2021학년도 수능 9월 모의평가(2020.9.16.) 화학1 3점 문항 풀이
어제(2020.9.16.) 2021학년도 고3 수능 9월 모의평가가 시행되었다. 수능 전 마지막 평가원 모의고사이다. 고3 학생들 입장에서 올해 수능은 여러모로 신경이 쓰일 수 밖에 없겠다. 2015 개정 교육과정 첫 수능인데, 하필이면 코로나 비상 시국이라 다방면으로 혼란스럽다. 온라인 개학, 부분 등교, 온라인 상담, 대입 전형 일정 뒤죽박죽인 상황 속에서 정신을 부여잡고, 주위 환경에 흔들리지 않는다는 것은 여간 어려운 일이 아니다. 수능 일정 또한 12월로 평소보다 뒤로 연기되어 어떤 변수들이 발생할지 감도 잡을 수 없다. 아무쪼록 화이팅하고, 학습 의욕을 잃지 않기를 응원한다.
올해 PEET 문제 풀이를 모두 공개하지 못했지만, 직업이 직업인지라 올해 마지막 수능 모의 평가를 그냥 넘길 수 없기에 일단 이것부터 포스팅 하려 한다. 9월 모의 평가 화학1 3점 문항은 4번, 6번, 9번, 10번, 12번, 15번, 16번, 17번, 19번, 20번으로 총 10 문항이다.
풀이 시작!
4번 정답 : ② ㄴ
풀이 :
(가)는 H2O (굽은형), (나)는 CO2 (직선형), (다)는 HCN (직선형)이다. 바로 <보기>를 살펴보면,
ㄱ. 중심 원자에 비공유 전자쌍이 존재하는 분자는 (가) H2O 한 가지이다. (거짓)
ㄴ. 분자 모양이 직선형인 분자는 (나)CO2, (다)HCN 두 가지이다. (참)
ㄷ. 극성 분자는 (가)H2O, (다)HCN 두 가지이다. CO2는 극성공유결합을 하지만, 분자구조가 대칭이어서 쌍극자모멘트가 상쇄되어 무극성 분자이다. (거짓)
6번 정답 : ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ
풀이 :
NaF, NaCl, NaBr, NaI, 이온 결합 화합물의 종류(이온 사이의 거리)에 따른 녹는점의 경향성을 살펴보았다. 경향성을 확인하기 전, 탐구 초기에 가설을 세웠고, 가설이 옳다는 결론을 내렸다. 즉, 초기에 세운 가설을 뒷받침해주는 탐구 결과가 나왔다는 의미다. 표를 통해 양이온과 음이온의 거리가 가까울수록 녹는점이 높아지는 것을 알 수 있다. <보기>를 살펴보면,
ㄱ. NaCl을 구성하는 Na+와 Cl-는 1:1로 결합한다. (참)
ㄴ. 화합물의 녹는점 경향성은 NaF > NaCl > NaBr > NaI 순으로 나타났으며, 양이온이 Na+로 동일한 가운데 음이온의 사이즈가 작아질수록 녹는점이 높아졌다. (참)
ㄷ. 녹는점이 높다(현상)는 것은 양이온과 음이온의 상호작용(정전기적 인력)이 강하게 작용한다는 것을 보여주는 것이다. 표의 결과에 따라 주어진 물질 중 NaF의 정전기적 인력이 가장 크다. (참)
9번 정답 : ③
풀이 :
CH3COOH의 적정 실험 과정을 나타냈으며, 실험 결과 적정에 사용된 NaOH의 부피가 10 mL, 초기 CH3COOH 희석전 원액(stock solution)의 몰농도가 1.0 M이라는 것을 알았다. 이 정보를 이용하여 (가)~(마)의 실험 과정을 살펴보면,
(가)~(나) 1.0 M의 CH3COOH 10 mL에 포함된 CH3COOH의 몰수는 1.0 [mol/L] * 10 [mL] = 10 [mmol]이다.
(나) 물을 채워 100 [mL] 수용액을 만들었다. 따라서 이 희석 용액의 농도는 10 [mmol] / 100 [mL] = 0.1 M 이다.
