22년 1회차

네 분자 중 극성 분자는 $\mathrm{CH_3Cl}$(클로로메테인)이다.

사면체 구조에서 C–H 결합과 C–Cl 결합의 극성이 서로 달라 결합 쌍극자가 상쇄되지 않으므로 분자 전체에 쌍극자 모멘트가 남는다.

• $\mathrm{CO_2}$: 직선형 대칭 구조라 두 C=O 결합의 쌍극자가 상쇄되어 무극성이다.
• $\mathrm{BF_3}$: 평면 삼각형 대칭 구조라 B–F 결합의 쌍극자가 상쇄되어 무극성이다.
• $\mathrm{PCl_5}$: 삼각쌍뿔형 대칭 구조라 P–Cl 결합의 쌍극자가 상쇄되어 무극성이다.

두 기체의 양이 같으므로 PV/T가 일정하고, 이를 풀면 P = 1 atm이다.

$\dfrac{P_1V_1}{T_1}=\dfrac{P_2V_2}{T_2}$
$\dfrac{1\times 1}{300}=\dfrac{P\times 2}{600}$
$P=1\ \mathrm{atm}$

• 0.5 atm: 온도 2배 효과를 빼고 부피 2배만 반영한 값이다.
• 2 atm: 부피 2배 효과를 빼고 온도 2배만 반영한 값이다.
• 4 atm: 온도와 부피를 모두 압력을 키우는 방향으로 잘못 반영한 값이다.

질량 백분율의 분모를 용매의 질량으로 둔 설명이 틀렸다. 분모는 용액의 질량(용질+용매)이어야 한다.

질량 백분율은 용액 전체 질량 중 용질 X의 질량이 차지하는 비율에 100을 곱한 값이다.

• 몰 농도: 용액 1 L에 녹은 X의 몰수이므로 옳다.
• 몰랄 농도: 용매 1 kg에 녹은 X의 몰수이므로 옳다.
• ppm과 ppb: 1 ppm은 백만분의 1, 1 ppb는 10억분의 1이므로 1 ppm = 1,000 ppb로 옳다.

옳은 설명은 비극성 분자 사이에는 분산력이 작용한다는 것이다.

분산력(런던 힘)은 전자 분포의 순간적 치우침으로 생기는 일시적 쌍극자 사이의 인력으로, 모든 분자 사이에 작용하며 비극성 분자에서는 유일한 분자 간 힘이다.

• 메테인($\mathrm{CH_4}$): 공유 결합 물질이지만 정사면체 대칭 구조라 극성이 상쇄되어 무극성 물질이다.
• 이온 결합 물질의 상태: 이온 사이 정전기적 인력이 강해 녹는점이 높으므로 상온에서 대부분 고체이다.
• 이온 결합 물질의 전기 전도성: 고체에서는 이온이 고정되어 전류가 흐르지 않지만, 액체(용융) 상태에서는 이온이 이동할 수 있어 전류가 흐른다.

산소 1 mol과 반응하는 수소의 질량은 4 g이다.

균형 반응식은 다음과 같다.
$\mathrm{2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O}$

계수비에 따라 산소 1 mol과 반응하는 수소는 2 mol이다.
$\mathrm{H_2}$의 몰질량 $= 2 \times 1 = 2\ \mathrm{g/mol}$
질량 $= 2\ \mathrm{mol} \times 2\ \mathrm{g/mol} = 4\ \mathrm{g}$

황의 산화수가 나머지와 다른 것은 $\mathrm{H_2S}$이며, 이때 황의 산화수는 $-2$이다.

H는 $+1$, O는 $-2$로 두고 화합물 전체 산화수 합이 0이 되도록 계산한다. $\mathrm{H_2S}$에서는 $2(+1) + x = 0$이므로 $x = -2$이다.

• $\mathrm{SO_3}$: $x + 3(-2) = 0$이므로 황은 $+6$이다.
• $\mathrm{PbSO_4}$: Pb는 $+2$, 황산 이온 $\mathrm{SO_4^{2-}}$에서 $x + 4(-2) = -2$이므로 황은 $+6$이다.
• $\mathrm{H_2SO_4}$: $2(+1) + x + 4(-2) = 0$이므로 황은 $+6$이다.

옳은 것은 ㄷ과 ㄹ이다. 전자는 원자핵 바깥에 분포하고, 원자량은 탄소-12 원자의 질량을 기준(12)으로 정한다.

원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 원자 중심의 매우 작은 공간에 있고, 원자 크기는 전자가 분포하는 공간이 결정한다.

