2021 MEET/DEET 자연과학2(일반화학) 기출문제 풀이 (16번-20번)

 

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2021 MEET/DEET 자연과학2(일반화학) 기출문제 풀이 (16번-20번)

 

 

2021 MDEET 자연과학2(일반화학) 16번

16번 풀이 ② ㄴ

  전체 반응식(전지 반응식)이 주어져 있으므로, 각각의 표준환원전위를 통해 산화전극(anode)과 환원전극(cathode)을 찾아야하는 수고로움은 없다. 산화되는 화학종은 철(II) 이온(Fe²⁺), 환원되는 화학종은 다이크로뮴산 이온(Cr₂O₇^2-) 이다. 위 반응의 표준 전지 전위는 1.33 - 0.77 = 0.56 V 이다.

  <보기>를 살펴보면,

ㄱ. Cr₂O₇^2- 이온에서 Cr의 산화수는 +6 이다. 2 개의 크로뮴 양이온과 산화수가 -2 인 산소 음이온 7 개의 전하 합이 -2 가 되어야 하기 때문이다. (거짓)

ㄴ. 전지 반응을 위해서 산화-환원 반응에 필요한 최소 전자는 6 개 이다. 두 반쪽 반응식의 전자 수를 맞추어 빼주어야 하므로, 철(II) 이온의 계수는 6 이다. (참)

ㄷ. 전체 반응의 평형 상수는 반응 자유에너지와 표준 반응 자유에너지식 (1)ΔG = ΔG ˚ + RTlnQ 을 통해 구할 수 있다. 반응이 평형상태에 도달하면, (2)ΔG ˚ = - RT lnK 을 만족하며, 표준 자유에너지와 표준(환원, 전지)전위 사이에는 (3)ΔG ˚ = - nFΔE ˚관계가 성립한다. 위의 (1) ~ (3) 식을 연립하면, 네른스트식을 이끌어낼 수 있다.

  온도는 25℃(298K)이므로, 바로 위의 우측 식을 사용할 수 있다. 평형에 도달하면, ΔE_전지 = 0, Q = K 이다. 또한 반응에서 관여한 전자수(산화수 변화) n = 6 이므로, 각각을 대입하면, K 를 구할 수 있다. (거짓)

 

 

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2021 MDEET 자연과학2(일반화학) 17번

17번 풀이 ②

  화학 전지의 경우 환원 전극의 환원전위와 산화 전극의 환원 전위값의 차이가 가장 클 때, 가장 큰 전지 전위(가장 자발적인 반응)를 갖는다. 반쪽 반응의 표준환원전위가 주어져 있으므로, 이를 통해 (가)와 (나)를 산화전극과 환원전극으로 먼저 구분해야 한다.

  먼저 비교적 전극전위를 판단하기에 간단한 (나)백금을 살펴보자. 반응에 참여할 수 있는 화학종은 Fe³⁺, Fe²⁺ 이온이며, 표의 표준환원전위를 통해 Fe³⁺ 이온이 Fe²⁺ 이온으로 환원되는 과정이 자발적이라는 것을 알 수 있다. 초기 이온 농도가 0.2 M로 동일하므로, 이온 농도에 의한 전위 변화는 없다. (나) 전극의 환원 전위는 + 0.77 V 이다. 

    높은 전지전위를 갖기 위해서는 (가) 전극의 표준 환원 전위가 + 0.77 V보다 엄청나게 크거나(환원이 어마어마하게 잘되거나, E ≫ 0.77 V ), 표준 환원 전위가 엄청나게 큰 음의 값을 갖는 것(산화가 어마어마하게 잘되거나, E ≪ 0)이 좋다. 두 전극의 환원 전위가 극단적일수록 전지 전위가 커진다.

  (가) 전극의 표준 환원 전위가 + 0.77 V 보다 커질 수 있는 방법은, Fe²⁺ 이온이 금속 Fe로 환원되는 과정이 자발적인 경우이다. 그러나 Fe²⁺의 환원 과정은 표준환원전위가 0보다 작고, 이는 전극 전위를 +0.77V 보다 작게 만들 것임을 알 수 있다.

