2020학년도 4월(5.21.) 고3 학력평가 화학1 3점 문항 풀이 (1)

 

2020학년도 4월(5월 21일) 고3 학력평가 화학1 3점 문항 풀이 (1)

< 3번, 6번, 9번, 11번, 15번 >

 

  어제(20일)부터 전국의 고3 학생들이 드디어 등교 개학을 맞이 했다. 그리고 오늘(21일) 학력평가를 치렀다. 그것도 학교에서. (물론, 급작스레 확진자가 발생한 인천 지역은 온라인으로 대체하느라 또 다시 정신없는 하루를 보냈을 것이다.) 아무쪼록 전국의 모든 고3, 교사, 학부모가 모두 건강하게 나머지 학년들도 학교로 맞이했으면 좋겠다.

  오늘도 학력평가 문제를 풀어보았다. 주관 기관은 경기도교육청이다. 문제와 해답, 해설은 EBSi와 경기도교육청 홈페이지에서 다운 받을 수 있다. 지난 번과 마찬가지로 3점짜리 문항 풀이만을 올리고자 한다.

  5월 고3 학력평가의 3점 문항은 3, 6, 9, 11, 15, 16, 17, 18, 19, 20번으로 총 10문항이며, 이번 글에서는 3 ~ 15번을, 다음 글에서 16 ~ 20번 문항 풀이를 계획하고 있다.

 

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3번 ①

   완전한 음이온과 양이온으로 표현되지 않은 것으로 보아 두 원자 사이에 공유 결합성이 큰 것을 알 수 있다. 그림의 부분 전하를 통해 상대적인 A, B, C의 전기음성도를 예상할 수 있다. A보다 B의 전기음성도가 크며, B보다 C의 전기음성도가 크다. 전기음성도란, 공유한 전자쌍을 자기 쪽으로 끌어당기는 상대적인 능력을 말한다. 전기 음성도가 클수록 상대적인 음전하를 갖게 된다.

ㄱ. A와 B는 전기음성도 차이가 있으며, 이것은 부분 전하를 나타내는 그림을 통해 알 수 있다. 서로 다른 전기음성도를 갖는 두 원자 사이의 결합을 극성 공유 결합이라 한다. (참)

ㄴ. 쌍극자모멘트는 쌍으로 분리된 전하의 절대적 크기(전하량)와 거리에 의존하는 벡터량이다. 쌍극자모멘트가 0이 되기 위해서는 무극성 공유결합에 의해 전하분리가 없거나 분자 내 발생한 쌍극자 모멘트 벡터의 합이 0이 되는 경우(대칭구조를 갖는 경우)이다. BC는 선형 구조로 극성 공유결합을 하며, 쌍극자 모멘트를 갖는다. (거짓)

ㄷ. 전기음성도는 C > B > A 이다. (거짓)

 

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6번 ⑤

  1주기, 2주기 원소라고 주어졌다. XY4로 중성 분자가 결합선을 4개를 갖는 것을 통해 Y는 수소(H), X는 탄소(C)임을 알 수 있다. 그리고, 그림을 통해  ZY4+와 XY4 의 전체 전자수는 같음을 알 수 있다. X가 Z+로만 바뀌었으므로, X와 Z+의 전자수가 같음을 의미한다. 따라서 Z는 질소(N)이다. 자연스레 XY4는 CH4, ZY4+는 NH4+이다.

ㄱ. XY4 (CH4)의 X(탄소)는 옥텟 규칙을 만족한다. (참)

ㄴ. Z의 원자가 전자 수는 5 이다. Z는 질소이다. 질소는 최외각에 5개의 전자를 가지며, 5개 모두 결합에 참여 가능한 전자이다. 따라서 원자가 전자 수는 5이다. (참고로 질소의 원자가(최대 결합선 수)가 3이다.) (참)

ㄷ. 공유 전자쌍 수는 Z2 (N2)가 Y2 (H2)의 3배이다. N2는 3중 결합으로 공유전자쌍의 수가 3쌍이며, H2는 단일 결합으로 1쌍이다. (참)

 

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9번 ③

  미지 원소 X, Y가 있다. X는 동위원소를 갖는다. 동위원소는 양성자 수는 같지만 중성자 수가 다른, 다시 말해 질량수가 다른 원소를 말한다. 따라서 중성자 수가 a로 같은 (가)와 (나)는 동위원소 관계일 수 없다. 그렇다면 (가)와 (다) 혹은 (나)와 (다)가 동위원소 관계일텐데, X의 평균 원자량이 63.6인 것으로 보아 (가)와 (다)가 X의 동위 원소 관계임을 추론할 수 있다.

  ※ 참고로 평균 원자량은 동위 원소들 각각의 원자량에 존재 분율을 곱한 뒤, 더한 것이다. 만약 (나)와 (다)가 동위원소 관계라면, 평균 원자량은 무조건 64보다 큰 값을 가져야 한다.

ㄱ. 질량수 m인 X가 질량수 n인 X보다 원자량이 크다는 정보를 바탕으로 m > n 임을 알 수 있다. 따라서 m = 65(다), n = 63(가)이다. (참)

ㄴ. (나)는 Y, (가)는 질량수 m인 X이다. (가)와 (나)는 서로 다른 원소이며, 다른 원자번호를 갖는다. 원자번호가 다르다는 것은 핵전하(양성자 수)가 다르다는 의미이며, 원자가 중성상태를 유지하기 위한 전자 수 또한 다르다. 따라서 (가)와 (나)의 전자수는 다르다. (거짓)

ㄷ. X의 동위 원소 중 질량수 m인 X(원자량 65)의 존재 비는 0.3(백분율로 30%)이다. 기본적인 풀이는 다음과 같다.

