[7급 국가직 화학개론] 22년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

전자수가 가장 많은 것은 탄산 이온 $\mathrm{CO_3^{2-}}$으로 32개이다.
이온의 전자수는 구성 원자의 원자 번호 합에서 전하를 뺀 값이다. 탄산 이온은 $6+3\times 8+2=32$개이고, 나머지 세 이온은 모두 네온과 같은 10전자 화학종이다.
$\mathrm{N^{3-}}$: $7+3=10$개
$\mathrm{NH_4^{+}}$: $7+4-1=10$개
$\mathrm{Na^{+}}$: $11-1=10$개

공유 결합 성질이 가장 큰 산화물은 $\mathrm{Cl_2O_7}$이다.
3주기에서 오른쪽으로 갈수록 전기음성도가 커져 산소와의 전기음성도 차이가 작아지므로 결합의 공유성이 커진다. 염소는 이 중 가장 오른쪽 원소이며 산화수(+7)도 가장 높다.
$\mathrm{SiO_2}$: 규소와 산소의 전기음성도 차이가 가장 커서 결합의 이온성이 상대적으로 크다.
$\mathrm{P_4O_{10}}$: 인은 염소보다 전기음성도가 작아 공유성이 덜하다.
$\mathrm{SO_3}$: 황은 염소보다 왼쪽 원소라 산소와의 전기음성도 차이가 더 크다.

혼성화 유형이 같은 짝은 에텐의 C와 삼플루오린화 붕소의 B로, 둘 다 $\mathrm{sp^2}$ 혼성이다.
입체수(결합 원자 수 + 비공유 전자쌍 수)가 3이면 $\mathrm{sp^2}$, 4이면 $\mathrm{sp^3}$이다. 에텐의 C는 원자 3개와 결합하고, $\mathrm{BF_3}$의 B는 비공유 전자쌍 없이 F 3개와 결합한다.
에텐 − 암모니아: N은 결합 3 + 비공유쌍 1로 $\mathrm{sp^3}$이라 다르다.
암모니아 − 삼플루오린화 붕소: $\mathrm{sp^3}$와 $\mathrm{sp^2}$로 다르다.
삼플루오린화 붕소 − 물: 물의 O는 결합 2 + 비공유쌍 2로 $\mathrm{sp^3}$이다.

격자 에너지가 작은 것부터 나열하면 $\mathrm{Na_2O} \lt \mathrm{MgO} \lt \mathrm{BeO}$이다.
격자 에너지는 이온 전하의 곱에 비례하고 이온 간 거리에 반비례한다. 음이온이 모두 $\mathrm{O^{2-}}$이므로 양이온의 전하와 크기만 비교하면 된다.
MgO를 가장 작게 둔 배열: 양이온 전하가 +1인 $\mathrm{Na_2O}$가 MgO보다 작아야 한다.
$\mathrm{Na_2O}$를 가장 크게 둔 배열: 전하가 가장 작은 화합물을 가장 크게 둔 오류이다.
BeO를 MgO보다 작게 둔 배열: 같은 +2라도 더 작은 $\mathrm{Be^{2+}}$ 쪽이 이온 간 거리가 짧아 격자 에너지가 더 크다.

양성자의 드브로이 파장은 0.365 pm이다.
드브로이 파장은 $\lambda = \dfrac{h}{mv}$이므로 속력이 같으면 질량에 반비례한다.
$\lambda_p = \dfrac{7.30\times10^{-10}\ \mathrm{m}}{2000} = 3.65\times10^{-13}\ \mathrm{m} = 0.365\ \mathrm{pm}$
3.65 pm: 단위 환산에서 자릿수를 하나 잘못 옮긴 값이다.
0.146 μm: 질량 비를 나누지 않고 곱한 값(1.46 μm)에서 자릿수까지 어긋난 값이다.
1.46 μm: 파장에 질량 비를 곱한 값으로, 무거운 입자일수록 파장이 짧아진다는 관계와 반대이다.

