17년 2회차

엔트로피가 증가하는 것은 기체 몰수가 늘어나는 $\mathrm{SO_3}$의 분해 반응이다.

기체는 고체·수용액보다 무질서도가 훨씬 크므로, 반응 후 기체 몰수가 늘면 계의 엔트로피가 증가한다. $\mathrm{2SO_3(g) \to 2SO_2(g) + O_2(g)}$에서 기체가 2 mol → 3 mol로 증가한다.

• 은 이온과 염화 이온이 고체 염화 은으로 침전하는 반응: 수용액 이온이 고체로 정렬되므로 엔트로피 감소
• 철이 산소와 반응해 산화 철(III)이 되는 반응: 기체 산소가 소모되고 고체만 남으므로 엔트로피 감소
• 염화 수소와 암모니아가 고체 염화 암모늄을 만드는 반응: 기체 2 mol이 고체로 바뀌므로 엔트로피 감소

$\mathrm{CN^{-}}$의 루이스 구조에서 N의 형식 전하는 0이다.

루이스 구조는 C와 N이 삼중 결합하고 각 원자에 비공유 전자쌍이 1개씩 있는 형태이다.
형식 전하 = 원자가 전자 수 − 비공유 전자 수 − 결합 전자 수 ÷ 2

N: $5 - 2 - \dfrac{6}{2} = 0$
C: $4 - 2 - \dfrac{6}{2} = -1$이므로 이온 전체의 −1 전하는 C에 놓인다.

• +1: N이 결합 4개(비공유 전자쌍 0개)를 이룰 때의 형식 전하로, 삼중 결합과 비공유 전자쌍 1개를 가진 이 구조와 맞지 않는다
• +2: 비공유 전자쌍을 빼지 않고 결합 전자 몫만 빼서 $5 - 3$으로 센 값
• +3: 결합 전자 몫을 빼지 않고 비공유 전자만 빼서 $5 - 2$로 센 값

그래프가 설명하는 분자간 힘은 분산력(런던 힘)이다.

n-펜테인부터 n-노네인까지의 알케인은 모두 무극성 분자라서 분자 사이에는 분산력만 작용한다. 몰질량(전자 수)이 클수록 편극되기 쉬워 분산력이 커지므로 끓는점이 차례로 높아진다.

• 쌍극자－쌍극자 힘: 영구 쌍극자를 가진 극성 분자 사이의 힘인데, 알케인은 무극성이다.
• 이온－쌍극자 힘: 이온과 극성 분자 사이의 힘으로, 그래프에는 이온이 없다.
• 수소 결합: H가 F·O·N에 직접 결합해야 생기는데, 알케인에는 C－H 결합만 있다.

결합 종류가 다른 것은 염화 소듐(NaCl)으로, 금속과 비금속 사이의 이온 결합 물질이다.

나머지는 모두 비금속 원자끼리 전자쌍을 공유하는 공유 결합 분자이다.

• 물: 산소와 수소가 전자쌍을 공유하는 극성 공유 결합
• 일염화 아이오딘: 아이오딘과 염소(두 할로젠)가 전자쌍을 공유하는 극성 공유 결합
• 암모니아: 질소와 수소가 전자쌍을 공유하는 극성 공유 결합

수용액이 산성인 것은 페놀과 벤조산이다.

페놀의 -OH와 벤조산의 -COOH는 물에서 H$^+$를 내놓는 산성 작용기이다. 짝염기(페녹사이드·벤조에이트 이온)가 벤젠 고리나 카복실기에 음전하를 분산시켜 안정화되기 때문이다.

• 톨루엔: 메틸기만 붙은 탄화수소로 H$^+$를 내놓지 않아 산성을 띠지 않는다.
• 아닐린: -NH$_2$의 비공유 전자쌍이 H$^+$를 받아들이는 약한 염기이다.

$\mathrm{ClO_3^{+}}$ 이온의 기하학적 구조는 삼각 평면이다.