  결국 높은 전지 전위를 갖기 위해서는 (가) 전극이 최대한 큰 표준 산화 전위(0보다 작은 표준환원전위)를 갖는 방법 밖에 없다. 다시 말해, (가)는 산화 전극(anode, (-)극)이 되어야 한다. 즉, 금속 Fe가 Fe²⁺ 이온으로 산화되는 반응이 일어날 때, 이 전극은 가장 큰 음의 환원 전위를 갖는다.

  주어진 (1) ~ (5)의 지문을 살펴보면,

(1) (가) 전극은 화학 전지의 산화 전극(anode)이다. 산화 전극은 산화 반응의 결과로 전자를 생성하고, 이 전자는 도선을 통해 이동하기 때문에 전지의 (-)극이 된다. (거짓)

(2) 위 반응의 전지 반응식을 쓰면 다음과 같다. 산화 전극(가)에서는 금속 철의 산화, 환원 전극(나)에서는 철(II) 이온의 환원이 일어난다. 1번의 산화-환원 반응에 관여하는 전자는 2개이다.

  이를 네른스트식에 대입해주면, 초기 기전력은 다음과 같다. (참)

(3) 전지 반응이 일어날 때, 환원 전극(나)의 질량은 변화가 없다. 백금은 비활성 전극이다. (거짓)

(4) 전지 반응으로 전류가 흐를 때, 전자 2개 당 (나) 전극에서 Fe²⁺ 이온은 2개씩 생성된다. (거짓)

(5) 반응이 진행될수록 (가) 용액은 +전하의 증가, (나) 용액은 +전하의 감소가 나타난다. 따라서 염다리 음이온의 알짜 흐름은 (가) 용액 방향으로 이동한다. (거짓)

 

 

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2021 MDEET 자연과학2(일반화학) 18번

18번 풀이 ② ㄴ

  코발트(Co)는 원자번호 27번으로, d⁷ 전이금속이다. 코발트(III)는 3개의 전자를 잃어 [Ar]¹⁸3d⁶ 전자배치를 갖는다. 문제 조건에서 NH₃ 리간드와 팔면체 착물을 형성했을 때의 자기적 성질이 반자기성(diamagnetic)이라고 제시되어 있으므로, NH₃ 리간드는 강한장(strong field)으로 작용하고, 착물의 전자배치상 홀전자가 없음(t_2g⁶)을 알 수 있다.

  일반적으로 가시광선 영역에서의 흡수띠는 착물 금속의 d-오비탈 갈라짐에 의한  d-d 전이에 의한다. 따라서 d-오비탈의 갈라짐이 커지냐, 작아지냐에 따라 착물의 흡수 파장이 이동한다. 파장(λ)과 에너지의 크기(Δ)는 반비례하므로, 에너지 간격이 커질수록(강한장) 단파장 이동하며, 에너지 간격이 작아질수록(약한장) 장파장 이동한다.

  <보기>를 살펴보면,

ㄱ. 리간드가 NH₃에서 en(에틸렌다이아민)으로 바뀌면, 자기적 성질이 변할까? d⁶인 Co³⁺가 상자성을 갖기 위해서는 리간드가 약한장을 형성해야 한다. 그러나 en은 분광화학적 계열상 NH₃보다 강한장 리간드에 속한다. 따라서 d-오비탈 사이 갈라짐이 더 크게 나타나며, 이에 홀전자가 나타나지 않는다. (거짓)

  * 만약, 출제자의 의도가 분광화학적 계열을 암기하지 않고, 다른 방식으로 풀어내기를 요구한 것이라면, 마땅한 풀이가 생각나지 않는다. 만약 내가 시험을 치르는 상황이었다면, 단순히 "리간드가 en으로 변한 것만으로 자기적 성질이 상자성임을 참임을 분명히할 수 없다." 또는 "정확히 알 수 없다."정도로 애매하게 넘겨두고, 다른 보기들을 살폈을 것 같다. 분광화학적 계열은 실험에 의한 경향성이기 때문이다. 물론, 이런 생각까지 출제 당시에 이미 고려되었다고 생각한다. 논란이 될 수 있는 ㄱ, ㄴ 선택지가 없기 때문이다.

