[7급 국가직 화학개론] 24년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

$\mathrm{^{13}C}$의 중성자 수는 7개다.
질량수 = 양성자 수 + 중성자 수이고, 탄소의 원자 번호(양성자 수)는 6이다.
$13 - 6 = 7$
6개는 양성자 수(원자 번호)로, 중성자 수와 혼동한 값이다.
8개는 $\mathrm{^{14}C}$의 중성자 수다.

필요한 8 M 황산 수용액의 부피는 0.025 L이다.
희석해도 용질의 몰수는 변하지 않으므로 $M_1V_1 = M_2V_2$를 쓴다.
$8 \times V_1 = 0.1 \times 2$
$V_1 = 0.025\ \mathrm{L}$

Cu의 산화수가 다른 것은 $\mathrm{Cu_2O}$로, Cu가 +1이다.
O를 −2로 두면 $2x + (-2) = 0$에서 $x = +1$이다.
$\mathrm{Cu(OH)_2}$: $\mathrm{OH^-}$ 두 개(−2)와 결합하므로 Cu는 +2이다.
$\mathrm{CuCl_2}$: $\mathrm{Cl^-}$ 두 개와 결합하므로 Cu는 +2이다.
$\mathrm{CuSO_4}$: 황산 이온 $\mathrm{SO_4^{2-}}$과 결합하므로 Cu는 +2이다.

p형 반도체에 대한 옳은 설명은 ㄱ, ㄴ이다.
14족 Si에 원자가 전자가 하나 적은 13족 원소(B 등)를 도핑하면 결합 자리에 전자가 빈 곳이 생기고, 이 빈자리가 양전하처럼 움직이는 정공(hole)으로 전하를 운반한다.
ㄱ: 정공이 주된 전하 운반체이므로 옳다.
ㄴ: 13족 원소 도핑으로 p형이 만들어지므로 옳다.
ㄷ: 15족 원소(P, As 등) 도핑은 남는 전자가 운반체가 되는 n형 반도체이므로 틀리다.

부피를 줄였을 때 평형이 오른쪽으로 이동하는 것은 암모니아 합성 반응이다.
온도 일정에서 부피를 줄이면 압력이 커지므로 평형은 기체 몰수가 적은 쪽으로 이동한다. $\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3}$는 기체가 4 mol에서 2 mol로 줄어든다.
$\mathrm{CaCO_3}$ 분해: 기체가 오른쪽에만 1 mol 있으므로 왼쪽으로 이동한다.
$\mathrm{H_2 + I_2 \rightleftharpoons 2HI}$: 양쪽 기체 몰수가 2 mol로 같아 이동하지 않는다.
메테인의 수증기 개질: 기체가 2 mol에서 4 mol로 늘어나므로 왼쪽으로 이동한다.

이 반응의 평형상수 $K_c$는 2이다.
C가 1.0 mol 생성되었으므로 반응한 A는 0.5 mol, 남은 A는 $1.0 - 0.5 = 0.5\ \mathrm{mol}$이다(반응기가 1 L이므로 농도도 같다). 반응한 B 0.5 mol은 처음 양 0.6 mol 안에 든다.
B는 고체라 평형상수식에서 빠진다.
$K_c = \dfrac{[\mathrm{C}]^2}{[\mathrm{A}]}$
$K_c = \dfrac{(1.0)^2}{0.5} = 2$

일차 이온화 에너지는 $\mathrm{N > O > Be > B}$ 순이다.
같은 주기에서 이온화 에너지는 오른쪽으로 갈수록 커지지만, 2주기에는 두 가지 역전이 있다.
N과 O: N은 $2p^3$로 반쯤 채워져 안정하고, O는 $2p^4$에서 짝지은 전자끼리 반발해 전자를 떼기 쉬우므로 N이 더 크다.
Be와 B: B의 2p 전자는 2s 전자보다 에너지가 높고 가려막기를 더 받아 떼기 쉬우므로 Be가 더 크다.
O를 N보다 앞에 두거나 B를 Be보다 앞에 둔 나열은 이 역전을 놓친 것이다.