(다) 위의 (나) 용액 중 일부(ㄴ)를 취해 삼각플라스크에 넣고 지시약을 넣었다. (다)의 용액에 포함된 CH3COOH의 양을 찾기 위한 실험이다.
(라), (마) 적정을 수행할 때, 사용된 적가액의 부피를 측정하기 위해 필요한 기구는 뷰렛(burette)이다. 뷰렛에 농도를 아는 0.2 M NaOH 표준 용액을 넣고, 중화가 끝날 때까지 소모된 부피를 측정한다. 총 10 [mL]이 소모되었다. 즉, 적정에 사용된 NaOH의 몰수는 0.2 [mol/L] * 10 [mL] = 2 [mmol] 이다.
즉, 적정액에 포함된 CH3COOH의 몰수는 2 [mmol]이며, 이는 0.1 [M] * 20 [mL] = 2 [mmol]임을 알 수 있다. 따라서 적정액의 부피는 20 [mL]이다.
10번 정답 : ① ㄱ
풀이 :
(가)는 s 오비탈, (나)는 pz 오비탈이다. 주어진 양자수 정보를 통해 A가 s오비탈 (가)임을 알 수 있다. 주양자수가 n = 1인 경우에는 부양자수 l = 0 (s 오비탈)만 가질 수 있다. 자연스럽게 B는 pz 오비탈 (나)임을 알 수 있다. <보기>를 살펴보면,
ㄱ. (가)는 A이다. (참)
ㄴ. 1s 오비탈의 부양자수는 a = 0이다. 2pz 오비탈의 부양자수 b = 1 이다. a + b = 1 이다. (거짓)
ㄷ. p 오비탈의 자기양자수는 -1, 0, +1의 값(- l ~ + l 까지)을 가질 수 있다. 참고로 고등학교 수준을 벗어나지만, pz의 자기양자수는 0 이다. (거짓)
12번 정답 : ④
풀이 :
원하는 몰농도 용액의 제조 문제이다.
[참고글] : 161. 원하는 농도의 용액 만들기
원하는 농도는 0.3 M 수용액이며, 만들고자하는 부피는 500 mL임을 과정 (라)를 통해 알 수 있다. 즉, 500 mL 부피플라스크에 포함되어야 하는 A의 몰수는 0.3 [mol/L] * 0.5 [L] = 0.15 [mol]이다.
과정 (라)에서 넣어준 A의 양은 과정 (나) 수용액 50 mL에 포함된 A의 몰수와 같다. 즉, 농도를 알 수 없는 (나) 용액 50 [mL]에는 0.15 [mol]의 A가 포함되어 있다는 뜻이다. 용액(나) [mol/L] * 0.05 [L] = 0.15 [mol] 인 셈이다. 용액 (나)의 농도 [mol/L] = 0.15 [mol] / 0.05 [L] = 3 M 이다.
결국, 과정 (가), (나)를 통해 만든 용액은 3 M 용액 250 mL이며, 초기 (가)에서 취한 고체 A의 몰수 = 3 [mol/L] * 0.25 [L] =0.75 [mol] 이다.
A의 화학식량이 60 [g/mol]이므로, 과정 (가)에서 취한 A의 질량 [g] = 0.75 [mol] * 60 [g/mol] = 45 [g] 이다.
15번 정답 : ③ ㄱ, ㄴ
풀이 :
산화-환원 반응에 관한 문제이다. 화학 반응식의 계수가 완성되어 있지 않다. 산화 환원 반응에서 고려해야 할 것은 다음과 같다.
1-1. 산화종은 무엇이며, 총 산화수 변화는?
1-2. 환원종은 무엇이며, 총 산화수 변화는? (전체 관여한 전자수는?)
2-1. 반응 전후의 질량 균형이 유지되고 있는가?
2-2. 반응 전후의 전하 균형이 유지되고 있는가?
가볍게 찾을 수 있는 정보부터 찾아주자. 3Cu2+를 통해 CuS의 계수인 a = 3임을 먼저 알 수 있다. b, c, d 사이의 관계를 등식의 형태로 찾을 수 있지만, 애써 찾기보다 산화종과 환원종을 먼저 찾아보기로 한다. 산화종과 환원종을 먼저 찾아 전체 관여한 전자수를 찾아줄 수 있다.
