22년 1회차

금속 양이온의 산화수가 다른 것은 $\mathrm{Fe_2O_3}$로, 철의 산화수가 +3이다.

산소(−2) 3개의 총 −6을 철 2개가 나누므로 철 하나는 +3이 된다. 나머지 화합물의 금속은 모두 +2이다.

• $\mathrm{SrSO_4}$: 황산 이온(−2)과 결합하므로 스트론튬은 +2이다.
• $\mathrm{CdI_2}$: 아이오딘화 이온(−1) 2개와 결합하므로 카드뮴은 +2이다.
• $\mathrm{ZnS}$: 황화 이온(−2)과 결합하므로 아연은 +2이다.

옳지 않은 설명은 표준환원전위가 증가한다는 것이다. 알칼리 금속의 $\mathrm{M^+ + e^- \rightarrow M}$ 표준환원전위는 원자 번호에 따라 일정하게 증가하지 않는다.

특히 리튬은 이온이 작아 수화 에너지가 매우 크므로 표준환원전위가 알칼리 금속 중 가장 낮다(가장 강한 환원제). 따라서 원자 번호 증가에 따른 단조 증가 경향은 성립하지 않는다.

• 1차 이온화 에너지: 원자 반지름이 커져 최외각 전자가 핵에서 멀어지므로 감소한다.
• 녹는점: 원자가 커질수록 금속 결합이 약해져 낮아진다.
• 이온 반지름: 전자 껍질 수가 늘어나므로 증가한다.

환원전극(캐소드)에서는 은 이온이 전자를 받아 은으로 석출되는 반응이 일어난다.

선 표시법에서 이중 세로선(염다리) 오른쪽이 환원전극, 왼쪽이 산화전극이다. 오른쪽이 $\mathrm{Ag^+}|\mathrm{Ag}$이므로 $\mathrm{Ag^+}(aq)+\mathrm{e^-}\rightarrow\mathrm{Ag}(s)$가 일어난다.

• $\mathrm{Fe^{2+}}\rightarrow\mathrm{Fe^{3+}}+\mathrm{e^-}$: 왼쪽 백금 전극(산화전극)에서 일어나는 산화 반응이다.
• $\mathrm{Ag}\rightarrow\mathrm{Ag^+}+\mathrm{e^-}$: 은 전극의 산화 반응으로, 이 전지의 진행 방향과 반대이다.
• $\mathrm{Fe^{3+}}+\mathrm{e^-}\rightarrow\mathrm{Fe^{2+}}$: 환원 반응이지만 철 쌍은 산화전극 쪽에 있으므로 해당하지 않는다.

홀전자가 가장 많은 것은 $\mathrm{O^+}$로, 2p 오비탈에 홀전자 3개를 가진다.

산소 원자는 $1s^2 2s^2 2p^4$이다. 전자 하나를 잃은 $\mathrm{O^+}$는 $2p^3$이 되어 훈트 규칙에 따라 세 p 오비탈에 하나씩 들어간다.

• $\mathrm{O^{2+}}$: $2p^2$로 홀전자 2개이다.
• $\mathrm{O^-}$: $2p^5$로 홀전자 1개이다.
• $\mathrm{O^{2-}}$: $2p^6$로 모두 짝지어져 홀전자가 없다.

옳은 것은 ㄴ, ㄷ, ㄹ이다. 분자 오비탈 전자 배치로 보면 상자기성은 $\mathrm{B_2}$와 $\mathrm{O_2}$뿐이다.

결합 차수는 $\mathrm{B_2}$ 1, $\mathrm{C_2}$ 2, $\mathrm{N_2}$ 3, $\mathrm{O_2}$ 2, $\mathrm{F_2}$ 1이다. $\mathrm{B_2}$는 $\pi_{2p}$에 전자 2개가 하나씩 들어가 상자기성이고, $\mathrm{C_2}$는 $\pi_{2p}$가 가득 차 반자기성이다.

