[7급 국가직 화학개론] 23년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

바닥 상태 전자 배치로 옳지 않은 것은 Cr을 $4s^2 3d^4$로 쓴 배치이다.
Cr은 반쯤 찬 d 부껍질이 안정하므로 4s 전자 1개가 3d로 옮겨 간 $[\mathrm{Ar}]\,4s^1 3d^5$가 바닥 상태이다.
S(전자 16개): $3p^4$까지 쌓음 원리대로 채운 배치로 옳다.
Ca(전자 20개): $4s^2$까지 채운 배치로 옳다.
Ti(전자 22개): $4s^2$ 다음에 $3d^2$를 채운 배치로 옳다.

HD 분자에서는 양성자 수 $a$가 중성자 수 $b$보다 크다.
H는 양성자 1개·중성자 0개, D는 양성자 1개·중성자 1개이므로 $a = 2$, $b = 1$이고, 중성 분자라 전자 수 $c = a = 2$이다.
$a$와 $c$는 모두 2로 같으므로 $a$가 $c$보다 크다는 진술은 틀리다.
$b = 1$, $c = 2$이므로 둘이 같다는 진술은 틀리다.
$a + b = 3$이므로 합이 5라는 진술은 틀리다.

생성된 수소는 6 g이고 한계 반응물은 수증기이다.
몰수: $\mathrm{CH_4}$ 16 g ÷ 16 = 1 mol, $\mathrm{H_2O}$ 27 g ÷ 18 = 1.5 mol
메테인 1 mol을 모두 반응시키려면 물 2 mol이 필요한데 1.5 mol뿐이므로 수증기가 먼저 소진된다.
수소 생성량: $1.5 \times \dfrac{4}{2} = 3\ \mathrm{mol}$
$3\ \mathrm{mol} \times 2\ \mathrm{g/mol} = 6\ \mathrm{g}$
수소 8 g은 메테인 1 mol이 모두 반응했다고 본 값으로, 물이 부족해 불가능하다.
메테인은 0.25 mol이 남는 과량 반응물이므로 한계 반응물이 아니다.

균형 반응식은 $\mathrm{3NO_2 + H_2O \rightarrow 2HNO_3 + NO}$이므로 a : b : c = 3 : 1 : 2이다.
N의 산화수는 $\mathrm{NO_2}$에서 +4, $\mathrm{HNO_3}$에서 +5, NO에서 +2인 불균등화 반응이다. 산화(+1)와 환원(−2)의 전자 수를 맞추면 $\mathrm{HNO_3}$ 2개당 NO 1개가 생긴다.
원자 수 확인: N 3 = 2 + 1, H 2 = 2, O 6 + 1 = 6 + 1
2 : 1 : 2는 d = 0이 되어 O가 좌변 5개, 우변 6개로 맞지 않는다.
2 : 2 : 3은 좌변 N 2개로 우변 $\mathrm{HNO_3}$ 3개를 만들 수 없다.
4 : 2 : 3은 H가 좌변 4개, 우변 3개로 맞지 않는다.

옳지 않은 것은 Lewis 산이 Brønsted-Lowry 산에 포함된다는 설명이다.
포함 관계는 반대이다. $\mathrm{BF_3}$처럼 내줄 양성자가 없어도 전자쌍을 받으면 Lewis 산이므로, Lewis 산이 더 넓은 개념이고 Brønsted-Lowry 산이 Lewis 산에 포함된다.
Lewis 염기를 전자쌍 주개로 정의한 설명은 옳다.
Fe 착이온이 생길 때 $\mathrm{H_2O}$는 O의 비공유 전자쌍을 $\mathrm{Fe^{3+}}$에 내주므로 Lewis 염기이다.
$\mathrm{NH_3}$의 비공유 전자쌍을 받는 $\mathrm{BF_3}$는 Lewis 산이다.

