18년 1회차

정답은 탄소-12의 원자질량이 12.000 amu라는 설명이다.

원자질량 단위(amu)는 $^{12}\mathrm{C}$ 원자 1개 질량의 $\dfrac{1}{12}$로 정의되므로 이 동위원소의 질량은 정확히 12 amu이다. 평균원자질량 12.011은 더 무거운 $^{13}\mathrm{C}$ 등이 섞인 결과다.

• 산소-16의 원자 번호는 양성자 수인 8이며, 16은 질량수다.
• Cl 평균원자질량(35.453)이 35보다 크므로 다른 동위원소(Cl-37)는 35 amu보다 무겁다.
• Ba 이온의 양성자 수는 원자 번호와 같은 56개이며, 81은 중성자 수(137−56)다.

옳지 않은 것은 2주기에서 원자 번호가 커질수록 원자 반지름이 커진다는 설명이다.

같은 주기에서는 오른쪽으로 갈수록 유효 핵전하가 커져 전자를 강하게 끌어당기므로 원자 반지름은 작아진다.

• 같은 주기에서 1족 원자는 유효 핵전하가 가장 작아 일차 이온화 에너지가 가장 작다.
• He은 전자가 핵에 매우 가깝고 가려막기가 없어 모든 원소 중 일차 이온화 에너지가 가장 크다.
• 알칼리 토금속은 ns 오비탈이 꽉 차 있어 전자를 받기 어려우므로, 전자친화도는 알칼리 금속이 더 크다.

옳은 것은 부피를 줄여 압력을 높이면 정반응이 일어난다는 설명이다.

르샤틀리에 원리에 따라 압력이 커지면 기체 몰수가 적은 쪽으로 평형이 이동한다. 반응물은 4 mol, 생성물은 2 mol이므로 정반응 쪽이다.

• 정반응이 발열($\Delta H \lt 0$)이므로 가열하면 흡열 방향인 역반응이 일어난다.
• 생성물인 암모니아를 첨가하면 이를 소모하는 역반응이 일어난다.
• 반응물인 질소를 첨가하면 이를 소모하는 정반응이 일어난다.

옳지 않은 것은 환원된 생성물 Pb의 산화수가 +2라는 설명이다.

홑원소 물질의 산화수는 0이므로 생성물 Pb(s)의 산화수는 0이다. Pb는 PbO에서의 +2에서 0으로 환원되었다.

• PbO를 CO로 처리해 금속 납을 얻는 제련 반응이라는 설명은 옳다.
• PbO는 자신이 환원되면서 CO를 산화시키므로 산화제다.
• CO의 탄소는 +2에서 $\mathrm{CO_2}$의 +4로 산화수가 증가했으므로 산화되었다.

옳은 것은 ㄱ, ㄴ이다.

이온결정은 강한 정전기적 인력 때문에 녹는점이 높고, 녹으면 이온이 움직여 전기가 통한다. 아르곤은 무극성 단원자 분자이므로 결정 내 인력은 London 분산력뿐이다.

• ㄷ: 공유결정(다이아몬드, 석영 등)은 단단하고 녹는점이 매우 높으며 대부분 부도체이다.
• ㄹ: 금속결정은 열·전기 전도성이 좋지만 수은이나 알칼리 금속처럼 녹는점이 낮은 것도 있어 모두 높다고 할 수 없다.

두 생성물에 공통으로 들어 있는 작용기는 하이드록시기이다.

첫 반응은 CO와 수소로부터 메탄올($\mathrm{CH_3OH}$)을 합성하는 반응이고, 둘째 반응은 아세트산 에틸의 산 가수분해로 아세트산($\mathrm{CH_3COOH}$)과 에탄올($\mathrm{CH_3CH_2OH}$)이 생긴다. 두 반응 모두 알코올을 내므로 공통 작용기는 −OH다.

• 에터기는 어느 생성물에도 없다.
• 알데히드기는 어느 생성물에도 없다.
• 카복실기는 아세트산에만 있고 메탄올에는 없다.

옳지 않은 것은 격자에너지가 NaCl이 KI보다 작다는 설명이다.

격자에너지는 이온 전하가 같으면 이온 반지름이 작을수록 크다. $Na^{+}$·$Cl^{-}$이 $K^{+}$·$I^{-}$보다 작으므로 NaCl의 격자에너지가 더 크다.

• F의 전기음성도가 C보다 커서 C−F 결합은 극성 공유결합이다.
• 금속 K와 비금속 Cl이 전자를 주고받아 만드는 KCl은 이온결합 화합물이다.
• C와 H의 전기음성도 차이가 작아 탄화수소는 대체로 비극성이다.

