2022학년도 10월 고3 전국연합학력평가 화학1 3점 문항 풀이
9, 10, 12, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20번
한동안 바쁘다는 핑계로 문제 풀이 업로드를 하지 않았다. 매번 문제를 찾아 풀어보기는 하지만, "이게 과연 화학 문제인가?"하는 의문을 갖게하여 풀이를 업로드해야할 의욕이 생기지 않았다. 사실, 맨 뒷 장의 킬러 문항들은 나도 빠르게 풀어내지도 못하고, 풀어내도 기쁘지 않고, 아직도 문제를 통해 전달하고자 하는 화학적 의미도 못찾겠다.
...
9. 정답: ② ㄴ
그저 시간을 끌기 위한 이런 문제 싫다. 원소별로 전자배치를 해보고, 하나씩 따져주면 되기에 어려운 문제라고 말할 수는 없지만, 전자가 2개 들어있는 오비탈 수와 p-오비탈에 들어있는 전자수의 비율이 무슨 화학적 의미를 갖는가? 전자배치하면 하면 알수 있는 단순 정보를 숫자와 비율로만 주는 것은 학생의 어떤 능력을 더 확인하고자 하는가? 전자배치를 할 수 있으며, 각각의 원소가 갖는 특징을 전자 배치로부터 알 수 있는 학생과 이를 빠르게 알아내는(또는 암기하고 있는) 학생은 어떤 능력의 차이를 가지며, 그 차이를 왜 변별하려 하는가?
문제를 풀기 위해, 짝지어진 오비탈 수를 살펴보면, 1개인 것은 헬륨(1주기), 리튬, 2개 인 것은 베릴륨, 붕소, 탄소, 질소, 3개인 것은 산소, 4개인 것은 플루오린, 5개인 것은 네온, 나트륨, 6개인 것은 마그네슘, 알루미늄, 규소, 인, 7개인 것은 황, 8개인 것은 염소, 9개인 것은 아르곤, 칼륨(4주기), 10개인 것은 칼슘(4주기)이다.
[정리] 짝지어진 전자가 있는 오비탈 수
1개 : 헬륨(1주기), 리튬
2개: 베릴륨, 붕소, 탄소, 질소
3개: 산소
4개: 플루오린
5개: 네온, 나트륨
6개: 마그네슘, 알루미늄, 규소, 인
7개: 황
8개: 염소
9개: 아르곤, 칼륨(4주기)
10개: 칼슘(4주기)
하나씩 따져보는 것이 어떤 의미가 있는가? 차라리 예전 학창시절 무지성으로 외웠던 금속의 이온화 경향성 '칼카나마알아철 니주납 (수)구수은백금'이 화학적으로는 더 의미있고, 유용해보이긴 한다.
분수로 주어진 정보로부터 원소를 가려낼 때에는 분자 분모 따로 접근하는 것이 편하다. 전자 수, 오비탈 수 등은 모두 자연수의 형태를 가져야 하므로, 위의 표에서 주어진 숫자가 약분된 숫자라고 생각하는 것이 좋다.
분자, 분모 모두 자연수가 나와야 하므로, 전자가 2개 존재하는 오비탈 수가 7개인 X는 황(S) 뿐이다.
Y는 전자가 2개 들어있는 오비탈 수가 5, 10인 것은 네온, 나트륨, 아르곤, 칼륨(4주기) 중 하나인데, 홀전자가 1개 있어야 하므로, 나트륨(Na)이다.
Z를 가려낼 겸 p-오비탈에 들어있는 전자수를 따져보자. p-오비탈에 전자가 채워지는 것은 5번 붕소 ~ 18번 아르곤까지이며, 최대로 채워질 수 있는 전자수는 12이다. 그리고, 홀전자 개수가 2개인 원소는 p-오비탈에 2개, 또는 4개가 채워진 원소이므로, 탄소, 산소, 규소, 황 중 하나인데, p-오비탈 전자수(분모)와 짝지은 오비탈 수(분자)가 같은 것은 탄소 뿐이다. 따라서 Z는 탄소(C)이다.
탄소 = 2/2, 산소 = 3/4, 규소 = 6/8, 황 = 7/10
X는 황(S), Y는나트륨(Na), Z는 탄소(C)이다.