세 사잇각이 모두 90°인 것은 정방 결정이다($a = b \neq c$, $\alpha = \beta = \gamma = 90^\circ$).
입방·정방·사방 결정계만 세 각이 모두 직각이고, 나머지 결정계는 적어도 한 각이 90°가 아니다.
단사 결정: $\alpha = \gamma = 90^\circ$이지만 $\beta \neq 90^\circ$이다.
삼사 결정: 세 각이 모두 90°가 아니다.
육방 결정: $\alpha = \beta = 90^\circ$, $\gamma = 120^\circ$이다.

옳지 않은 것은 고스핀 착이온이라는 설명으로, 이 착이온은 저스핀이다.
L·$\mathrm{NH_3}$는 중성, $\mathrm{Cl^-}$는 −1, 전체 전하가 +2이므로 Co는 +3($d^6$)이다. 사면체 $d^6$는 홀전자가 남아 반자기성이 될 수 없으므로 팔면체이고, 팔면체 $d^6$가 반자기성이려면 $t_{2g}^6 e_g^0$의 저스핀 배치여야 한다.
산화수: $x + 0 + 0 - 1 = +2$에서 Co는 +3이다.
기하 구조가 팔면체이므로 배위수는 6이다.
배위수 $2n + 1 + 1 = 6$에서 $n = 2$이다.

혼성 유형이 다른 것은 $\mathrm{NO_2^-}$($sp^2$)이고, 나머지 셋은 $sp^3$이다.
중심 원자의 입체수(결합한 원자 수 + 비공유 전자쌍 수)로 판정한다. $\mathrm{NO_2^-}$의 N은 결합 2 + 비공유 1 = 3이므로 $sp^2$이다.
$\mathrm{OF_2}$: O는 결합 2 + 비공유 2 = 4로 $sp^3$이다.
$\mathrm{CH_3^-}$: C는 결합 3 + 비공유 1 = 4로 $sp^3$이다.
$\mathrm{CH_2Cl_2}$: C는 결합 4로 $sp^3$이다.

이 화합물의 IUPAC 이름은 1-ethyl-2-methylcyclohexane이다.
고리 치환기 위치는 가장 낮은 번호(1,2)가 되게 매기고, 번호 조합이 같으면 알파벳 순서가 앞선 치환기(ethyl이 methyl보다 앞섬)에 위치 번호 1을 준다. 이름에서도 치환기를 알파벳 순으로 나열한다.
1-methyl-2-ethylcyclohexane: 알파벳 순서를 어기고 methyl을 앞에 쓰고 위치 번호 1도 methyl에 주었다.
2-ethyl-1-methylcyclohexane: 나열 순서는 맞지만 위치 번호 1을 ethyl이 아닌 methyl에 주어 번호 규칙에 어긋난다.
2-methyl-1-ethylcyclohexane: 번호는 맞지만 치환기 이름을 알파벳 순으로 나열하지 않았다.

옳은 것은 ㄴ, ㄷ이다.
중심 P의 전자쌍 수로 구조를 정한다. $\mathrm{PCl_4^-}$는 결합 4 + 비공유 1(시소형), $\mathrm{PCl_5}$는 결합 5 + 비공유 0(삼각쌍뿔), $\mathrm{PCl_6^-}$는 결합 6 + 비공유 0(팔면체)이다.
ㄱ(틀림): 시소형은 축 방향과 적도 방향의 결합각이 달라 결합각이 모두 같지 않다.
ㄴ(옳음): P의 원자가 전자 5개가 모두 Cl과의 결합에 쓰여 비공유 전자쌍이 없다.
ㄷ(옳음): 결합 전자쌍 6개가 팔면체로 배치된다.

필요한 혼합 기체의 질량은 720 kg이다.
연소식: $\mathrm{C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O}$
프로페인 44 kg = 1 kmol이므로 $\mathrm{O_2}$ 5 kmol이 필요하다.
몰비 1 : 4이므로 $\mathrm{N_2}$ 20 kmol이 함께 공급된다.
$5 \times 32 + 20 \times 28 = 160 + 560 = 720\ \mathrm{kg}$
640 kg은 계산값보다 80 kg 적다.
680 kg은 계산값보다 40 kg 적다.
760 kg은 계산값보다 40 kg 많다.