중심 원자 Cl의 원자가 전자 7개에서 양전하 1개만큼 빼면 6개이고, 이를 산소 3개와의 결합에 모두 사용하므로 비공유 전자쌍이 0개이다. 전자 영역 3개, 비공유 전자쌍 0개($\mathrm{AX_3}$)이면 삼각 평면 구조가 된다.

• 굽은형: 전자 영역 3~4개 중 비공유 전자쌍이 1~2개 있는 분자(예: 물)의 구조
• 정사면체: 전자 영역 4개, 결합 4개($\mathrm{AX_4}$)일 때의 구조
• 평면 사각형: 전자 영역 6개 중 비공유 전자쌍이 2개($\mathrm{AX_4E_2}$)일 때의 구조

약산 HA 1.0 M 수용액의 수소 이온 농도는 $2.0 \times 10^{-5}\ \mathrm{M}$이다.

약산은 해리가 매우 작으므로 $[\mathrm{H^{+}}] = [\mathrm{A^{-}}] = x$, $[\mathrm{HA}] \approx C$로 근사한다.
$K_a = \dfrac{x^2}{C}$ → $x = \sqrt{K_a C}$

$x = \sqrt{4.0 \times 10^{-10} \times 1.0} = 2.0 \times 10^{-5}\ \mathrm{M}$

• $4.0 \times 10^{-5}$: 제곱근의 계수 4를 그대로 두고 지수만 반으로 줄인 값
• $2.0 \times 10^{-10}$: 계수만 제곱근을 취하고 지수는 그대로 둔 값
• $4.0 \times 10^{-10}$: $K_a$ 값을 그대로 쓴 것으로, 제곱근을 취하지 않은 값

세 설명이 모두 옳다.

전자 배치로 보면 X는 Ne, Y는 Na, Z는 Mg이다.

• 1차 이온화 에너지: 18족 Ne는 전자 배치가 가장 안정해 2족 Mg보다 훨씬 크다.
• 원자 반지름: 같은 3주기에서 Na는 Mg보다 유효 핵전하가 작아 반지름이 더 크다.
• 이온의 크기: $\mathrm{Na^+}$와 $\mathrm{Mg^{2+}}$는 전자 수가 같은 등전자 이온이고, 핵전하가 작은 $\mathrm{Na^+}$가 더 크다.

속도 법칙은 $v = k[\mathrm{ClO_2}]^2[\mathrm{OH^-}]$이다.

실험 1과 2를 비교하면 [OH$^-$]만 2배가 될 때 속도가 2배이므로 OH$^-$에 대해 1차이다.
실험 1과 3을 비교하면 [ClO$_2$]만 2배가 될 때 속도가 4배이므로 ClO$_2$에 대해 2차이다.

• 두 반응물 모두 1차인 식: ClO$_2$ 농도 2배에 속도가 4배가 된 결과와 맞지 않는다.
• OH$^-$에 대해 2차인 식: OH$^-$ 농도 2배에 속도가 2배만 된 결과와 맞지 않는다.
• 두 반응물 모두 2차인 식: OH$^-$에 대한 차수가 실험값과 다르다.

1327℃에서 $\mathrm{CO_2}$의 평균 속력은 600 m/s이다.

기체 분자의 평균 속력은 절대 온도의 제곱근에 비례한다($v \propto \sqrt{T}$).

절대 온도: 127℃ = 400 K, 1327℃ = 1600 K
$\dfrac{v_2}{v_1} = \sqrt{\dfrac{1600}{400}} = 2$
$v_2 = 300 \times 2 = 600\ \mathrm{m/s}$

• 1200 m/s: 속력이 온도에 정비례한다고 보고 4배 한 값
• 900 m/s: 속력을 3배로 잡은 값으로, 절대 온도비 4의 제곱근(2배)과 맞지 않는다
• 300 m/s: 온도가 올라도 속력이 변하지 않는다고 본 값

(나)에서 $\mathrm{H_2O}$는 브뢴스테드－로우리 산이다.