ㄴ. 거울상 이성질체가 존재한다. (참)

[출처] https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Tris(ethylenediamine)cobalt(III)_(molecular_diagram).png#/media/File:Tris(ethylenediamine)cobalt(III)_(molecular_diagram).png

ㄷ. 결정장 갈라짐의 크기(Δ)는 착이온이 흡수하는 최대흡수파장(λ_max)을 통해 대략적인 예측이 가능하다. 가시광선 영역의 흡수는 대부분 금속 이온의 d-d 전이에 의한 것이기에, 최대흡수파장과 결정장 갈라짐 에너지 사이를  Δ = hυ = hc/λ_max 로 표현할 수 있다. (거짓)

 

 

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2021 MDEET 자연과학2(일반화학) 19번

19번 풀이 ③ ㄱ, ㄴ

  (가)에서 (나)로 변하는 과정에서 투입된 물질과, 생성된 부산물을 살펴보자. N₂H₄를 투입하여 부산물로 N₂가 생성되었다. 확인할 수 있는 것은 N의 산화수가 변한 것이다. N₂H₄에서 N의 산화수는 -2, N₂에서 N의 산화수는 0이다. 산화수가 2만큼 증가했다.

  즉, 착물 (가)와 (나)에서 산화수의 변화가 있음을 말해주며, 착물을 이루는 금속(Pt)의 산화수가 감소했다는 것을 알 수 있다. 알칼리 금속인 K는 +1, 할로겐 원소인 Cl은 -1의 산화수를 가지므로, (가)의 백금 산화수는 +4, (나)의 백금 산화수는 +2로 예상할 수 있다.

  주어진 표의 이온 몰비를 통해 예상한 착화합물은 (가) K₂[PtCl₆], (나) K₂[PtCl₄], (다) [Pt(NH₃)₂Cl₂]이다. 6개의 Cl^- 리간드와 배위하고 있던 백금은 N₂H₄의 첨가에 의해 리간드 이탈 반응이 일어나며, 4배위 착물인 (나)로 환원된다. (나)에서 (다)로의 변화는 추가적인 산화수 변화없이 첨가된 NH₃ 리간드가 Cl^- 리간드를 치환하며, 최종적으로 2종류의 리간드로 구성된 착물인 (다)를 생성한다.

  <보기>를 살펴보면,

ㄱ. 1몰의 착화합물당 이탈하는 Cl^-리간드는 2 몰이다. 2 몰의 Cl 리간드(1 몰의 착화합물)의 이탈하여 HCl을 형성하므로, 필요한 H의 수는 2 몰이다. 따라서 필요한 N₂H₄의 몰수는 1/2 몰이다. (가)와 N₂H₄은 2:1의 몰비로 반응함을 알 수 있다. (참)

ㄴ. Pt의 배위수는 (나)와 (다) 모두 4배위로 같다. (참)

ㄷ. 1몰의 (다) [Pt(NH₃)₂Cl₂]는 용매에 녹았을 때, 이온성 해리가 나타날 것인가를 묻고 있다. 착화합물 (다)는 전기적으로 중성인 화합물이며, 용매에 용해시 이온을 형성하지 않는다. (거짓)

  * 해당 지문에서 물이 아닌, 용매라고 표현한 것은 '녹았을 때'라는 가정을 해야하기 위함으로 보인다. 전기적으로 중성인 착화합물이 용해되기 위해서는 물보다 상대적으로 극성이 작은 용매일 수 밖에 없다. 그런데 극성이 작은 용매에서는 해리된 이온을 안정화시킬 수 없기 때문에 이온의 생성 자체를 고려하기 어렵다.

