18년 1회차

헬륨의 부분 압력은 5.5 atm이다.

돌턴의 분압 법칙에 따라 전체 압력은 각 기체 분압의 합이다. 먼저 산소 분압을 atm으로 바꾼다.
$P_{\mathrm{O_2}}=\dfrac{1140\ \mathrm{mmHg}}{760\ \mathrm{mmHg/atm}}=1.5\ \mathrm{atm}$

전체 압력에서 산소 분압을 빼면 헬륨 분압이 된다.
$P_{\mathrm{He}}=7.0-1.5=5.5\ \mathrm{atm}$

산소 분압을 atm으로 환산하지 않거나 단위를 섞으면 다른 값이 나오므로 단위 통일이 핵심이다.

동위 원소는 A와 Y이다.

동위 원소는 원자 번호(양성자 수)는 같고 질량수가 다른 원소이다. A와 Y는 원자 번호가 $186$으로 같고 질량수가 $410$과 $412$로 다르다.

• A와 Z: 원자 번호가 $186$과 $185$로 달라 서로 다른 원소이다.
• X와 Y: 원자 번호가 $183$과 $186$으로 달라 서로 다른 원소이다.
• X와 Z: 질량수만 다른 것이 아니라 원자 번호도 달라 동위 원소가 아니다.

세 반응의 평형 상수는 ㄱ＞ㄴ＞ㄷ 순이다.

세 반응은 인산의 단계별 이온화이며 차례로 $K_{a1}, K_{a2}, K_{a3}$에 해당한다. 음전하를 띤 화학종일수록 양성자를 떼어 내기 어려워 단계가 진행될수록 K가 크게 작아진다.

• 세 값이 같다는 배열: 이미 음전하를 띤 이온에서 $\mathrm{H^+}$을 떼려면 정전기적 인력을 더 이겨야 하므로 같을 수 없다.
• 둘째 단계가 가장 크다는 배열: 중성 분자인 $\mathrm{H_3PO_4}$의 이온화가 가장 쉬우므로 첫 단계가 가장 크다.
• 셋째 단계가 가장 크다는 배열: 전하가 가장 큰 $\mathrm{HPO_4^{2-}}$의 이온화가 가장 어려워 오히려 가장 작다.

방사성 실내 오염 물질은 라돈이다.

라돈은 토양·암석 속 우라늄 붕괴 계열에서 생기는 방사성 비활성 기체로, 건물 틈으로 스며들어 폐암 위험을 높인다.

• 이산화 질소: 연소 과정에서 생기는 자극성 기체로 방사성이 없다.
• 일산화 탄소: 불완전 연소로 생겨 헤모글로빈과 결합하는 독성 기체이며 방사성이 없다.
• 폼알데하이드: 건축 자재·가구에서 방출되는 휘발성 유기 화합물로 방사성이 없다.

셀 전압이 1.261V라는 설명이 옳지 않다.

표준 셀 전위는 환원 전극 전위 − 산화 전극 전위로 구하며, 반응 계수를 곱해도 전위는 그대로이다.
$E^\circ_{\mathrm{cell}}=0.799-0.337=0.462\,\mathrm{V}$

• 전극 구분: 환원 전위가 큰 Ag 쪽에서 환원, 작은 Cu 쪽에서 산화가 일어나므로 Ag가 환원 전극, Cu가 산화 전극이다.
• 자발성: $E^\circ_{\mathrm{cell}}$가 양수이므로 알짜 반응은 자발적으로 일어난다.
• 알짜 반응식: 전자 수를 맞추려 Ag 반쪽 반응에 2를 곱해 더하면 $\mathrm{2Ag^+(aq)+Cu(s)\rightarrow 2Ag(s)+Cu^{2+}(aq)}$이다.

끓는점이 가장 낮은 분자는 삼플루오린화 붕소이다.

$\mathrm{BF_3}$는 평면 삼각형 구조라 결합 쌍극자가 상쇄되는 무극성 분자이므로 분산력만 작용해 분자 간 인력이 가장 약하다.

• 물: 강한 수소 결합으로 끓는점이 매우 높다.
• 일염화 아이오딘: 극성 분자로 쌍극자-쌍극자 힘이 작용하고 분자량도 커서 끓는점이 높다.
• 암모니아: 분자 간 수소 결합이 작용해 무극성 분자보다 끓는점이 높다.

산화수 변화가 가장 큰 원소는 S이다.

$\mathrm{PbS}$에서 S는 $-2$, $\mathrm{PbSO_4}$에서 S는 $+6$이므로 산화수가 8 증가한다(산화).

