈을 조합하여 얻은 OH 분자 오비탈의 에너지 준위와 바닥 상태 전자 배치의 일부를 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ②

○ 분자오비탈 이론

① 제1 이온화 에너지 = E_∞ - E_HOMO이므로 OH가 H보다 제1 이온화 에너지가 더 큼

② 결합 차수 = (결합 전자 수 - 반결합 전자 수) / 2 = 1 

③ E₁ 오비탈은 O의 2p 오비탈과 더 가까우므로 맞는 설명 

④ E₂ 오비탈은 MO 형성 이후에도 에너지 준위가 바뀌지 않아 비결합 오비탈이며 결합 차수에도 관여하지 않음

⑤ 반결합 오비탈이므로 마디면이 있음 

 

 

5. 이온 화합물 AX와 BY는 물에 녹아 각각 A⁺과 X^- 그리고 B⁺과 Y^-으로 완전히 해리하고, A⁺과 Y^-은 AY로 완전히 침전한다. 0.0100 mol AX를 물 50.0 g에 녹인 용액과 x g의 BY를 물 50.0 g에 녹인 용액을 서로 섞어 혼합 용액을 만들었다. 그림은 이 혼합 용액의 어는점을 1기압에서 측정하여 x 값에 따라 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 ⟨보기⟩에서 있는 대로 고른 것은? (단, 물의 어는점 내림 상수는 1.86 ℃·kg/mol이고 혼합 용액은 이상용액으로 행동한다.)

⑴ 문제 

 

 

⑵ 풀이 : ③

○ ㄱ : x = 0에서 A⁺ 0.01 mol, X^- 0.01 mol, 물 0.1 kg인 혼합 용액의 어는점은 a이므로 a = -1.86 ℃·kg/mol × 0.02 mol / 0.1 kg = -0.2 × 1.86 

○ ㄴ : 그래프를 보건데 0.01 mol = 1 g의 BY의 몰수이므로, BY의 화학식량 = 100 g/mol

○ ㄷ : x가 1.5 g일 때 A⁺ 0 mol (= 0.01 - 0.01), X^- 0.01 mol, B⁺ 0.015 mol, Y^- 0.005 mol (= 0.015 - 0.01)이므로 전체 몰수는 0.03 mol이라고 할 수 있음. 그러므로 혼합 용액의 어는점 = -1.86 ℃·kg/mol × 0.03 mol / 0.1 kg 

 

 

6. 그림 ㈎와 ㈏는 A → P 반응에 대하여 각각 촉매가 없을 때와 촉매가 있을 때 A의 농도를 시간에 따라 나타낸 것이다. 이 반응에 대한 설명으로 옳은 것만을 ⟨보기⟩에서 있는 대로 고른 것은? (단, 기체 상수 R는 8.31 J/mol·K이다.)

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ③

○ 반응속도론 

○ ㄱ : ㈎의 200 K에서 반감기는 200 s이므로 반응 속도 상수는 ln 2 / 200 s^-1 

○ ㄴ : 200 K, 400 K에서 반응속도 상수는 각각 0.4 / 40 M/s, 0.4 / 30 M/s임. 아레니우스 식에 따르면, ln k = ln A - E_a / RT이므로 ln k_400K - ln k_200K = ln (4/3) = -E_a / 400R + E_a / 200R = E_a / 400R ⇔ E_a = ln (4/3) × 400 × 8.31 J/mol 

○ ㄷ : ㈏는 0차 반응이므로 반감기는 A의 초기 농도에 비례함 

 

 

7. 다음은 A가 반응해서 B와 C를 생성하는 열화학 반응식이다.

 

aA ⇄ B + cC, ΔH° < 0

 

25 ℃에서 평형을 이루고 있는 A~C 혼합 용액의 온도를 시간 t₁에서 T ℃로 변화시켜 새로운 평형에 도달하게 하였다. 그림은 A~C의 농도를 시간에 따라 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 ⟨보기⟩에서 있는 대로 고른 것은? (단, 반응 계수 a와 c는 정수이고 ΔH°는 온도에 따라 변하지 않는다.)