크기가 작은 것부터 바르게 나열된 것은 $\mathrm{Fe^{3+}}$, Fe, Ca이다.
양이온은 전자를 잃어 원자보다 작고, 같은 4주기에서 Ca는 Fe보다 왼쪽에 있어 유효 핵전하가 작으므로 원자 반지름이 크다.
Na, Mg, Al: 같은 주기에서 오른쪽으로 갈수록 작아지므로 큰 것부터의 순서이다.
S, Cl, $\mathrm{S^{2-}}$: Cl이 S보다 작으므로 앞의 두 원자 순서가 뒤바뀌었다.
Sr, Ca, K: 같은 족에서 아래로 갈수록 커지므로 Sr이 Ca보다 크고, K도 Ca보다 크다.

옳은 설명은 알칼리 금속은 원자 번호가 증가할수록 유효 핵전하가 증가한다는 것이다.
족의 아래로 갈수록 핵전하 증가가 내부 전자의 가리움 증가를 다 상쇄하지 못해, 정밀 계산값 기준으로 최외각 전자가 느끼는 유효 핵전하는 커진다. 다만 껍질 수가 늘어 원자 반지름은 커진다.
원자 번호에서 핵심부 전자 수를 뺀다는 정의: 가리움이 완전하다고 본 근사일 뿐이며, 유효 핵전하는 원자 번호에서 가리움 상수를 뺀 값이다.
최외각 p 전자가 s 전자보다 핵 인력을 더 강하게 느낀다는 설명: s 전자가 핵 가까이 더 잘 침투하므로 오히려 s 전자가 더 강하게 느낀다.
3주기에서 오른쪽으로 갈수록 감소한다는 설명: 같은 주기에서는 양성자 증가에 비해 같은 껍질 전자의 가리움이 작아 증가한다.

산소의 반응 속도는 $\dfrac{13}{10}\ \mathrm{mol\,L^{-1}\,s^{-1}}$이다.
균형 반응식: $\mathrm{C_4H_{10} + \dfrac{13}{2}O_2 \rightarrow 4CO_2 + 5H_2O}$
소모 속도는 반응 계수에 비례하므로 $0.2\times\dfrac{13}{2} = 1.3 = \dfrac{13}{10}$이다.
$\dfrac{4}{130}$: 계수 비를 거꾸로 적용한 값이다.
$\dfrac{1}{5}$: 뷰테인의 속도를 그대로 옮긴 값이다.
2: 계수 비를 적용한 $0.2\times\dfrac{13}{2}=1.3$과 다른 값이다.

구조가 다른 하나는 $\mathrm{PO_3^{3-}}$로, 삼각뿔형이다.
중심 P의 원자가 전자 5개에 전하 3을 더하면 산소 3개와 결합하고도 비공유 전자쌍 1개가 남아 입체수 4의 삼각뿔형이 된다(아황산 이온과 같은 26전자 구조).
$\mathrm{SO_3}$: 중심 원자에 비공유 전자쌍이 없는 평면 삼각형이다.
$\mathrm{NO_3^{-}}$: 24전자 화학종으로 평면 삼각형이다.
$\mathrm{CO_3^{2-}}$: 역시 24전자 화학종으로 평면 삼각형이다.

홀전자가 가장 많은 착이온은 $\mathrm{[Fe(H_2O)_6]^{2+}}$로 4개이다.
$\mathrm{H_2O}$는 약한장 리간드라 $\mathrm{Fe^{2+}}$($\mathrm{d^6}$)가 고스핀 배치 $t_{2g}^4e_g^2$를 취해 홀전자 4개를 갖는다.
$\mathrm{[Cr(CN)_6]^{4-}}$: $\mathrm{Cr^{2+}}$($\mathrm{d^4}$)가 강한장 리간드 시안화 이온에 의해 저스핀 $t_{2g}^4$가 되어 홀전자 2개이다.
$\mathrm{[Fe(CN)_6]^{3-}}$: $\mathrm{Fe^{3+}}$($\mathrm{d^5}$) 저스핀 $t_{2g}^5$로 홀전자 1개이다.
$\mathrm{[CoCl_4]^{2-}}$: 사면체 $\mathrm{Co^{2+}}$($\mathrm{d^7}$)로 $e^4t_2^3$가 되어 홀전자 3개이다.