옳은 것은 ㄷ뿐이다.
수소 결합은 F·O·N에 결합한 H와 다른 분자의 F·O·N 비공유 전자쌍 사이에 생기는 분자 간 인력이다.
ㄱ(틀림): 물 분자 안의 O–H는 공유 결합이며, 수소 결합은 분자 사이에서 생긴다.
ㄴ(틀림): $\mathrm{BH_3}$의 B에는 비공유 전자쌍이 없고, B–H의 H도 수소 결합 주개가 되지 못한다.
ㄷ(옳음): $\mathrm{H_2O_2}$의 O–H와 $\mathrm{NH_3}$의 N 비공유 전자쌍 사이에 수소 결합이 형성된다.

수용액의 pH는 4.0이다.
같은 부피 안에서 개수비는 농도비이므로 $[\mathrm{H^+}] = 10^{6}[\mathrm{OH^-}]$이다.
$K_\mathrm{w} = [\mathrm{H^+}][\mathrm{OH^-}] = 10^{-14}$에 대입
$\dfrac{[\mathrm{H^+}]^2}{10^{6}} = 10^{-14} \Rightarrow [\mathrm{H^+}]^2 = 10^{-8}$
$[\mathrm{H^+}] = 10^{-4}\ \mathrm{M}$ → pH = 4.0
pH 1.0이면 두 이온의 비가 $10^{12}$배가 된다.
pH 2.0이면 비가 $10^{10}$배가 된다.
pH 6.0이면 비가 $10^{2}$배에 그친다.

혼합 용액의 증기 압력은 190 torr이다.
Raoult 법칙에 따라 각 성분의 증기 압력을 몰분율로 가중해 더한다.
$P = x_\mathrm{w}P^\circ_\mathrm{w} + x_\mathrm{e}P^\circ_\mathrm{e}$
$P = 0.40 \times 100 + 0.60 \times 250 = 40 + 150 = 190\ \mathrm{torr}$
180 torr는 계산값보다 10 torr 작다.
200 torr는 계산값보다 10 torr 크다.
210 torr는 계산값보다 20 torr 크다.

속도 법칙은 $k[\mathrm{H^+}][\mathrm{Br^-}][\mathrm{H_2O_2}]$이다.
전체 속도는 느린 단계 2가 결정한다: $v = k_2[\mathrm{H_3O_2^+}][\mathrm{Br^-}]$
단계 1의 빠른 평형에서 $[\mathrm{H_3O_2^+}] = K_1[\mathrm{H^+}][\mathrm{H_2O_2}]$이다.
대입하면 $v = k_2K_1[\mathrm{H^+}][\mathrm{Br^-}][\mathrm{H_2O_2}]$이고, $k = k_2K_1$이다.
제곱 항이 있는 식은 전체 반응식의 계수를 차수로 그대로 쓴 것으로, 다단계 반응에서는 성립하지 않는다.
HOBr 농도가 들어간 식은 틀리다. HOBr는 느린 단계 뒤에 생기는 중간체여서 속도 법칙에 나타나지 않는다.
$\mathrm{H_2O_2}$와 HOBr를 함께 넣은 식도 같은 이유로 틀리다.

광학 활성인 분자는 ㄴ(1-페닐에틸아민)뿐이다.
광학 활성은 분자가 거울상과 겹치지 않는 키랄성을 가질 때 나타난다. ㄴ은 페닐·메틸·아미노기·수소가 결합한 입체 중심이 하나뿐이라 분자 내 대칭면이 없다.
ㄱ(2,3-뷰테인다이올): 두 입체 중심이 각각 R, S 배열인 메조 화합물이어서 분자 내 대칭면이 있으므로 광학 비활성이다.
ㄷ(4-메틸사이클로헥산올): OH와 메틸이 붙은 두 탄소를 지나는 대칭면이 있어 입체 중심이 없으므로 광학 비활성이다.