이 화합물은 프로판산과 에탄올이 축합한 에스터로, IUPAC 이름은 ethyl propanoate이다.
에스터는 산소에 붙은 알킬기 이름 + 산 부분(-oate) 순으로 명명한다. 카보닐 탄소를 포함한 산 부분은 $\mathrm{CH_3CH_2CO{-}}$로 탄소 3개(propanoate), 산소 쪽 $\mathrm{{-}CH_2CH_3}$는 ethyl이다.
ethyl pentanoate: 산 부분 탄소가 5개여야 하는데 실제로는 3개이다.
dimethyl propanoate: 산소 쪽 치환기는 메틸 두 개가 아니라 에틸 하나이다.
ethyl pentanoic acid: 카복실산이 아닌 에스터이고 탄소 수도 맞지 않는다.

$\mathrm{p}K_{\mathrm{a}}$가 가장 작은(산성이 가장 강한) 것은 파라 위치에 나이트로기가 붙은 p-나이트로페놀이다.
페놀류의 산성도는 짝염기인 페녹사이드 음이온의 안정성으로 결정된다. 나이트로기는 강한 전자끌개로, 음전하를 공명과 유도 효과로 나이트로기의 산소까지 분산시켜 짝염기를 크게 안정화한다.
페놀: 벤젠 고리 공명만으로 음전하가 안정화되어 p-나이트로페놀보다 약한 산이다.
벤질 알코올: OH가 고리에 직접 붙지 않아 짝염기가 공명 안정화되지 않으므로 일반 알코올 수준의 약한 산이다.
p-크레솔: 메틸기가 전자주개로 작용해 페녹사이드를 불안정하게 하므로 페놀보다도 산성이 약하다.

pH가 가장 낮은 것은 1 wt% NaOH 수용액이다.
NaOH는 강염기이므로 $\mathrm{OH^-}$ 농도가 가장 작은 용액의 pH가 가장 낮다. 1 wt%는 용액 100 g에 NaOH 1 g이므로, 용액 약 1 L(약 1 kg)에 약 10 g, 즉 $10/40 = 0.25\ \mathrm{mol}$으로 약 0.25 M이다.
1 N NaOH: NaOH는 1가 염기이므로 1 M과 같다.
1 M NaOH: 용액 1 L에 NaOH 1 mol이 들어 있다.
1 m NaOH: 물 1 kg에 NaOH 1 mol로, 몰농도가 1 M에 가깝다.

이 화합물에서 카이랄 중심은 OH가 붙은 CH 탄소 하나뿐이다.
카이랄 중심은 서로 다른 네 원자(단)와 결합한 $sp^{3}$ 탄소이다. CH(OH) 탄소는 H, OH, $\mathrm{CH_2OH}$, $\mathrm{C({=}O)CH_2OH}$의 서로 다른 네 치환기를 가진다.
양 끝의 두 $\mathrm{CH_2}$ 탄소는 수소 두 개가 같은 치환기이므로 카이랄 중심이 아니다.
카보닐 탄소는 $sp^{2}$ 탄소로 치환기가 세 개뿐이어서 카이랄 중심이 될 수 없다.

옳은 설명은 ㄱ, ㄴ이다.
흑연·풀러렌·탄소나노튜브는 모두 탄소만으로 이루어진 동소체이고, 각 탄소가 다른 탄소 셋과 결합한 $sp^2$ 혼성 구조다.
ㄱ: 같은 원소(C)가 서로 다른 구조를 이룬 것이므로 동소체가 맞다.
ㄴ: 흑연의 판, 그 판을 말아 놓은 나노튜브, 공 모양의 풀러렌 모두 $sp^2$ 탄소로 되어 있다.
ㄷ: 이온 결합이 없다. 흑연은 공유 결합 그물 구조(층 사이는 분산력), 풀러렌은 분자성 고체다.

녹는점은 $\mathrm{MgO > LiF > KCl}$ 순이다.
같은 암염 구조에서 녹는점은 격자 에너지가 클수록 높고, 격자 에너지는 이온 전하의 곱이 클수록, 이온 사이 거리가 짧을수록 크다.
$U \propto \dfrac{q_+ q_-}{r}$
$\mathrm{MgO}$: $\mathrm{Mg^{2+}}$와 $\mathrm{O^{2-}}$로 전하 곱이 가장 커서 녹는점이 가장 높다.
$\mathrm{LiF}$와 $\mathrm{KCl}$: 둘 다 +1/−1 이온이지만 $\mathrm{Li^+}$와 $\mathrm{F^-}$가 훨씬 작아 LiF가 더 높다.
KCl을 LiF보다 앞에 두거나 MgO를 뒤로 보낸 나열은 이 경향과 반대다.