 

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2021 MDEET 자연과학2(일반화학) 20번

20번 풀이 ④

  착물 합성에 관한 실험 문제이다. 철(II)의 7수화물이다. 베르너의 착물 표기법에 따라 내부 배위권과 외부 배위권으로 구분하여 나타내면, [Fe(H₂O)₆]SO₄로 나타낼 수 있다. 어떤 구조를 갖는지는 문제 풀이상 중요하지는 않지만, 오각쌍뿔(pentagonal bipyramidal) 구조를 가질 것으로 예상할 수 있다. 정확한 구조와 무관하게 물이 주리간드(내부 배위권)임은 변하지 않는다.

  * Miessler 무기화학에서 Fe(II) 착물에서 오각쌍뿔형의 구조가 나타난다는 내용이 있어서 이를 근거로 작성했다.

  * 2021-10-16 내용 수정 : 황산철(II) 7수화물의 구조를 7배위 착물, 오각쌍뿔 구조일 것이라고 예상하여 작성한 부분은 다소 성급하다. 미즐러 무기화학 교재에 배위수 7을 갖는 착물들이 일부 사례로 제시되어 있으나 흔한 경우가 아니며, 짝이온이나 킬레이트 리간드 종류에 따라 가능할 수 있다는 내용을 너무 간과한 채 확대 적용한 부분이 있다. 이에 해당 내용은 적합하지 않다 판단하여 삭제하였다. 

  18 mmol의 금속 철과 반응하는 H₂SO₄ 수용액에 리간드인 물(H₂O)과 카운터 음이온인 SO₄^2- 가 모두 있다. 다만, 0.1 M의 H₂SO₄ 100 mL에는 10 mmol의 SO₄^2- 이온이 존재한다. 생성된 [Fe(H₂O)₇]²⁺ 이온을 결정(고체) 형태로 안정화시키기 위해서는 카운터 이온인 SO₄^2- 이 외부 배위권에 반드시 필요하다. 따라서 위 반응의 한계 반응물은 SO₄^2- 임을 알 수 있다. 

  주어진 (1) ~ (5)의 지문을 살펴보면,

(1) 해당 착물에서 직접 배위하는 리간드는 물이며, 배위 방향은 산소(O)쪽 이다. (거짓)

(2) 과정 (가)는 금속을 산(acid)에 넣는 과정이다. 이 과정에서 금속은 이온화(산화)되며, 산의 수소 이온(H⁺)이 환원된다. 결과적으로 수소 기체(H₂)가 생성된다. (거짓)

(3) 고체로 남은 물질은 여분의 금속 철이다. (만약, 착이온이 아닌 중성 상태의 착물이 형성되었다면, 고체로 침전될 수 있으나 철 수화물은 2+의 착이온이다. 이를 안정화시키기 위해 SO₄^2-가 외부 배위권에 존재하는 것일 뿐이다.) (거짓)

(4) 용액에서 용질(결정)을 석출(재결정)하기 위해서는 용질의 용해도가 작아지는 환경을 만들어주는 것이 중요하다. 온도를 낮춰주거나 잘 녹지 않는 용매 환경으로 서서히 바꿔주는 것이 일반적이다. 문제에서는 에탄올을 첨가하여 재결정을 했으므로, 착물이 물보다 에탄올에서 더 잘 녹지 않음을 간접적으로 알 수 있다. (참)

(5) 퍼센트 수득률(%)은 실제 수득량을 이론적 수득량으로 나눈 값을 백분율(x100)로 나타낸 것이다. 만약 위 반응에서 철(18 mmol)이 한계 반응물이었다면, 이론적으로 얻을 수 있는 수득량이 18 mmol, 실제 수득량이 9 mmol이 되어 50 %의 수득률이라고 할 수 있다. 주어진 실험의 경우 SO₄^2- 가 한계 반응물이며, 이론적으로 얻을 수 있는 착물의 최대량이 10 mmol이므로, 퍼센트 수득률은 90 %라고 볼 수 있다. (거짓)

 

 

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* 본문 설명 중 잘못된 부분을 말씀해주시면, 참고하여 수정, 업데이트하도록 하겠습니다. 위 문제의 출처는 mdeeteet.org 의치의학교육입문검사 사이트입니다.

 

[2021-10-16 내용 수정] 문제 20번, 황산철 7수화물의 입체 구조에 대한 부분 내용 수정(삭제)