$\mathrm{p}K_\mathrm{b}$가 가장 작은 것은 ㄱ(NH(3)), 가장 큰 것은 ㄴ(피롤)이다.
$\mathrm{p}K_\mathrm{b}$가 작을수록 질소의 비공유 전자쌍이 양성자를 잘 받는 강한 염기다. NH(3)는 비공유 전자쌍이 sp^3 오비탈에 국재되어 있어 이 중 가장 강한 염기다.
피롤: 질소의 비공유 전자쌍이 고리의 방향족 6π 전자계에 참여하므로 양성자화하면 방향족성을 잃어 염기성이 극히 약하다.
피리딘: 비공유 전자쌍이 방향족 고리와 무관한 sp^2 오비탈에 있어 양성자를 받을 수 있지만, s 성질이 커서 NH(3)보다 약한 염기다.
아닐린: 비공유 전자쌍이 벤젠 고리로 공명 비편재화되어 NH(3)보다 약하지만, 방향족성에 필수적이지는 않아 피롤보다는 강한 염기다.

pH 4.0이 되려면 $x = 40$이어야 한다.
HA 6.0 mmol 중 NaOH 0.10$x$ mmol만큼 중화되어 $\mathrm{A^-}$ 0.10$x$ mmol, HA (6.0 − 0.10$x$) mmol이 남는 완충 용액이 된다.
$K_\mathrm{a} = [\mathrm{H^+}]\dfrac{[\mathrm{A^-}]}{[\mathrm{HA}]}$에서 $\dfrac{[\mathrm{A^-}]}{[\mathrm{HA}]} = \dfrac{2.0 \times 10^{-4}}{1.0 \times 10^{-4}} = 2$
$0.10x = 2(6.0 - 0.10x) \Rightarrow 0.30x = 12 \Rightarrow x = 40$
$x = 20$: $\mathrm{A^-}$ 2.0 mmol, HA 4.0 mmol로 비가 0.5여서 pH가 4.0보다 낮다.
$x = 30$: 비가 1이어서 pH가 pKa와 같아 4.0보다 낮다.
$x = 36$: 비가 1.5여서 여전히 4.0에 못 미친다.

아세트알데하이드의 알돌 축합 주생성물은 2-butenal(크로톤알데하이드)이다.
염기가 만든 엔올레이트가 다른 분자의 카보닐 탄소를 공격해 3-hydroxybutanal(알돌)이 생기고, 이것이 탈수되어 C=C가 카보닐과 콘주게이션된 α,β-불포화 알데하이드가 된다.
2-butene: 알데하이드기가 없는 알켄으로, 알돌 축합에서 생기지 않는다.
2-butanol: 카보닐이 없는 알코올로, 환원 생성물에 해당한다.
2-hydroxybutenal: 알돌 단계의 하이드록시기는 C-3에 붙으며 축합(탈수) 후에는 남지 않는다.

옳은 것은 평형에서 A의 부분 압력이 B보다 크다는 설명이다.
$K_\mathrm{c} = \dfrac{[\mathrm{B}]}{[\mathrm{A}]} = 0.1$이므로 평형에서 [B]는 [A]의 0.1배이고, 같은 용기·온도에서 부분 압력은 농도에 비례한다.
전체 압력: 반응 전후 기체 몰수가 같아 초기와 평형의 압력이 같다.
총 분자 수: A 1개가 B 1개로 바뀌므로 변하지 않는다.
평형 상태에서는 정반응 속도와 역반응 속도가 같다.