3CuS의 S2- 산화수는 -2였으나 반응 후 3SO42-가 되었다. 3SO42-에서 S 산화수는 +6이다. S 하나당 산화수는 8이 증가했으며, 산화종의 전체 산화수 변화는 +24이다.
다음으로 환원종을 찾자. 환원종이 무엇이든 전체 산화수 변화는 -24가 되어야 한다. 반응 전 bNO3-의 N 산화수는 +5였으나 반응 후 bNO가 되었다. NO에서의 N 산화수는 +2이다. N 하나당 산화수가 3이 감소했으며, 전체 산화수 24만큼 감소하기 위해서는 b = 8이 되어야 한다.
지금까지 알아낸 정보를 바탕으로 화학 반응식을 완성시켜보자.
3CuS + 8NO3- + c H+ → 3Cu2+ + 3SO42- + 8NO + d H2O
아직, 계수 c, d 가 완성되지 않았지만, 이는 반응 전후 전하 균형을 통해 찾아낼 수 있다. 반응 전 후 전하 변화는 없어야 한다. 반응 전 전하를 띠는 8NO3- + c H+의 전하 합은 반응 후의 3Cu2+ + 3SO42-의 합과 같다. 반응 후 전하 합은 + 6 - 6 = 0 이다. 따라서 c = 8 임을 알 수 있으며, 자연스럽게 d = 4 임을 찾을 수 있다.
3CuS + 8NO3- + 8H+ → 3Cu2+ + 3SO42- + 8NO + 4H2O
ㄱ. CuS는 스스로 산화되며, 다른 화학종을 환원시키는 환원제이다. (참)
ㄴ. c + d = 12, a + b = 11이다. 따라서 c + d > a + b 이다. (참)
ㄷ. NO3- : SO42- 의 반응 몰비는 8 : 3이다. 따라서 2몰의 NO3-가 반응하면, 3/4몰의 SO42-가 생성된다. (거짓)
16번 정답 : ②
풀이 :
동위원소에 관한 문제이다. 동위원소를 갖는 원자가 이원자분자를 생성하는 경우, 참여한 원자의 질량수에 따라 다양한 분자를 생성할 수 있다.
질량수가 a, b인 두 종류의 X 원자가 존재한다면, 이들 원자에 의해 만들어지는 이원자 분자는 aa, ab, ba, bb 이다. 이 경우 ab와 ba는 구분되지 않는 동일한 분자이기 때문에 질량수만을 따져보았을 때, aa, ab(또는 ba), bb 세 가지이다. 문제에서도 이원자 분자가 세 가지의 질량수를 갖기 때문에 X의 동위 원소는 2 가지임을 알 수 있다.
주어진 정보를 통해 X2의 분자량이 (가) > (나) > (다)의 순이라는 것을 알 수 있다. 만약 b > a라면, (가)는 bb, (나)는 ab(또는 ba), (다)는 aa에 의해 만들어진 분자이다.
주어진 마지막 정보는 (다) aa의 존재비가 (나) ab의 존재비의 1.5배라는 것이다. 일단 문제를 풀어나가기 위해서는 분자의 존재비가 무엇에 의해 결정되는지를 살펴볼 필요가 있다.
만약, aX 원자가 존재할 확률이 1/2(50%), b 원자가 존재할 확률이 1/2(50%)라면, aa가 생성될 확률은 1/2 * 1/2로 1/4 (25%)이 된다. 마찬가지로 bb가 생성될 확률 또한 1/4 (25%)이다. 반면, ab가 생성될 확률은 1/2 * 1/2 *2 = 1/2 (50%)이다. ab의 경우 2를 곱해주는 이유는 ab와 ba의 두 경우가 존재하며, 이 둘을 구분할 수 없기 때문이다.
이제 문제에 적용해보자. 질량수 a인 원자 X의 존재 비를 모른다.
질량수 a인 원자의 존재비를 y라고 하자. 나머지는 b로 존재하므로, b의 존재비는 1 - y이다. 만약, aa 분자(다)가 만들어지기 위해서는 존재 비율이 y인 원자 둘이 만나야 한다. aa 분자의 존재 확률은 y*y 이다.