옳은 설명은 s 오비탈에 채워진 전자가 총 4개라는 것이다.
N(원자 번호 7)의 바닥 상태 배치는 $1s^2\,2s^2\,2p^3$이고, 훈트 규칙에 따라 2p 전자 3개는 세 p 오비탈에 하나씩 들어간다.
s 전자: 1s 2개 + 2s 2개 = 4개로 옳다.
원자가 전자: 2s 2개 + 2p 3개 = 5개이므로 4개가 아니다.
2p 오비탈은 모두 전자가 1개씩이라 전자 2개가 채워진 p 오비탈은 없다.
전자 2개인 오비탈은 1s·2s의 2개, 1개인 오비탈은 2p의 3개로 오히려 적다.

끓는점이 가장 낮은 것은 가지가 가장 많은 2-메틸-2-프로판올(tert-뷰틸 알코올)이다.
네 화합물은 모두 분자식이 같은 뷰탄올 이성질체로 수소 결합을 하지만, 가지가 많아 구형에 가까울수록 분자 표면적이 작아져 분산력이 약해지고, OH 주위가 입체적으로 가려져 수소 결합도 불리해진다.
1-뷰탄올: 곧은 사슬이라 표면적이 가장 크고 OH가 노출되어 있어 끓는점이 가장 높다.
2-메틸-1-프로판올: 가지가 하나 있어 1-뷰탄올보다는 낮지만 1차 알코올이라 끓는점이 비교적 높다.
2-뷰탄올: 2차 알코올로 OH가 일부 가려지지만 3차 알코올보다는 표면적이 커서 끓는점이 더 높다.

$n = 3$ 준위의 오비탈 수는 9개다.
주양자수 n인 껍질의 오비탈 수는 $n^2$이다. 3s 1개, 3p 3개, 3d 5개를 더한다.
$1 + 3 + 5 = 3^2 = 9$
16개는 $n = 4$ 껍질의 오비탈 수다.
2개는 오비탈 하나에 들어가는 최대 전자 수로 오비탈 총수가 아니다.
1개는 3s 오비탈 하나만 센 값이다.

공명 구조가 존재하지 않는 것은 $\mathrm{NH_4^+}$이다.
공명은 다중 결합이나 비공유 전자쌍의 위치만 다른 루이스 구조를 여럿 그릴 수 있을 때 생긴다. $\mathrm{NH_4^+}$는 N이 H 4개와 단일 결합만 하고 비공유 전자쌍도 없어 루이스 구조가 하나뿐이다.
$\mathrm{O_3}$: 이중 결합이 양쪽 O–O 결합 어느 쪽에도 올 수 있다.
$\mathrm{NO_3^-}$: N=O 이중 결합이 세 O에 번갈아 와 공명 구조가 3개다.
$\mathrm{N_2O}$: N≡N–O, N=N=O 등 여러 구조가 공명한다.

결합 차수가 가장 높은 분자는 $\mathrm{N_2}$(결합 차수 3)이다.
분자 오비탈 이론에서 결합 차수 = (결합성 전자 수 − 반결합성 전자 수) ÷ 2이다(원자가 전자 기준).
$\mathrm{H_2}$: $(2-0)/2 = 1$
$\mathrm{N_2}$: $(8-2)/2 = 3$
$\mathrm{O_2}$: $(8-4)/2 = 2$
$\mathrm{F_2}$: $(8-6)/2 = 1$

이 금속의 밀도는 $\dfrac{\sqrt{2}}{8}\dfrac{M}{N_{\mathrm{A}}r^3}$이다.
면심 입방 단위세포에는 원자가 4개 들어 있고, 면 대각선 방향으로 원자가 접하므로 $\sqrt{2}\,a = 4r$, 곧 $a = 2\sqrt{2}\,r$이다.
$a^3 = 16\sqrt{2}\,r^3$
$d = \dfrac{4M/N_{\mathrm{A}}}{16\sqrt{2}\,r^3} = \dfrac{M}{4\sqrt{2}\,N_{\mathrm{A}}r^3} = \dfrac{\sqrt{2}}{8}\dfrac{M}{N_{\mathrm{A}}r^3}$
$N_{\mathrm{A}}r^3/M$ 꼴은 밀도의 역수로, 부피÷질량이 되어 단위가 맞지 않는다.
$\sqrt{2}/4$ 계수는 올바른 계수의 두 배로, 원자 수나 $a$와 $r$의 관계를 잘못 쓴 값이다.