ㄱ. 탄소의 홀전자는 2개 이다. (거짓)
ㄴ. 3주기 원소는 나트륨(Y)과 황(X), 2개이다. (참)
ㄷ. s-오비탈에 들어있는 전자수는 탄소가 4개, 나트륨이 5개로, Y > Z이다. (거짓)
10. 정답: ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ
pH, pOH, pKw 의 관계를 통한 문제이다. 각각이 수소이온농도 [H+], 수산화이온농도 [OH-], 물의 자동이온화 상수 Kw에 p함수(-log)를 취한 것을 이해하고 있다면, 쉽게 해결할 수 있다. 25도씨 물의 자동 이온화 상수가 10-14이므로, pKw = 14이고, pH + pOH는 14이다.
Kw = [H+][OH-] = 10-14 , pKw = pH + pOH = -log([H+][OH-]) = -log(Kw) = -log(10-14) = 14
표에 주어진 pH - pOH 값과 pH + pOH = 14 두 식을 연립하면, 각 수용액의 pH를 손쉽게 구할 수 있다.
(가) pH + pOH = 14 , pH - pOH = - 8 두 식을 더하면, 2pH = 6 으로 (가) 수용액의 pH는 3, 수소이온농도는 10-3 이다.
(나) pH + pOH =14 , pH - pOH = 10 두 식을 더하면, 2pH = 24 로, (나) 수용액의 pH = 12, 수소이온농도는 10-12 이다.
ㄱ. (가)와 (나)는 HCl과 NaOH 중 하나이므로, (가)가 HCl, (나)가 NaOH이다. (참)
ㄴ. (나) 용액의 pH = 12로, [H+] = 10-12이고, [OH-] = Kw / [H3O+] = 10-14 / 10-12 = 10-2 이다. 따라서, [OH-]/[H3O+] = 1010 이다. (참)
ㄷ. 표에 용액의 부피가 주어졌고, 용액의 수소 이온 농도, 수산화 이온 농도를 알기에 입자수 (mol)도 알 수 있다. (나)의 OH- 몰수/(가)의 H+ 몰수 = 0.5/0.1 = 5이다. (참)
(가) 용액의 H+ 입자 수(mol) = 수소이온농도 * 용액 부피 = 10-3 [mol/L] * 100 [mL] = 0.1 [mmol]
(나) 용액의 OH- 입자 수(mol) = 수산화이온농도 * 용액 부피 = 10-2 [mol/L] * 50 [mL] = 0.5 [mmol]
12. 정답: ③ ㄱ, ㄴ
원소의 주기성은 결국 미지 원소의 위치를 정확하게 정해주는 것이 중요하다. 주어진 원소는 O, F, Mg, Al 이다. 원자 반지름의 크기는 주기율표 왼쪽 아래로 갈수록 커지므로 Mg > Al > O > F이며, 등전자 이온의 이온 반지름은 유효핵전하 크기와 반비례하므로 O2- > F- > Mg2+ > Al3+ 이다.
원자 반지름 W > X > Y , 이온 반지름 Y > Z > X
비금속과 금속 모두 등전자 이온이 되어도 금속끼리, 비금속끼리의 반지름 경향성은 변하지 않는다. (O > F, Mg > Al) 따라서 대소관계가 뒤바뀌는 X와 Y는 서로 다른 종류의 원소(하나가 금속이면, 나머지는 비금속)이어야 한다.
따라서 W > X > Y 는 Mg > Al > O 또는 Mg > Al > F 이며, 자연스레 W = Mg , X = Al 이 된다. 그리고 이온 반지름이 Y > Z > Al 이므로, Z = F , Y = O이다.
ㄱ. Y는 산소(O)이다. (참)
ㄴ. 제 1 이온화에너지는 2족 마그네슘(W)이 13족 알루미늄(X)보다 크다. 안정한 3s 전자를 떼어내는 것보다 에너지가 높은 3p 전자를 떼어내는 것이 유리하여 예외적 경향성이 나타나는 부분이다. (참)
ㄷ. 원자가 전자가 느끼는 유효핵전하는 산소(Y)보다 플루오린(Z)이 작다. (거짓)
14. 정답: ① ㄱ
어떻게 설명하는 것이 좋을까? 사실 공유 전자쌍의 수와, 구성 원자 수, 성분 원소의 종류를 보면, 직관적으로 화합물이 예측 가능한 부분이 있다. C, N, O, F로 구성된 화합물을 자주 접하다보면, 알게되는... 논리적으로 왜 그 화합물이 되어야 하는지를 하나씩 순서를 밟아나가면서 설명하기에 막막한 부분이 있다.
(가)는 NF3, (나)는 FCN, (다)는 COF2이다.