옳은 것은 주양자수가 커질수록 방사 확률 분포가 핵에서 더 멀리 퍼진다는 설명이다.

ns 오비탈은 n이 커질수록 크기가 커져 전자가 발견될 확률이 가장 큰 위치가 핵에서 멀어진다. 방사 마디 수는 n−1개, 봉우리 수는 n개다.

• 봉우리 수는 1, 2, 3개로 주양자수에 비례해 늘 뿐 기하급수적으로 늘지 않는다.
• 봉우리가 여러 개일 때는 가장 바깥쪽 봉우리가 가장 크다.
• 마디 수는 n−1개이므로 주양자수가 커질수록 증가한다.

옳지 않은 것은 염다리를 오래 쓰면 이온이 빠져나가 전류가 흐르지 않는다는 설명이다.

염다리의 이온은 두 용액의 전하 균형을 맞추려고 이동할 뿐이다. 전류가 멈추는 것은 반응이 진행되어 전지 전위가 0, 즉 평형에 이르기 때문이다.

• 전위가 낮은 Fe가 산화 전극(왼쪽), 백금에서 $\mathrm{MnO_4^-}$가 환원(오른쪽)되므로 전지 표기는 옳다.
• Fe 반응식에 5, Mn 반응식에 2를 곱해 전자 10개를 맞추면 제시된 전체 반응식이 된다.
• $E^{\circ}_{\mathrm{cell}} = 1.50 - (-0.50) = 2.00\,\mathrm{V}$, $\Delta G^{\circ} = -nFE^{\circ} = -10 \times 96500 \times 2.00\,\mathrm{J} = -1930\,\mathrm{kJ}$이므로 옳다.

옳은 것은 ㄱ, ㄷ이다.

$\Delta H^{\circ} = 3(-242) - (-1676) = +950\,\mathrm{kJ}$로 양수이므로 흡열반응이다.

$\Delta S^{\circ} = [2(28) + 3(189)] - [51 + 3(131)] = 623 - 444 = 179\,\mathrm{J/K}$이다.

• ㄴ: 엔탈피 변화의 크기는 950 kJ이지만 부호가 양(+)이므로 −950 kJ은 틀렸다.
• ㄹ: $\Delta G^{\circ} = 950 - 298 \times 0.179 \approx +897\,\mathrm{kJ} \gt 0$이므로 25 ℃에서 비자발적이다.

가장 불안정한 것은 알킬기가 하나도 없는 메틸 양이온이다.

탄소양이온은 알킬기의 유발 효과(전자 주개)와 초공액으로 양전하가 분산될수록 안정해지므로, 안정도는 3차 > 2차 > 1차 > 메틸 순이다.

• 알킬기 1개가 붙은 1차 탄소양이온: 메틸 양이온보다는 안정하다.
• 알킬기 2개가 붙은 2차 탄소양이온: 1차보다 더 안정하다.
• 알킬기 3개가 붙은 3차 탄소양이온: 가장 안정하다.

Co의 산화수는 +3, 배위수는 6이다.

산화수: $\mathrm{NH_3}$와 en은 중성, $\mathrm{Cl^-}$는 −1이므로 $x + 2(-1) = +1$에서 $x = +3$이다.

배위수: $\mathrm{NH_3}$ 2자리 + en(두 자리 리간드) 2자리 + $\mathrm{Cl^-}$ 2자리 = 6이다. en을 한 자리로 세면 5가 되는 실수에 주의한다.

구조가 다른 하나는 HCN으로, 혼자만 직선형이다.

HCN은 중심 C 주위에 단일결합 1개와 삼중결합 1개, 즉 전자 영역 2개만 있어 직선형이 된다. 나머지 셋은 모두 굽은형이다.

• $\mathrm{NO_2^-}$: 중심 N에 결합 영역 2개와 비공유 전자쌍 1개가 있어 굽은형이다.
• $\mathrm{SO_2}$: 중심 S에 결합 영역 2개와 비공유 전자쌍 1개가 있어 굽은형이다.
• HOCl: 중심 O에 결합 2개와 비공유 전자쌍 2개가 있어 물처럼 굽은형이다.

옳지 않은 것은 전이상태 한 단계와 중간체 한 개를 갖는다는 설명이다.

HBr의 알켄 첨가는 양성자 첨가로 탄소 양이온 중간체 생성 후 브로민화 이온의 공격의 2단계 반응이므로 중간체 1개와 전이상태 2개를 갖는다.