바르게 연결된 것은 $\mathrm{PF_3}$ – 고립 전자쌍 1개 – 삼각 피라미드이다.
P는 원자가 전자 5개 중 3개로 F와 결합하고 비공유 전자쌍 1개가 남는다. 전자쌍 4개가 사면체로 배치되고 그중 하나가 고립쌍이므로 분자 모양은 삼각 피라미드다.
$\mathrm{CF_4}$: C의 원자가 전자 4개가 모두 결합에 쓰여 고립 전자쌍은 0개다(정사면체).
$\mathrm{SO_2}$: S에 고립 전자쌍이 1개 있어 선형이 아니라 굽은형이다.
$\mathrm{SF_2}$: S에 고립 전자쌍이 2개 있다(굽은형).

옳은 설명은 ㄱ, ㄷ이다.
균형 반응식은 $\mathrm{Pb(NO_3)_2 + 2KI \rightarrow 2KNO_3 + PbI_2}$이고, 알짜 이온 반응식은 $\mathrm{Pb^{2+} + 2I^- \rightarrow PbI_2}$이다.
ㄱ: $1 + 2 + 2 + 1 = 6$이므로 옳다.
ㄴ: $\mathrm{K^+}$와 $\mathrm{NO_3^-}$는 반응 전후 그대로인 구경꾼 이온이라 알짜 이온 반응식에 나오지 않는다. 생성물은 $\mathrm{PbI_2}$이므로 틀리다.
ㄷ: KI 2 mol은 $\mathrm{Pb(NO_3)_2}$ 1 mol과만 반응하므로(KI가 한계 반응물) $\mathrm{PbI_2}$는 1 mol 생성되어 옳다.

A의 분자량은 800이다.
먼저 끓는점 오름으로 반트호프 인자 $i$를 구한다.
$\Delta T_b = iK_bm$
$4 = i \times 1 \times 2,\ i = 2$
삼투압으로 몰농도를 구한다.
$\pi = iMRT$
$0.24 = 2 \times M \times 0.08 \times 300,\ M = 0.005\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$
5 mL 속 몰수: $0.005 \times 0.005 = 2.5 \times 10^{-5}\ \mathrm{mol}$
분자량: $\dfrac{0.020\ \mathrm{g}}{2.5 \times 10^{-5}\ \mathrm{mol}} = 800\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$

옳지 않은 것은 구성 염기가 A, G, U 3가지라는 설명이다.
DNA의 염기는 A, G, C, T의 4가지이며, 유라실(U)은 RNA에서 T 대신 쓰이는 염기다.
DNA는 두 가닥이 상보적 염기쌍(A–T, G–C)으로 결합한 이중 나선 구조다.
뉴클레오타이드는 디옥시리보스(당)·염기·인산기로 구성된다.
염기가 4종이므로 뉴클레오타이드도 4종이다.

옳지 않은 것은 상자성이라는 설명으로, 이 착이온은 반자성이다.
$\mathrm{Fe^{2+}}$는 $3d^6$이고, $\mathrm{CN^-}$는 강한 장 리간드라 저스핀 배치가 되어 전자 6개가 모두 $t_{2g}$ 오비탈에 짝지어 들어간다. 홀전자가 없으므로 반자성이다.
산화수: $x + 6(-1) = -4$에서 $x = +2$이다.
배위수: $\mathrm{CN^-}$ 6개가 배위하므로 6이다.
기하 구조: 배위수 6인 이 착물은 정팔면체다.

옳은 설명은 500 K에서 $k = 0.02\ \mathrm{M^{-2}\,s^{-1}}$라는 것이다.
400 K에서 A만 2배로 하면 속도가 4배(실험 1과 2)이므로 A에 2차, B만 2배로 하면 속도가 2배(실험 1과 3)이므로 B에 1차다. 속도식은 $v = k[\mathrm{A}]^2[\mathrm{B}]$이다.
500 K(실험 4): $k = \dfrac{0.040}{1^2 \times 2} = 0.02\ \mathrm{M^{-2}\,s^{-1}}$
A의 반응차수는 1차가 아니라 2차다.
B의 반응차수는 2차가 아니라 1차다.
활성화 에너지: 400 K의 $k = 0.001$이므로 $\ln\dfrac{0.02}{0.001} = \dfrac{E_a}{8}\left(\dfrac{1}{400} - \dfrac{1}{500}\right)$에서 $E_a = 16000\ln 20\ \mathrm{J\,mol^{-1}}$이므로 ln10이 아니다.