[9급 지방직 화학] 25년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

철의 비열은 0.50 $\mathrm{J\ g^{-1}\ ^\circ C^{-1}}$이다.
열량 공식 $q = mc\Delta T$를 비열에 대해 정리한다.
$c = \dfrac{q}{m\Delta T}$
온도 변화는 $\Delta T = 40 - 25 = 15\ \mathrm{^\circ C}$이다.
$c = \dfrac{420}{56 \times 15} = \dfrac{420}{840} = 0.50\ \mathrm{J\ g^{-1}\ ^\circ C^{-1}}$

같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 원자 반지름은 작아지므로, 반지름이 B < C < N < O 순이라는 설명이 옳지 않다.
원자 번호가 커지면 유효 핵전하가 증가해 전자를 더 강하게 끌어당기므로 반지름은 B > C > N > O 순이다.
전기음성도는 유효 핵전하 증가에 따라 B < C < N < O 순으로 커진다(옳음).
유효 핵전하는 같은 주기에서 원자 번호와 함께 증가한다(옳음).
1차 이온화 에너지는 N의 반채워진 2p 안정성과 O의 짝지은 전자 반발 때문에 N > O가 되어 B < C < O < N 순이다(옳음).

구리는 3d 오비탈을 모두 채우는 배치가 더 안정하므로 바닥 상태가 $\mathrm{[Ar]4s^1 3d^{10}}$이다. 따라서 Cu를 4s 전자 2개·3d 전자 9개로 쓴 배치가 옳지 않다.
Cr과 Cu는 반채움($d^5$)·완전 채움($d^{10}$)의 안정성 때문에 4s 전자 하나가 3d로 옮겨 가는 예외 배치를 가진다.
Cr은 반채움 안정성으로 $\mathrm{[Ar]4s^1 3d^5}$이다(옳음).
Fe는 쌓음 원리대로 $\mathrm{[Ar]4s^2 3d^6}$이다(옳음).
Zn은 $\mathrm{[Ar]4s^2 3d^{10}}$로 오비탈이 모두 찬다(옳음).

필요한 NaOH 수용액의 부피는 20 mL이다.
황산은 2가 산이므로 중화 조건은 $n_{\mathrm{H^+}} = n_{\mathrm{OH^-}}$, 즉 $2 \times M_a V_a = M_b V_b$이다.
$2 \times 0.1 \times 10 = 0.1 \times V_b$
$V_b = 20\ \mathrm{mL}$
황산 1 mol이 수소 이온 2 mol을 내놓는다는 점을 빠뜨리면 같은 부피로 잘못 계산하게 된다.

원소의 몰수비가 C : H : O = 1 : 2 : 1이므로 이 비를 만족하는 화학식은 $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$이다.
각 원소의 질량을 원자량으로 나눈다.
$\mathrm{C} : \dfrac{72}{12} = 6,\quad \mathrm{H} : \dfrac{12}{1} = 12,\quad \mathrm{O} : \dfrac{96}{16} = 6$
몰수비 6 : 12 : 6을 그대로 쓰면 포도당의 분자식과 같다.
$\mathrm{CH_4O}$는 C : H : O = 1 : 4 : 1로 수소가 너무 많다.
$\mathrm{C_2H_6O_2}$는 2 : 6 : 2 = 1 : 3 : 1이다.
$\mathrm{C_3H_8O}$는 3 : 8 : 1로 산소 비율이 맞지 않는다.

$\mathrm{SF_4}$는 사각뿔이 아니라 시소형 구조이므로 이 짝이 옳지 않다.
S 주위에 결합 전자쌍 4개와 비공유 전자쌍 1개, 모두 5개의 전자쌍이 삼각쌍뿔로 배치되고, 비공유 전자쌍이 적도 위치를 차지해 시소형이 된다.
$\mathrm{XeF_2}$: 결합 2개 + 비공유 3개(적도)로 선형이다(옳음).
$\mathrm{SF_6}$: 결합 6개, 비공유 0개로 정팔면체이다(옳음).
$\mathrm{XeF_4}$: 결합 4개 + 비공유 2개(서로 마주 봄)로 평면 사각형이다(옳음).