 

 

  평균 원자량이 63보다 0.6 크다는 것에 집중하면, 다음과 같이 생각할 수도 있다.

  원자량 63인 X가 100% 존재하면, 평균 원자량이 100이다. 원자량 65인 X가 100% 존재하면 평균 원자량이 65이다. 정확하게 50 : 50 존재하면, 평균 원자량은 64이다. 주어진 평균 원자량은 63.6이며, 각각의 동위원소 63X와 65X의 거리 차이인 2를 0.6과 1.4로 자른다. 지레 규칙이 성립한다.

63X 존재 분율 * (63X부터 평균 원자량까지 거리) =  65X존재 분율 * (65X부터 평균원자량까지 거리)

그냥 거리의 역수값을 구하면 된다. (1/0.6) : (1/1.4) = (1/3) : (1/7) 이다. 존재비는 63X : 65X의 존재비는 7 : 3 이다. (참)

 

 

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11번 ④

원소의 주기적 성질에 관련된 문제이다. 홀전자 수를 이용해서 (가) ~ (라)의 원소를 찾아내야 한다. 산소, 플루오르, 마그네슘, 알루미늄의 홀전자 수는 각각 2개, 1개, 0개, 1개이다. 즉, 홀전자 수가 2개인 (나)가 산소(O), 0개인 (라)가 마그네슘(Mg)임을 찾을 수 있다. (가)와 (다)는 플루오르(F)와 알루미늄(Al) 중 하나이다.

ㄱ. (라)는 홀전자를 갖지 않는다. 마그네슘(Mg)의 전자배치는 1s^2  2s^2  2p^6  3s^2 이다. (참)

ㄴ. 원자가 전자가 느끼는 유효핵전하를 통해 (가)와 (다)를 찾아야 한다. 유효핵전하가 크다는 것은 전자가 핵에 강하게 붙들려 있다는 것을 의미한다. 전자가 강하게 붙들려 있기 위해서는 핵전하가 크면서 동시에 가리는 전자수가 적어야 한다. 원자 번호가 1 증가하면 핵전하가 1 증가하지만, 전자수 역시 1 증가한다. 유효핵전하는 전체 핵전하에서 내부의 다른 전자들로 인해 가려진 핵전하를 빼서 구할 수 있다.(참고. Slater's Rule) 일반적으로 같은 주기에서는 원자번호가 커질수록 유효핵전하가 증가한다.

  표에 제시된 (가)의 유효핵전하는 (나)의 산소보다 작다. 동주기이면서 산소보다 원자번호가 큰 플루오르는 유효핵전하 값이 산소보다 작을 수 없다. 따라서 (다)가 플루오르(F), (가)는 알루미늄(Al)이다. (라) 마그네슘의 원자번호는 12, (가) 알루미늄의 원자번호는 13번으로 (가)의 유효핵전하(4.07)가 (라)의 유효핵전하(x)보다 크다는 것을 알 수 있다. (거짓)

ㄷ. 원자 반지름은 3주기 원소인 (가)알루미늄이 2주기 원소인 (다)플루오르 보다 크다. (참)

 

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15번 ⑤

  학력평가나 수능 문제를 풀 때 자주 등장하는 s오비탈의 총전자수와 p오비탈의 전자수 비율이 화학에서 어떠한 중요한 의미를 갖는지 사실 잘 모르겠다. 그래서 개인적으로는 좋아하지 않는다. 문제를 위한 문제일 뿐이라 느낀다. 화학스러운 문제가 좋다. 개인적인 아쉬움을 접어두고 풀이하면,

  3주기 원소라고 제시되어 있으며, (가)에서 (나)는 감소, (나)에서부터 (라)까지는 연속적으로 증가하고 있다. 결국 비율을 나타낸 것이고, 원자번호는 순차적으로 계속 증가하고 있으므로, 결국 분자(p오비탈)에 전자가 채워지면 그래프 기울기는 증가, 분모(s오비탈)에 전자가 채워지면 그래프 기울기는 감소할 것이다.

  (가)에서 (나)로 가면서 비율이 감소한다. 즉, 3s오비탈에 전자가 채워졌다는 것을 의미한다. (가)는 Na 또는 Mg이다. (나)에서 (다)로 가면서 비율이 증가한다. 즉, (다)부터 p오비탈에 전자가 채워지기 시작한다는 것을 말한다. (다)는 3p오비탈에 처음 전자가 채워지는 Al이다. 나머지는 자연스럽게 (라) Si (나) Mg, (가) Na가 된다.

ㄱ. (나)는 마그네슘(Mg)이다. 마그네슘의 전자배치는 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 이다. s오비탈에 총 6개의 전자, p오비탈에 총 6개의 전자가 채워진다. 비율(x)은 1이다. (참)

ㄴ. (다)는 알루미늄(Al)이다. 알루미늄은 3p에 처음으로 전자가 채워진다. 전자가 들어있는 오비탈은 1s, 2s, 2px, 2py, 2pz, 3s, 3p 총 7개이다. (참)

ㄷ. (라) 규소(Si)와 (가) 나트륨(Na)의 홀전자 수를 비교하면, 나트륨은 3s^1, 규소는 3px^1 3py^1 이다. 즉, (라)의 홀전자 수가 (가) 보다 많다. (참)

 

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* 분문 설명 중 잘못된 부분에 대해 지적해주시면, 참고하여 수정, 업데이트 하도록 하겠습니다. 위 문제의 출처는 경기도교육청과 EBSi 사이트입니다.

 

* 2020-05-23 추가 : 2020학년도 4월(5월) 고3 학력평가 화학1 3점 문항 풀이 (16~20번)

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