(나)에서 물은 $\mathrm{NH_3}$에게 H$^+$를 내주고 OH$^-$가 되므로 양성자 주개, 곧 브뢴스테드－로우리 산이다.

• (가)의 $\mathrm{AlCl_3}$가 아레니우스 산이라는 설명: 물에서 H$^+$를 내는 반응이 아니며, 전자쌍을 받으므로 루이스 산이다.
• (가)의 Cl$^-$가 루이스 산이라는 설명: Cl$^-$는 비공유 전자쌍을 내주므로 루이스 염기이다.
• (나)의 $\mathrm{NH_3}$가 루이스 산이라는 설명: $\mathrm{NH_3}$는 비공유 전자쌍으로 H$^+$를 받으므로 루이스 염기이다.

옳은 것은 광화학 스모그의 주원인이라는 설명과 자동차 운행을 줄이면 감소한다는 설명이다.

질소 산화물은 고온 연소 과정에서 공기 중 질소와 산소가 반응해 생기며, 주 배출원이 자동차이다. 햇빛을 받아 탄화수소와 반응하면 오존 등을 만들어 광화학 스모그를 일으킨다.

• 런던형 스모그의 주원인이라는 설명: 런던형 스모그는 석탄 연소에서 나온 이산화 황과 매연이 주원인이다.
• 석유나 석탄 연소의 주된 생성물이라는 설명: 연료 연소의 주된 생성물은 이산화 탄소와 물이고, 질소 산화물은 부생성물이다.

중화에 필요한 HCl의 부피는 40 mL이다.

NaOH의 몰수: $\dfrac{4\ \mathrm{g}}{40\ \mathrm{g/mol}} = 0.1\ \mathrm{mol}$
몰 농도: $\dfrac{0.1\ \mathrm{mol}}{0.2\ \mathrm{L}} = 0.5\ \mathrm{M}$

NaOH와 HCl은 1:1로 반응하므로 $MV = M'V'$를 적용한다.
$0.5 \times 20 = 0.25 \times V$
$V = 40\ \mathrm{mL}$

• 20 mL: 두 용액의 농도가 같다고 본 값
• 60 mL: 몰수 관계에 맞지 않는 값으로, 이만큼 넣으면 HCl이 과량이 된다
• 80 mL: NaOH 농도를 1.0 M로 잡는 등 몰수를 두 배로 계산한 값

초임계 추출에 쓰이는 이산화 탄소는 임계점보다 높은 온도·압력 영역(D)의 초임계 유체이다.

상도표에서 A는 고체, B는 액체, C는 기체 영역이고, 임계점을 넘어선 D에서는 액체와 기체의 구별이 사라진다. 초임계 유체는 기체처럼 잘 확산되면서 액체처럼 물질을 녹여 카페인 추출 용매로 쓰인다.

• A 영역: 낮은 온도·높은 압력의 고체(드라이아이스) 상태이다.
• B 영역: 액체 상태로, 임계점 아래이다.
• C 영역: 낮은 압력의 기체 상태이다.

옳은 것은 알짜 이온 반응식이 $\mathrm{Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s)}$라는 설명뿐이다.

아연이 구리보다 이온화 경향이 커서 Zn이 전자를 내주고 Cu$^{2+}$가 받아 구리가 석출된다. $\mathrm{SO_4^{2-}}$는 반응에 참여하지 않는 구경꾼 이온이다.

• 아연의 산화수가 감소하고 구리의 산화수가 증가한다는 설명: 반대로 아연은 0에서 +2로 증가(산화), 구리는 +2에서 0으로 감소(환원)한다.
• 자유 에너지 변화가 0보다 크다는 설명: 이 반응은 자발적으로 일어나므로 ΔG < 0이다.

