17년 1회차

산화수 변화가 없는 앙금 생성(복분해) 반응인 $\mathrm{2NaCl + Pb(NO_3)_2 \to PbCl_2 + 2NaNO_3}$ 가 산화－환원 반응이 아니다.

이 반응은 이온끼리 짝만 바꾼 것으로, Na는 +1, Pb는 +2, Cl는 −1, 질산 이온은 그대로 유지된다.

• Al과 HCl의 반응: Al이 0 → +3으로 산화되고 H가 +1 → 0으로 환원된다.
• 물의 분해: H가 +1 → 0으로 환원, O가 −2 → 0으로 산화된다.
• NaI와 $\mathrm{Br_2}$의 반응: I가 −1 → 0으로 산화, Br이 0 → −1로 환원된다.

같은 족에서는 아래로 갈수록 전자 껍질이 늘어나므로 K의 원자 반지름이 Na보다 크다. 따라서 K가 더 작다는 설명이 옳지 않다.

원자 반지름은 같은 족에서 아래로 갈수록 커지고, 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 작아진다.

• Al의 1차 이온화 에너지가 Na보다 크다: 같은 3주기에서 Al은 유효 핵전하가 더 커서 옳다.
• F의 전자 친화도가 O보다 더 큰 음의 값: F는 전자 하나를 얻어 비활성 기체 배치가 되므로 방출 에너지가 크다.
• Cl의 전기음성도가 Br보다 크다: 같은 족에서 위쪽 원소일수록 전기음성도가 크다.

부분 압력은 전체 압력 × 몰분율이므로 $\mathrm{O_2}$의 부분 압력은 3.0 atm이다.

전체 몰수: $15.0 + 25.0 = 40.0\ \mathrm{mol}$
$\mathrm{O_2}$ 몰분율: $X_{\mathrm{O_2}} = \dfrac{15.0}{40.0} = 0.375$
부분 압력: $P_{\mathrm{O_2}} = 0.375 \times 8.0 = 3.0\ \mathrm{atm}$

참고로 He의 부분 압력은 $0.625 \times 8.0 = 5.0\ \mathrm{atm}$이며, 두 값의 합이 전체 압력 8.0 atm과 같다(돌턴의 부분 압력 법칙).

한계 반응물인 Al 기준으로 계산하면 $\mathrm{Al_2Br_6}$는 최대 2 mol 생성된다.

균형 반응식: $\mathrm{2Al + 3Br_2 \to Al_2Br_6}$

Al 4 mol이 모두 반응하려면 $\mathrm{Br_2}$가 $4 \times \dfrac{3}{2} = 6\ \mathrm{mol}$ 필요한데 8 mol이 있으므로 $\mathrm{Br_2}$가 남고 Al이 먼저 소진된다.
생성량: $4 \times \dfrac{1}{2} = 2\ \mathrm{mol}$

격자 에너지는 본－하버 순환에서 각 단계 에너지를 더하여(헤스 법칙) 구하므로, 서로 곱한다는 설명이 옳지 않다.

승화 에너지, 이온화 에너지, 결합 해리 에너지, 전자 친화도, 생성 엔탈피를 합산해 간접적으로 격자 에너지를 얻는다.

• 이온 반지름이 작을수록 이온 간 거리가 짧아져 쿨롱 인력이 커지므로 격자 에너지는 증가한다.
• 공유 결합의 세기는 결합을 끊는 데 필요한 결합 엔탈피로 나타낸다.
• 단일 → 이중 → 삼중 결합으로 결합수가 늘수록 결합 길이는 짧아진다.

황산의 몰 농도는 0.0610 M이다.

반응식에서 NaOH와 황산은 2 : 1의 몰 비로 반응한다.

NaOH의 몰수: $0.100 \times 0.0244 = 2.44 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}$
황산의 몰수: $\dfrac{2.44 \times 10^{-3}}{2} = 1.22 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}$
몰 농도: $\dfrac{1.22 \times 10^{-3}}{0.0200} = 0.0610\,\mathrm{M}$

• 0.0410 M: 몰 비나 부피 대입이 맞지 않는 값이다.
• 0.122 M: 황산이 NaOH와 1 : 1로 반응한다고 잘못 계산한 값이다.
• 0.244 M: 몰 비를 반대로(황산 2 : NaOH 1) 적용한 값이다.

반응 지수는 Q ≒ 1.3이고 K보다 작으므로 반응은 왼쪽에서 오른쪽(정반응)으로 진행한다.

10L 용기이므로 농도는 $[\mathrm{H_2}] = 0.001\,\mathrm{M}$, $[\mathrm{I_2}] = 0.003\,\mathrm{M}$, $[\mathrm{HI}] = 0.002\,\mathrm{M}$이다.