기본적으로는 원소의 원자가를 바탕으로 생각한다. 탄소 원자가는 4, 질소 원자가는 3, 산소 원자가는 2 플루오린 원자가는 1이다. 해당하는 원소가 중심 원자로 존재한다면, 원자가만큼의 공유전자쌍 수(결합선 수)를 갖는다.
(가)는 결합선이 3개인 질소 중심 화합물이며, NF3로 예상 가능하며, W와 X는 질소와 플루오린 중 하나일 것이다.
(나)는 결합선 4개인 탄소 중심 화합물로 (가) 결과에 따라 N과 F를 함께 포함해야하므로 F-C≡N으로 예상할 수 있으며, Y는 탄소임을 알 수 있다.
(다) 역시 결합선 4개인 탄소 중심 화합물로 Z(산소)를 포함해야 하므로, COF2로 예상 가능하다. (다)를 통해 X가 플루오린, W가 질소임을 알 수 있다.
ㄱ. W는 질소이다. (참)
ㄴ. (다) COF2에는 3중 결합이 없고, 탄소-산소 2중 결합이 있다. (거짓)
ㄷ. 전자쌍 반발이론(VSEPR)을 통해 예상한 (가) NF3는 AX3E1 타입으로 삼각피라미드(삼각뿔)형 구조이며, 결합각은 109.5도보다 작다. 반면, (나) FCN은 AX2 타입, 직선형 구조로 결합각이 180도이다. 따라서 (나) > (가)이다. (거짓)
15. 정답: ③ ㄱ, ㄴ
개인적으로 화학반응식, 특히 산화수를 바탕으로 산화-환원 반응식의 계수를 찾고, 산화종, 환원종 등을 가려내는 문제는 화학적 중요도가 있다고 생각하는 편이다. 반응 전후의 질량 균형과 전하 균형은 언제나 유지되어야 한다는 부분을 기억하고 반응에 관여한 전자수를 쉽게 찾아낼 수 있으면, 의외로 수월하게 풀리는 경우가 많다.
(가)에서 반응 전후 전하 균형이 이루어져야 한다. 반응 전 반응물의 전하의 총합은 0이다. 따라서 생성물의 전하 총합도 0이 되어야 한다. 2n = 6 이므로, n = 3이다.
의외로 크롬(Cr)의 산화수가 변하지 않았다. 반응 (가)에서 산화수가 변한 원소는 염소(Cl)와 탄소(C)이다. 염소는 0에서 -1로 산화수가 감소하였으므로 환원되었다. 탄소는 0에서 +2로 증가하였으므로 산화되었다. 원자 개수까지 고려해보면, 총 6개의 전자가 관여했음을 알 수 있다.
(나)의 계수를 맞춰주기 위해 각 원소의 질량관계와 산화수를 살펴보자. 일단 크롬(Cr)의 질량로부터 2a = d 이며, 산소의 질량 관계로부터 7a = e 임을 알 수 있다. 또한 수소의 질량 관계로부터 c = 2e 도 알 수 있다.
이제 산화수 변하를 통해 b와 a의 관계를 살펴보면, 크롬 원자 하나당 +6에서 +3으로 산화수가 3만큼 감소(-3)하며, 관여된 크롬 입자수가 2a개이다. 이것은 철 이온의 산화수 증가 총량과 같아야 한다. 철 이온은 원자 하나당 산화수가 +1 증가하며, b개 관여한다. 따라서 3*2a = b 관계를 만족해야 한다. 정리하면 다음과 같다.
2a =d , 7a = e , c =2e , 6a = b
ㄱ. 자신이 환원되어 다른 화학종을 산화시키는 산화제는 Cl2이다. (참)
ㄴ. n = 3이다. (참)
ㄷ. 모두 a에 관하여 바꾸어 식을 정리하면, ( 2a + 7a ) / ( a + 6a + 14a ) = 9 / 21 이다. (거짓)
16. 정답: ② ㄴ
동위원소 문제다. 양성자, 중성자, 질량수 사이 관계를 찾아야 한다. 질량수 = 양성자 + 중성자이다. 원소 X의 원자번호(양성자수)를 x, 원소 Y의 원자번호(양성자수)를 y라 한다면, aX의 중성자 수는 a - x 이며, bY의 중성자 수는 b - y이다.
bY의 양성자수가 aX 양성자수보다 2만큼 크므로 x + 2 = y이며,
(a+2)X와 bY의 중성자 수가 같으므로 a + 2 - x = b - y 이다.