생성되는 핵종은 ${}^{234}_{90}\mathrm{Th}$이다.
α 입자는 ${}^{4}_{2}\mathrm{He}$이므로 방출하면 질량수 4, 원자 번호 2가 줄어든다.
${}^{238}_{92}\mathrm{U} \rightarrow {}^{234}_{90}\mathrm{Th} + {}^{4}_{2}\mathrm{He}$
Pa-235: 질량수 3, 원자 번호 1 감소로 α 붕괴와 맞지 않는다.
U-235: 원자 번호가 그대로라 원소가 바뀌지 않으므로 α 붕괴 생성물이 아니다.
Np-238: 질량수 불변·원자 번호 1 증가로 β 붕괴에 해당한다.

NaBr 수용액에서 CuBr의 몰 용해도는 $4.0 \times 10^{-7}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$이다.
물에서: $K_\mathrm{sp} = s^2 = (2.0 \times 10^{-4})^2 = 4.0 \times 10^{-8}$
0.10 M $\mathrm{Br^-}$가 있으면 공통 이온 효과로 용해도가 줄어든다.
$s \times 0.10 = 4.0 \times 10^{-8} \Rightarrow s = 4.0 \times 10^{-7}$
$2.0 \times 10^{-4}$: 순수한 물에서의 값으로 공통 이온 효과를 무시했다.
$2.0 \times 10^{-5}$: 용해도를 10분의 1로만 줄인 값으로 $K_\mathrm{sp}$ 관계를 만족하지 않는다.
$4.0 \times 10^{-9}$: $K_\mathrm{sp}$를 10으로 나눈 값으로 $\mathrm{Br^-}$ 농도를 잘못 대입했다.

0 ℃의 묽은 염기성 KMnO(4)는 사이클로헥센을 cis-1,2-사이클로헥세인다이올로 바꾼다.
MnO(4)^−이 이중결합의 한쪽 면에 고리형 망가니즈산 에스터를 만든 뒤 가수분해되므로, 두 OH가 같은 면(syn)에 첨가된다.
사이클로헥세인: H(2) 첨가(촉매 수소화) 생성물로, 산화제인 KMnO(4)로는 생기지 않는다.
사이클로헥산올: 산 촉매 수화나 수소화붕소화-산화처럼 OH 하나와 H 하나를 더하는 반응의 생성물이다.
사슬형 다이알데하이드(헥세인다이알): 이중결합이 끊어지는 산화적 절단 생성물로, 저온의 묽은 조건에서는 절단이 일어나지 않는다.

옳지 않은 것은 pH를 증가시키면 기전력이 증가한다는 설명이다.
고체와 물의 활동도를 1로 두면 Nernst 식은 다음과 같다.
$E = E^\circ - \dfrac{0.0592}{2}\log\dfrac{1}{[\mathrm{H^+}]^2[\mathrm{HSO_4^-}]^2}$
pH를 높이면 $[\mathrm{H^+}]$가 줄어 반응 지수 Q가 커지므로 기전력은 감소한다.
물을 추가하면 $\mathrm{H^+}$와 $\mathrm{HSO_4^-}$가 묽어져 Q가 커지므로 기전력이 감소한다.
Pb은 고체라 반응 지수에 들어가지 않으므로 양을 늘려도 기전력이 변하지 않는다.
평형에서는 Q = K, $\Delta G = 0$이 되어 기전력도 0 V이다.

옳은 것은 ㄴ, ㄷ이다.
$1/[\mathrm{A}]$가 25/6, 25/4, 25/3, 25/2로 시간에 비례해 증가하므로 2차 반응이다.
$k = \dfrac{\frac{25}{4} - \frac{25}{6}}{10} = \dfrac{25}{120} = \dfrac{5}{24}\ \mathrm{M^{-1}\,min^{-1}}$
ㄱ(틀림): 속도 상수는 $\frac{5}{24}$로 $\frac{4}{25}$가 아니다.
ㄴ(옳음): $1/[\mathrm{A}]$가 40 min의 25/2에서 50/3로 25/6 더 커져야 하므로 20 min이 더 걸려 $t = 60$이다.
ㄷ(옳음): 0 min 농도(6/25)는 20 min 농도(3/25)의 2배이고, 속도가 $[\mathrm{A}]^2$에 비례하므로 4배이다.