• 전자가 풍부한 이중결합이 친전자체 $\mathrm{H^+}$를 공격하므로 친전자성 첨가반응이다.
• 전이상태는 결합이 끊기고 생기는 중간 지점이라 부분적으로 형성된 결합을 갖는다.
• 탄소 양이온 중간체는 에너지 극소점의 실제 화학종이므로 결합이 완전히 형성되어 있다.

방향족인 것은 톨루엔과 퓨란이다.

휘켈 규칙에 따르면 평면 고리에서 연속된 p 오비탈에 $4n+2$개의 π 전자가 있으면 방향족이다.

• 사이클로뷰타다이엔: π 전자 4개($4n$)로 반방향족이다.
• 톨루엔: 벤젠 고리에 메틸기가 붙은 것으로 π 전자 6개라 방향족이다.
• 퓨란: 이중결합 2개의 π 전자 4개와 산소 비공유 전자쌍 2개가 더해져 6개이므로 방향족이다.

옳지 않은 것은 흑연이 σ 결합의 전자로 전기 전도성을 갖는다는 설명이다.

흑연의 탄소는 $sp^2$ 혼성으로 층 내 σ 결합을 만들고, 남은 p 오비탈 전자가 층 전체에 비편재화된 π 전자를 이루어 전기를 나른다. σ 결합 전자는 원자 사이에 묶여 있어 전도에 기여하지 못한다.

• 흑연 층 사이는 약한 분산력으로만 묶여 있어 층들이 쉽게 미끄러진다.
• 흑연은 층 사이 간격이 넓어 다이아몬드보다 밀도가 낮다.
• 두 물질 모두 탄소 원자가 공유결합으로 연결된 그물형(공유결정) 고체다.

NaOH 수용액의 농도는 0.90 M이다.

진한 황산의 몰농도: $\dfrac{1800\,\mathrm{g} \times 0.980}{98.0\,\mathrm{g/mol}} = 18.0\,\mathrm{mol}$ → 18.0 M
50.0 mL를 1 L로 희석: $18.0 \times \dfrac{50.0}{1000} = 0.900\,\mathrm{M}$

황산은 2가 산이므로 40.0 mL 속 $\mathrm{H^+}$: $0.900 \times 0.0400 \times 2 = 0.0720\,\mathrm{mol}$
NaOH 농도: $\dfrac{0.0720\,\mathrm{mol}}{0.0800\,\mathrm{L}} = 0.90\,\mathrm{M}$

옳은 것은 ㄴ, ㄹ이다.

CO는 $\mathrm{N_2}$와 분자량이 같지만 극성 분자라 쌍극자 인력이 더해져 녹는점·끓는점이 높다. 오쏘-하이드록시벤조산은 분자 내 수소결합을 이루어 분자 간 수소결합이 줄어 메타·파라 이성질체보다 녹는점이 낮다.

• ㄱ: $\mathrm{CH_3OH}$는 분자 간 수소결합을 하므로 $\mathrm{CH_3SH}$보다 끓는점이 높다.
• ㄷ: 영족 기체는 원자번호가 클수록 분산력이 커져 끓는점이 높아진다.

옳지 않은 것은 기체상의 HCl이 강산이다라는 설명이다.

기체상 HCl은 극성 공유결합 분자로 존재할 뿐 이온으로 해리되지 않는다. HCl이 강산으로 작용하는 것은 물에 녹아 이온이 수화되어 안정해질 때다.

• HCl은 물에서 거의 완전히 이온화하므로 그 수용액은 강산이다.
• 수용액에서 $\mathrm{H^+}$와 $\mathrm{Cl^-}$는 물 분자에 둘러싸여(수화) 열역학적으로 안정하다.
• 기체상에서는 수화가 없어 분리된 이온이 매우 불안정하므로 HCl은 분자로 남는다.

90 %가 소모되는 데 90분이 걸린다.

2차 반응의 적분 속도식: $\dfrac{1}{[\mathrm{A}]} - \dfrac{1}{[\mathrm{A}]_0} = kt$

50 % 소모($[\mathrm{A}] = 0.5[\mathrm{A}]_0$): $2 - 1 = k \times 10$ → $k[\mathrm{A}]_0 = 0.1\,\mathrm{min^{-1}}$
90 % 소모($[\mathrm{A}] = 0.1[\mathrm{A}]_0$): $10 - 1 = 0.1t$ → $t = 90\,\mathrm{min}$

2차 반응은 반감기가 농도에 반비례해 길어지므로, 1차 반응처럼 반감기 배수로 계산하면 안 된다.