10년 1회차

물과 반응해 산성을 나타내는 것은 비금속 산화물인 $\mathrm{P_4O_{10}}$(산성 산화물)이다.

비금속 산화물은 물과 반응해 산소산을 만든다.
$\mathrm{P_4O_{10} + 6H_2O \rightarrow 4H_3PO_4}$

• $\mathrm{Na_2O}$: 금속 산화물(염기성 산화물)로, 물과 반응해 $\mathrm{NaOH}$를 만든다.
• $\mathrm{Al_2O_3}$: 산과 염기 모두와 반응하는 양쪽성 산화물이며 물에 거의 녹지 않는다.
• $\mathrm{MgO}$: 금속 산화물로, 물과 반응해 염기성인 $\mathrm{Mg(OH)_2}$를 만든다.

새로운 물질이 생기는 변화는 나무의 연소, 음식물의 소화, 물의 전기분해이므로 ㄴ, ㄷ, ㅁ이 화학적 변화이다.

화학적 변화는 원자의 결합이 재배열되어 성질이 다른 물질이 생기는 변화이고, 물리적 변화는 상태나 모양만 바뀌고 물질의 종류는 그대로인 변화이다. 물을 전기분해하면 수소와 산소라는 새 물질이 생긴다.

• 얼음을 녹이는 것: 고체가 액체로 상태만 바뀌는 물리적 변화이다.
• 바닷물을 증발시켜 소금을 얻는 것: 물이 증발해 혼합물이 분리될 뿐인 물리적 변화이다.
• 고무줄이 늘어나는 것: 모양만 바뀌는 물리적 변화이다.

옳지 않은 비교는 $\mathrm{HCl}$이 $\mathrm{HF}$보다 약하다는 것이다. 실제로는 $\mathrm{HF}$가 훨씬 약한 산이다.

할로젠화 수소산은 아래로 갈수록 H–X 결합이 길고 약해져 이온화가 쉬우므로 $\mathrm{HF}$ < $\mathrm{HCl}$ 순이 된다.

• $\mathrm{HBrO_3}$ < $\mathrm{HClO_3}$: 중심 원자의 전기음성도가 큰 Cl 쪽이 O–H 결합을 더 약하게 하므로 옳다.
• $\mathrm{H_2O}$ < $\mathrm{H_2S}$: 같은 족에서 아래로 갈수록 결합이 약해져 산성이 커지므로 옳다.
• $\mathrm{HClO}$ < $\mathrm{HClO_2}$: 중심 원자에 결합한 산소 수가 많을수록 산성이 강하므로 옳다.

이 화합물의 실험식은 $\mathrm{A_2B_3}$이다.

A의 원자량을 M이라 하면 B의 원자량은 2M이다. 질량 100 g 기준으로 몰수를 구한다.
$n_\mathrm{A} = \dfrac{25}{M},\quad n_\mathrm{B} = \dfrac{75}{2M} = \dfrac{37.5}{M}$

몰수 비는 $25 : 37.5 = 2 : 3$이므로 A : B = 2 : 3이다.

• $\mathrm{A_3B_2}$: A와 B의 비를 거꾸로 잡은 것이다.
• $\mathrm{A_2B}$: B의 몰수가 A보다 많다는 계산 결과와 맞지 않는다.
• $\mathrm{AB_2}$: 몰수 비 1 : 2는 질량비 25 : 75와 원자량 비 1 : 2에서 나오지 않는다.

옳은 설명은 ㄱ(보일 법칙)과 ㄷ(아보가드로 법칙)이다.

이상기체 상태방정식 $PV = nRT$에서 T와 n이 일정하면 PV가 일정하고, T와 P가 일정하면 V는 n에 비례한다.

• P와 n이 일정할 때 V와 T가 반비례한다는 설명: 샤를 법칙에 따라 V는 절대온도 T에 비례한다.
• T가 낮고 P가 높을수록 이상기체에 가까워진다는 설명: 분자 간 인력과 분자 자체 부피의 영향이 작아지는 고온·저압일수록 이상기체에 가까워진다.

가장 안정한 구조는 질소 사이가 삼중결합이고 N과 O가 단일결합이며 산소에 비공유 전자쌍 3개가 있는 구조이다.

형식전하는 원자가 전자 수 − 비공유 전자 수 − 결합 수로 구한다. 이 구조의 형식전하는 말단 N부터 차례로 0, +1, −1이며, 음의 형식전하가 전기음성도가 가장 큰 산소에 놓인다.

• N=N=O 구조: 형식전하가 −1, +1, 0으로 크기는 같지만 음전하가 전기음성도가 작은 질소에 있어 덜 안정하다.
• N–N≡O 구조: 형식전하가 −2, +1, +1로 크기가 커서 불안정하다.
• 산소가 가운데 있는 N=O=N 구조: 가운데 산소의 형식전하가 +2가 되어 가장 불안정하다.

개수가 가장 많은 것은 암모늄 이온 1몰 속의 수소 원자 수(4몰)이다.