• ㄱ(틀림): $\mathrm{C_2}$는 홀전자가 없는 반자기성이다.
• ㄴ(옳음): 반자기성은 $\mathrm{C_2}$, $\mathrm{N_2}$, $\mathrm{F_2}$의 3개이다.
• ㄷ(옳음): 결합 차수가 3인 $\mathrm{N_2}$의 결합 엔탈피가 가장 크고, $\mathrm{F_2}$는 결합 차수 1에 비공유 전자쌍 반발까지 커서 가장 작다.
• ㄹ(옳음): 결합 차수 1이고 원자 반지름이 큰 $\mathrm{B_2}$의 결합이 가장 길고, 결합 차수가 가장 큰 $\mathrm{N_2}$가 가장 짧다.

바르게 연결한 것은 (가) 2p, (나) 1s, (다) 3d, (라) 3s이다.

주 양자수 $n$은 껍질, 방위 양자수 $l$은 오비탈 모양을 정하며 $l=0,1,2$가 각각 s, p, d에 해당한다.

• (가) $n=2,\ l=1$: 2p
• (나) $n=1,\ l=0$: 1s
• (다) $n=3,\ l=2$: 3d
• (라) $n=3,\ l=0$: 3s

(가)를 2s로, (다)를 3p로, (라)를 3d나 3p로 둔 연결은 $l$ 값을 잘못 대응한 것이다.

X의 원자량은 14이다. 산소의 몰수에서 화학식의 원자 수 비로 X의 몰수를 구한다.

산소 원자 몰수: $\dfrac{96}{16}=6\ \mathrm{mol}$
X : O = 2 : 3이므로 X 몰수: $6\times\dfrac{2}{3}=4\ \mathrm{mol}$

원자량: $\dfrac{56}{4}=14$
따라서 X는 원자량 14인 원소(질소)에 해당한다.

옳은 것은 ㄴ, ㄹ이다. 중심 원자의 전자쌍 수(결합+비공유)로 전자쌍 배치를 정한 뒤, 비공유 전자쌍을 제외한 원자 배치로 모양을 판단한다.

전자쌍 배치와 실제 이온의 모양을 구별하는 것이 핵심이다.

• ㄱ(틀림): $\mathrm{SbF_4^-}$는 결합 4 + 비공유 1 = 5쌍으로, 전자쌍 배치는 삼각 쌍뿔이지만 모양은 시소형이다.
• ㄴ(옳음): $\mathrm{SF_5^-}$는 결합 5 + 비공유 1 = 6쌍(팔면체 배치)으로 사각뿔형이다.
• ㄷ(틀림): $\mathrm{SeF_3^+}$는 결합 3 + 비공유 1 = 4쌍으로, 모양은 사면체가 아니라 삼각뿔형이다.
• ㄹ(옳음): $\mathrm{I_3^-}$는 중심 I에 결합 2 + 비공유 3 = 5쌍이며, 비공유 전자쌍이 적도 위치에 놓여 선형이다.

옳은 것은 ㄱ, ㄷ이다. 균형 맞춘 반응식은 다음과 같다.

$\mathrm{MnO_4^-}+5\mathrm{Fe^{2+}}+8\mathrm{H^+}\rightarrow5\mathrm{Fe^{3+}}+\mathrm{Mn^{2+}}+4\mathrm{H_2O}$
Mn은 +7에서 +2로 전자 5개를 얻고, Fe는 +2에서 +3으로 전자 1개씩 잃으므로 철 이온 5개가 필요하다.

• ㄱ(옳음): 산소 4개를 물 4분자로 만들기 위해 수소 이온 8개가 필요하다.
• ㄴ(틀림): 이동하는 전자는 6개가 아니라 5개이다.
• ㄷ(옳음): $\mathrm{Fe^{2+}}$는 스스로 산화되면서 망가니즈를 환원시키므로 환원제이다.
• ㄹ(틀림): $a+b+d+e=1+5+5+1=12$로 14가 아니다.

이 화합물의 IUPAC 명명은 3-ethyl-2,5-dimethyl-3-hexene이다.

이중결합을 포함하는 가장 긴 사슬은 양쪽 isopropyl 말단을 잇는 6탄소 사슬(hexene)이며, 이중결합은 어느 쪽 끝에서 번호를 매겨도 위치 3에서 시작한다. 치환기 위치는 왼쪽부터 {2,4,5}, 오른쪽부터 {2,3,5}이므로 더 낮은 쪽인 2,3,5를 택하고, 치환기는 알파벳순(ethyl → methyl)으로 쓴다.

