2018 PEET 화학추론(일반화학) 기출문제 21번 풀이

2018 PEET 화학추론(일반화학) 기출문제 21번 풀이

개요

  화학반응속도론 문제입니다. 문제에서 주어진 조건을 통해 화학반응에 대한 속도식을 완성하고, 이를 바탕으로 보기를 해결해야하는 문제입니다. 추론 과정에서 고려해야할 사항이 명쾌하게 드러나지 않는 경우 어려움을 겪을 수 있습니다. 문제에서 주어진 조건과 그래프를 살펴보면, 다음과 같은 사실을 알 수 있습니다.

풀이

•  문제에서 단일 단계 반응이라는 조건이 없으므로, 화학 반응식의 계수를 통해 속도식의 차수를 완성할 수는 없습니다. 하지만, 화학 반응식 A + B → C 를 통해 반응물 A와 B가 1 : 1 몰비로 소모됨을 알 수 있습니다. 초기량에 상관없이 반응에 의해 소모되는 몰수는 A와 B가 같습니다. 즉, 그래프의 0.5a 지점은 A와 B가 모두 0.5a mol만큼 소모된 지점입니다.

•  반응의 속도 법칙은 [B]에 대해 2차라는 설명을 바탕으로, 속도식이  임을 알 수 있습니다. 

•  소모된 A의 몰수가 a 가 되었을 때, 반응 속도가 B의 초기농도에 상관없이 0이 되었습니다. 이는 두 반응물 중 하나가 또는 두 반응물 모두가 소진되었음을 의미합니다.

1. B가 한계 반응물인 경우 : 초기 A의 몰수는 소모한 a mol 에 비해 많은 양이 있었다는 것 ()이 되며, 이는 상대적으로 B의 초기 몰수인 x와 y가 먼저 0이 되었음을 의미합니다. 하지만, B의 초기 몰수가 x와 y로 다르기 때문에, 반응속도가 0이 되는 지점 역시 달라야 합니다. 하지만 제시된 그래프의 B의 초기 몰수에 관계 없이 동일한 시점에 반응이 종결되었다는 것은 B가 한계 반응물이 아니라는 것을 말해줍니다.

2. A가 한계 반응물인 경우 : 초기 A의 몰수가 곧 a mol 이었으며, 이를 모두 소진하여 두 경우 모두 반응 속도가 0이 된 경우입니다. 최종적으로 남아있는 B의 몰수는 x - a, y - a mol이 됩니다.

•  그래프의 x축은 소모한 a의 몰수이지만, 이는 곧 반응이 진행된 시간을 의미하기도 합니다. 반응이 진행되는 동안 일정하게 속도가 감소함을 알 수 있으며, 이는 A에 대한 1차 반응이라는 것을 알 수 있습니다. 따라서 전체 반응 속도식은 이 됩니다.

정리

  위의 풀이를 바탕으로 보기를 살펴보면, 문장의 옳고 그름을 판단할 수 있습니다.

ㄱ. 전체 반응속도식을 통해 A에 1차, B에 2차 반응임을 알 수 있고, 전체 반응차수는 3입니다. 반면 그래프는 시간에 따라 일정한 비율로 속도가 감소하고 있으며, 이는 전체 반응속도가 1차 반응과 유사하게 진행된다는 사실을 알려줍니다. 따라서 초기 B의 양이 A의 양에 비해 과량 첨가되어 있음을 예상할 수 있으며, 이는 x 와 y 모두 다 해당합니다. 이러한 반응을 유사 1차 반응이라 하며, 해당 보기의 y 》 a 는 옳은 표현입니다. (참)

ㄴ. B의 초기 농도 x, y 에 따른 반응속도식을 나타내보면, , 입니다. 이를 통해 반응속도의 상대적 비 2 : 1은  임을 알 수 있습니다. 따라서 해당 보기는 잘못된 표현입니다. (거짓)

ㄷ. "단위 시간당 소모되는 A의 양이 일정하다."는 문장의 뜻은 시간에 대한 반응물의 농도 그래프에서 기울기가 일정하다는 것을 말합니다. 이는 반응 속도(기울기)가 시간에 상관없이 일정하다는 것이며, 이는 반응물의 농도와 무관한 0차 반응을 말하는 것입니다. 그래프를 통해 시간이 지남에 따라 반응속도가 일정하게 감소하는 (유사 1차 반응) 것을 확인할 수 있으므로, 해당 보기는 잘못된 표현입니다.  (거짓)

* 본문의 설명에 잘못된 부분에 대해 말씀해주시면, 참고하여 수정, 업데이트 하도록 하겠습니다. 위 문제의 출처는 kpeet.or.kr 한국약학교육협의회입니다.