14년 1회차

수천 년 전 생물의 연대 측정에는 탄소-14가 가장 적합하다.

살아 있는 식물은 광합성으로 대기 중 $\mathrm{^{14}C}$를 일정 비율로 받아들이다가 죽으면 공급이 끊겨 방사성 붕괴로만 감소한다. 반감기가 수천 년 규모라 수천~수만 년 된 유기물의 연대 측정에 알맞다.

• 질소-14: 안정 동위원소로 붕괴하지 않으므로 연대 측정에 쓸 수 없다.
• 산소-17: 역시 안정 동위원소다.
• 포타슘-40: 반감기가 수십억 년 규모로 너무 길어 암석·광물의 연대 측정에 쓰이며, 수천 년 된 식물에는 적합하지 않다.

네 물질 중 물에 녹아 산성을 띠는 것은 이산화 황 하나뿐이다.

비금속 산화물인 $\mathrm{SO_2}$는 물과 반응해 아황산($\mathrm{H_2SO_3}$)을 만드는 산성 산화물이다. 나머지는 모두 수용액에서 $\mathrm{OH^-}$을 내놓는다.

• 암모니아: 물에서 $\mathrm{NH_4^+}$과 $\mathrm{OH^-}$을 만드는 약염기이다.
• 산화 바륨: 금속 산화물로 물과 반응해 수산화 바륨이 되는 염기성 산화물이다.
• 수산화 바륨: 물에서 해리해 $\mathrm{OH^-}$을 내는 강염기이다.

과염소산과 암모니아가 과염소산암모늄을 만드는 반응은 산화수 변화가 없는 산-염기 반응이다.

$\mathrm{HClO_4 + NH_3 \rightarrow NH_4ClO_4}$에서 양성자만 이동할 뿐 H(+1), N(−3), Cl(+7), O(−2)의 산화수가 반응 전후에 그대로다.

• 질소와 수소의 암모니아 합성: N은 0 → −3, H는 0 → +1로 변하는 산화-환원 반응이다.
• 과산화수소의 분해: O가 −1에서 −2(물)와 0(산소)으로 동시에 변하는 불균등화 반응이다.
• 질산은과 구리의 반응: Cu는 0 → +2로 산화, Ag는 +1 → 0으로 환원된다.

결합의 극성이 가장 작은 것은 $\mathrm{SiH_4}$의 Si-H 결합이다.

결합의 극성은 두 원자의 전기음성도 차이가 클수록 크다. Si와 H는 전기음성도가 서로 매우 비슷해 차이가 가장 작다.

• HF의 F-H: F는 전기음성도가 가장 큰 원소라 H와의 차이가 가장 크고 극성도 가장 크다.
• $\mathrm{H_2O}$의 O-H: O와 H의 차이가 커서 극성이 크다(F-H 다음).
• $\mathrm{NH_3}$의 N-H: N과 H의 차이는 O-H보다 작지만 Si-H보다는 크다.

끓는점 비교가 옳은 것은 HBr < HI와 $\mathrm{O_2}$ < NO이다.

비슷한 구조에서는 분자량이 클수록 분산력이 커지고, 분자량이 비슷하면 극성 분자나 수소 결합을 하는 분자의 끓는점이 높다.

• HBr < HI: HI의 분자량이 더 커 분산력이 강하므로 옳다.
• $\mathrm{O_2}$ < NO: 분자량이 비슷한데 NO는 극성 분자라 쌍극자 힘이 더해지므로 옳다.
• HCOOH < $\mathrm{CH_3CHO}$: 폼산은 카복실기로 수소 결합을 하므로 오히려 아세트알데하이드보다 끓는점이 훨씬 높다.

반응물인 HF가 소모되면 이를 보충하는 방향, 즉 역반응 쪽으로 평형이 이동한다.

르샤틀리에 원리에 따라 평형은 가해진 변화를 줄이는 방향으로 움직인다. 이 반응은 열을 내놓는 발열 반응이다.