$Q = \dfrac{[\mathrm{HI}]^2}{[\mathrm{H_2}][\mathrm{I_2}]} = \dfrac{(0.002)^2}{0.001 \times 0.003} \approx 1.3$

• Q = 13이라는 값: 농도 대입이 잘못된 값이다.
• 오른쪽에서 왼쪽으로 진행한다는 방향: Q가 K보다 클 때의 방향이며, 여기서는 Q < K이므로 생성물이 더 만들어져야 한다.

하이드록시기가 붙은 탄소에 수소가 없는 3차 알코올(2-메틸-2-프로판올)은 산화되지 않는다.

알코올이 산화되려면 -OH가 붙은 탄소에서 수소 원자가 떨어져 나가 C=O가 만들어져야 한다. 탄소 3개가 붙은 3차 탄소에는 떼어낼 수소가 없다.

• 에탄올: 1차 알코올로, 산화되어 아세트알데하이드를 거쳐 아세트산이 된다.
• 2-프로판올: 2차 알코올로, 산화되어 아세톤(케톤)이 된다.
• 한 탄소에 -OH 두 개와 수소 하나가 붙은 화합물: 그 탄소에 수소가 있으므로 산화되어 카복실산(아세트산)이 될 수 있다.

이 전지에서 구리 이온은 구리 전극에서 Cu로 환원된다.

표준 전지 표시법은 산화 전극을 왼쪽, 환원 전극을 오른쪽에 쓴다. Zn이 산화되어 내놓은 전자가 외부 회로를 따라 Cu 전극으로 가서 $\mathrm{Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu}$가 일어난다.

• 단일 수직선이 염다리라는 설명: 단일 수직선은 전극과 용액의 상 경계이고, 염다리는 이중 수직선이다.
• 이중 수직선 왼쪽이 환원 전극이라는 설명: 왼쪽은 산화 전극 반쪽 전지이다.
• 전자가 환원 전극에서 산화 전극으로 흐른다는 설명: 전자는 산화 전극에서 환원 전극으로 흐른다.

옳은 비교는 ㄱ, ㄷ, ㄹ이다.

같은 족 수소 화합물은 중심 원자가 클수록 H–X 결합이 약해 산이 세지고, 산소산·카복실산은 전자를 끌어당기는 원자가 있을수록 세진다.

• ㄱ: S가 O보다 커서 H–S 결합이 약하므로 황화 수소가 물보다 센 산이다. 옳다.
• ㄴ: I가 Cl보다 커서 H–I 결합이 더 약하므로 아이오딘화 수소가 더 센 산이다. 옳지 않다.
• ㄷ: 전기음성도가 큰 Cl 3개가 전자를 끌어당겨 짝염기를 안정화하므로 트라이클로로아세트산이 더 세다. 옳다.
• ㄹ: Cl의 전기음성도가 Br보다 커서 O–H 결합의 극성이 커지므로 하이포아염소산이 더 세다. 옳다.

이산화 탄소는 주로 지구 온난화(온실 효과)의 원인 물질이며, 산성비나 스모그의 주된 원인 물질은 아니다.

산성비와 스모그는 연료 속 황·질소 성분이 연소해 생기는 황산화물과 질소산화물이 주원인이다.

• $\mathrm{SO_2}$: 대기 중에서 산화되어 황산이 되어 산성비를 일으킨다.
• NO: 공기 중에서 $\mathrm{NO_2}$로 산화되어 광화학 스모그와 산성비의 출발 물질이 된다.
• $\mathrm{NO_2}$: 질산을 만들어 산성비를 일으키고, 햇빛을 받아 광화학 스모그를 형성한다.

탄소-13은 원자 번호·양성자 수·전자 수가 6, 중성자 수 7, 질량수 13으로 모든 값이 옳다.

중성 원자는 양성자 수 = 전자 수 = 원자 번호이고, 중성자 수는 질량수에서 양성자 수를 뺀 값이다.

• 삼중수소: 전자 수가 2로 적혀 있으나 중성 원자이므로 1이어야 한다.
• 산소-17: 중성자 수가 9, 질량수가 17이어야 하는데 8과 16으로 적혀 있다.
• 질소-15: 전자 수가 8로 적혀 있으나 7이어야 한다.

균형 반응식은 $\mathrm{2C_8H_{18} + 25O_2 \rightarrow 16CO_2 + 18H_2O}$이므로 계수의 합은 61이다.

옥테인 1개 기준으로 탄소에서 $\mathrm{CO_2}$ 8개, 수소에서 $\mathrm{H_2O}$ 9개가 생긴다. 필요한 산소 원자는 16 + 9 = 25개, 즉 $\mathrm{O_2}$ 12.5개이다.

정수로 만들기 위해 전체를 2배 하면 a = 2, b = 25, c = 16, d = 18이다.
$2 + 25 + 16 + 18 = 61$

• 60, 62, 63: 산소 원자 수를 잘못 세거나 2배 처리를 빠뜨린 값으로, 원자 수 보존을 만족하지 않는다.