옳지 않은 설명은 할로젠화 수소가 물에서 모두 완전히 해리된다는 것이다.
HF는 H−F 결합이 강해 물에서 일부만 이온화하는 약산이다. HCl, HBr, HI만 강산으로 완전히 해리된다.
끓는점은 HF가 가장 높다: 분자 간 수소 결합 때문에 옳다.
녹는점은 HCl이 가장 낮다: HF는 수소 결합, HBr·HI는 더 큰 분산력 때문에 녹는점이 HCl보다 높아 옳다.
결합 엔탈피는 HI가 가장 작다: 할로젠 원자가 클수록 결합이 길고 약해지므로 옳다.

20 °C에서 분자 간 인력이 가장 작은 물질은 다이에틸 에터이다.
같은 온도에서 증기 압력이 클수록 분자 간 인력이 약하다. 그래프에서 20 °C의 증기 압력은 다이에틸 에터가 약 400 mmHg 이상으로 가장 높다.
500 mmHg에서 아세트산은 끓는점이 가장 높아 휘발성이 가장 작고, 휘발성이 가장 큰 것은 다이에틸 에터이다.
1기압(760 mmHg)에서 에탄올의 끓는점은 약 78 °C, 아세트산은 약 118 °C이므로 60 °C에서 둘 다 액체가 안정한 상이다.
400 mmHg에서의 끓는점은 물이 약 80 °C, 아세트산이 약 100 °C로 물이 더 낮다.

이 화합물의 카이랄 중심은 7개이다.
그림의 화합물은 코르티솔(하이드로코티손) 골격으로, 서로 다른 네 치환기를 가진 sp^3 탄소를 찾는다. 고리 접합부의 C8·C9·C10·C13·C14, OH가 붙은 C11, 곁사슬이 붙은 C17이 이에 해당한다.
C3·C20의 카보닐 탄소와 C4=C5 이중결합 탄소는 sp^2 탄소라 카이랄 중심이 아니다.
고리의 CH(2) 탄소, 두 메틸기, 곁사슬의 CH(2)OH 탄소는 같은 치환기(H)를 둘 이상 가져 제외된다.

이 고분자는 폴리아마이드(나일론)이므로 다이아민과 다이카복실산 염화물의 축합으로 합성한다.
반복 단위의 아마이드 결합을 끊으면 $\mathrm{H_2N(CH_2)_6NH_2}$ 와 $\mathrm{ClCO(CH_2)_6COCl}$ 이 나오고, 축합 과정에서 HCl이 빠져나간다.
다이카복실산과 다이아마이드 조합은 사슬 속 –NH(CH(2))(6)NH– 단위를 공급할 수 없다.
프탈산과 다이아마이드 조합은 방향족 고리가 사슬에 들어가며 –NH(CH(2))(6)NH– 단위도 없다.
다이아민과 다이올 조합은 카보닐(C=O)을 공급할 단량체가 없어 이 고분자를 만들 수 없다.

2-프로판올을 다이크로뮴산 칼륨으로 산화하면 알데하이드가 아니라 케톤(아세톤)이 생성된다.
OH가 붙은 탄소에 탄소 두 개가 결합한 2차 알코올이므로 산화 시 그 탄소의 C–H 하나만 잃고 C=O가 된다. 알데하이드는 1차 알코올의 산화로 얻는다.
극성인 O–H 결합과 굽은 구조 때문에 쌍극자 모멘트가 0이 아니어서 극성 분자이다.
하이드록시 탄소에 메틸기 두 개가 붙어 있으므로 2차 알코올이다.
탄소 3개 사슬의 가운데 탄소에 OH가 있으므로 IUPAC 이름은 propan-2-ol이다.

ㄱ, ㄴ, ㄷ 모두 옳다.
$\mathrm{NH_3}$와 en은 중성, $\mathrm{Br^-}$는 −1이므로 Co의 산화수는 $x-1=+2$에서 $x=+3$이다.
ㄱ(기하 이성질체): 두자리 리간드 en 2개와 서로 다른 한자리 리간드 2개를 가진 팔면체이므로, 두 한자리 리간드가 이웃한 cis형과 마주 보는 trans형이 존재한다.
ㄴ(광학 이성질체): cis형은 대칭면이 없어 거울상과 겹쳐지지 않으므로 광학 이성질체를 갖는다.
ㄷ(산화수 +3): 위 계산대로 옳다.

