2021학년도 PEET 화학추론(일반화학) 기출문제 풀이 (11번~15번)

 

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2021 PEET 화학추론(일반화학) 기출문제 풀이 (1~5번) (링크)

2021 PEET 화학추론(일반화학) 기출문제 풀이 (6~10번) (링크)

 

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2021 PEET 화학추론 11

정답 : ④ ㄱ, ㄴ

풀이 :

  물-에탄올 수용액 A, B, C가 있고, 이를 모두 혼합한 용액을 D라고 하자. 주어진 <보기>는 D에 관해 묻고 있다. D에 포함된 에탄올의 양은 a+2a+3a = 6a 이며, 물의 질량은 3.0 kg 이다. 

  ㄱ. 에탄올의 몰랄농도를 비교해보자. 몰랄농도 = 용질의 몰수[mol] / 용매의 질량 [kg]으로 나타낸다. A의 몰랄농도는 a/1.5 이며, D의 몰랄농도는 6a/3.0 = 3a/1.5 이다. 따라서 D의 몰랄농도는 A의 3배이다. (참)

  ㄴ. 에탄올의 몰농도 = 용질의 몰수[mol] / 용액 전체 부피 [L]이다. 그런데 두 용액의 몰농도를 직접적으로 비교할 수는 없다. 용액의 부피를 알 수 없기 때문이다. 그러나 계산 가능한 용액 B의 몰랄농도를 구해보면, 2a/1.0 으로 D의 몰랄농도와 같다. 같은 에탄올 수용액의 몰랄농도가 같다는 것은  두 용액의 질량 퍼센트 농도가 같다는 뜻이다. 또한 온도 변화가 없을 경우 용액의 부피(밀도)변화가 없으므로, 몰농도 또한 같다. (참)

[참고] 용질 분자량=Mw [g/mol], 밀도=d [g/mL]

- 퍼센트 농도가 a %인 용액의 몰농도 : 10ad / Mw
- 퍼센트 농도가 a %인 용액의 몰랄농도 : 1000a / (100-a)Mw
- 몰농도가 b M인 용액의 질량 % 농도 : bMw / 10d
- 몰농도가 b M인 용액의 몰랄농도 : 1000b / (1000d-bMw)

  ㄷ. D의 몰랄농도는 3a/1.5이며, C의 몰랄농도는 3a/0.5 이다. 이는 용액에 포함된 에탄올의 양은 동일하지만, 용매인 물의 질량이 다르다는 것을 말해준다. 물의 질량에 해당하는 몰수를 가질 것이므로, 두 용액의 몰분율은 같을 수 없다. 또한 현재 몰랄농도는 C가 D의 3배이다. 몰랄농도는 분모항이 용매로만 이루어져 있지만, 몰분율은 분모항이 용매와 용질의 개수 합으로 이루어진다. 분모항에 동일한 용질량에 대해 다른 용매량이 더해지므로 몰랄 농도의 비가 그대로 유지될 수 없다. (거짓)

[참고] 그래도 직접적으로 문장의 잘못되었음을 한 번 보여보자. 몰분율 = 용질의 몰수 [mol] / 용액 전체 몰수 [mol]로 나타낸다. 몰분율은 개수 분율이므로, 질량 [g]정보는 몰질량 [g/mol]으로 나누어 개수 [mol]로 변환할 수 있다. 용질인 에탄올은 이미 몰수로 표현(3a)되었기 때문에, 분모인 물만 질량에서 몰수로 변환해주면 된다. C의 용매 질량은 500 [g], D의 용매 질량은 1500 [g]이며, 이를 물의 분자량 Mw [g/mol]으로 나누어 몰수로 변환했을 때, n_C=500/Mw [mol], n_D=1500/Mw [mol]이다. D와 C의 몰분율을 각각 나타내보면, 다음과 같다.

D의 에탄올 몰분율 = 3a / (3a + (1500/Mw))          C의 에탄올 몰분율 = 3a / (3a + (500/Mw)) 

  만약, C의 몰분율이 D의 3 배라면, D의 몰분율에 3을 곱한 뒤 두 식이 같은지를 살펴보자.