C는 3s에 전자 1개를 가진 나트륨이므로 가장 안정한 이온은 C$^{+}$이다.

C는 원자가 전자 1개를 잃으면 네온과 같은 전자 배치가 되어 안정해진다.

• A가 바닥 상태라는 설명: 2s를 비우고 3s에 전자가 있으므로 들뜬 상태이다.
• B의 원자가 전자가 4개라는 설명: 2s에 2개, 2p에 3개로 원자가 전자는 5개이다.
• C의 홀전자가 D보다 많다는 설명: C는 홀전자 1개, D는 3p에 전자 4개가 들어가 홀전자 2개이므로 D가 더 많다.

에텐은 탄소－탄소 이중 결합(π 결합)을 가지므로 $\mathrm{Br_2}$와 첨가 반응을 하여 1,2－다이브로모에테인을 만든다.

메테인은 $sp^{3}$ 혼성의 정사면체 구조, 에텐은 $sp^{2}$ 혼성의 평면 구조이다.

• 결합각: 메테인은 약 109.5°, 에텐은 약 120°이므로 메테인이 더 작다.
• 메테인의 탄소는 $sp^{2}$ 혼성이 아니라 $sp^{3}$ 혼성이다.
• 메테인은 대칭인 정사면체 구조라 결합 쌍극자가 상쇄되어 무극성 분자이다.

아세트산의 절반이 중화된 반당량점이므로 $\mathrm{pH = p}K_a = 4.745$ 이다.

$\mathrm{CH_3COOH}$: $0.100 \times 20.0 = 2.00\ \mathrm{mmol}$
NaOH: $0.100 \times 10.0 = 1.00\ \mathrm{mmol}$
반응 후 $\mathrm{CH_3COOH}$ 1.00 mmol, $\mathrm{CH_3COO}$⁻ 1.00 mmol 이 남아 완충 용액이 된다.

헨더슨－하셀바흐 식: $\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a + \log\dfrac{1.00}{1.00} = \mathrm{p}K_a$
$\mathrm{p}K_a = -\log(1.80 \times 10^{-5}) = 5 - 0.255 = 4.745$

오존은 중심 산소에 비공유 전자쌍이 있는 굽은형이므로 결합각이 180°라는 설명이 옳지 않다.

오존의 결합각은 약 117°로, 중심 원자 주위 전자쌍 배치가 평면 삼각형이고 그중 한 자리를 비공유 전자쌍이 차지한다.

• (가)에서 탄소가 환원되었다는 설명: 탄소의 산화수가 +4에서 +3으로 줄었으므로 옳다.
• ClO에 홀전자가 있다는 설명: 원자가 전자가 7 + 6 = 13개로 홀수이므로 옳다.
• 오존의 π결합이 비편재화되어 있다는 설명: 두 공명 구조의 혼성으로 π전자가 세 산소에 퍼져 있으므로 옳다.

금속과 산소의 몰수비가 2 : 3이므로 실험식은 $\mathrm{M_2O_3}$, 즉 x＝2, y＝3이다.

금속 M: $\dfrac{112}{56} = 2\ \mathrm{mol}$
결합한 산소 질량: $160 - 112 = 48\ \mathrm{g}$
산소 O: $\dfrac{48}{16} = 3\ \mathrm{mol}$

따라서 $\mathrm{M : O = 2 : 3}$ 이며, 이는 질량 보존으로 늘어난 질량이 모두 산소라는 점에서 출발한다.

속도 결정 단계인 단계 1의 반응물로 속도 법칙을 쓰면 속도 = k[H$_{2}$][ICl]이다.

다단계 반응의 전체 속도는 가장 느린 단계가 결정하며, 기본 단계의 속도 법칙은 반응물 계수를 차수로 쓴다. 단계 1의 반응물은 수소와 ICl 각 1분자이다.

• [ICl]의 2차가 들어간 식: 전체 반응식의 계수를 그대로 차수로 쓴 것으로, 전체 반응식은 기본 단계가 아니다.
• [HI]가 들어간 식: HI는 단계 1에서 생겨 단계 2에서 소모되는 중간체이므로 속도 법칙에 들어가지 않는다.

(가) 알라닌은 -COOH와 -NH$_{2}$를 함께 가지므로 브뢴스테드-로우리 산과 염기로 모두 작용할 수 있다.

카복실기는 양성자를 내주는 산으로, 아미노기는 양성자를 받는 염기로 작용해 아미노산은 양쪽성을 띤다.

• (가)가 뉴클레오타이드의 기본 단위라는 설명: 알라닌은 단백질을 이루는 아미노산이다.
• (나)가 단백질의 기본 단위라는 설명: 데옥시라이보오스는 DNA를 이루는 5탄당이다.
• DNA에서 (다)가 인산과 직접 연결된다는 설명: 사이토신은 당에 결합하고, 인산과 결합하는 것은 당이다.