• 2-methyl-4-isopropyl-3-hexene: 에틸기를 포함한 6탄소 사슬은 치환기가 2개뿐이어서 치환기 3개인 사슬보다 우선하지 못하고, 알파벳 순서도 맞지 않는다.
• 2,5-dimethyl-3-ethyl-3-hexene: 번호는 맞지만 치환기를 알파벳순으로 쓰지 않았다.
• 1-ethyl-1,2-diisopropylethene: 가장 긴 사슬을 주사슬로 잡지 않은 이름이다.

균형 계수는 $a=4,\ b=8,\ c=1,\ d=6$이다.

P 원자 4개를 담은 $\mathrm{P_4O_{10}}$을 1로 두면 $\mathrm{PH_3}$는 4이다.
H: $4\times3=12$이므로 $\mathrm{H_2O}$는 6이다.
O: $10+6=16$이므로 $\mathrm{O_2}$는 8이다.

검산: $4\mathrm{PH_3}+8\mathrm{O_2}\rightarrow\mathrm{P_4O_{10}}+6\mathrm{H_2O}$에서 P 4, H 12, O 16이 양변에서 같고, 이미 최소 정수비이다.

옳지 않은 설명은 중성 원자에서 질량수와 전자 수가 같다는 것이다.

중성 원자에서 전자 수와 같은 것은 양성자 수(원자 번호)이고, 질량수는 양성자 수와 중성자 수의 합이다. 중성자가 없는 수소-1을 제외하면 질량수가 전자 수보다 크다.

• 원자핵의 질량: 양성자·중성자가 전자보다 훨씬 무거워 원자 질량의 대부분을 차지한다.
• 원자번호와 양성자 수: 원자번호가 양성자 수로 정의되므로 항상 같다.
• 동위원소: 양성자 수가 같아도 중성자 수가 달라 질량이 다른 핵종이 존재한다.

라디오파의 파장은 $2.50\times10^{2}\ \mathrm{m}$(250 m)이다.

공식: $\lambda=\dfrac{c}{\nu}$
대입: $\lambda=\dfrac{3.00\times10^{8}\ \mathrm{m\,s^{-1}}}{1.20\times10^{6}\ \mathrm{s^{-1}}}$
결과: $\lambda=2.50\times10^{2}\ \mathrm{m}$

단위 환산 $1\ \mathrm{MHz}=10^{6}\ \mathrm{Hz}$를 빠뜨리면 자릿수가 틀린다.

옳은 것은 ㄱ, ㄷ이다. 정반응은 열을 방출하는 발열 반응이다.

발열 반응은 온도를 낮추면 평형이 정반응 쪽으로 이동해 평형 상수가 커진다. 또 질소의 산화수는 0에서 −3으로 줄어든다.

• ㄱ(옳음): 700 K보다 낮은 500 K에서는 $K_c$가 0.291보다 크다.
• ㄴ(틀림): 촉매는 정반응·역반응 속도를 함께 높여 평형 도달만 빠르게 할 뿐 평형 위치를 바꾸지 않는다.
• ㄷ(옳음): $\mathrm{N_2}$에서 $\mathrm{NH_3}$로 질소의 산화수가 감소했으므로 환원되었다.
• ㄹ(틀림): $\mathrm{H_2}$는 $\mathrm{N_2}$의 3배가 필요하므로 같은 몰수라면 $\mathrm{H_2}$가 먼저 소진되는 한계 반응물이다.

옳은 것은 ㄴ, ㄷ이다. 속도 결정 단계는 느린 1단계이므로 속도 법칙은 $v=k_1[\mathrm{NO_2}]^2$이다.

전체 반응은 $\mathrm{NO_2}$에 대한 2차 반응이며, 2차 반응의 반감기는 $t_{1/2}=\dfrac{1}{k[\mathrm{NO_2}]_0}$이다.

• ㄱ(틀림): 1차가 아니라 2차 반응이다.
• ㄴ(옳음): 2차 반응의 반감기 식과 일치한다.
• ㄷ(옳음): 제안된 메커니즘이 타당하려면 실험 속도 법칙이 속도 결정 단계의 식과 일치해야 한다.
• ㄹ(틀림): CO는 빠른 2단계에만 관여해 속도 법칙에 나타나지 않으므로 양을 늘려도 속도는 변하지 않는다.