• ㄱ: 양성자는 양(+)의 전하를 띠므로 틀리다.
• ㄴ: 중성자는 원자핵 안에 있어 원자 부피의 극히 일부만 차지하므로 틀리다.

온실 효과가 가장 작은 것은 에탄올($\mathrm{C_2H_5OH}$)이다.

에탄올은 대기 중에서 쉽게 분해되거나 물에 녹아 제거되므로 체류 시간이 짧고, 주요 온실 기체로 분류되지 않는다.

• $\mathrm{CO_2}$: 배출량이 가장 많아 지구 온난화에 대한 기여도가 큰 대표적 온실 기체이다.
• $\mathrm{CH_4}$: 같은 질량 기준으로 이산화 탄소보다 지구 온난화 지수가 큰 온실 기체이다.
• 수소불화탄소(HFCs): 지구 온난화 지수가 매우 커 교토 의정서의 규제 대상 온실 기체에 포함된다.

최외각 전자 수는 X가 1, Y가 2, Z가 6이므로 Z＞Y＞X 순이라는 설명이 옳다.

X는 Li, Y는 Be, Z는 O에 해당하는 2주기 원소로, 같은 주기에서 원자 번호가 클수록 유효 핵전하가 커진다.

• 전기음성도: 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 커지므로 Z＞Y＞X 순이다.
• 원자 반지름: 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 작아지므로 X＞Y＞Z 순이다.
• 이온 반지름: Z의 음이온이 가장 크고, 양이온 중에서는 핵전하가 작은 X의 양이온이 Y의 양이온보다 크므로 Z 음이온＞X 양이온＞Y 양이온 순이다.

2~4주기 알칼리 금속(Li, Na, K)은 원자 번호가 커질수록 전기음성도가 작아진다.

같은 족에서 아래로 갈수록 전자 껍질 수가 늘어 원자 반지름이 커지므로, 원자핵이 결합 전자를 끌어당기는 힘이 약해진다.

• 정상 녹는점: 원자 반지름이 커질수록 금속 결합이 약해져 녹는점은 낮아진다.
• 밀도: Na가 Li보다 크고 K는 Na보다 작아 일정하게 작아지는 경향이 아니다.
• 원자가 전자 수: 같은 1족 원소이므로 모두 1개로 같다.

옳은 것은 ㄱ과 ㄷ이다.

1차 이온화 에너지는 기체 상태 중성 원자에서 전자 1개를 떼어 내는 데 필요한 에너지이고, 전자를 잃은 양이온은 핵전하에 비해 전자 수가 적어 다음 전자를 떼기가 더 어려우므로 2차 이온화 에너지가 더 크다.

• ㄴ: 이온화 에너지가 클수록 전자를 떼어 내기 어려우므로 양이온이 되기 어렵다. 따라서 틀리다.

옳지 않은 설명은 원자의 배위수가 Mg가 Al보다 크다는 것이다.

면심 입방(fcc)과 육방 조밀 쌓임(hcp)은 모두 조밀 쌓임 구조로, 배위수는 둘 다 12로 같다.

• Al의 구조: 면심 입방 구조는 입방 조밀 쌓임(ccp)과 같은 구조이다.
• Al 단위 세포의 원자 수: 꼭짓점 $8 \times \dfrac{1}{8} = 1$, 면 중심 $6 \times \dfrac{1}{2} = 3$으로 합계 4개이다.
• 쌓임 효율: 두 구조는 층을 쌓는 순서만 다를 뿐 모두 최조밀 쌓임이라 쌓임 효율이 같다.

옳지 않은 설명은 속도 결정 단계가 가장 빠른 단계라는 것이다.

다단계 반응에서 전체 반응 속도는 가장 느린 단계에 의해 제한되므로, 속도 결정 단계는 활성화 에너지가 가장 큰(가장 느린) 단계이다.

• 1차 반응: 속도 법칙이 $v = k[\mathrm{A}]$이므로 반응 속도는 반응물 농도에 비례한다.
• 정촉매: 활성화 에너지가 더 낮은 새로운 경로를 제공하므로 전이 상태의 에너지 준위가 낮아진다.
• 온도와 속도 상수: 아레니우스 식 $k = Ae^{-E_a/RT}$에서 $E_a > 0$이면 온도가 높을수록 k가 커진다.

$\mathrm{H_3O^+}$의 몰 농도는 $5 \times 10^{-13}\ \mathrm{M}$이다.

