2020 MEET/DEET 자연과학2(일반화학) 기출문제 풀이 (6번~10번)

2020 MEET/DEET 자연과학2(일반화학) 기출문제 풀이 (6번~10번)

[6번 풀이] ①

삼투압이란 반투막을 경계로하여 놓인 두 용액의 농도차에 의해 발생하는 압력이다. 두 용액의 농도 차만큼의 압력이 발생해야 하고, 위의 그림과 같은 U자 관에서는 높이 차가 발생해야 한다. 주어진 (가), (나), (다)에서는 높이 차가 나타나지 않았으며, 삼투압이 발생하기 이전의 비평형 상태인 (가)와 달리 (나)와 (다)는 삼투압에 의해 발생한 높이 차를 해소하기 위한 추가적인 압력이 가해진 이후임을 알 수 있다. 주어진 (나)와 (다)에 제시된 압력값을 통해 삼투압과 염산수용액의 농도를 알아낼 수 있다. 주어진 보기를 살펴보면,

ㄱ. 그림 (나)에서 U자관의 왼쪽 수면 위 압력이 1 atm일 때, 오른쪽 수면 위 압력은 2 atm이다. 이는 용매(물)가 왼쪽에서 오른쪽 방향으로 이동했으며, 이로 인해 발생한 삼투압이 1 atm이라는 것을 의미한다. 용매는 저농도 용액에서 고농도 용액으로 이동하므로, 왼쪽 액체가 순수한 물, 오른쪽 액체가 염산 수용액이다. (참)

ㄴ. 그림 (나)에서 왼쪽과 오른쪽에 압력 차가 1 atm이며, 곧 삼투압에 크기이다. 삼투압은 π=CRT이며, 용질의 입자수에만 의존하는 총괄성 중 하나이다. 다만, 한가지 고려해야하는 사항은 염산은 해리성 용질이기 때문에 반트호프 인자(i)는 2이다. 이를 고려하여 염산 수용액의 농도를 구해보면 아래와 같이 0.02 M이다. (거짓)

ㄷ. 주어진 조건에서 온도나 용액의 농도차가 변하지 않은 이상 삼투압은 1 atm으로 일정해야 한다. 따라서 (P-1.2)atm = 1 atm을 만족해야 하며, P = 2.2 atm이다. (거짓)

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[7번 풀이] ③

주어진 그림 (가)는 동일한 금속 M으로 이루어진 금속결정이며, (나)는 이온결정이다. 결정구조를 살펴보면, (가)는 면심입방구조(face-centered cubic)이며, (나)는 암염(NaCl형) 구조이다.

ㄱ. (가)에서 원자가 차지한 부피비(채움율)은 단위 격자의 부피에서 입자가 차지하고 있는 부피를 나누어 계산할 수 있다. 반지름이 r인 원자로 이루어진 면심입방구조의 단위격자길이(a)와 원자 반지름(r) 사이에는 a^2 = 8r^2의 관계가 성립하며, 구의 부피 공식을 사용한다. (참)

ㄴ. (나)에서 M^2+ 이온과 O^2- 이온은 각각 면심입방구조를 가지고 있다. 입자가 면심입방구조의 배치를 가질 때, 격자의 모서리(1/4*12)와 격자의 중심(1*1)에 팔면체 틈새가 발생한다. 이온이 생성하는 팔면체 틈새자리(배위수=6)에 나머지 이온이 채워져서 생성된 구조가 암염(NaCl형) 구조이다. (참)

ㄷ. 배위수는 해당 원자 주변에 가장 인접하여 위치한 입자의 수로 정의하며, (가)에서 면심입방구조를 이루는 M의 배위수는 12이다. 반면, (나)에서 배위수를 따져주기 위해서는 M^2+ 주위에 가장 인접한 O^2-의 수 또는 그 반대이다. 암염 구조에서 양이온과 음이온의 배위수는 각각 6이다. (위의 보기에서 각 이온이 형성한 팔면체 틈새자리에 입자가 채워졌다는 것에서 배위수가 6임을 쉽게 알 수 있다.) 따라서 (가)에서 M의 배위수는 (나)에서 O^2-의 배위수보다 크다. (거짓)