• Pb: 반응 전후 모두 $+2$로 변화가 없다.
• H: $\mathrm{H_2O_2}$와 $\mathrm{H_2O}$ 모두에서 $+1$로 변화가 없다.
• O: 과산화물의 $-1$에서 물의 $-2$로 1만큼 감소(환원)한다.

옳은 설명은 $\mathrm{H_2S}$와 $\mathrm{H_2}$, HF와 HCl에 대한 것이다.

$\mathrm{H_2S}$는 굽은형 극성 분자라 쌍극자-쌍극자 힘이 작용하지만 $\mathrm{H_2}$는 무극성이다. HF는 F에 결합한 H 때문에 수소 결합을 이루어 HCl보다 끓는점이 높다.

• $\mathrm{NH_3}$와 $\mathrm{PH_3}$: 분산력은 분자량이 큰 $\mathrm{PH_3}$가 더 크므로, $\mathrm{NH_3}$의 끓는점이 높은 이유는 분산력이 아니라 N－H 사이의 수소 결합이다.

옳지 않은 것은 코발트의 전자 배치이다.

Co(원자 번호 27)의 바닥 상태는 $\mathrm{[Ar]4s^2 3d^7}$이다. 4주기 전이 원소에서 4s 전자 하나가 3d로 옮겨 가는 대표적 예외는 반채움·완전채움으로 안정해지는 Cr·Cu이다.

• Cr: $\mathrm{3d^5}$ 반채움으로 안정해지므로 $\mathrm{[Ar]4s^1 3d^5}$가 옳다.
• Cu: $\mathrm{3d^{10}}$ 완전채움으로 안정해지므로 $\mathrm{[Ar]4s^1 3d^{10}}$가 옳다.
• Zn: 쌓음 원리 그대로 $\mathrm{[Ar]4s^2 3d^{10}}$가 옳다.

체심 입방 단위 세포의 원자 알짜 개수는 2개이다.

꼭짓점 원자는 8개의 단위 세포가 공유하고, 체심 원자는 한 단위 세포에 온전히 속한다.

$8\times\dfrac{1}{8}+1\times1=2$

참고로 단순 입방은 1개, 면심 입방은 4개이므로 구조별 개수를 구분해 두면 된다.

필요한 2.0 M 수용액의 부피는 125 mL이다.

묽혀도 용질의 몰수는 변하지 않으므로 $M_1V_1=M_2V_2$를 쓴다.

$2.0\times V_1=0.50\times500$
$V_1=\dfrac{250}{2.0}=125\ \mathrm{mL}$

실험식이 같은 쌍은 아세틸렌·벤젠과 아세트산·글루코스이다.

실험식은 분자식을 가장 간단한 정수비로 줄인 식이다. $\mathrm{C_2H_2}$와 $\mathrm{C_6H_6}$는 모두 $\mathrm{CH}$, $\mathrm{C_2H_4O_2}$와 $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$는 모두 $\mathrm{CH_2O}$이다.

• 에틸렌·에테인: 실험식이 각각 $\mathrm{CH_2}$와 $\mathrm{CH_3}$로 다르다.
• 에탄올·아세트알데하이드: 더 줄일 수 없어 $\mathrm{C_2H_6O}$와 $\mathrm{C_2H_4O}$ 그대로이며 서로 다르다.

분자 수가 가장 많은 것은 84 g 일산화 탄소이다.

분자 수는 몰수에 비례하므로 각각을 몰수로 바꿔 비교한다. CO의 몰질량은 $28\ \mathrm{g/mol}$이다.
$\dfrac{84\ \mathrm{g}}{28\ \mathrm{g/mol}}=3.0\ \mathrm{mol}$

• 이산화 탄소 0.5 mol: 0.5 mol이다.
• 아보가드로 수만큼의 일산화 탄소: 1 mol이다.
• 산소 1.0 mol과 일산화 탄소 2.0 mol의 반응: $\mathrm{2CO+O_2\rightarrow 2CO_2}$에서 정량 반응하므로 이산화 탄소 2.0 mol이 생성된다.

따라서 3.0 mol이 가장 많다.

한계 시약은 $\mathrm{Pb(NO_3)_2}$이다.