이 단위 세포의 화학식은 $\mathrm{ABX_3}$이다. 각 위치에 놓인 입자가 단위 세포에 기여하는 비율을 곱해 개수를 센다.
A는 체심에 1개 있어 온전히 1개가 속한다.
B는 꼭짓점 8곳에 있어 $8 \times \dfrac{1}{8} = 1$개이다.
X는 모서리 중심 12곳에 있어 $12 \times \dfrac{1}{4} = 3$개이다.
따라서 A : B : X = 1 : 1 : 3 이며, 이것이 전형적인 페로브스카이트 조성이다.
$\mathrm{ABX_6}$: X를 모서리마다 1/4이 아닌 1/2씩 센 결과로, 모서리 입자는 네 단위 세포가 공유한다.
$\mathrm{A_2BX_3}$: 체심의 A는 1개뿐이므로 A가 2개가 될 수 없다.
$\mathrm{A_8BX_{12}}$: 꼭짓점 8개와 모서리 12개를 공유 비율 없이 그대로 센 것이며, 실제로 꼭짓점에 있는 입자는 A가 아니라 B이다.

반응 지수 Q는 1이다.
먼저 2.0 L로 나누어 농도를 구한다.
$[\mathrm{H_2}] = 0.005\ \mathrm{M},\ [\mathrm{I_2}] = 0.02\ \mathrm{M},\ [\mathrm{HI}] = 0.01\ \mathrm{M}$
반응 지수식에 대입한다.
$Q = \dfrac{[\mathrm{HI}]^2}{[\mathrm{H_2}][\mathrm{I_2}]} = \dfrac{(0.01)^2}{0.005 \times 0.02} = \dfrac{1.0 \times 10^{-4}}{1.0 \times 10^{-4}} = 1$
이 반응은 양쪽 기체 계수의 합이 같아 부피가 약분되므로 몰수를 바로 대입해도 같은 값이 나온다.

300 K에서 이 반응의 표준 자유 에너지 변화는 4 kJ이다.
깁스 자유 에너지 식을 쓰되, 엔트로피 단위를 kJ로 맞춘다(420 J/K = 0.420 kJ/K).
$\Delta G^\circ = \Delta H^\circ - T\Delta S^\circ$
$\Delta G^\circ = 130 - 300 \times 0.420 = 130 - 126 = 4\ \mathrm{kJ}$
단위를 맞추지 않거나 TΔS 항만 따로 보면 126이나 −126 같은 값으로 잘못 계산하게 된다.

이 용액의 pOH는 4.0이다.
수소 이온 농도로 pH를 구한다.
$\mathrm{pH} = -\log(1.0 \times 10^{-10}) = 10.0$
25 °C에서 pH + pOH = 14이므로
$\mathrm{pOH} = 14.0 - 10.0 = 4.0$

용액 속 물의 증기 압력은 19.8 mmHg이다.
라울 법칙에 따라 용매의 증기 압력은 용매의 몰분율에 비례한다.
$P_{\mathrm{H_2O}} = X_{\mathrm{H_2O}} \times P^\circ_{\mathrm{H_2O}}$
$X_{\mathrm{H_2O}} = \dfrac{4.95}{4.95 + 0.05} = 0.99$
$P_{\mathrm{H_2O}} = 0.99 \times 20 = 19.8\ \mathrm{mmHg}$
비휘발성 용질이 녹으면 증기 압력은 순수한 물보다 낮아지므로 20 mmHg보다 큰 값은 나올 수 없다.

벤젠은 모든 탄소가 $sp^2$ 혼성을 이루어 평면 구조이므로 이 설명이 옳다.
벤젠의 결합각은 120°이고, 사이클로헥세인은 모든 탄소가 $sp^3$ 혼성인 포화 탄화수소로 의자형 구조를 가진다.
벤젠 탄소의 혼성 오비탈은 $sp^3$가 아니라 $sp^2$이다.
사이클로헥세인의 결합각은 120°가 아니라 정사면체각(약 109.5°)에 가깝다.
사이클로헥세인은 단일 결합만 있으므로 불포화가 아니라 포화 탄화수소이다.

200초 후 A의 농도는 1/20 M이다.
2차 반응의 적분 속도식을 쓴다.
$\dfrac{1}{[\mathrm{A}]} = \dfrac{1}{[\mathrm{A}]_0} + kt$
$\dfrac{1}{[\mathrm{A}]} = \dfrac{1}{0.10} + 0.05 \times 200 = 10 + 10 = 20$
$[\mathrm{A}] = \dfrac{1}{20}\ \mathrm{M}$
2차 반응은 농도의 역수가 시간에 따라 일정하게 증가한다는 점이 핵심이다.

크기 순서는 (가) > (나) > (다)이다.
(가) $\mathrm{Na_2CO_3 \rightarrow 2Na^+ + CO_3^{2-}}$이므로 2 mol이 해리하면 이온은 $2 \times 3 = 6\ \mathrm{mol}$이다.
(나) $\mathrm{KNO_3}$의 화학식량은 $39 + 14 + 16 \times 3 = 101$이므로 101 g은 1 mol이고, 원자는 $1 \times 5 = 5\ \mathrm{mol}$이다.
(다) $\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3}$에서 한계 반응물은 $\mathrm{H_2}$ 3 mol이므로 $\mathrm{NH_3}$는 2 mol 생성된다. 따라서 6 > 5 > 2 mol이다.