옳은 것은 ㄴ, ㄷ이다. 두 착물 모두 Co는 +3($d^6$)이고, 리간드의 장 세기에 따라 스핀 상태가 달라진다.

$\mathrm{F^-}$는 약한 장 리간드라 고스핀($t_{2g}^4e_g^2$, 홀전자 4개), $\mathrm{CN^-}$는 강한 장 리간드라 저스핀($t_{2g}^6$, 홀전자 0개)이다.

• ㄱ(틀림): $x+6\times(-1)=-3$에서 두 착물 모두 Co의 산화수는 +3으로 같다.
• ㄴ(옳음): 홀전자는 플루오린 착물이 4개, 사이아노 착물이 0개이다.
• ㄷ(옳음): 사이아노 착물은 홀전자가 없어 반자기성이다.
• ㄹ(틀림): 고스핀인 플루오린 착물은 $e_g$에 전자 2개가 들어 있다.

옳지 않은 설명은 체심 입방 구조의 단위 세포당 원자 수가 더 많다는 것이다.

단위 세포당 원자 수는 체심 입방이 2개, 입방 조밀쌓임(면심 입방)이 4개로 오히려 체심 입방이 적다.

• 육방 조밀쌓임: 두 층이 번갈아 쌓이는 $-a-b-a-b-$ 방식이다.
• 배위수: 입방 조밀쌓임과 면심 입방은 같은 구조이므로 배위수(12)가 같다.
• 쌓임 효율: 조밀쌓임인 면심 입방이 원시 입방보다 공간 채움 비율이 높다.

지향성이 다른 것은 니트로기($-\mathrm{NO_2}$)로, 유일한 메타 지향기이다.

니트로기는 강한 전자 끌기기로 고리를 불활성화하고, 오쏘·파라 공격 중간체를 특히 불안정하게 하므로 친전자체가 메타 위치로 들어간다.

• 브로모기: 유도 효과로 고리를 불활성화하지만 비공유 전자쌍의 공명 기여로 오쏘·파라 지향이다.
• 아미노기: 비공유 전자쌍을 고리에 공여하는 강한 활성화기로 오쏘·파라 지향이다.
• 메틸기: 유도 효과·초공액으로 전자를 공여하는 활성화기로 오쏘·파라 지향이다.

이 중합체의 단위체는 클로로트라이플루오로에틸렌, 즉 $\mathrm{CFCl=CF_2}$이다.

사슬을 보면 Cl과 F를 하나씩 가진 탄소와 F 두 개를 가진 탄소가 교대로 반복된다. 따라서 반복 단위는 $\mathrm{-CFCl-CF_2-}$이고, 이는 이중결합이 열리며 연결되는 첨가 중합으로 만들어진다.

• $\mathrm{CF_2Cl-CF_3}$: 이중결합이 없는 포화 화합물이라 첨가 중합을 할 수 없다.
• $\mathrm{CFCl=CFCl}$: 중합하면 모든 탄소에 Cl이 하나씩 붙어야 하므로 구조와 맞지 않는다.
• $\mathrm{CCl_2=CF_2}$: 한 탄소에 Cl 두 개가 붙은 단위가 생겨야 하므로 구조와 맞지 않는다.

이 화합물(오셀타미비르)이 가질 수 있는 입체이성질체는 최대 8개이다.

입체 중심은 고리의 $sp^{3}$ 탄소 중 에터 산소, 아세트아미도기, 아미노기가 각각 붙은 탄소 3개이다. 입체 중심이 n개일 때 최대 입체이성질체 수는 $2^n$이므로 $2^3 = 8$이다.

• 에터 산소에 붙은 펜탄-3-일기의 가운데 탄소는 같은 에틸기 두 개를 가지므로 입체 중심이 아니다.
• 고리 안의 탄소–탄소 이중결합은 고리에 묶여 있어 별도의 기하 이성질체를 만들지 않는다.
• 고리의 $\mathrm{CH_2}$ 탄소와 에스터의 에틸기 탄소는 같은 치환기를 두 개 이상 가져 입체 중심이 아니다.