11년 1회차

공기 중 수증기가 이슬로 응결되는 것은 물리적 변화이므로 화학적 변화로 볼 수 없다.

응결은 기체가 액체로 바뀌는 상태 변화일 뿐 물 분자의 조성은 그대로다. 화학적 변화는 새로운 물질이 생성되는 변화다.

• 과산화수소의 탈색: 과산화수소가 머리카락 색소를 산화시켜 분해하는 화학 변화다.
• 철판이 녹스는 것: 철이 산소·물과 반응해 산화철(녹)이 생기는 화학 변화다.
• 베이킹소다와 식초의 거품: 탄산수소나트륨과 아세트산이 반응해 이산화탄소 기체가 발생하는 화학 변화다.

파울리 배타원리는 한 원자 안에서 네 가지 양자수가 모두 같은 전자는 존재할 수 없다는 원리다.

그 결과 하나의 궤도함수에는 스핀이 서로 반대인 전자가 최대 2개까지만 들어간다.

• 모든 전자가 같은 각운동량양자수를 가질 수 없다는 진술: 여러 전자가 같은 $l$ 값을 갖는 것은 흔하다(예: 2p 전자 여러 개). 배타원리가 금지하는 것은 네 양자수 전체의 일치다.
• 한 궤도함수에 동일한 스핀 전자 2개: 한 궤도함수의 두 전자는 반드시 반대 스핀이어야 한다.
• 같은 주양자수 전자는 모두 다른 스핀양자수를 가진다는 진술: 스핀양자수는 두 값뿐이므로 같은 껍질의 여러 전자가 같은 스핀을 가질 수 있다.

물 분자의 결합각을 설명하는 이론은 원자가껍질전자쌍반발(VSEPR) 이론이다.

산소 주위 전자쌍 4개(공유 2, 비공유 2)가 사면체 방향으로 배치되는데, 비공유 전자쌍의 반발이 더 커서 결합각이 정사면체각(109.5°)보다 작은 104.5°로 좁아진다.

• 쌍극자모멘트 이론: 굽은 구조의 결과로 생기는 극성을 다룰 뿐 결합각의 크기를 설명하지 않는다.
• 분자궤도함수 이론: 결합 차수·자기성 등 전자 에너지 준위를 설명하는 이론으로 결합각 예측의 기본 도구가 아니다.
• 혼성궤도함수 이론: $sp^3$ 혼성만으로는 109.5°가 예측되어 104.5°로 줄어드는 이유를 설명하지 못한다.

첨가반응에서는 다중결합이 끊어지며 원자가 붙으므로 탄소 간 결합의 불포화 정도는 감소한다. 따라서 불포화 정도가 증가한다는 설명이 옳지 않다.

예: 에텐에 수소가 첨가되면 이중결합이 단일결합이 된다.
$\mathrm{C_2H_4 + H_2 \rightarrow C_2H_6}$

• 축합반응: 물 같은 작은 분자가 빠져나오며 두 분자가 연결되는 반응이 맞다.
• 중합반응: 단위체 여러 개가 결합해 고분자를 만드는 반응이 맞다.
• 치환반응: 탄소에 붙은 원자(원자단)가 다른 것으로 바뀔 뿐 탄소 간 결합의 불포화 정도는 변하지 않는다.

CFC는 화학적으로 매우 안정해 반응성이 작으므로, 공기와 반응성이 크다는 설명이 옳지 않다.

반응성이 작아 대류권에서 분해되지 않고 성층권까지 올라가며, 그곳에서 자외선에 분해되어 나온 염소 원자가 오존을 연쇄적으로 파괴한다.

• Cl에 의한 오존층 파괴: $\mathrm{Cl + O_3 \rightarrow ClO + O_2}$ 연쇄반응으로 진행된다.
• CFC의 약자: 클로로플루오로카본(염화플루오린화탄소)의 약자가 맞다.
• 오존의 역할: 성층권 오존은 유해한 자외선을 흡수해 생명체를 보호한다.

평형상수는 평형의 위치를 나타낼 뿐 반응 속도와는 무관하므로, K가 클수록 평형 도달 시간이 짧아진다는 설명이 옳지 않다.

평형에 도달하는 빠르기는 활성화 에너지(촉매 유무 등)가 결정한다.

• K가 클수록 생성물 방향: 평형 혼합물에서 생성물의 비율이 커진다는 뜻으로 맞다.
• 발열반응을 가열: 온도를 높이면 흡열 방향(역반응)으로 평형이 이동하므로 K가 감소한다.
• K를 결정하는 에너지 차이: $\Delta G^\circ = -RT\ln K$ 이므로 K는 생성물과 반응물의 자유에너지 차이로 정해진다.

탄소의 혼성 오비탈은 순서대로 에틸렌 $sp^{2}$, 메탄올 $sp^{3}$, 아세틸렌 sp, 이산화탄소 sp이다.

탄소 주위의 전자 영역(σ결합 수) 개수가 4이면 $sp^{3}$, 3이면 $sp^{2}$, 2이면 sp 혼성이다. 이중결합·삼중결합은 하나의 전자 영역으로 센다.