소모되는 이산화 탄소는 11 kg이다.
균형 반응식 $\mathrm{2LiOH + CO_2 \rightarrow Li_2CO_3 + H_2O}$에서 LiOH 2 mol당 이산화 탄소 1 mol이 반응한다.
LiOH 몰질량: $7+16+1=24\ \mathrm{g/mol}$
LiOH 몰수: $\dfrac{12000\ \mathrm{g}}{24\ \mathrm{g/mol}} = 500\ \mathrm{mol}$
$\mathrm{CO_2}$ 질량: $250\ \mathrm{mol}\times 44\ \mathrm{g/mol} = 11000\ \mathrm{g} = 11\ \mathrm{kg}$
22 kg: 계수 비 2 : 1을 무시하고 1 : 1로 계산한 값이다.
5.5 kg: 필요한 양의 절반으로, 계수 비를 두 번 적용한 값이다.
2.75 kg: 필요한 양의 1/4로 몰수 계산이 맞지 않는다.

필요한 반응 시간은 1,930초이다.
$\mathrm{Ni^{2+} + 2e^- \rightarrow Ni}$이므로 니켈 1 mol을 얻는 데 전자 2 mol이 필요하다.
$Q = 0.001 \times 2 \times 96500 = 193\ \mathrm{C}$
$t = \dfrac{Q}{I} = \dfrac{193\ \mathrm{C}}{0.1\ \mathrm{A}} = 1930\ \mathrm{s}$
965초: 전자 수를 1개로 잡은 값이다.
9,650초: 전자 1개 기준 값에서 자릿수까지 10배 어긋난 값이다.
19,300초: 전자 2개는 반영했지만 자릿수가 10배 큰 값이다.

옳은 것은 ㄱ, ㄴ이다.
두 해리 평형을 곱하면 $\dfrac{[\mathrm{H_2A}]}{[\mathrm{A^{2-}}]} = \dfrac{[\mathrm{H^+}]^2}{K_1K_2}$이고, $K_1K_2 = 10^{-8}$이다.
ㄱ: pH가 $\mathrm{p}K_1$과 같으면 $[\mathrm{H_2A}] = [\mathrm{HA^-}]$이므로 옳다.
ㄴ: pH 4에서 비는 $\dfrac{10^{-8}}{10^{-8}} = 1$로 두 농도가 같아 옳다(두 pK의 평균인 지점).
ㄷ: pH 4.5에서 비는 $\dfrac{10^{-9}}{10^{-8}} = 0.1$이므로 $[\mathrm{H_2A}] \lt [\mathrm{A^{2-}}]$여서 옳지 않다.

염기 세기는 $\mathrm{CN^-}$, 아세트산 이온, 물 순으로 크다.
짝염기는 짝산의 산 해리 상수가 작을수록 강하다($K_b = \dfrac{K_w}{K_a}$).
$K_b(\mathrm{CN^-}) = \dfrac{1.0\times10^{-14}}{4.9\times10^{-10}} \approx 2.0\times10^{-5}$
$K_b(\mathrm{C_2H_3O_2^-}) = \dfrac{1.0\times10^{-14}}{1.8\times10^{-5}} \approx 5.6\times10^{-10}$
아세트산 이온, 물, 사이안화 이온 순: 가장 강한 염기인 사이안화 이온을 가장 약하게 두었다.
아세트산 이온, 사이안화 이온, 물 순: 아세트산 이온의 염기 해리 상수가 사이안화 이온보다 훨씬 작다.
물, 아세트산 이온, 사이안화 이온 순: 약한 것부터의 순서이며, 물의 짝산은 강산인 하이드로늄 이온이라 물이 가장 약한 염기이다.

