24년 1회차

이 원소는 Al(알루미늄)이다.

3차에서 4차로 갈 때 이온화 에너지가 약 4배로 급증하므로, 원자가 전자가 3개인 13족 원소이다. 3주기 13족 원소는 Al이다.

• Mg는 원자가 전자가 2개라 2차에서 3차로 갈 때 급증한다.
• Si는 원자가 전자가 4개라 4차에서 5차로 갈 때 급증한다.
• P는 원자가 전자가 5개라 5차에서 6차로 갈 때 급증한다.

팽창 후 압력은 380 mmHg이다.

온도가 일정하므로 보일 법칙을 쓴다.
$P_1V_1 = P_2V_2$
$1\ \mathrm{atm} \times 7\ \mathrm{L} = P_2 \times 14\ \mathrm{L}$
$P_2 = 0.5\ \mathrm{atm}$

단위를 바꾸면 $0.5 \times 760\ \mathrm{mmHg} = 380\ \mathrm{mmHg}$이다. 부피가 2배가 되었으므로 압력은 절반이 된다.

평형을 오른쪽으로 이동시키는 것은 온도를 낮추는 것(ㄱ)과 질소 농도를 높이는 것(ㄹ)이다.

정반응이 발열($\Delta H \lt 0$)이므로 온도를 낮추면 열을 내는 정반응 쪽으로 이동하고, 반응물인 질소를 추가하면 이를 소모하는 정반응 쪽으로 이동한다(르샤틀리에 원리).

• 정촉매는 정반응과 역반응 속도를 함께 높여 평형 도달만 빠르게 할 뿐 평형 위치를 바꾸지 않는다.
• 기체 몰수가 4 → 2로 줄어드는 반응이므로 압력을 감소시키면 몰수가 많은 왼쪽으로 이동한다.

옳지 않은 것은 황화수소의 결합각이 180°라는 설명이다.

황화수소($\mathrm{H_2S}$)의 중심 원자 S는 결합 전자쌍 2개와 비공유 전자쌍 2개를 가지므로 물과 같은 굽은형 구조이고, 결합각은 180°보다 훨씬 작다.

• $\mathrm{BF_3}$는 비공유 전자쌍이 없는 평면 삼각형이라 결합각이 120°이다.
• $\mathrm{CH_4}$는 정사면체 구조라 결합각이 109.5°이다.
• $\mathrm{H_2O}$는 비공유 전자쌍 2개의 반발로 사면체각보다 작은 104.5°의 굽은형이다.

수소의 부분 압력은 3.75 atm, 질소의 부분 압력은 1.25 atm이다.

부분 압력은 전체 압력에 몰분율을 곱한 값이다(돌턴 부분 압력 법칙).
$P_{\mathrm{H_2}} = 5 \times \dfrac{3}{4} = 3.75\ \mathrm{atm}$
$P_{\mathrm{N_2}} = 5 \times \dfrac{1}{4} = 1.25\ \mathrm{atm}$

몰 비가 3 : 1인 수소 쪽이 더 큰 부분 압력을 가져야 하므로, 두 값을 뒤바꾼 조합은 성립하지 않는다.

반지름이 가장 작은 것은 중성 플루오린 원자(F)이다.

같은 원소에서 전자를 얻어 음이온이 되면 전자 간 반발이 커져 반지름이 커진다. 또 전자 수가 같은 등전자 이온은 핵전하가 클수록 작다.

• 플루오린화 이온($\mathrm{F^-}$)은 전자 1개가 더해져 F 원자보다 크다.
• 산화 이온($\mathrm{O^{2-}}$)은 플루오린화 이온과 등전자이지만 핵전하가 작아 더 크다.
• 황화 이온($\mathrm{S^{2-}}$)은 전자 껍질이 하나 더 많아 가장 크다.

옳은 것은 ㄱ과 ㄴ이다.

분산력은 순간 쌍극자에 의한 힘이라 극성·무극성 분자 모두에 존재하며(ㄱ), 뷰테인과 아이소뷰테인처럼 분자식이 같아도 분자 모양에 따라 접촉 면적이 달라 끓는점이 다르다(ㄴ).