• $\mathrm{UO_2(s)}$ 첨가: 고체는 평형 상수식에 들어가지 않으므로 평형이 이동하지 않는다.
• Ar 첨가: 반응에 참여하지 않는 기체로, 부피가 일정하면 각 성분의 분압이 변하지 않아 평형이 이동하지 않는다.
• 온도 낮춤: 발열 반응이므로 열을 내놓는 정반응 쪽으로 이동한다.

균형 반응식은 $\mathrm{2C_4H_{10} + 13O_2 \rightarrow 8CO_2 + 10H_2O}$이므로 a=2, b=13, c=8, d=10이다.

탄소와 수소부터 맞춘다. 부탄 1개당 $\mathrm{CO_2}$ 4개와 $\mathrm{H_2O}$ 5개가 생기므로 산소 원자는 8+5=13개, 즉 $\mathrm{O_2}$ 6.5개가 필요하다.
분수를 없애려 전체에 2를 곱하면 2, 13, 8, 10이 된다.

• a=1, b=5, c=4, d=10인 짝: 수소가 좌변 10개, 우변 20개로 맞지 않는다.
• a=2, b=10, c=8, d=10인 짝: 산소가 좌변 20개, 우변 26개로 맞지 않는다.
• a=2, b=13, c=8, d=5인 짝: 수소가 좌변 20개, 우변 10개로 맞지 않는다.

전기도금에 이용되는 것은 볼타 전지가 아니라 전해 전지이므로 이 설명이 옳지 않다.

볼타(갈바니) 전지는 자발적 산화-환원 반응으로 전기를 만들고, 전기도금은 외부 전원으로 비자발적 반응을 일으켜 금속 이온을 환원·석출시키는 전기분해 과정이다.

• 자발적 산화-환원 반응으로 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾼다는 설명: 볼타 전지의 정의 그대로다.
• 다니엘 전지가 볼타 전지의 한 예라는 설명: 아연-구리 전지는 대표적인 볼타 전지다.
• Zn|$Zn^{2+}$∥$Cu^{2+}$|Cu 전지에서 산화전극 질량이 감소한다는 설명: 산화전극인 Zn이 $\mathrm{Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-}$로 녹아 나가므로 질량이 줄어든다.

전체 반응은 $\mathrm{2NO + Cl_2 \rightarrow 2NOCl}$이고 속도 법칙은 $\mathrm{k[NO]^2[Cl_2]}$이다.

두 단계를 더하면 중간체 $\mathrm{NOCl_2}$가 상쇄된다. 속도는 느린 단계가 결정하므로 $\mathrm{v = k_2[NOCl_2][NO]}$이다.
앞선 빠른 평형에서 $\mathrm{[NOCl_2] = K[NO][Cl_2]}$를 대입하면 $\mathrm{v = k[NO]^2[Cl_2]}$가 된다.

• NO와 $\mathrm{Cl_2}$에 각각 1차인 속도식: 중간체 대입 과정에서 생기는 NO의 차수 1이 빠졌다.
• $\mathrm{NOCl_2 + NO}$를 전체 반응으로 쓴 것: 중간체는 전체 반응식에 나타나지 않는다.
• $\mathrm{Cl_2}$에 2차인 속도식: $\mathrm{Cl_2}$는 빠른 단계에 한 번만 관여하므로 1차이다.

(가)는 서로 다른 원소 X와 Y 사이의 결합이므로 극성 공유 결합을 갖는다.

(가)의 중심 원자 X는 공유 전자쌍 2개와 비공유 전자쌍 2개를 가져 굽은형이다. (나)의 중심 원자 Z는 공유 전자쌍 3개만 있고 비공유 전자쌍이 없다.

• (나)가 정사면체형이라는 설명: 중심 원자의 전자쌍이 3개뿐이므로 평면 삼각형이다.
• (나)의 중심 원자가 옥텟을 만족한다는 설명: Z 주위의 전자는 6개로 옥텟에 못 미친다.
• 결합각이 (가)가 더 크다는 설명: 굽은형인 (가)는 약 104° 안팎, 평면 삼각형인 (나)는 120°이므로 (나)가 더 크다.