용해도 변화가 가장 적은 것은 AgI이다.
강산을 넣으면 음이온이 약산의 짝염기인 염만 $\mathrm{H^+}$와 결합해 용해 평형이 오른쪽으로 이동한다. $\mathrm{I^-}$는 강산 HI의 짝염기라 양성자화되지 않는다.
$\mathrm{Cu(OH)_2}$: 수산화 이온이 중화되어 용해도가 크게 증가한다.
$\mathrm{CaCO_3}$: 탄산 이온이 탄산을 거쳐 $\mathrm{CO_2}$로 빠져나가 용해도가 증가한다.
$\mathrm{CaF_2}$: 플루오린화 이온이 약산 HF를 이루어 용해도가 증가한다.

초기 속도를 두 배로 만들려면 온도 $T_1$을 유지하고 농도를 $\sqrt{2}[\mathrm{A}]_0$로 하면 된다.
$1/[\mathrm{A}]$가 시간에 대해 선형이면 2차 반응이고 기울기가 속도 상수이다. $v = k[\mathrm{A}]^2$, $T_1$에서 $k=m_1$, $2T_1$에서 $k=2m_1$이다.
$v = m_1(\sqrt{2}[\mathrm{A}]_0)^2 = 2m_1[\mathrm{A}]_0^2$
농도 2배, 온도 그대로: 속도가 $2^2=4$배가 된다.
농도 2배, 온도 2배: 속도가 $2\times 2^2 = 8$배가 된다.
농도와 온도 모두 $\sqrt{2}$배: 농도만으로 2배가 되고 온도 상승으로 속도 상수도 커지므로 2배를 넘는다.

역 Diels-Alder 반응의 주생성물은 벤젠과 사이클로뷰텐이다.
반응물은 바이사이클로[2.2.2]옥타다이엔의 한 다리에 사이클로뷰테인 고리가 융합된 구조다. 역 Diels-Alder에서 σ 결합 두 개가 끊어지면 사이클로뷰테인이 붙은 다리 탄소 두 개 사이에 새 이중결합이 생겨 사이클로뷰텐으로 떨어져 나간다.
남은 여섯 원자 고리는 기존 이중결합 두 개에 새 이중결합 하나가 더해져 방향족 벤젠이 되며, 이 방향족 안정화가 반응의 구동력이다.
사이클로헥사다이엔과 사이클로뷰텐 조합은 육원 고리의 이중결합이 3개가 되어야 하므로 맞지 않는다.
사이클로헥사다이엔과 사이클로뷰타다이엔 조합은 육원 고리 이중결합 수가 부족하고, 사원 고리에는 이중결합이 하나만 생긴다.
벤젠과 사이클로뷰테인 조합은 떨어져 나가는 두 탄소 사이에 생기는 π 결합을 빠뜨린 것이다.

주생성물 X는 4-tert-뷰틸아닐린이다.
Fe와 $\mathrm{H_3O^+}$는 방향족 나이트로기를 아미노기로 환원한다. 산성 조건에서는 아닐리늄 이온으로 존재하므로 NaOH로 중화해 자유 아민을 얻는다.
4-tert-뷰틸페놀은 나이트로기를 OH로 바꾸는 반응이 아니므로 생성되지 않는다(페놀은 다이아조늄염 가수분해 등이 필요).
고리에 OH가 도입되고 나이트로기가 남은 화합물은 환원 조건과 맞지 않는다.
tert-뷰틸기의 메틸이 CH(2)OH로 바뀐 화합물은 알킬기 산화 생성물이며, 나이트로기도 그대로 남아 있어 해당하지 않는다.

옳은 것은 ㄱ뿐이다.
균형 반응식: $\mathrm{Na_2Cr_2O_7 + 2C \rightarrow Cr_2O_3 + Na_2CO_3 + CO}$
Cr은 +6에서 +3으로 환원되어 2개 합 6전자를 얻고, C는 +4(탄산 소듐)와 +2(일산화 탄소)로 산화되어 합 6전자를 잃는다.
ㄱ: 탄소는 스스로 산화되며 Cr을 환원시키므로 환원제이다(옳음).
ㄴ: Cr의 산화수 변화는 −3이다.
ㄷ: 생성물의 탄소 산화수는 +4와 +2로 다르다.
ㄹ: 두 반응물의 계수 비는 1 : 2이다.