2020학년도 4월(5.21.) 고3 학력평가 화학1 3점 문항 풀이 (2)

 

2020학년도 4월(5월 21일) 고3 학력평가 화학1 3점 문항 풀이 (2)

< 16번 ~ 20번 >

 

2020학년도 4월(5월) 고3 학력평가 화학1 3점 문항 풀이 (1) : https://stachemi.tistory.com/110

2020학년도 5월 고3 학력평가 화학1 3점 문항 풀이 (1)

 

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16번 ⑤

ㄱ. 같은 온도와 압력. 그리고 기체이다. 아보가드로 법칙에 의해 부피비는 곧 입자수비(몰비)가 된다. C2Hx와 C3Hy의 부피비가 2:1이므로, 몰비 역시 2:1이다. 기체의 양은 C2Hx가 C3Hy의 2배이다. (참)

ㄴ. 만약 C3Hy가 1몰이라 가정하면, 분자 내 포함된 C의 질량은 12*3=36 g, H는 y g이다. C와 H의 질량비가 9로 주어졌으므로, y = 4가 되어 C3H4의 분자식을 완성할 수 있다. C3H4의 분자량은 40이 되며, w=20이다. 반면, 위에서 언급한 몰비에 따라 C3H4가 1몰일 때, C2Hx는 2몰이며, 2몰에 해당하는 질량이 3w=60이다. 따라서 C2Hx의 분자량은 30이다. 분자량비는 C2H6 : C3H4 = 3: 4이다. (참)

ㄷ. C2H6의 분자량은 (12*2)+x=30으로 x는 6임을 알 수 있다. (참)

 

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17번 ③

  순차적 이온화 에너지 값이 급격하게 증가하는 구간을 통해 원자가 전자수에 대한 정보를 찾아야 한다. 미지 원소 X, Y, Z는 Na, Al, K 중 하나이다. Na와 K는 1족, Al은 13족 원소이다. X는 E1~E2 사이, Z는 E3~E4 사이에서 이온화 에너지가 급증했다. X의 원자가 전자는 1개, Z의 원자가 전자는 3개라는 것을 말해준다. Z는 Al(알루미늄)이다.

ㄱ. X와 Y 모두 원자가 전자 수는 1이다. (참)

ㄴ. X와 Y의 제1 이온화 에너지(E1)을 보면, X보다 Y가 큰 값을 갖는다. 같은 족에서 이온화 에너지는 껍질수가 증가하여 핵과 전자 사이의 거리가 멀어짐에 따라 값이 작아진다. 따라서 이온화 에너지가 496으로 더 큰 Y가 Na(나트륨), 419로 작은 X가 K(칼륨)임을 알 수 있다. (거짓)

ㄷ. Y(11번 나트륨)와 Z(13번 알루미늄)은 모두 3주기 원소이다. 같은 주기에서 이온화 에너지는 원자 번호가 커질수록 유효핵전하가 증가하여 함께 커지는 경향성을 갖는다. (단, 2-3족, 15-16족에서 예외적 경향이 발생한다.) 이에 Z의 유효핵전하 a가 Y의 496보다 큰 값을 가질 것이라 예상할 수 있다. (참)

 

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18번 ③

  철(Fe)의 산화, 크롬(Cr)의 환원 반응이다. 철 1개당 산화수가 +2에서 +3으로 1만큼 증가(산화)하였으며, 계수까지 고려하면, 총 6만큼 증가했다. Cr2O7^2-에서 크롬의 산화수는 +6이며, 생성된 크롬 이온은 +3으로 3만큼 감소(환원)했다. 따라서 생성된 크롬 이온의 계수 c는 2가 되어야 한다. 좌변과 우변의 크롬 원소의 수가 같아야 하므로, a = 1이 된다. <보기>를 살펴보면,

ㄱ. Fe^2+는 Fe^3+로 산화된다. (참)

ㄴ. Cr2O7^2-에서 O의 산화수는 -2이며, 전체 산화수도 -2이다. 따라서 다음 관계식을 만족해야 한다.