$\mathrm{NH_4^+}$ 한 개에 수소 원자가 4개 있으므로 1몰에는 4몰의 수소 원자가 들어 있다.

• 물 1몰 속 산소 원자: $\mathrm{H_2O}$ 한 개에 산소 1개이므로 1몰이다.
• 이산화탄소 1몰 속 탄소와 산소 원자의 합: 1몰 + 2몰 = 3몰이다.
• 아보가드로수만큼의 야구공: 정확히 1몰이다.

$sp^{2}$ 혼성만으로 이루어진 짝은 에틸렌과 벤젠이다.

두 분자의 탄소는 모두 평면 삼각형 배치로 C=C 이중결합(또는 방향족 고리)에 참여하므로 $sp^{2}$ 혼성이다.

• 에테인과 사이클로헥세인: 탄소가 단일결합 4개를 이루는 $sp^{3}$ 혼성이다.
• 이산화탄소와 아세틸렌: 중심 탄소가 직선형인 sp 혼성이다.
• 오염화인과 삼아이오딘화 이온: 중심 원자가 확장된 옥텟을 갖는 $sp^{3}d$ 혼성이다.

비극성 분자는 $\mathrm{CO_2}$이다.

$\mathrm{CO_2}$는 C=O 결합 자체는 극성이지만 직선형 대칭 구조라 두 결합 쌍극자가 상쇄되어 쌍극자 모멘트가 0이다.

• $\mathrm{CH_3Br}$: C–Br 결합이 나머지 C–H 결합과 달라 대칭이 깨지므로 극성이다.
• $\mathrm{H_2O}$: 굽은형 구조라 결합 쌍극자가 상쇄되지 않아 극성이다.
• $\mathrm{NH_3}$: 비공유 전자쌍이 있는 삼각뿔형 구조라 극성이다.

$\mathrm{Fe^{2+}}$의 바닥상태 전자배치는 $\mathrm{[Ne]\,3s^2 3p^6 3d^6}$이다.

Fe 원자(전자 26개)는 $\mathrm{[Ne]\,3s^2 3p^6 3d^6 4s^2}$이다. 전이금속이 양이온이 될 때는 4s 전자가 먼저 떨어져 나가므로 4s 전자 2개를 제거해 전자 24개의 배치가 된다.

• $\mathrm{[Ne]\,3s^2 3p^6 3d^6 4s^2}$: 전자를 잃지 않은 중성 Fe 원자의 배치이다.
• $\mathrm{[Ne]\,3s^2 3p^6 4s^2 3d^4}$: 전자 수는 24개지만 3d 전자를 먼저 뺀 것으로, 4s를 먼저 잃는 규칙에 어긋난다.
• $\mathrm{[Ne]\,3s^2 3p^6 3d^8}$: 전자 수가 26개로 중성 원자와 같아 2가 양이온의 배치가 될 수 없다.

산성비 피해를 가장 크게 받는 것은 대리석이다.

대리석의 주성분 탄산칼슘은 산과 반응해 녹아 나간다.
$\mathrm{CaCO_3 + H_2SO_4 \rightarrow CaSO_4 + H_2O + CO_2}$

• 화강암: 주로 규산염 광물로 이루어져 산에 잘 녹지 않는다.
• 유리: 이산화규소가 주성분이라 묽은 산에 거의 반응하지 않는다.
• 모래: 주성분이 이산화규소로 산에 안정하다.

폴리에틸렌의 단위체는 에틸렌($\mathrm{CH_2=CH_2}$)이다.

에틸렌의 C=C 이중결합이 열리며 사슬로 이어지는 첨가 중합으로 폴리에틸렌이 생성된다.

• 페닐기가 붙은 단위체(스타이렌): 폴리스타이렌의 원료이다.
• 염소가 붙은 단위체(염화 바이닐): PVC의 원료이다.
• 사이아노기가 붙은 단위체(아크릴로나이트릴): 폴리아크릴로나이트릴(아크릴 섬유)의 원료이다.

이 반응은 △G ＜ 0, △H ＜ 0, △S ＜ 0이다.

평형상수가 1보다 크면 $\Delta G^\circ = -RT\ln K$에서 △G가 음수이다. 발열반응이므로 △H는 음수이고, 기체 4몰이 2몰로 줄어 무질서도가 감소하므로 △S도 음수이다.

• △G와 △H가 모두 양수인 경우: 평형상수가 1보다 크고 발열반응이라는 조건과 맞지 않는다.
• △G와 △H는 음수이고 △S가 양수인 경우: 기체 몰수가 줄어드는 반응이므로 엔트로피는 감소한다.

묽힌 용액의 pH는 약 7.0이다.

pH 5.0이면 $[\mathrm{H^+}] = 10^{-5}\ \mathrm{M}$이고, 1,000배 묽히면 산에서 온 농도는 $10^{-8}\ \mathrm{M}$이 된다.