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[8번 풀이] ⑤

표준생성엔탈피(△H_f)는 표준상태 1몰의 물질이 가장 안정한 홑원소물질로부터 생성되는 과정에서의 엔탈피 변화를 말하며, 가장 안정한 홑원소 물질의 경우 그 값이 0(kJ/mol)이다. 표준반응엔탈피는 주어진 반응 생성물의 생성엔탈피의 총 합에서 반응물의 생성엔탈피 총 합을 빼주어 구할 수 있다. 주어진 표의 S, S2, S8의 표준생성엔탈피를 이용하면, 그림의 엔탈피 변화인 △H_1, △H_2, △H_4를 구할 수 있다.

ㄱ. 결합에너지는 해당 결합 1몰을 끊는데 필요한 에너지 또는 해당 결합 1몰이 생성되면서 안정화되는 에너지로 정의되며, 일반적으로 + 값이다. 즉 다음의 반응에 대한 반응엔탈피의 크기는 S2의 결합엔탈피처럼 취급할 수 있다.

표의 값을 이용하여 구하면, 130 - (2*280) = -430 kJ/mol이 나오고, 결합엔탈피는 이를 끊어내는 과정이므로, +430 kJ/mol 이다. (또는 위의 반응의 역반응을 바로 계산해도 된다.) (참)

ㄴ. 헤스의 법칙을 이용하여 △H_4를 구할 수 있다. 엔탈피는 상태함수이며, 반응 경로에 무관하므로, △H_3은 △H_2와 △H_4의 합과 같다. 이를 위해 △H_2를 먼저 구하면 다음과 같다. 

따라서 △H_4는 다음과 같다. (참)

ㄷ. SO2의 표준생성엔탈피는 주어진 표준반응엔탈피 △H_3 또는 △H_4를 이용하여 구할 수 있다. 이 과정에서 관여하는 O2는 가장 안정한 홑원소물질이며, 표준생성엔탈피가 0이기 때문이다. △H_3 를 이용하여 SO2의 표준생성엔탈피를 구해보면 다음과 같다. (물론, △H_4를 이용해도 같은 결과를 얻을 수 있다. ((-2500+100)/8=-300)) (참)

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[9번 풀이] ④

문제에 주어진 물질의 표준생성엔탈피와 표준생성자유에너지를 이용하여 해당 반응의 표준반응엔탈지와 표준반응자유에너지를 계산할 수 있다. 또한 표준반응엔탈피와 표준반응자유에너지를 이용하여 표준반응엔트로피를 계산할 수 있다.

ㄱ. 반응에서의 내부에너지의 변화는 팽창 일과 열을 발생시킨다. 이에 내부에너지 변화 △U = Q + W = Q - P△V로 나타낸다. (IUPAC 기준) 즉 내부에너지 변화량만큼의 온도변화와 부피변화가 발생한다. 엔탈피는 내부에너지 변화 중 발생한 열에 대한 것이다. 이에 △H = △U + △(PV)로 정의한다. 문제의 CO 의 연소 과정에서 압력 변화와 부피 변화가 각각 어떻게 나타나는지 알 수 없지만, 이상기체상태방정식(PV = nRT)에 근거하여 P와 V의 곱은 어떻게 변할지 알 수 있다. 온도가 일정하기 때문에 PV의 변화는 반응 전후의 기체 몰 수(n) 변화에 의존하게 된다. 위 반응은 기체 몰수가 감소(△n<0)하는 반응이므로 △(PV) = △nRT 는 0 보다 작은 값이 된다. 따라서 엔탈피 변화(△H)보다 내부에너지 변화(△U)가 큰 값을 갖는다. (거짓)