( Cr 산화수*2 ) + (O 산화수(-2)*7) = 전체 산화수(-2)

이렇게 구한 Cr2O7^2-에서 크롬의 산화수는 +6이다. (거짓)

ㄷ. a + b를 구하기 위해서는 화학 반응식에서 H+의 계수인 b를 찾아야 한다. 모든 화학 반응식을 완성시킬 수도 있지만, 간단하게 전하 균형을 맞춰서 푸는 방법을 사용해도 된다. 화학 반응식의 좌변(반응물)과 우변(생성물) 사이에는 질량 보존, 전하 보존 두 가지를 모두 충족시켜야 한다. 반응물의 총 전하량(질량) = 생성물의 총 전하량(질량)이다. 

(+2*6) + (-2*1) + (+1*b) = (+3*6) + (+3*2) + (0*d)

+12 - 2 + b = 18 + 6 = 24

b = 14

  따라서 a + b = 15 이다. (참)

 

 

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19번 ②

  화학 반응의 양적 관계 문제이다. 대부분의 양적 관계 문제에서 핵심은 몰수 또는 몰비를 찾는 것이다. 아보가드로수와 몰 단원이 중요함과 동시에 학생들이 어렵게 느끼는 것도 이 때문이다. 위 문제에서도 A, B, C 사이의 몰비를 찾아야 문제를 해결할 수 있다. 위 문제에서 핵심 조건은 (단, 기체의 온도와 압력은 일정하다.) 이 부분이다. 문제에 단서 조항이 제시되는 경우는 문제를 풀기 위해 반드시 필요한 부분이다. 다시 말해 단서 조항이 없으면 풀지 못하는 문제이거나 오류가 생길 수 있다는 뜻이다. 문제를 풀면서 정보가 뒤죽박죽이 될 수 있으니 천천히 단계별로 알아보도록 하자.

  1. 반응식의 반응물, 생성물은 모두 기체 상태이다. 온도와 압력이 일정한 조건에서 기체의 부피는 입자수에 비례한다. 주어진 부피 정보가 곧 입자수(몰수)에 대한 정보이다.

  2. 반응전 전체 기체의 부피가 5V, 10V로 주어졌다. 온도와 압력이 일정하기 때문에 반응전 전체 기체의 몰수(A와 B의 몰수 합)가 5n, 10n 이라고 가정해도 무방하다.

  3. 실험 I과 실험 II의 생성물 쪽을 살펴보면, 생성물 C의 질량이 실험 II가 실험 I에 비해 2배 많다. 즉, 실험 II가 실험 I에 비해 반응물이 2배 더 많이 소모되었다는 뜻이다. 

  4. 그런데, 반응물 쪽의 A의 질량을 보면, 실험 II에서 사용된 A의 질량은 오히려 실험 I보다 적다. 이는 다시 말해 실험 I에서 A가 남았다는 말이 된다. 실험 I의 한계 반응물이 B라는 것을 말해준다.

  5. 화학반응식을 살펴보면, A + bB → C 의 반응이다. A가 1몰은 B b몰과 반응하여 C 1몰을 생성한다. A가 감소한만큼 C가 같은 입자수를 만들어내기 때문에, A와 C는 반응 전후의 입자수 변화를 만들지 못한다. 즉, 반응 전후의 부피 변화를 만들지 못한다는 뜻이다. 실험 II를 살펴보자. 초기에 10n 몰의 A+B 입자가 있었다. 그런데, 반응 후에는 6n 몰의 전체 입자가 존재한다. 반응 후에 반응 전 보다 4n몰만큼 감소했다는 것은 B가 4n 몰만큼 반응해서 소진되었다는 의미다.

  6. 위의 3에서 실험 II는 실험 I에 비해 반응물이 2배 더 소진되었다고 했다. 따라서 실험 I에서는 B가 2n 몰만큼 반응했다는 것을 알 수 있다. 자연스레 실험 I의 반응 후 전체 기체의 부피는 3V, 몰수는 3n이다.

  7. 위의 1~6의 푸른색 정보를 통해 실험 I의 양적 관계를 완성해보자.

(2)반응전 전체 몰수는 5n,  (4)한계 반응물은 B,  (6)반응한 B의 몰수는 2n, 반응 후 전체 몰수는 3n

  8. 초기 전체 몰수가 5n이므로, 반응물 A의 초기 몰수는 3n임을 알 수 있다. 3n 몰에 해당하는 질량이 21 g이므로, 실험 II의 A 질량인 14 g에 해당하는 몰수는 2n 몰이 된다. 또한, 반응비를 살펴보면, A가 n 소모될 때, B가 2n 소모되므로, 반응식의 계수 b=2 이다.