반응식은 $\mathrm{2Na_3PO_4+3Pb(NO_3)_2\rightarrow 6NaNO_3+Pb_3(PO_4)_2}$이며, 몰수는 농도 × 부피로 구한다.
$\mathrm{Na_3PO_4}$: $0.30\times0.010=0.0030\,\mathrm{mol}$
$\mathrm{Pb(NO_3)_2}$: $0.20\times0.020=0.0040\,\mathrm{mol}$

$\mathrm{Na_3PO_4}$ 0.0030 mol을 모두 반응시키려면 $\mathrm{Pb(NO_3)_2}$가 $0.0030\times\dfrac{3}{2}=0.0045\,\mathrm{mol}$ 필요한데 0.0040 mol뿐이므로 먼저 소진된다.

• $\mathrm{Na_3PO_4}$: 반응 후 $0.0030-0.0040\times\dfrac{2}{3}\approx0.0003\,\mathrm{mol}$이 남는 과량 시약이다.
• $\mathrm{NaNO_3}$와 $\mathrm{Pb_3(PO_4)_2}$: 반응으로 생기는 생성물이므로 한계 시약이 될 수 없다.

$\mathrm{C_5H_{12}}$의 구조 이성질체는 3가지이다.

탄소 골격의 가지 형태에 따라 나뉜다.

• 노말 펜테인: 탄소 5개가 일렬로 이어진 구조
• 2-메틸뷰테인(아이소펜테인): 탄소 4개 사슬에 메틸기 하나가 달린 구조
• 2,2-다이메틸프로페인(네오펜테인): 중심 탄소에 메틸기 4개가 결합한 구조

알케인은 이중 결합이 없으므로 사슬 가지 형태만 세면 된다.

산화-환원 반응은 염화 구리(I)이 염화 구리(II)와 구리로 나뉘는 반응이다.

구리의 산화수가 +1에서 +2(산화)와 0(환원)으로 동시에 변하는 불균등화 반응이다.

• 황산 나트륨과 질산 납의 반응: 황산 납이 침전되는 앙금 생성 반응으로 산화수 변화가 없다.
• 수산화 칼륨과 질산 철(III)의 반응: 수산화 철(III)이 침전되는 반응으로 철은 +3을 유지한다.
• 질산 은과 염화 나트륨의 반응: 염화 은이 침전되는 반응으로 산화수 변화가 없다.

결합 차수가 가장 높은 것은 질소 분자이다.

$\mathrm{N_2}$는 N≡N 삼중 결합으로 결합 차수가 3이다.

• 이산화 탄소: C=O 이중 결합으로 결합 차수 2이다.
• 물: O-H 단일 결합으로 결합 차수 1이다.
• 에텐: C=C 이중 결합(차수 2)과 C-H 단일 결합으로 이루어진다.

물과 반응해 산성을 나타내지 않는 것은 에테인이다.

에테인은 무극성 포화 탄화수소로 물과 반응하지 않으며 산성 산화물도 아니다.

• 이산화 황: 물에 녹아 아황산을 만들어 산성을 띤다.
• 일산화 질소: 공기 중에서 이산화 질소로 산화된 뒤 물과 반응해 질산을 만들어 산성비의 원인이 된다.
• 이산화 탄소: 물에 녹아 탄산을 만들어 약한 산성을 띤다.

옳은 설명은 산소 분자의 결합 거리가 산소 양이온보다 길다는 것이다.

결합 차수가 클수록 결합 거리가 짧다. 분자 오비탈로 보면 $\mathrm{O_2^+}$는 2.5, $\mathrm{O_2}$는 2, $\mathrm{O_2^-}$는 1.5이고, 공명 구조인 $\mathrm{O_3}$는 평균 1.5이다.

• 산소 분자와 오존: 오존의 결합 차수가 더 작아 결합이 더 길므로, 산소 분자가 더 길다는 비교는 틀렸다.
• 산소 분자와 산소 음이온: 음이온은 반결합 오비탈에 전자가 추가되어 결합 차수가 작아지므로 결합이 더 길다. 산소 분자가 더 길다는 비교는 틀렸다.
• 이온화 에너지: $\mathrm{O_2}$는 높은 에너지의 반결합 π* 오비탈에서 전자를 떼므로 산소 원자보다 이온화 에너지가 작다.

옳은 설명은 역삼투를 이용한 바닷물 담수화이다.

바닷물 쪽에 삼투압보다 큰 압력을 가하면 물이 반투막을 지나 순수한 쪽으로 이동하므로 담수를 얻을 수 있다.

• 소금물의 어는점: 비휘발성 용질이 녹으면 어는점 내림이 일어나 순수한 물보다 낮다.
• 용액의 증기압: 비휘발성 용질이 녹으면 증기압이 내려가 순수한 용매보다 낮다.
• 설탕물의 끓는점: 끓는점 오름이 일어나 순수한 물보다 높다.