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ①

○ ㄱ : 그래프를 보면 시간에 따라 감소하는 게 생성물, 증가하는 게 반응물들임. 그러므로 변화량만을 보면, ΔA : ΔB : ΔC = a : 1 : c = 0.20 : 0.10 : 0.30이므로 c = 3

○ ㄴ : 주어진 열화학 반응식은 발열 반응이므로 온도가 증가하면 역반응이 우세하게 진행됨. 따라서 T > 25 ℃

○ ㄷ : T ℃에서 평형 상수 = (0.10 × 0.30³) / 0.60² = 0.75 × 10^-2 

 

 

8. 표는 25 ℃에서 NH₃와 H₂에 대한 열화학 자료를 나타낸 것이다. 

 

 

다음은 암모니아의 연소 반응식이다.

 

4NH₃ (g) + 3O₂ (g) → 2N₂ (g) + 6H₂O (ℓ)

 

25 ℃에서 이 반응에 대한 설명으로 옳은 것만을 ⟨보기⟩에서 있는대로 고른 것은? (단, 표준 반응 엔탈피와 표준 반응 엔트로피는 온도에 따라 변하지 않는다.)

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ①

○ 열역학 

○ ㄱ : 2H₂ (g) + O₂ (g) → 2H₂O (ℓ)의 반응 엔탈피는 -580 kJ/mol. 그러므로 H₂O (ℓ)의 생성 엔탈피는 -290 kJ/mol. 따라서 주어진 연소 반응식의 표준 반응 엔탈피(ΔH°) = 6 × (-290) - 4 × (-50) = -1740 + 200 = -1540 kJ/mol 

○ ㄴ : ΔH = ΔE + Δ(PV)인데 주어진 연소 반응식은 기체 분자 수가 감소하는 반응이므로 Δ(PV) < 0. O₂와 N₂가 비슷한 내부 에너지를 가짐을 고려하면 (∵ 이원자 기체의 내부에너지 = (5/2) nRT), ΔE° < 0임을 알 수 있음. 그러므로 |ΔE°| = |ΔH° - Δ(PV)| = |ΔH°| - |Δ(PV)| (∵ 보통 |Δ(PV)|는 |ΔH°|보다 작음) < |ΔH°|

○ ㄷ : 르 샤틀리에 원리. 발열 반응이므로 온도를 올리면 역반응이 우세하게 진행함 

 

 

9. 다음은 A + B → C 반응에 대한 반응 메커니즘이다. 

 

 

사전평형(pre-equilibrium) 근사법을 사용하여 반응 속도 상수가 k인 전체 반응 속도(v)를 다음과 같이 나타낼 수 있다.

 

v = k[A]^m[B]ⁿ

 

이 반응에 대한 설명으로 옳은 것만을 ⟨보기⟩에서 있는 대로 고른 것은? (단, 단계 ⑵에서 B가 소멸되는 속도와 단계 ⑶에서 C가 생성되는 속도는 같다.)

⑴ 문제 

 

 

⑵ 풀이 : ⑤

○ 반응속도론 

○ ㄱ : v_⑴ = k₁[A] = k_-1[D]²이므로 k₁의 단위는 s^-1, k_-1의 단위는 M^-1s^-1 

○ ㄴ, ㄷ : v = k₂[D][B] = k₁^1/2 k_-1^-1/2 k₂ [A]^1/2[B]이므로 m + n = 3/2 

 

 

10. 그림은 2개의 반쪽 전지를 연결한 전지이고, 25 ℃에서 이 전지의 전위차는 0.602 V이다. 이때 왼쪽 전지의 Cl^-의 몰농도는 a M이다.

 

 

다음은 각 반쪽 전지의 반응식과 표준 환원 전위이다. 

 

Ag⁺ (aq) + e^- ⇄ Ag (s), E° = 0.799 V

AgCl (s) + e^- ⇄ Ag (s) + Cl^- (aq), E° = 0.222 V

 

이 전지에 대한 설명으로 옳은 것만을 ⟨보기⟩에서 있는 대로 고른 것은? 