• 에틸렌: 각 탄소가 C=C 이중결합 1개와 C–H 결합 2개로 전자 영역이 3개이므로 $sp^{2}$이다.
• 메탄올: 탄소가 단일결합 4개(C–O 1개, C–H 3개)를 이루므로 $sp^{3}$이다.
• 아세틸렌: 각 탄소가 C≡C 삼중결합과 C–H 결합으로 전자 영역이 2개인 선형 구조이므로 sp이다.
• 이산화탄소: 탄소가 양쪽 산소와 이중결합 2개를 이루는 선형 분자이므로 sp이다.

A는 반응물과 중간체 사이의 에너지 차이일 뿐 활성화 에너지가 아니므로, 전체 반응 속도가 A에 의존한다는 설명이 옳지 않다.

전체 반응 속도는 가장 느린 단계(속도 결정 단계)의 활성화 에너지, 즉 반응물에서 첫 번째 봉우리 꼭대기까지의 높이에 의해 결정된다.

• 2단계 반응이라는 설명: 에너지 봉우리(전이 상태)가 두 개이므로 옳다.
• 전체 반응이 B만큼 흡열한다는 설명: 생성물의 퍼텐셜 에너지가 반응물보다 B만큼 높으므로 옳다.
• 중간체가 형성된다는 설명: 두 봉우리 사이의 골짜기가 반응 중간체로, 전체 화학 반응식에는 나타나지 않으므로 옳다.

반응물의 몰수를 비교하면 한계반응물은 수소이므로, CO가 한계반응물이라는 설명이 옳지 않다.

반응식: $\mathrm{CO + 2H_2 \rightarrow CH_3OH}$
CO: $84.0 \div 28.0 = 3.0\ \mathrm{mol}$
수소: $10.0 \div 2.0 = 5.0\ \mathrm{mol}$

CO 3.0 mol이 모두 반응하려면 수소 6.0 mol이 필요한데 5.0 mol뿐이므로 수소가 먼저 소진된다.

• 몰비 1 : 2: 반응식의 계수비 그대로 맞다.
• 이론적 수득량: 수소 5.0 mol 기준 메탄올 2.5 mol이 생기므로 $2.5 \times 32.0 = 80.0\ \mathrm{g}$으로 맞다.
• 반응물 몰수 3몰과 5몰: 위 계산과 같다.

표준 환원 전위가 낮은 Zn이 산화되므로 Zn이 산화전극(-극), Cu가 환원전극(+극)이다. 따라서 Zn이 환원전극이고 Cu가 산화전극이라는 설명이 옳지 않다.

전지 전위는 환원전극 전위에서 산화전극 전위를 뺀다.
$E^\circ_{cell} = E^\circ_{cathode} - E^\circ_{anode} = 0.34 - (-0.76) = 1.10\,\mathrm{V}$

• Zn이 환원제로 작용했다는 설명: Zn은 전자를 내놓고 산화되어 상대를 환원시키므로 옳다.
• 전지 전위가 1.10 V라는 설명: 위 계산과 같으므로 옳다.
• 산화-환원이 자발적이라는 설명: 전지 전위가 양수이면 ΔG°가 음수이므로 자발적이다.

용액 1 L에 녹은 용질의 몰수는 몰농도의 정의이므로, 이를 몰수의 설명으로 쓴 것이 옳지 않다.

몰수는 입자 수를 아보가드로 수로 나눈 값(또는 질량을 몰질량으로 나눈 값)으로, 용액의 부피와 무관하다.

• 몰질량: 물질 1몰의 질량이 맞다.
• 1몰의 입자 수: 아보가드로 수 $6.02 \times 10^{23}$개의 양이 맞다.
• 기체의 몰부피: 0 °C, 1기압에서 이상기체 1몰은 종류와 관계없이 22.4 L를 차지한다.

세 설명이 모두 총괄성에 맞으므로 ㄱ, ㄴ, ㄷ이 모두 옳다.

비휘발성 용질이 녹으면 용액의 증기 압력이 낮아져 끓는점 오름·어는점 내림이 나타나고, 반투막을 사이에 두면 용매가 농도가 진한 쪽으로 이동하는 삼투가 일어난다.

• 끓는점에 대한 설명: 증기 압력 내림 때문에 소금물의 끓는점이 순수한 물보다 높다.
• 어는점에 대한 설명: 용질 입자가 결정화를 방해하여 소금물의 어는점이 순수한 물보다 낮다.
• 삼투현상에 대한 설명: 물(용매)은 반투막을 통해 묽은 쪽에서 진한 쪽으로 이동한다.

기체 분자 수가 줄어드는 ㄴ과 ㄷ이 엔트로피가 감소하는 반응이다.

엔트로피는 무질서도로, 기체가 가장 크고 액체·고체 순으로 작다. 반응 전후 기체의 몰수 변화로 판단한다.