몰수가 가장 적은 것은 2.0×$10^{23}$개의 NO이다.

몰수 = 질량 ÷ 분자량, 또는 입자 수 ÷ 아보가드로수로 구한다.
$\mathrm{N_2}: \dfrac{14}{28} = 0.5\ \mathrm{mol}$
$\mathrm{NO_2}: \dfrac{23}{46} = 0.5\ \mathrm{mol}$
$\mathrm{OF_2}: \dfrac{54}{54} = 1.0\ \mathrm{mol}$
$\mathrm{NO}: \dfrac{2.0\times10^{23}}{6.02\times10^{23}} \approx 0.33\ \mathrm{mol}$

• 14 g의 질소: 0.5 mol로 NO보다 많다.
• 23 g의 이산화질소: 0.5 mol로 NO보다 많다.
• 54 g의 이플루오린화 산소: 1.0 mol로 가장 많다.

양성자 수 8인 원자는 산소(O)이므로 주기율표 2주기 원소라는 설명이 옳다.

원자 번호 = 양성자 수 = 8이고, 중성 원자이므로 전자 수도 8이다. 전자 배치가 $1s^2 2s^2 2p^4$로 바깥 전자 껍질이 두 번째이므로 2주기 16족이다.

• 중성자 개수가 8이라는 설명: 중성자 수 = 질량수 − 양성자 수 = 17 − 8 = 9이다.
• 전자 개수가 9라는 설명: 중성 원자의 전자 수는 양성자 수와 같은 8이다.
• 8족 원소라는 설명: 산소는 16족 원소다.

우유가 부패하는 것은 새로운 물질이 생성되는 화학적 변화이다.

부패는 미생물에 의해 단백질·당 등이 분해되어 산·기체 등 성질이 다른 물질로 바뀌는 과정이다. 나머지는 물질의 종류는 그대로이고 상태나 분포만 바뀌는 물리적 변화다.

• 설탕이 물에 녹음: 설탕 분자가 그대로 물속에 흩어지는 용해로, 물을 증발시키면 설탕을 되찾을 수 있다.
• 물이 끓어 수증기가 됨: 액체에서 기체로의 상태 변화일 뿐 여전히 물 분자다.
• 나프탈렌의 승화: 고체에서 기체로 바로 바뀌는 상태 변화다.

엔트로피가 증가하는 과정은 소금의 용해와 얼음의 융해이다.

입자가 더 넓게 퍼지거나 움직임이 자유로워질수록 무질서도가 커진다.

• 소금의 용해: 결정 속에 고정된 이온이 물속으로 흩어지므로 증가한다.
• 공기에서 질소 분리: 섞여 있던 기체를 순수한 성분으로 나누는 것이므로 감소한다.
• 기체의 냉각과 부피 감소: 분자 운동이 둔해지고 차지하는 공간이 줄어 감소한다.
• 얼음이 녹아 물이 됨: 고체가 액체가 되어 분자 배열이 흐트러지므로 증가한다.

반응 전후 수용액에 그대로 남는 $\mathrm{Na^+(aq)}$과 $\mathrm{NO_3^-(aq)}$이 구경꾼 이온이다.

알짜 이온 반응식은 $\mathrm{Pb^{2+}(aq) + 2Cl^-(aq) \rightarrow PbCl_2(s)}$로, 앙금을 만드는 이온만 반응에 참여한다. 질산 나트륨은 물에 녹아 이온으로 남는다.

• $\mathrm{Pb^{2+}}$과 $\mathrm{Cl^-}$의 조합: 둘 다 앙금 $\mathrm{PbCl_2}$를 만드는 반응 이온이다.
• $\mathrm{Pb^{2+}}$과 $\mathrm{NO_3^-}$의 조합: 납 이온은 앙금으로 빠져나가므로 구경꾼이 아니다.
• $\mathrm{Na^+}$과 $\mathrm{Cl^-}$의 조합: 염화 이온은 앙금 생성에 쓰이므로 구경꾼이 아니다.