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ③

○ 전기화학 

○ ㄱ : 네른스트 방정식. 오른쪽 반쪽 전지 전위는 E = E° = 0.799 V. 그러므로 왼쪽 반쪽 전지 전위는 0.799 - 0.602 = 0.197 V = 0.222 - 0.0592 log ([Cl^-]). 그러므로 [Cl^-] = a > 1

○ ㄴ : 0 = (0.799 - 0.222) - 0.0592 log (1 / [Ag⁺][Cl^-]) ⇔ [Ag⁺] = 10^{(0.222 - 0.799) / 0.0592} / a

○ ㄷ : 이미 AgCl은 충분히 있고, [Cl^-]는 AgCl의 용해도곱 상수에 의해 결정되므로 KCl의 추가가 전위차에 어떤 영향도 주지 않음 

 

 

11. 표와 같이 KI 수용액과 AgNO₃ 수용액을 혼합하면 2가지 용액 A와 B를 만든다. 

 

 

용액 A와 용액 B에서 Ag⁺의 몰농도를 각각 a M과 b M이라고 할 때, 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 ⟨보기⟩에서 있는 대로 고른 것은? (단, AgI의 용해도곱 상수는 8.3 × 10^-17이다.)

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ②

○ ㄱ : V = 20일 때, 용액 A의 [I^-] = 3 mmol / 70 mL, 용액 A의 [Ag⁺] = 8.3 × 10^-17 / (3 / 70) M, 용액 B의 [I^-] = 0.3 mmol / 70 mL, 용액 B의 [Ag⁺] = 8.3 × 10^-17 / (0.3 / 70) M. 그러므로 a는 b보다 작음 

○ ㄴ : V = 50일 때, a = b = √(8.3 × 10^-17) 

○ ㄷ : ㄱ, ㄴ을 보건데 대칭성에 의해 V > 50이면 a > b가 성립함 

 

 

12. 다음은 청동의 구리 함량을 분석할 때 이용되는 반응식이다. 

 

 

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 ⟨보기⟩에서 있는 대로 고른 것은? 

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ④

○ ㄱ :  H의 개수로부터 2a = 2c, S의 개수로부터 a = 1 + b, O의 개수로부터 4a = 4 + 2b + c를 얻으므로, a = 2, b = 1, c = 2를 얻을 수 있음 

○ ㄴ : 산화 반쪽 반응식은 3I^- → I₃^-이고, 환원 반쪽 반응식은 Cu²⁺ → Cu⁺. 그러므로 I^- 5몰이 있으면 이 중 2몰은 산화·환원을 하지 않고, 3몰은 각각 -1 → -1/3로 산화수가 증가하면서 총 2몰의 전자가 이동함

○ ㄷ : S₂O₃^2-에서 S의 산화수는 +2이고, S₄O₆^2-에서 S의 산화수는 +2.5이므로 S₂O₃^2-는 산화함 

 

 

13. 다음은 옥살산(H₂C₂O₄) 수용액의 평형 반응식과 25 ℃에서의 pK_a 값이다. 

 

 

25 ℃에서 옥살산과 짝염기 수용액에 대한 설명으로 옳은 것만을 ⟨보기⟩에서 있는 대로 고른 것은? 

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ②

○ 산·염기 이론

○ ㄱ : 완충 용액은 짝산과 짝염기가 모두 어느 정도 존재하는 용액으로, 주어진 상황은 HC₂O₄^-만 투입한 상황과 같아서 완충 용액이 아님. pH = pK_a2 = 4.3이 되려면 HC₂O₄^-와 C₂O₄^2-가 1 : 1로 용액에 존재해야 함 

○ ㄴ : pH = 4.0 = 1.3 + log([HC₂O₄^-] / [H₂C₂O₄]) = 4.3 + log([C₂O₄^2-] / [HC₂O₄^-])이므로 [H₂C₂O₄^-] > [H₂C₂O₄]이고 [C₂O₄^2-] < [HC₂O₄^-]임. 즉, [HC₂O₄^-]가 가장 많이 존재함 

○ ㄷ : 1.0 M HC₂O₄^-인 상황과 동일함. 대칭성에 의해 해당 수용액의 pH는 pH = (1.3 + 4.3) / 2 = 2.8 

 

 

14. 다음은 Na₂CO₃과 NaHCO₃이 혼합된 시료를 분석한 산-염기 적정 실험이다. 위의 실험에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, 실험 과정 중 공기로부터 물에 용해되는 CO₂의 양은 무시한다.)