앞의 x + 2 = y 관계를 대입하면,
x - y = a - b + 2
x - (x + 2) = a - b + 2
b = a + 4
aX와 (b+2)Y의 질량수 비가 2 : 3 이므로, 3a = 2(b + 2) 이다.
위의 b = a + 4의 결과를 대입하면,
3a = 2(a + 4) + 4 이므로,
a = 12 , b = 16 이다.
동위원소의 질량수는 각각 12X , 14X , 16Y , 18Y 이다. 보기를 살펴보면,
ㄱ. b = a + 4 이다. (거짓)
ㄴ. (a+2)X : bY의 질량수 비는 14 : 16 , 즉, 7 : 8 이다. (참)
ㄷ. XY 분자량은 12+16=28, 12+18=14+16=30, 14+18=32 세 가지 경우가 가능하다. (거짓)
17. 정답: ④ 0.2
반응한 금속 A의 몰수를 a [mol], 금속 B의 몰수를 b [mol] 라 하면, 반응한 전체 질량(w =몰수*원자량)은 24a + 27b = 12.6 이다.
금속 A와 수소 기체는 1 : 1 반응 비(몰비)가 있으며, 금속 B와 수소 기체는 1 : 1.5의 반응 비(몰비)가 있으므로, 반응 후 얻어진 15L에 해당하는 수소 기체 전체 몰수는 a + (3b/2) = (15/25) 이다.
질량과 몰수에 대한 두 식을 연립하여 풀면,
24a + 27b = 12.6
a + (3b/2) = 15/25 ☞ 24a + 36b = 14.4
9b = 14.4 - 12.6 = 1.8 , b = 0.2 mol
18. 정답: ② ㄴ
(가), (나), (다) 1 mol 분자에 포함된 원자의 수[mol]는
(가)는 1몰 X + 1몰 Y
(나)는 1몰 Z + n몰 X
(다)는 2몰 Z + n몰 Y이다.
(가)는 X와 Y의 결합비가 같기 때문에 1g에 포함된 원자수가 총 40이라는 것은 20 X + 20 Y 라는 뜻이며, (가)와 (다)에서의 Y 원자수 비가 5 : 4 이므로, (다) 1 g에 포함된 Y 원자수는 16이 된다. 1 g에 해당하는 (다)의 전체 원자수가 24이므로, Z는 8 (=24-16)의 원자수를 갖는다. (다)의 분자식이 Z2Y4이며, 자연스레 (나)의 분자식은 ZX4가 되었다.
1 g에 해당하는 (가) ~ (다) 분자의 몰수를 살펴보면, (가)를 20 몰이라고 했을 때, (다)는 4 몰이 되며, (나)는 125*(1/5) = 25 몰이 된다.
분자량의 단위가 [g/mol]이므로, 각각의 질량과 몰수를 바탕으로 분자량 비를 찾아보면, (가) = 1g / 20 mol = 0.05, (나) = 1g / 25 mol = 0.04, (다) = 1 g / 4 mol = 0.25이다. 분자량 (가) : (나) : (다) = 5 : 4 : 25 이다.
주어진 보기를 살펴보면,
ㄱ. n = 4이다. (거짓)
ㄴ. 상대 몰수는 각 기체의 질량/분자량으로 알 수 있다. (가) = 5 [g] / 5 [g/mol] = 1 [mol]이라면, (나) = 8 [g] / 4 [g/mol] = 2 mol이다. 기체의 양이 (나)가 (가)의 2배이다. (참)
ㄷ. 분자량 비을 통해 X, Y, Z 원자의 원자량을 구해보자. X, Y, Z의 원자량을 각각 x, y, z라 하면,
x + y = 5k , 4x + z = 4k , 2z +4y = 25k
4x + 4y = 20k , 4x + z = 4k 두 식을 서로 빼주면, 4y - z = 16k 이 나오고,
2z + 4y = 25k 식과 연립하면, 3z = 9k가 나온다.
z = 3k , x = k/4 , y = 19k/4 이므로, 원자량 비 x : y : z = 1 : 19 : 12 이다. 따라서 z / (x+y) = 12/20 = 3/5 이다. (거짓)
19. 정답: ① 5/4
실험 I, 넣어준 B의 질량이 3w [g]일 때, 생성된 C의 양이 3이고, 전체 물질의 양은 8이다. 이는, 반응하지 않고, 남은 물질의 양이 5라는 뜻이다. 만약, 3 mol의 C가 생성되었다면, 남아있는 A (또는 B)의 양이 5 mol이라는 뜻이다.