옳은 것은 ㄱ, ㄷ이다.
3d 오비탈은 $l = 2$이고, 마디 면의 수는 $l$과 같으므로 $d_{xy}$는 xz 평면과 yz 평면, 2개의 마디 면을 가진다.
ㄱ: d 오비탈의 각 운동량 양자수는 2이다(옳음).
ㄴ: $d_{xy}$의 로브는 x축과 y축 사이(45° 방향)에 놓인다. 축을 따라 배향하는 것은 $d_{x^2-y^2}$이다(틀림).
ㄷ: xz, yz 두 평면이 마디 면이다(옳음).

ㄱ, ㄴ, ㄷ 모두 옳다.
1단계에서 생성된 O(g)가 2단계에서 소모되므로 두 단계를 더하면 O(g)가 소거된다.
$\mathrm{NO_2}(g) + \mathrm{O_2}(g) \rightarrow \mathrm{NO}(g) + \mathrm{O_3}(g)$
ㄱ: 앞 단계에서 생성되고 뒤 단계에서 소모되는 O(g)는 반응 중간체이다(옳음).
ㄴ: 1단계는 기체 1 mol이 기체 2 mol로 쪼개지므로 엔트로피가 증가한다(옳음).
ㄷ: 두 단계를 더한 전체 반응식이 제시된 식과 같다(옳음).

촉매 변환기는 질소 산화물을 환원시켜 질소($\mathrm{N_2}$)로 바꾸어 배출하므로, 산화시킨다는 설명이 옳지 않다.
삼원 촉매는 CO·탄화수소는 산화시키고 NOx는 환원시켜 무해한 기체로 바꾼다.
산성비의 산이 대리석($\mathrm{CaCO_3}$)과 반응해 조각상을 부식시킨다(옳음).
질소 산화물이 햇빛을 흡수해 광분해되면서 오존 등 광화학 스모그 물질을 만든다(옳음).
$\mathrm{SO_2}$는 극성 분자로 물에 잘 녹아 아황산을 만들며 산성비의 원인이 된다(옳음).

결합 차수는 $\mathrm{NO^+}$(3) > $\mathrm{O_2^+}$(2.5) > $\mathrm{B_2}$(1) 순으로, 결합 차수 내림차순으로 이 순서가 바른 나열이다.
결합 차수는 결합성 오비탈 전자 수에서 반결합성 오비탈 전자 수를 빼고 2로 나눈 값이다.
$\mathrm{B_2}$: 원자가 전자 6개, π2p에 2개가 들어가 결합 차수 1이다.
$\mathrm{O_2^+}$: 원자가 전자 11개, 반결합성 π*에 1개만 남아 결합 차수 2.5이다.
$\mathrm{NO^+}$: 원자가 전자 10개로 질소 분자와 등전자이므로 결합 차수 3이다.

스타이렌의 C=C 이중 결합이 열리며 연결되는 폴리스타이렌이 첨가 중합으로 합성된다.
첨가 중합은 이중 결합을 가진 단위체가 부산물 없이 이어지고, 축합 중합은 물 같은 작은 분자가 빠져나가며 결합한다.
폴리에틸렌테레프탈레이트는 테레프탈산과 에틸렌글리콜이 물을 내놓으며 에스터 결합을 만드는 축합 중합체이다.
나일론은 다이카복실산과 다이아민이 아마이드 결합을 만드는 축합 중합체이다.
페놀 수지는 페놀과 폼알데하이드가 물을 내놓으며 결합하는 축합 중합체이다.

전해 전지는 비자발적 반응을 외부 전원으로 일으키므로 전지 기전력이 음의 값이다. 따라서 기전력이 양의 값을 갖는다는 설명이 옳지 않다.
볼타 전지는 $E_{\mathrm{cell}} \gt 0$, $\Delta G \lt 0$인 자발적 반응을, 전해 전지는 $E_{\mathrm{cell}} \lt 0$인 반응을 전기 에너지로 강제로 진행시킨다.
볼타 전지는 자발적 산화-환원 반응으로 전류를 얻는다(옳음).
볼타 전지와 갈바니 전지는 같은 종류의 전지를 가리킨다(옳음).
두 전지 모두 외부 도선에서 전자는 산화 전극에서 환원 전극으로 이동한다(옳음).