3*3a / (3a + (1500/Mw)) = 3a / (a + (500/Mw))  ≠  3a / (3a + (500/Mw))

 

 

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2021 PEET 화학추론 12

정답 : ⑤ ㄱ, ㄷ

풀이 :

  분자의 입체 구조와 관련된 내용은 기본적으로 원자가 껍질 전자쌍 반발 이론(VSEPR)을 바탕으로 물을 수 밖에 없다. VSEPR은 중심 원자의 전자쌍의 수와 종류에만 의존하기 때문에 예측하기 쉽다. 중심원자의 종류가 달라져도 크게 게의치 않아도 되며, 최외각 전자 수만 고려한다. 주어진 이온 전체의 형식 전하는 중심 원자의 전자로 귀속시켜 생각하면 빠르게 구조를 판단할 수 있다. IF₂^-와 IF₄^- 의 중심 I 전자수는 7+1 = 8개, IF₂⁺ 의 중심 I 전자수는 7-1 = 6개 이다.

  IF₂^-와 IF₄^-의 I^- 는 18족 비활성 기체처럼, 전자가 하나 부족한 IF₂⁺의 I⁺ 는 16족처럼 취급하면 된다. 각각의 분자를 AXE 타입으로 표현해보면, IF₂^-는 AX₂E₃ (직선형), IF₄^-는 AX₄E₂ (평면 사각형), IF₂⁺는 AX₂E₂ (굽은형)이다.

  해당 정보를 바탕으로 주어진 <표>의 (가) ~ (다)를 찾아보면, 형식 전하가 +1인 (가)는 IF₂⁺, 비공유 전자쌍(E)의 수가 2인 (나)는 IF₄^-, 나머지 (다)는 IF₂^- 임을 알 수 있다.

ㄱ. (나)의 형식 전하 a = -1, (다)의 중심 원소 비공유 전자쌍 수는 b = 3 이므로, a + b = 2 이다. (참)

ㄴ. (다)는 직선형이다. (거짓)

ㄷ. (가)는 입체수 4의 굽은형이며, (나)는 입체수 6의 사각 평면형이다. 기본적으로 입체수 4의 중심 원소 혼성은 sp³ 이며, 입체수 6의 중심 원소 혼성은 d²sp³ 또는 sp³d² 이다. 혼성 오비탈의 s오비탈 기여도는 (가)의 sp³가 (나)의 d²sp³에 비해 크다. (참)

 

 

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2021 PEET 화학추론 13

정답 : ⑦ ㄱ, ㄴ, ㄷ

풀이 :

  산화수법을 이용하여 간단하게 반응식을 완성시킬 수 있다. H의 산화수가 +1 에서 0 으로 변하여 환원되었으며, Eu의 산화수는 0 에서 +3 으로 변해 산화되었다. 전자수를 3 개로 맞추어 a부터 d까지 채워주면, a = 1, b = 3, c = 1, d = 3/2이다. 반응식의 계수는 자연수가 되어야 하므로, 2 씩을 곱하여 a = 2, b = 6, c = 2, d = 3 임을 알 수 있다.

2Eu (s) + 6HF (g)  →  2EuF₃ (s) + 3H₂ (g)

  온도와 부피가 일정한 조건에서 강철 용기 내 압력은 기체 몰수에만 의존한다. 초기 HF의 압력이 1 atm이었고, 모두 반응하여 H₂로 변했다면, 몰수는 1/2로 줄어들고, 압력은 0.5 atm이 되어야 한다. 문제 조건에서 반응이 완결된 후 0.6 atm이 되었다는 것은 HF가 완전히 소진되지 못하고, 남아있다는 뜻이다. 한계 반응물은 Eu 이다.