• HBr과 $\mathrm{Br_2}$는 분자량과 분산력의 크기가 달라 분자 간 인력의 세기가 같지 않다. 실제로 $\mathrm{Br_2}$가 HBr보다 끓는점이 훨씬 높다.

경과 시간은 19일이다.

남은 양의 비율을 구하면 $\dfrac{3.2}{102.4} = \dfrac{1}{32} = \left(\dfrac{1}{2}\right)^5$이므로 반감기가 다섯 차례 지났다.

경과 시간 $= 5 \times 3.8 = 19$일이다.

옳지 않은 것은 과망가니즈산 칼륨에서 산화수의 합이 +5라는 설명이다.

$\mathrm{KMnO_4}$에서 K는 +1, O는 −2이고, 화합물 전체가 0이 되도록 Mn은 +7이다. 세 원소의 산화수를 더하면 (+1) + (+7) + (−2) = +6이다.

• $\mathrm{SO_2}$에서 S는 +4, O는 −2이므로 합은 +2로 옳다.
• NaH는 금속 수소화물로 Na는 +1, H는 −1이므로 합은 0으로 옳다.
• $\mathrm{N_2O_5}$에서 N은 +5, O는 −2이므로 합은 +3으로 옳다.

옳은 것은 ㄷ과 ㄹ이다.

HCl의 양은 $1\ \mathrm{M} \times 0.1\ \mathrm{L} = 0.1\ \mathrm{mol}$이다. 산성 용액에서 페놀프탈레인은 무색이므로 색이 변하지 않고(ㄷ), NaOH $2 \times 0.05 = 0.1\ \mathrm{mol}$을 넣으면 완전 중화되어 pH는 7이 된다(ㄹ).

• 증류수 500 mL를 더하면 전체 부피가 600 mL가 되어 농도는 $\dfrac{0.1}{0.6} \approx 0.17\ \mathrm{M}$이므로 0.2 M이 아니다.
• HCl 0.1 mol이 완전히 해리하면 이온은 수소 이온과 염화 이온을 합쳐 0.2 mol이므로 2 mol이 아니다.

옳은 것은 ㄴ과 ㄷ이다.

알파 입자 대부분이 금박을 그대로 투과하고(ㄷ) 극소수만 크게 튕겨 나온 결과로부터, 러더퍼드는 원자 질량의 대부분과 양전하가 매우 작은 원자핵에 모여 있다고 결론지었다(ㄴ).

• 전자가 양자화된 궤도를 따라 움직인다는 것은 러더퍼드가 아니라 보어의 원자 모형이다.

HI의 평형 농도는 1.1 M이다.

10 L 반응기이므로 $[\mathrm{H_2}] = 0.1\ \mathrm{M}$, $[\mathrm{I_2}] = 0.2\ \mathrm{M}$이다.
$K_c = \dfrac{[\mathrm{HI}]^2}{[\mathrm{H_2}][\mathrm{I_2}]}$
$[\mathrm{HI}]^2 = 60.5 \times 0.1 \times 0.2 = 1.21$
$[\mathrm{HI}] = 1.1\ \mathrm{M}$

몰수(11 mol)가 아니라 몰 농도를 묻는 점에 주의한다.

전체 속도법칙은 $\dfrac{k_1 k_2}{k_{-1}}[\mathrm{NO}]^2[\mathrm{Br_2}]$이다.

속도는 느린 단계가 결정하므로 $v = k_2[\mathrm{NOBr_2}][\mathrm{NO}]$이다. 그런데 $\mathrm{NOBr_2}$는 중간체라 최종 식에 남길 수 없다.

빠른 첫 단계가 평형이므로 $k_1[\mathrm{NO}][\mathrm{Br_2}] = k_{-1}[\mathrm{NOBr_2}]$이고, $[\mathrm{NOBr_2}] = \dfrac{k_1}{k_{-1}}[\mathrm{NO}][\mathrm{Br_2}]$를 대입하면 위 식이 된다.

• NO의 차수를 1로 둔 식은 느린 단계에서 추가되는 NO 한 분자를 빠뜨린 것이다.
• 속도 상수 비를 $k_{-1}/k_1$로 둔 식은 평형 관계를 거꾸로 대입한 것이다.
• 중간체 농도가 그대로 남은 식은 반응물만으로 나타낸 전체 속도법칙이 아니다.