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ⑤

○ 배경지식 

○ 브로모크레졸 그린의 변색 pH 범위는 3.8 ~ 5.4
○ 페놀프탈레인의 변색 pH 범위는 8.2 ~ 9.6

○ HCO₃^-는 pH 8에서 H₂CO₃, CO₃^2-에 비해 dominant하게 존재

○ ∴ 브로모크레졸 그린으로 확인한 당량점은 용액 내 OH^-를 중화시켰을 뿐만 아니라 HCO₃^-도 protonate시킨 상태

○ ∴ 페놀프탈레인으로 확인한 당량점은 용액 내 OH^-만 중화시킨 상태. 즉, 브로모크레졸 그린과 달리 탄산오차를 읽을 수 있음

① 브로모크레졸 그린으로 확인한 당량점은 CO₃^2-뿐만 아니라 HCO₃^-도 protonate시켜야 함. 굳이 추가하자면, H⁺ + OH^- → H₂O 반응도 추가하여야 함 

②, ③ ㈒의 침전이 BaCO₃이므로 ㈑에서 넣어 준 NaOH는 용액 중 모든 HCO₃^-을 CO₃^2-으로 만드는 게 실험 취지에 부합함

④ CO₃^2-는 이미 BaCO₃ 침전으로 제거됐기도 하고, 페놀프탈레인은 탄산오차를 읽을 수 없으므로 적정 반응은 오직 H⁺ + OH^- → H₂O 반응만 해당함 

⑤ 계산 과정 

○ [HCO₃^-] = x (M), [CO₃^2-] = y (M) 

○ ㈐ (x + 2y) × 20 = 0.1 × 28 

○ ㈓ 0.40 × 10 - x × 20 = 0.1 × 28 

○ ∴ x = 0.06 M, y = 0.04 M 

 

 

15. 표는 팔면체 구조를 갖는 코발트 착이온의 결정장 갈라짐 에너지(Δ_o)와 자기적 성질을 나타낸 것이다. X와 Y는 중성 리간드이다.

 

 

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 ⟨보기⟩에서 있는 대로 고른 것은?

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ⑤

○ 착물화학 

○ ㄱ, ㄴ : ㈏는 ㈎보다 결정장 갈라짐이 큰데 중심금속의 산화수는 동일하므로 반자성. Y는 X보다 더 강한 장 리간드이므로 ㈎ > 9200

○ ㄷ : [CoX₆]²⁺은 high-spin이고 d 오비탈 전자가 7개이므로 d_xy, d_xz, d_yz 중 두 오비탈은 전자가 2개씩 있고 나머지 1개는 전자가 1개만 있으며, d_z², d_x²-y²은 각각 전자가 1개씩만 있는 상태. 즉, 중심 금속의 홀전자 수는 3개 

 

 

 

16. 그림 ㈎는 철(Fe)의 상그림이고, 그림 ㈏는 육방 조밀 쌓임의 격자 구조를 나타낸 것이다.

 

 

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 ⟨보기⟩에서 있는 대로 고른 것은? 

⑴ 문제

 

 

⑵ 풀이 : ③

○ 고체의 성질

○ ㄱ : 체심 입방 구조는 √3 a = 4r이 성립함 

○ ㄴ : 체심 입방 구조(1 atm, 298 K)과 면심 입방 구조(1 atm, 1400 K)의 단위 세포 당 원자 개수는 각각 2개, 4개

○ ㄷ : 면심 입방 구조와 육방 조밀 쌓임에서 철의 배위수는 모두 12개

 

입력: 2024.12.26 09:19