그런데, 여기서 결과적으로 한계 반응물은 B*이며, A가 5 mol이 남는다. (이유는 아래를 참고하자.)
* [실험 I]에서 넣어준 B의 질량이 3w [g]일 때, 한계 반응물은 B 이다.
만약, 실험 I B 3w 첨가시 A가 한계 반응물이었다면, 넣어준 B의 질량이 6w로 늘어도 더이상 C가 생성되지 않음과 동시에 남는 B의 양만 늘기 때문에 전체 물질의 양(분모)만 늘어야 한다.
다시 말해 [C/전체 몰수] 비율이 앞선 3/8 보다 작아져야 한다. 그러나 전체 물질에 대한 C의 비율이 3/4로 늘어난 것을 보면, 먼저보다 반응이 더 진행되었음을 뜻하며, 첫번째 3w 첨가 반응에서의 한계 반응물이 물질 B 이었음을 알려준다.
실험 I, 넣어준 B의 질량이 6w [g]일 때, 생성된 C의 양이 6이고, 전체 물질의 양은 여전히 8이다. 앞선 실험 I의 3w [g] 첨가시에 생성된 C의 양이 3이었으므로, 첨가한 B 6w [g] 모두 반응하여 C를 6 mol만큼 생성했다고 할 수 있다. 남은 A의 양은 2 mol이다. 3w [g]의 B가 반응할 때마다, C는 3 mol이 생성되고, A는 3 mol이 줄어든다는 사실을 알 수 있으며, 따라서 A와 C의 계수는 같다. c = 1 이다.
A + B → C
A와 B, C 계수가 모두 같으므로, B 3w [g]은 3 mol에 해당한다.
실험 I, 넣어준 B의 질량이 3w [g]일 때, 반응한 A의 몰수는 3 mol, 남은 A의 몰수는 5 mol이었으므로, 초기 A의 몰수는 8 mol이었음을 알 수 있다. 마찬가지로 실험 I, 넣어준 B의 질량이 6w [g]일 때, 반응한 A의 몰수는 6 mol, 남은 A의 몰수는 2 mol이다.
A 8w [g] = 8 mol , B 3w [g] = 3 mol
A의 분자량 = 8w/8 = w [g/mol] , B의 분자량 = 3w/3 = w [g/mol]
A 한 분자와 B 한 분자가 반응하여 C 한 분자(A + B → C)를 만들기 때문에, C 분자량은 A와 B 분자량의 합과 같다.
C 분자량 = A 분자량 + B 분자량 = 2w [g/mol]
실험 II에서 C 8w [g]과 B 3w [g], 총 11w [g]을 넣었다. 이를 몰수(mol) 로 환산하면, C는 4 mol, B는 3 mol에 해당한다. C와 D의 반응비가 2 : 1 이므로, 4 mol의 C와 2 mol의 B가 반응하고, 1 mol의 B가 남는다.
반응이 완결되었을 때, 생성된 D와 전체물질 비가 4/5이므로, 생성된 D는 4 mol이다. 소비된 C와 생성된 D의 몰수가 같으므로, D의 계수는 C와 같다. d = 2 이다.
실험 II에서 반응 전 총 11w [g]의 반응물을 넣었고, 남은 것은 4 mol의 D와 1 mol의 B이다. 1 mol의 B가 w [g]이므로, 생성된 4 mol의 D의 질량은 10w [g]이다. D의 분자량은 다음과 같다.D 분자량 = 10w/4 = 5w/2 [g/mol]
따라서 D분자량/C분자량 = 2.5w/2w = 5/4 이다.
20. 정답: ④ 50
풀이 과정이 너무 길고, 부가적인 설명들이 많아 별도의 글로 첨부합니다.
https://stachemi.tistory.com/287
2022학년도 10월(10.12.) 고3 전국연합학력평가 화학1 풀이 [20번]
2022학년도 10월 전국연합학력평가 화학1 풀이 [20번] 20. 정답: ④ 50 3점 문항 풀이를 작성하던 중에 너무 부가적인 설명들이 길어져서, 별도의 글로 뺐다. 역시나 2가 산-염기를 혼합하는 문제이다.
stachemi.tistory.com
* 본문 설명 중 잘못된 부분에 대해 지적해주시면, 참고하여 수정 업데이트하도록 하겠습니다. 해당 문제의 출처는 서울시 교육청과 EBSi입니다.
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