홀전자로 채워진 오비탈은 6개이다.

Cr은 반만 채워진 d 오비탈이 안정하므로 예외적으로 $[\mathrm{Ar}]\,3d^5 4s^1$ 배치를 가진다.

3d 오비탈 5개에 전자가 1개씩, 4s 오비탈에 1개가 들어 있으므로 홀전자 오비탈은 5 + 1 = 6개이다.

자발적 반응이 일어나는 온도는 420 K이다.

자발 조건은 $\Delta G = \Delta H - T\Delta S \lt 0$이다. 단위를 맞춰 대입하면
$T \gt \dfrac{\Delta H}{\Delta S} = \dfrac{200000\ \mathrm{J\,mol^{-1}}}{500\ \mathrm{J\,mol^{-1}K^{-1}}} = 400\ \mathrm{K}$

따라서 400 K보다 높은 온도에서만 자발적이며, 360 K와 390 K는 비자발이다. 흡열·엔트로피 증가 반응이라 온도와 무관하지도 않다.

아세틸렌의 표준 연소열은 −323 kcal이다.

연소 반응은 $\mathrm{C_2H_2}(g) + \dfrac{5}{2}\mathrm{O_2}(g) \rightarrow 2\mathrm{CO_2}(g) + \mathrm{H_2O}(l)$이다. 헤스 법칙에 따라 탄소 연소식 ×2, 수소 연소식 ×1, 아세틸렌 생성식의 역반응을 더한다.

$\Delta H^\circ = 2(-98) + (-68) - 59$
$= -196 - 68 - 59 = -323\ \mathrm{kcal}$

$|\Delta G|$는 $1.44 \times 10^3\ \mathrm{kJ}$이다.

$\Delta G = -nFE$를 쓴다.
$|\Delta G| = 10 \times 96000 \times 1.5 = 1440000\ \mathrm{J}$
$= 1440\ \mathrm{kJ} = 1.44 \times 10^3\ \mathrm{kJ}$

J을 kJ로 바꿀 때 1000으로 나누는 것을 빠뜨리면 자릿수가 어긋난다.

이 구조는 전하가 -1인 음이온(말론알데하이드의 짝염기)이다.

단일 결합 하나와 비공유 전자쌍 세 개를 가진 산소의 형식 전하를 구하면 $6 - 6 - 1 = -1$이고, 나머지 원자의 형식 전하는 모두 0이므로 전체 전하 $x = -1$이다.

• 파이 결합: C=O 하나와 C=C 하나뿐이므로 2개이다.
• 공명 구조: 음전하를 띤 산소의 비공유 전자쌍이 C=C, C=O 쪽으로 비편재화되어 두 산소가 대등한 공명 구조를 갖는다.
• 혼성 탄소 수: 세 탄소 모두 이중 결합에 참여하며 결합 방향이 세 개이므로 $sp^2$ 혼성 탄소는 3개이다.

쌍극자 모멘트는 물 > 황화수소 > 삼플루오린화 붕소 순이다.

$\mathrm{BF_3}$는 평면 삼각형으로 결합 쌍극자가 상쇄되어 무극성(쌍극자 모멘트 0)이다. 물과 황화수소는 모두 굽은형 극성 분자이지만, O가 S보다 전기음성도가 커서 O−H 결합의 극성이 더 크다.

• 황화수소를 물보다 앞에 둔 순서는 전기음성도 차이를 거꾸로 본 것이다.
• 삼플루오린화 붕소를 앞이나 중간에 둔 순서는 대칭 구조로 쌍극자가 0이 되는 점을 무시한 것이다.

$\mathrm{CO_2}$의 농도는 $1.4 \times 10^{-1}\ \mathrm{M}$이다.

헨리 법칙 $C = k_H P$에 대입한다.
$P = 0.41\ \mathrm{MPa} = 4.1 \times 10^5\ \mathrm{Pa}$
$C = 3.4 \times 10^{-4} \times 4.1 \times 10^5 \approx 139\ \mathrm{mol\,m^{-3}}$

$1\ \mathrm{m^3} = 1000\ \mathrm{L}$이므로 1000으로 나누면 $0.139 \approx 1.4 \times 10^{-1}\ \mathrm{M}$이다.