이는 물의 자동 이온화로 생기는 $10^{-7}\ \mathrm{M}$보다 훨씬 작으므로 물의 기여가 지배적이 되어 pH는 7에 아주 가깝다(7보다 약간 작다).

• 6.0: 1,000배가 아니라 10배 묽혔을 때의 값이다.
• 7.5와 8.0: 산을 아무리 묽혀도 염기성이 될 수 없으므로 불가능하다.

네 설명이 모두 옳으므로 ㄱ, ㄴ, ㄷ, ㄹ을 모두 고른다.

완충용액은 약산과 그 짝염기(또는 약염기와 그 짝산)를 비슷한 농도로 섞어 만들며, 첨가된 산·염기를 중화해 pH 변화를 억제한다.

• pH가 거의 변하지 않는다는 설명: 완충용액의 정의 그대로이다.
• 약산과 짝염기를 비슷한 농도 비로 섞는다는 설명: 두 성분 농도가 비슷할 때 완충 효과가 가장 크다.
• 혈액의 완충계: 혈액은 $\mathrm{H_2CO_3/HCO_3^-}$ 완충계로 pH를 약 7.4로 유지한다.
• 완충용량: pH의 큰 변화 없이 흡수할 수 있는 $\mathrm{H^+}$나 $\mathrm{OH^-}$의 양을 완충용량이라 한다.

정반응이 발열반응이므로 온도를 높이면 평형상수가 작아진다. 따라서 온도를 높이면 평형상수가 커진다는 설명이 옳지 않다.

발열반응에서 온도를 높이면 평형이 흡열 방향인 역반응 쪽으로 이동하여 $K$가 감소한다. 반대로 온도를 낮추거나 압력을 높이면 무색의 사산화이질소 쪽으로 이동한다.

• 정반응이 발열반응이라는 설명: $\Delta H$가 음수이므로 옳다.
• 부피를 줄이면 무색에 가까워진다는 설명: 압력이 커져 기체 몰수가 적은 정반응 쪽으로 이동하므로 옳다.
• 온도를 낮추면 무색에 가까워진다는 설명: 발열 방향인 정반응 쪽으로 이동하므로 옳다.

옳지 않은 설명은 정촉매가 충돌 횟수를 늘려 속도를 높인다는 것이다.

정촉매는 활성화 에너지가 낮은 새 반응 경로를 제공해 유효 충돌의 비율을 늘리는 것이지, 분자의 충돌 횟수 자체를 늘리지는 않는다.

• 정반응과 역반응 속도를 모두 증가시킨다: 활성화 에너지가 양방향 모두 낮아지므로 옳다(평형 위치는 변하지 않는다).
• 활성화 에너지를 감소시킨다: 촉매의 핵심 작용으로 옳다.
• 반응 후에도 촉매의 양은 줄지 않는다: 촉매는 반응 중 재생되므로 옳다.

산성비 형성과 관계없는 반응은 일산화탄소가 물과 반응해 폼산이 되는 반응이다.

산성비의 주원인은 대기 중 황산화물과 질소산화물이 물과 반응해 생기는 황산·질산이며, 일산화탄소는 물에 거의 녹지 않아 산성비의 원인 물질이 아니다.

• $\mathrm{NO_2}$가 물과 반응해 아질산과 질산을 만드는 반응: 질소산화물에 의한 산성비 형성 과정이다.
• $\mathrm{SO_3}$가 물과 반응해 황산을 만드는 반응: 황산형 산성비의 직접 생성 과정이다.
• $\mathrm{SO_2}$가 산소와 반응해 $\mathrm{SO_3}$가 되는 반응: 황산 생성의 앞 단계이다.

한계 반응물은 A이고 이론 수득량은 C 4.5몰이므로 퍼센트 수율은 약 89%이다.

A 3몰과 반응하는 B는 $3 \times \dfrac{1}{2} = 1.5$몰로 B 2몰보다 적으므로 A가 한계 반응물이다.

이론적 C 생성량은 $3 \times \dfrac{3}{2} = 4.5$몰이다.
퍼센트 수율은 $\dfrac{4}{4.5} \times 100 \approx 88.9$%이다.

• B를 한계 반응물로 보는 경우: B 2몰 기준 C 6몰이 이론값이 되어 약 67%가 나오지만, A가 먼저 소진되므로 틀린 계산이다.
• 실제 생성량을 그대로 이론값으로 보는 경우: 실제 4몰은 이론값 4.5몰에 못 미치므로 100%가 될 수 없다.

혼합물에서 순물질을 분리하는 방법은 크로마토그래피이다.

크로마토그래피는 성분마다 이동상과 정지상에 대한 친화도(이동 속도)가 다른 점을 이용해 혼합물을 각 성분으로 분리한다.

• 질량 분광: 이온의 질량 대 전하 비를 측정해 분자량·구조를 알아내는 분석법이다.
• 적외선 분광: 결합의 진동 흡수로 작용기를 확인하는 분석법이다.
• X선 회절: 결정의 원자 배열(구조)을 밝히는 분석법이다.