다음으로 ab(또는 ba) 분자(나)가 만들어질 확률은 y * (1 - y) * 2가 된다. (다)가 (나)보다 1.5배 더 존재한다고 했으므로 등식을 세우면 다음과 같다.
y2 = 1.5 * 2y (1 - y) , y = 3 - 3y , y = 0.75 = 3/4
질량수 a인 원자 X의 존재 비율 y = 3/4이며, 질량수 b인 원자 X의 존재 비율 (1 - y) = 1/4이다.
<보기>를 살펴보면,
ㄱ. X의 동위 원소는 2 가지이다. (거짓)
ㄴ. X의 평균 원자량은 동위원소의 질량수에 존재 비를 곱하여 더해준다. 따라서 X의 평균 원자량 = a*(0.75) + b*(0.25) 이다. (나)의 분자량/2 = 0.5a + 0.5b 이다. 질량수가 큰 b가 더 많은 비중을 차지(0.5 > 0.25)하는 (나)의 분자량/2 값이 X의 평균 원자량보다 크다. (참)
ㄷ. 자연계에서 (나)의 존재 비율은 2y (1 - y) 이며, (가)의 존재 비율은 (1 - y)2 이다. (가)와 (나)의 존재비를 비교해보면, 다음과 같다. (거짓)
2y(1 - y) / (1 - y)2 = 2y / (1 - y) y = 3/4 이므로, 6/4 / 1/4 = 6
17번 정답 : ④ ㄴ, ㄷ
풀이 :
아보가드로 법칙에 따라 온도와 압력이 일정할 때, 기체의 부피(V)는 입자수(n)에 의존한다. (가)에서 (나), (나)에서 (다)로 옮겨감에 따라 기존과 다른 기체를 첨가해주고 있으며, 이에 따라 부피가 변화한다. 부피 변화량은 첨가한 기체의 몰수에 의한 것이다. (가), (나), (다)로 변하는 과정에서 부피 변화와 몰수 변화를 알아보자.
먼저 (가)의 A2B4 23 [g]의 몰수가 n [mol]이라고 가정하면, 이 몰수에 해당하는 부피가 V [L]이다. 이후 AB 10 [g]을 첨가하여 (나)에서 부피가 4V/3 [L]만큼 증가했다. 즉, 첨가한 AB 10 [g]의 몰수가 4n/3 [mol]임을 말해준다. 같은 방식으로 A2B w [g]을 첨가하여 (다)에서 부피가 2V [L]만큼 증가했다. 즉, 첨가한 A2B w [g]의 몰수가 2n [mol]임을 알려준다.
첨가한 기체의 화학식이 있기 때문에, 해당 기체의 분자량을 A와 B의 원자량을 통해 나타낼 수 있다.
A2B4의 분자량 = 2A + 4B , AB의 분자량 = A + B , A2B의 분자량 = 2A + B
실린더 (가)와 (나)에서 기체의 질량이 주어졌으므로, 질량 [g]과 분자량 [g/mol]을 이용하여 몰수 [mol]관계를 이끌어낼 수 있다. A2B4의 몰수 : AB의 몰수 = n : 4n/3 이다.
즉, A의 원자량이 7, B의 원자량이 8이라고 가정하면, A2B4의 분자량은 14+32=46이며, (가)에 A2B4의 몰수는 n = 0.5 [mol]이다. (나)에서 AB의 몰수는 A2B4의 4/3배이므로 2/3 [mol]이다. (다)에서 A2B의 몰수는 (가)의 A2B4의 2배이므로, 1 [mol]임을 알 수 있다. <보기>를 살펴보면,
ㄱ. 원자량은 A가 B보다 작다. (거짓)
ㄴ. w [g]은 A2B 1 [mol]에 해당하는 질량(분자량)이다. A2B의 분자량은 2A+B이므로, w = 14+8 = 22 [g]임을 알 수 있다. (참)
ㄷ. (다) 실린더에 포함된 기체는 A2B4 0.5 [mol], AB 2/3 [mol], A2B는 1 [mol]이다. 실린더에 포함된 전체 원자수는 A = (0.5*2) + (2/3) + (1*2) = 3 + 2/3 개 이며, B = (0.5*4) + (2/3) + (1*1) = 3 + 2/3 개이다. 즉, 포함된 원자수는 A와 B가 같다. 따라서 전체 원자수 (A+B) 중 차지하는 A의 원자수는 1/2이다. (참)
19번 정답 : ① ㄱ
풀이 :
N, O는 2주기 원소, Na, Mg는 3주기 원소이다. 문제에서 비교하는 원자 반지름, 이온 반지름, 제 1 이온화 에너지 크기를 비교해보면, 다음과 같다.