• 물이 기화하는 반응: 액체가 기체로 바뀌므로 엔트로피가 증가한다.
• 이산화황의 산화 반응: 기체 3 mol이 기체 2 mol로 줄어 엔트로피가 감소한다.
• 철의 산화 반응: 기체 산소 3 mol이 소비되어 고체만 남으므로 엔트로피가 감소한다.

세 설명이 모두 옳으므로 ㄱ, ㄴ, ㄷ이 정답이다.

일정 온도·압력에서 반응은 깁스 에너지가 감소하는 방향(ΔG < 0)으로 자발적으로 진행한다.

• 발열반응에 대한 설명: 발열반응은 ΔH < 0으로 계가 주위에 열을 방출한다.
• 에너지 변환에 대한 설명: 열역학 제1법칙(에너지 보존 법칙)의 내용이다.

산성화된 호수는 석회(탄산칼슘·수산화칼슘)를 뿌려 중화하므로, 염화칼슘을 사용한다는 설명이 옳지 않다.

염화칼슘은 강산과 강염기로 이루어진 중성 염이라 산을 중화하지 못한다.

• 대리석 부식: 대리석의 탄산칼슘이 산과 반응해 녹는다.
  $\mathrm{CaCO_3 + 2H^+ \rightarrow Ca^{2+} + H_2O + CO_2}$
• 질소산화물: 대기 중에서 질산으로 변해 산성비의 원인이 된다.
• 탈황시설 의무화: 황산화물 배출을 줄여 황산 생성을 억제하므로 산성비가 줄어든다.

각 기체의 몰수와 분자량을 구하면 옳은 설명은 ㄴ(분자량 비 1 : 32)뿐이다.

0 °C에서 1 atm·22.4 L가 1 mol이므로 $n = \dfrac{PV}{22.4}$로 몰수를 구한다.
$\mathrm{A_2}$: $\dfrac{4.0 \times 0.56}{22.4} = 0.1\,\mathrm{mol}$, 분자량 $0.2 / 0.1 = 2$
$\mathrm{A_2B}$: $\dfrac{2.0 \times 1.12}{22.4} = 0.1\,\mathrm{mol}$, 분자량 $1.8 / 0.1 = 18$
$\mathrm{CB_2}$: $\dfrac{0.5 \times 2.24}{22.4} = 0.05\,\mathrm{mol}$, 분자량 $3.2 / 0.05 = 64$

따라서 원자량은 A = 1, B = 16, C = 32이다.

• B의 원자량이 A의 8배라는 설명: 16 ÷ 1 = 16배이므로 옳지 않다.
• 총 원자수가 같다는 설명: $\mathrm{A_2B}$는 0.1 mol × 3 = 0.3 mol, $\mathrm{CB_2}$는 0.05 mol × 3 = 0.15 mol의 원자를 포함하므로 옳지 않다.

결합 차수가 가장 작은 과산화 이온($\mathrm{O_2^{2-}}$)이 원자간 결합력이 가장 약하다.

결합 차수 = (결합성 전자 수 − 반결합성 전자 수) ÷ 2 이며, 산소 분자에 전자가 더해질수록 반결합성 $\pi^*$ 궤도에 들어가 결합 차수가 0.5씩 줄어든다.

• $\mathrm{O_2^{+}}$: $\pi^*$ 전자 1개, 결합 차수 2.5로 가장 강하다.
• $\mathrm{O_2}$: $\pi^*$ 전자 2개, 결합 차수 2이다.
• $\mathrm{O_2^{-}}$: $\pi^*$ 전자 3개, 결합 차수 1.5이다.
• $\mathrm{O_2^{2-}}$: $\pi^*$ 전자 4개, 결합 차수 1로 가장 약하다.

순수한 물이 전기를 거의 통하지 않는 것은 이온이 거의 없기 때문이며 수소결합과는 관계가 없다.

물의 자동 이온화 정도가 매우 작아 전하를 운반할 이온이 부족하다. 나머지 현상은 모두 수소결합으로 설명된다.

• 얼음이 물에 뜸: 얼음은 수소결합으로 빈 공간이 많은 육각 구조를 이뤄 물보다 밀도가 작다.
• 3.98 °C 최대 밀도: 얼음이 녹은 뒤에도 남은 수소결합 구조가 무너지며 밀도가 커지다가, 그 이후에는 열팽창이 우세해진다.
• 높은 끓는점: 분자 사이 수소결합을 끊는 데 큰 에너지가 필요하다.

옳은 설명은 ㄱ과 ㄴ이다.

고체는 평형상수 식에 포함되지 않으므로 $K_p = P_{\mathrm{CO_2}} = 1.04$이고, 평형에서 이산화탄소의 압력은 1.04 atm이다.

• 이산화탄소를 제거하는 경우: 르샤틀리에 원리에 따라 감소한 이산화탄소를 보충하는 정반응이 우세해진다.
• 탄산칼슘의 양을 바꾸는 경우: 평형상수는 온도에만 의존하며, 고체의 양은 평형상수 식에 들어가지 않으므로 값이 변하지 않는다.