  <보기>를 살펴보면,

ㄱ. b/a = 6/2 = 3 이다. (참)

ㄴ. 초기 반응물 Eu의 질량은 w₁ [g]이며, 생성된 EuF₃의 질량은 w₂ [g]이다. Eu는 한계 반응물이기 때문에 모든 w₁ [g]의 Eu가 모두 EuF₃로 변환된다. 따라서 w₂와 w₁의 질량 차이는 F에 의한 것이다. 즉, 반응에 참여한 F의 질량은 w₂ - w₁ [g]이다. 반응한 F의 질량 [g]을 F의 원자량 [g/mol]로 나누어주면, 반응에 참여한 F의 몰수[mol]를 알 수 있다.

(w₂ - w₁) [g] / Mw_플루오르 [g/mol]  = (w₂ - w₁) /18 = 반응한 HF의 몰수 [mol]

  화학 반응식에 따라 반응한 F의 몰수는 소모된 HF의 몰수와 같다. 생성된 H₂의 몰수는 소모된 HF 몰수의 1/2 배이며, 다음과 같다. (참)

생성된 H₂의 몰수 = 1/2 * 소모된 HF 몰수 = (w₂ - w₁) / (18*2) [mol]

ㄷ. 소량의 Eu를 첨가하면, 여분의 HF와 추가적인 반응을 하여 H₂ 기체를 생성한다. 이 과정에서 HF : H₂의 반응비는 2 : 1이며, 기체 몰수의 감소로 인해 압력은 0.6 atm보다 감소한다. (참)

 

 

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정답 : ① ㄱ

풀이 :

  반응 메커니즘을 통해 느린 [단계 1]이 속도 결정 단계임을 알 수 있다. 속도식으로 나타내면, v = k₂[A][B]이다. <보기>를 살펴보면,

ㄱ. 위 반응은 [A]에 대해 1 차, [B]에 대해 1 차, 전체 반응차수는 2 차이다. (참)

ㄴ. 전체 겉보기 반응 속도 상수 k₁ = k₂ 이다. (거짓)

ㄷ. A의 초기 농도가 B의 초기 농도에 비해 매우 큰 경우, A의 농도 변화는 미미하며, 상수 취급할 수 있다. 즉, (유사) 1차 반응이다. k₂[A]₀ 을 새로운 속도 상수 k'으로 설정하면, v=k'[B] 형태가 된다.

  (유사) 1차 반응의 반감기 t = ln2 / k' 가 되며, 풀어서 나타내면, t = ln2 / k₂[A]₀ 이다. (거짓)

 

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정답 : ① ㄱ

풀이 :

  단위 세포 내 입자의 위치를 통해 화학식을 결정할 수 있다. 양이온 A^a+는 입방체의 꼭지점에 1/8씩 8개로 총 1개가 존재한다. 양이온 B^b+는 입방체의 체심에 1개가 존재한다. 음이온 C^c-는 입방체의 면심에 1/2씩 6개로 총 3개가 존재한다. <보기>를 살펴보면,

ㄱ. 이온 결정의 단위세포를 이루는 양이온과 음이온의 총 전하의 합은 0 (중성)이 되어야 한다. 따라서 각 전하들은 다음 관계식을 만족한다. (참)

a + b = 3c

 ㄴ. 꼭지점의 A^a+ 양이온과 면심의 C^c- 음이온은 맞닿아 있다.  A^a+ 양이온의 반지름을 r, C^c- 반지름을 R 이라고 하여 표현하면, 단위 세포 면(face)의 대각선(√2l )과 반지름(r, R ) 사이에는 다음과 같은 관계식이 성립한다. (거짓)

2r + 2R = √2 l    ,        R = l /√2 - r

ㄷ.  A^a+와 C^c-를 모두 동일한 입자라고 가정하고, B^b-를 고려하지 않으면, 면심입방구조와 같다. 따라서 1개의 A^a+에 가장 가까운 C^c- 개수(배위수)는 모두 12개이다. (거짓)

 

 

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* 본문 설명 중 잘못된 부분에 대해 지적해주시면, 참고하여 수정, 업데이트하도록 하겠습니다. 위 문제의 출처는 http://www.kpeet.or.kr 한국약학교육협의회 사이트입니다.