원자 반지름 : Na > Mg > N > O, 등전자 이온의 반지름 : N > O > Na > Mg, 이온화 에너지 : N > O > Mg > Na
원자 반지름의 상대값을 나타내는 첫번째 그래프를 통해 W = Na, Y = Mg 임을 알 수 있다. 그리고, 두번째 그래프에서 W(Na)가 Y(Mg)보다 큰 값을 갖는 것을 통해 이온 반지름 그래프라는 것을 알 수 있다.
마지막 그래프는 자연히 제 1 이온화 에너지 그래프인데, 상대적으로 이온화 에너지가 높은 X와 Z가 2주기 원소임을 예상할 수 있다. 이온화 에너지가 X < Z 이므로, X = O, Z = N임을 알 수 있다.
ㄱ. 두 번째 그래프는 이온 반지름 그래프, 세 번째 그래프는 제 1 이온화 에너지 그래프이다. (참)
ㄴ. Mg와 Na의 제 2 이온화 에너지를 비교하면, Na(W)의 제 2 이온화 에너지가 Mg(Y)에 비해 월등히 크다. 왜냐하면, 내부 껍질에서 전자가 제거되어야 하기 때문이다. (거짓)
ㄷ. 원자가 전자가가 느끼는 유효핵전하는 N(Z) < O(X) 이다. 같은 주기에서 핵전하가 1씩 증가하는 것에 비해 가리움은 온전히 1을 갖지 못하기 때문이다. (거짓)
20번 정답 : ④
풀이 :
2015개정 교육과정 산-염기 트렌드는 2가산(H2A type) 방향으로 가닥을 잡나 보다. 개인적으로 마음에 들지는 않지만, 어쩌겠는가. 일개 화학 교사의 의견일 뿐이다. 문제를 풀어보자.
10 [mL]의 NaOH 용액에 1가산인 HA와 2가산인 H2B을 넣는다. 두 산은 모두 완전 해리되는 강산이라고 주어져 있다.
첨가한 산 수용액의 부피가 V, 2V, 3V일 때, 혼합 용액에 존재하는 모든 이온 몰농도 합을 표로 제시해주었다. 몰수도 아니고, 몰농도다. 특정 화학종도 아니고, 짬뽕 되어있는 모든 화학종(이온)의 몰농도가 도대체 무슨 화학적 의미를 갖는지는 아직까지 도저히 모르겠다. 이런 생각에 빠져 시간을 지체하는 학생들(또는 교사들)을 가려내려는 고차원적인 전략인가.
아무튼 <표>를 통해 산을 첨가하지 않은 지점에서, NaOH 용액의 모든 이온(Na+ + OH-) 몰농도가 1 [M]이라고 주어져 있다. 이온성 해리를 고려하지 않은 NaOH의 초기 몰농도는 0.5 [M]이다. NaOH의 부피가 10 [mL]였으므로, 초기 용액에 존재하는 Na+와 OH-의 몰수는 각각 5 [mmol]씩이다.
다시 정신 차리고, (나)와 (다)에 첨가한 ㄱ과 ㄴ이 각각 어떤 산인지 구분해야 한다. 비교 시점은 V [mL]를 첨가한 시점이다. 산의 종류는 다르지만, 첨가한 산의 몰수 [mol]는 나타낼 수 있다. x [mol/L] * V [mL] 이므로, 몰수는 xV [mmol]이다. 즉, 5 mmol의 Na+, 5 mmol의 OH-가 존재하는 용액에 같은 몰수인 xV mmol의 HA 또는 H2B가 첨가된 것이다.