$\mathrm{Ba(OH)_2}$는 강염기로 완전히 이온화하며, 1 mol당 $\mathrm{OH^-}$ 2 mol을 내놓는다.
$[\mathrm{OH^-}] = \dfrac{0.1 \times 2\ \mathrm{mol}}{10\ \mathrm{L}} = 0.02\ \mathrm{M}$

25°C에서 물의 이온곱을 이용한다.
$[\mathrm{H_3O^+}] = \dfrac{K_w}{[\mathrm{OH^-}]} = \dfrac{1 \times 10^{-14}}{2 \times 10^{-2}} = 5 \times 10^{-13}\ \mathrm{M}$

오존($\mathrm{O_3}$)에 대해 옳지 않은 설명은 색깔과 냄새가 없다는 것이다.

오존은 옅은 푸른색을 띠고 특유의 자극적인 냄새가 나는 기체이다.

• 공명 구조: 중심 O와 양쪽 O 사이의 단일·이중 결합 위치가 바뀌는 두 공명 구조를 가진다.
• 기하 구조: 중심 O 원자에 비공유 전자쌍이 있어 굽은형 구조이다.
• 산화력: 쉽게 분해되어 반응성 큰 산소를 내놓으므로 $\mathrm{O_2}$보다 산화력이 강하다.

옳지 않은 설명은 산소 원자가 모두 sp$^{3}$ 혼성이라는 것이다. 고리의 C=O에 있는 카보닐 산소는 sp$^{2}$ 혼성이다.

제시된 분자는 아스코르브산(비타민 C) 구조로, 5원자 고리 락톤에 C=O와 C=C가 하나씩 있고 곁사슬에 하이드록시기가 붙어 있다.

• 이중 결합의 개수: 고리의 C=O와 C=C를 합쳐 2개로 옳다.
• sp$^{3}$ 탄소의 개수: CH$_{2}$OH의 탄소, 곁사슬 CH(OH) 탄소, 고리의 CH 탄소로 3개이므로 옳다.
• 카이랄 중심의 개수: 곁사슬 CH(OH) 탄소와 고리의 CH 탄소가 각각 서로 다른 네 원자단과 결합하므로 2개로 옳다.

중심 원자의 형식 전하는 I$_{3}^{-}$에서 -1, OCN$^{-}$에서 0이므로 합은 -1이다.

형식 전하 = 원자가 전자 수 − 비공유 전자 수 − 결합 수(공유 전자쌍 수)이다.

I$_{3}^{-}$: 중심 I는 단일 결합 2개와 비공유 전자쌍 3개를 가지므로 $7-6-2=-1$
OCN$^{-}$: 중심 C는 O=C=N 구조에서 비공유 전자 없이 결합 4개를 가지므로 $4-0-4=0$

따라서 합은 $(-1)+0=-1$이다.

옳은 것은 ㄱ과 ㄷ이다.

고체는 평형 상수식에 들어가지 않으므로 $K_{\mathrm{p}}=P_{\mathrm{CO_{2}}}=0.1$이고, 평형에서 CO$_{2}$의 부분 압력은 0.1 atm이다.

• ㄴ: 순수한 고체를 더해도 평형 상수식의 값이 변하지 않아 평형이 이동하지 않으므로 틀리다.
• ㄷ: CO$_{2}$를 제거하면 르샤틀리에 원리에 따라 정반응이 진행되어 CaO가 늘어나므로 옳다.

결합 에너지로 구한 반응열은 a = -180이다.

ΔH = (끊어지는 결합 에너지 합) − (생성되는 결합 에너지 합)

끊어지는 결합: C−H 4개, O=O 2개
$4\times 100+2\times 120=640$
생성되는 결합: C=O 2개, O−H 4개
$2\times 190+4\times 110=820$

$\Delta H=640-820=-180\ \mathrm{kcal}$으로, 생성 결합이 더 강해 발열 반응이다.

네른스트 식으로 구한 기전력은 약 1.07 V이다.

표준 기전력: $E^{0}=0.34-(-0.76)=1.10\ \mathrm{V}$

전체 반응 Zn + Cu$^{2+}$ → Zn$^{2+}$ + Cu, $n=2$
$E=E^{0}-\dfrac{0.0592}{n}\log\dfrac{[\mathrm{Zn^{2+}}]}{[\mathrm{Cu^{2+}}]}$
$E=1.10-\dfrac{0.0592}{2}\log\dfrac{0.1}{0.01}=1.10-0.03=1.07\ \mathrm{V}$

생성물인 Zn$^{2+}$ 농도가 반응물인 Cu$^{2+}$보다 커서 표준 기전력보다 작아진다.