산화-환원 반응이 아닌 것은 황산 수소 소듐과 수산화 소듐의 반응으로, 산화수 변화가 없는 산-염기 중화 반응이다.

이 반응에서 Na(+1), H(+1), S(+6), O(−2)의 산화수가 반응 전후에 모두 그대로이다.

• 마그네슘의 연소: Mg이 0 → +2로 산화, O가 0 → −2로 환원
• 질산 칼륨의 분해: N이 +5 → 0으로 환원, 일부 O가 −2 → 0으로 산화
• 철과 질산 니켈(II)의 반응: Fe가 0 → +2로 산화, Ni가 +2 → 0으로 환원

혼합 기체의 전체 압력은 2 atm이다.

온도가 일정하므로 각 기체에 보일 법칙($PV$ 일정)을 적용해 10 L 용기에서의 부분 압력을 구한 뒤 더한다.

$\mathrm{H_2}: \dfrac{1 \times 2}{10} = 0.2\ \mathrm{atm}$
$\mathrm{O_2}: \dfrac{2 \times 3}{10} = 0.6\ \mathrm{atm}$
$\mathrm{N_2}: \dfrac{3 \times 4}{10} = 1.2\ \mathrm{atm}$
$P_{total} = 0.2 + 0.6 + 1.2 = 2.0\ \mathrm{atm}$

• 1 atm: 부분 압력 합의 절반으로, 용기 부피를 잘못 적용한 값
• 3 atm: 부피 변화를 반영하지 않고 질소의 원래 압력을 그대로 쓴 값
• 4 atm: 부분 압력 합의 두 배로, 용기 부피를 잘못 적용한 값

옳은 것은 전체 반응 과정에 중간체가 두 개 있다는 설명뿐이다.

에너지 곡선의 골짜기인 B와 C는 생성되었다가 다시 소모되는 중간체이다. 세 봉우리 중 B에서 올라가는 두 번째 봉우리가 가장 높아 B → C 단계의 활성화 에너지가 가장 크다.

• 속도 결정 단계가 C → D라는 설명: C → D의 봉우리는 낮고, 활성화 에너지가 가장 큰 B → C 단계가 속도 결정 단계이다.
• 전체 반응이 발열 반응이라는 설명: 생성물 D의 에너지가 반응물 A보다 높으므로 흡열 반응이다.

X는 탄소(C), Y는 산소(O)이므로 화합물 $\mathrm{CO_2}$는 직선형이다.

2주기 원소는 전자가 든 s오비탈이 1s, 2s의 2개이다. X는 값이 1이므로 p오비탈 2개($\mathrm{2p^2}$, 홀전자 2개)이고, Y는 값이 2/3이므로 p오비탈 3개이며 홀전자가 2개인 $\mathrm{2p^4}$이다.

• 원자가 전자 수가 X가 더 많다는 설명: 탄소는 4개, 산소는 6개로 Y가 더 많다.
• 유효 핵전하가 X가 더 크다는 설명: 같은 주기에서 원자 번호가 큰 산소가 더 크다.
• Y와 수소의 화합물이 YH3라는 설명: 산소는 $\mathrm{H_2O}$를 만든다.

균형 반응식에서 물의 계수는 4이다.

Mn은 +7에서 +2로 전자 5개를 얻고, Fe는 +2에서 +3으로 전자 1개를 잃으므로 Fe$^{2+}$가 5개 필요하다.
$\mathrm{MnO_4^- + 5Fe^{2+} + 8H^+ \rightarrow 5Fe^{3+} + Mn^{2+} + 4H_2O}$

O 원자 4개가 모두 물로 가므로 물은 4개이고, 이를 맞추는 H$^+$는 8개이다. 전하도 양변 모두 +17로 맞는다.

• 2와 3: 산소 4개를 물로 다 옮기지 못하는 값이다.
• 6: 산소 수보다 많아 원자 수가 맞지 않는다.