다만 같은 양의 HA와 H2B를 넣어주어도, H2B는 HA보다 H+ 이온을 2 배씩 내놓아, 소모되는 OH- 양이 2배이다. 이는 1가 산과 달리 용액 내 전체 이온의 수를 감소시킨다. 아직 중화점에 도달하지 못했다고 가정하여 전체 이온의 몰수가 어떻게 차이가 있는지 알아보자.
1가산인 HA가 첨가되었을 때는 초기 몰수 10 [mmol]이 유지되고 있으나, 2가산인 H2B를 첨가했을 때는 전체 이온 수가 xV mmol만큼이 줄어들고 있다.
(나)와 (다)의 전체 부피는 동일하기 때문에, 용액 내 존재하는 전체 입자수 차이가 몰농도 크기를 결정한다. <표>의 V [mL] 첨가 시점에서 비교하면, (다)의 농도(3/5=0.6)가 (나)의 농도(1/2=0.5)보다 크다. 이는, 용액 내 존재하는 전체 이온의 수가 (다) > (나)라는 뜻이며, (다)의 과정이 HA 첨가, (나)의 과정이 H2B의 첨가라는 것을 보여준다.
[참고] 만약, V [mL]를 첨가한 시점이 이미 중화점을 넘긴 시점이면 어쩌지?
앞서 1가산을 첨가하는 경우 전체 이온수가 변화 없음(10 mmol)을, 2가산을 첨가하는 경우 전체 이온수가 감소함(10 - xV mmol)을 알았다. 그런데, 만약 산을 V [mL]를 첨가한 시점에서 이미 중화점을 넘어간 상황일 수는 없을까? 염기에 산을 첨가하는 상황을 중화점을 기준으로 구분해보면,
[중화점 이전]
1가산 첨가 : 용액 내 전체 이온수 일정 , 부피 증가 → 몰농도 감소 (부피 증가에 따른 묽힘효과)
2가산 첨가 : 용액 내 전체 이온수 감소 , 부피 증가 → 몰농도 급격히 감소
[중화점 이후]
1가산, 2가산 첨가 : 용액 내 전체 이온수 증가 , 부피 증가 → 이온수와 부피 증가의 경쟁이 있지만, 어쨌든 몰농도 증가
결국 몰농도가 감소는 중화점 이전에만 해당한다. (다)의 a < 3/5라는 정보를 통해 어쨌든 V 첨가 시점은 중화점 도달 전이라는 것을 알려주는 힌트이며, 또한 (나)의 V와 3V에서 몰농도가 같은 것을 통해서는 (나)의 3V는 중화점 이후, V는 중화점 이전이라는 것을 사전에 알려준다.
또한, (나)와 (다)의 V [mL] 첨가 시점에서의 농도를 알고 있기 때문에, V [mL]와 x [M]를 구할 수 있다.
먼저, HA를 V [mL] 첨가했을 때, 모든 이온 몰농도 [M]는 다음과 같다.
10 [mmol] / (10 + V) [mL] = 3/5 [M] , V = 20/3 [mL]
첨가한 V [mL]를 알았으므로, 이를 H2B 첨가했을 때의 모든 이온 몰농도 [M]식에 대입하여 x [M]를 구한다.
10 - xV [mmol] / (10 + V) = 1/2 [M] , V = 20/3 대입 후 정리하면 , x = 1/4 = 0.25 [M]
이제, 문제에서 요구하는 HA 3V = 20 [mL]가 첨가되었을 때의 전체 이온 몰농도 y [M]를 구해보면, 다음과 같다. (첨가한 부피를 보니, 중화점이다.)
y =10 [mmol] / (10 + 20) [mL] = 1/3
* 본문 중 잘못된 설명이나 보충 설명이 필요한 부분에 대해 지적해주시면, 참고하여 수정, 업데이트 하도록 하겠습니다. 위 문제의 출처는 한국교육과정평가원이며, 정답 및 해설 강의는 EBSi 사이트에서도 확인하실 수 있습니다.
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