  9. 실험 II의 경우 위의 1~8의 녹색 정보를 모아 정리해보면,

(2)A+B 몰수는 10n, (8)초기 A의 몰수는 2n, 자연스럽게 B의 몰수는 8n, b=2, (5) 반응 후 전체 몰수는 6n

  A와 B는 1:2로 반응하므로, 한계 반응물은 A가 된다. A 2n 몰을 모두 소진하여 C 2n 몰을 생성하며, B는 4n 몰이 소모되고, 4n 몰이 남는다. 전체 몰수 6n 몰인 것에 부합한다. 초기 A와 B의 몰수 합이 10n이므로, B의 몰수는 8n이다.

 

  10. 끝으로 반응 전후 질량 보존을 만족해야 한다. 실험 II의 반응 전 총 질량은 ( 14 + x )g이다. x는 B의 초기 몰수인 8n 몰에 해당하는 질량(g)이다. 반응 후에는 ( 0.5x + 16 )g이다.

14 + x = 0.5x + 16                  ∴ x  =  4 g

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20번 ⑤

  몇가 산인지 모르는 HnA와 용액의 농도를 모르는 NaOH 용액 사이의 중화 반응이다. 하고 싶은 말은 많지만 이유를 묻지 말고, 그냥 풀어보자. 일단, a [M]의 NaOH 20 [mL]가 비커 I, II, III에 담겨 있다. NaOH는 완전 해리하는 강전해질이므로 모두 20a [mmol]씩의 Na+와 OH-가 각각 존재한다. (미지수가 많이 등장하여 단위는 [괄호]안에 나타냈다.)

  이후 비커 I, II, III에 1 [M] 농도의 HnA 산을 4 [mL], y [mL], 20 [mL] 넣었다. 첨가한 H+ 몰수는 4n [mmol], yn [mmol], 20n [mmol]이다. 

  여기까지가 실험과정 설명이며, 주어진 실험 결과를 통해 미지수를 하나씩 없애 나가야 한다. 실험 결과에서 나타낸 이온 X의 후보는 H+, OH-, Na+, A- 이다. 몇 가지 가정을 통해 X의 정체를 찾아보자.

  1) Na+가 X 인가? 먼저 Na+는 중화반응에 참여하지 않는 구경꾼 이온이므로 초기 몰수 20a [mmol]에서 변하지 않는다. 이에 농도는 오직 전체 용액의 부피에만 의존한다. 부피의 역수에 해당하는 농도 비를 갖는다. 비커 I과 III을 비교해보면, 주어진 농도비와 예상되는 농도비가 맞지 않는다. 따라서 Na+는 X가 아니다.

  2) A- 이 X인가? A- 역시 구경꾼 이온이다. 따라서 위의 1)과 같은 방법으로 비커 I과 비커 III의 농도비를 살펴보면, A-가 후보가 될 수 없다는 것을 쉽게 찾을 수 있다.

  3) H+ 이 X인가? 비커 I과 비커 III을 비교하면 첨가된 H+의 몰수는 점차 많아진다. 비커 I은 4n, 비커 III은 20n이다. 반응한 OH-의 몰수는 20a로 일정하다. 그 양이 적어 반응 후 첨가한 H+가 남는다고 가정하여도 그 양은 비커 III이 당연히 많을 수 밖에 없다. 비커의 농도를 보면, 비커 I이 비커 III에 비해 농도가 진하다는 사실에 어긋난다.

  결국 이온 X는 OH-(보기 ㄱ 거짓)라는 것을 알 수 있으며, 세 비커 모두 중화 반응 후 OH-가 남아있다는 것을 의미한다. 비커 I과 비커 III의 반응 후 OH-의 농도는 주어져있기 때문에 남아있는 OH-의 몰수에 관한 식을 세우면, 미지수를 밝힐 수 있다.

  따라서 a=4, n=2 이다. 위 반응에 사용된 산은 H2A로 2가 산이며, (보기 ㄴ 참)

  비커 II의 OH- 농도는 2 [M]이다. y를 포함한 농도식을 세우면, 다음과 같다.

  비커II 용액의 농도로부터 y를 구하면, y = 10 임을 알 수 있다. (보기 ㄷ 참)

 

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