2020 PEET 화학추론(일반화학) 기출문제 25번 풀이

2020 PEET 화학추론(일반화학) 기출문제 25번 풀이

개요

• 기체의 압력(P)과 부피(V), 몰수(n)의 관계를 묻는 문제입니다. 온도(T)가 일정할 때, 보일의 법칙에 따라 P와 V의 곱이 일정하며, 이는 기체의 몰수(n)과 비례한다는 사실을 바탕으로 풀어나갑니다.
• 또한 피스톤으로 맞닿아있는 두 기체의 경우에는 평형상태에서 언제나 압력평형을 이루어야 하며, 이에 기체가 차지하는 부피는 기체의 몰수에 비례합니다.
• 본 문제에서 고려해야할 사항은 그림의 ㉠과 ㉡ 영역의 부피 합이 12L, ㉢과 ㉣ 영역의 부피 합이 12L 이라는 사실이며, 피스톤이 움직이면서 ㉠, ㉡, ㉢, ㉣의 부피가 변할 수 있습니다. 이 과정에서 부피는 해당 영역에 포함된 기체의 몰수에 의존합니다.

풀이

1. 초기 몰수 판단하기

• 각 영역 내 기체의 초기 몰수를 판단해야 합니다. 그림의 ㉣ 영역에서 헬륨의 압력이 1atm, 부피가 6L임을 통해 초기 헬륨이 6mol 만큼이 존재한다는 것을 알 수 있습니다. (RT=1이라 가정)
• 이와 압력 평형을 이루고 있는 ㉢ 영역의 압력 또한 1atm 이며, 이에 초기 6mol의 기체 B가 존재함을 알 수 있습니다.

2. 실험과정 (나) : 콕 a를 열었을 때

• 콕 a를 열면, 영역 ㉠의 기체 A와 영역 ㉢의 기체 B가 반응하여 기체 C를 생성하는 반응이 일어납니다. B가 모두 소모되었다는 제시문의 정보를 통해 한계 반응물은 B임을 알 수 있으며, 초기 6mol이 모두 소진되었다는 것 또한 알 수 있습니다.
• 그리고 반응 후 영역  ㉠에서 기체 C의 몰분율은 0.4 (2/5)라는 정보를 이용하면, 기체 A의 초기 몰수를 알아낼 수 있습니다.

• 평형에서의 기체 C의 몰분율이 0.4가 되기 위해서는 최종(final) A의 몰수는 6mol 이어야 하며, ㉡영역의 초기 A의 몰수는 8mol임을 알 수 있습니다.
• 또한 압력 평형을 이루고 있는 ㉡ 영역의 헬륨 또한 초기에 8mol이 존재한다는 사실을 알 수 있습니다.

3. 실험과정 (나)의 반응이 끝난 뒤

• A와 B가 반응하여 C를 생성하는 반응이 종결된 이후 콕 a가 열려있는 상태는 영역 ㉡ | ㉠㉢ | ㉣ 의 형태로 피스톤을 두고 모두 연결된 상태입니다. 즉, 크게 3개의 영역의 압력이 모두 평형을 이루게 된다는 것이며, 이에 따라 피스톤이 움직여 영역별 부피가 변하게 됩니다.
• 반응이 끝난 뒤 전체 입자수는 ㉡(He, 8mol) | ㉠㉢(A+C, 6+4=10mol) | ㉣(He, 6mol) 이며, 24mol이 총 24L의 공간에 분포하고 있으므로, 전체 압력은 1atm이 됩니다.
• 이에 따라 영역별 부피는 ㉡(1atm*8L=8mol) | ㉠㉢(1atm*(4L+6L)=10mol) | ㉣(1atm*6L=6mol) 의 형태가 됩니다.
• 특히  관을 통해 연결된 영역 ㉠과 ㉢의 부피는 각각 4L , 6L가 되면서 기체 A와 C가 해당 부피에 맞게 분배됩니다.

            

4. 콕 a를 닫고, b를 열었을 때

• 일단 평형이 이루어진 이후 콕 a를 닫고, b를 열어도 피스톤의 위치는 변하지 않습니다. 모든 영역의 압력이 1atm으로 평형을 이루고 있기 때문입니다. 다만, 콕 b를 열게 되면, 영역 ㉡ (8L)과 영역 ㉢ (6L)에 존재하는 기체가 확산 현상에 의해 분배됩니다.

            

<보기> 풀이

ㄱ. (나) 과정 후 기체의 밀도는  ㉣과 ㉡이 같습니다. 두 영역에 존재하는 기체는 모두 헬륨이기 때문에 기체의 질량은 기체의 몰수와 관련 있을 것입니다. ㉣에는 (8mol*Mw)/8L, ㉡에는 (6mol*Mw)/6L 이므로, 밀도가 같습니다. 따라서 해당 보기는 (거짓)입니다.

ㄴ. (나) 과정 후 기체의 부피는 ㉢이 6L, ㉡이 8L이므로, 보기에 제시된 문장은 (참)입니다.

ㄷ. (다) 과정 후 기체의 부분압은 전체 압력에 해당 기체의 몰분율의 곱을 통해 구할 수 있습니다. 기체 A의 경우 3.6mol이 존재하기 때문에 P=1atm*(3.6mol/14mol)=9/35 임을 알 수 있습니다. 따라서 보기는 (참) 입니다.

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