ㄴ. 표준반응자유에너지는 생성물의 표준생성자유에너지의 합에서 반응물의 표준생성자유에너지의 합의 차이로 계산할 수 있다. 이 과정에서 표준상태에서 가장 안정한 홑원소 물질인 산소기체(O2)의 표준생성자유에너지 값은 0 이므로, 생성물 CO2의 표준생성자유에너지 - 반응물 CO의 표준생성자유에너지로 구할 수 있다. 띠리사 -390 - (-140) = -250kJ 이다. (참)

ㄷ. 특정온도에서의 표준반응자유에너지는 표준반응엔탈피와 표준반응엔트로피 값을 통해서도 구할 수 있다. △G = △H - T△S로 나타낼 수 있으며, 이를 이용하면, 알려지지 않은 반응의 표준반응엔트로피를 구할 수 있다. 따라서 -250 = (-390-(-110)) - 300* △S 이며, △S = - 0.1 kJ/K 임을 알 수 있다. (참)

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[10번 풀이] ①

철 6수화물의 리간드(H2O)에서 H+가 이탈하여 착이온이 산으로 작용하는 해리반응을 나타낸 것이다. 두 반응식의 차이는 중심 금속인 철의 산화상태이다.

ㄱ. 주어진 두 가지 경우 모두 반응 전후 중심 금속인 철(Fe)의 산화수 변화는 없다. 첫번째 반응은 +2, 두번째 반응은 +3이다. 기본적으로 산-염기 반응은 산화수의 변화가 없다. 수소가 +1의 산화수를 유지한 채 이온의 형태로 이탈하기 때문에 모든 원소에 대하여 산화수 변화는 없다. (거짓)

ㄴ. 산-염기 평형에서 pH와 산(염기)해리상수 pKa(pKb), 화학종의 농도비로 나타나는 식이 바로 Henderson-Hasselbalch 식이다. 식의 형태는 다음과 같다.

용액의 pH는 해당 물질의 고유한 pKa와 그것의 짝산, 짝염기 존재 비에 따라 결정된다. pH가 고정된 환경에 특정 물질이 첨가된 경우 주위 pH에 따라 물질의 존재비는 고정된다. 철의 산화수가 +2인 [Fe(H2O)6]+2의 해리 반응의 K=10^(-9.5)이므로, pKa=9.5 이며, [짝산]/[짝염기] 비율이 1이다. 따라서 [짝산]/[짝염기] 비율이 100인 경우는 주어진 pKa=pH=9.5 에 비해 짝산의 비율이 100배 많은 경우이므로, 해당 용액의 pH 는 7.5가 된다. (참)

ㄷ. a 의 크기는 [Fe(H2O)6]^3+ 착이온이 [Fe(H2O)6]^2+ 에 비해 강산인가, 약산인가를 판단함으로써 예상할 수 있다. 강산이라면, a > 10^(-9.5)일 것이며, 약산이라면 그 반대일 것이다. 상대적으로 강한 산을 판단하는 과정은 두 물질 중 H+ 이탈이 용이한 물질을 말한다. H+의 이탈은 직접 결합한 원자와 수소와의 결합력이 약하고, 수소에 직접 결합한 원자의 전자가 부족할수록 잘 이루어진다. 두 물질 모두 리간드인 물로부터 수소가 제거되는 과정이기 때문에, 수소에 직접 결합한 원자는 산소로 동일하다. 그러나 중심 금속의 산화수에 차이가 있기 때문에 산화수가 더 큰 [Fe(H2O)6]^3+ 착이온 리간드 산소가 [Fe(H2O)6]^2+ 산소보다 전자가 부족하다. 따라서 [Fe(H2O)6]^3+가 더 강산이며, a > 10^(-9.5) 이다. (거짓)

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* 본문의 설명에 잘못된 부분에 대해 말씀해주시면, 참고하여 수정, 업데이트 하도록 하겠습니다. 위 문제의 출처는 mdeeteet.org 의치학교육입문검사 사이트입니다.