화합물은 두 종류 이상의 원소가 결합한 물질이므로 원자 형태로 존재하는 화합물은 없다. 따라서 이 설명이 옳지 않다.

원자 단위로 존재하는 것은 He, Ne 같은 비활성 기체나 금속 등의 원소이며, 화합물은 반드시 분자나 이온 결합체 등으로 존재한다.

• 용액이 균일한 혼합물이라는 설명: 용액은 성분이 고르게 섞인 균일 혼합물이다.
• 분자 형태로 존재하는 원소가 있다는 설명: $\mathrm{H_2,\ O_2,\ N_2}$ 등은 같은 원소로 이루어진 분자다.
• 수소와 중수소가 서로 다른 원자라는 설명: 양성자 수는 같지만 중성자 수가 달라 질량이 다른 동위원소, 즉 서로 다른 원자다.

옳은 설명은 (가)와 (나)의 부피가 같다는 것 하나이다.

몰수가 같으므로 $\mathrm{V \propto \dfrac{T}{P}}$이다.
(가) 100/1=100, (나) 200/2=100, (다) 400/2=200이므로 부피 비는 1 : 1 : 2이다.

• 부피가 (가)와 (나)에서 같다: 위 계산대로 옳다.
• 단위 부피당 입자 수가 (가)와 (다)에서 같다: (다)의 부피가 (가)의 2배이므로 입자 밀도는 절반이다.
• 평균 속력이 (다)가 (나)의 2배: 평균 속력은 $\mathrm{\sqrt{T}}$에 비례하므로 온도가 2배이면 $\mathrm{\sqrt{2}}$배이다.

음의 편차는 용질-용매 인력이 더 강해 증기압이 이상 용액보다 낮아지는 현상이다.

서로 다른 분자 사이의 인력이 강하면 분자가 액체에서 빠져나가기 어려워 실제 증기압이 라울의 법칙 예측값보다 작아진다.

• 증기압이 예측값보다 작다: 음의 편차의 정의 그대로이므로 옳다.
• 증기압이 용질 입자 수와 무관하다: 증기압은 성분의 몰분율, 즉 입자 수에 따라 달라지므로 틀리다.
• 용질-용매 인력이 용매-용매 인력보다 강하다: 음의 편차의 원인이므로 옳다.

1기압에서 액체-기체 경계선과 만나는 온도가 60℃와 70℃ 사이이므로 정상 끓는점은 60℃보다 높다.

상 그림에서 정상 끓는점은 1기압 선과 증기 압력 곡선의 교점이다. 세 곡선이 만나는 삼중점은 약 25℃ 부근에 있다.

• 고체의 밀도가 액체보다 낮다는 설명: 고체-액체 경계선이 오른쪽으로 기울어 있어 압력을 높이면 고체가 되므로 고체가 더 조밀하다.
• 세 상이 공존하는 온도가 30℃보다 높다는 설명: 삼중점은 30℃보다 낮은 약 25℃ 부근이다.
• 20℃ 기체를 압축하면 액체가 된다는 설명: 삼중점보다 낮은 온도이므로 압력을 높이면 액체를 거치지 않고 고체가 된다.

염기의 세기는 $\mathrm{Cl^- < H_2O < F^-}$ 순이다.

짝산이 강할수록 그 짝염기는 약하다. 각 짝산의 세기는 HCl > $\mathrm{H_3O^+}$ > HF 순이다.

• 염화 이온이 가장 강하다는 배열: HCl은 강산이므로 $\mathrm{Cl^-}$는 물보다도 약한 염기이다.
• 물이 가장 약하다는 배열: $\mathrm{H_3O^+}$보다 강한 산인 HCl의 짝염기 $\mathrm{Cl^-}$가 물보다 약하다.
• 플루오린화 이온을 가장 약하게 둔 배열: HF는 약산이므로 $\mathrm{F^-}$는 세 화학종 중 가장 강한 염기이다.