2020 MEET/DEET 자연과학2(일반화학) 기출문제 풀이 (16번~20번)

2020 MEET/DEET 자연과학2(일반화학) 기출문제 풀이 (16번~20번)

[16번 풀이] ①

과망간산 음이온(MnO4-)과 질산 음이온(NO3-)의 반쪽 반응식을 이용하여 균형 반응식을 구할 수 있다. 과망간산 음이온의 환원 전위가 질산 음이온의 환원 전위보다 크므로, 과망간산 음이온이 환원종, 질산 음이온이 산화종이다. 자발적인 화학 전지를 구성하기 위해서는 전지전위가 0보다 커야 한다. 산화종과 환원종이 주고 받은 전자수는 동일해야 하므로, 각각의 반쪽 반응식에 순서대로 2와 5를 곱하고, 두 식을 빼주면 균형 반응식을 구할 수 있다.

ㄱ. 위 균형 반응식을 통해 알 수 있듯이 a는 5이다. (참)

ㄴ. H+ 이온의 산화수는 1로 반응 전후 변화가 없다. 따라서 H+ 이온은 산화-환원 반응에서 구경꾼 이온이다. 참고로 이 반응에서 산화제로 작용하는 것은 스스로 환원하는 과망간산 음이온이다. 과망간산 음이온에 포함된 망간의 산화수가 +7에서 +2로 감소한다. 환원제는 질산 음이온이다. (거짓)

ㄷ. 표준 전지 전위를 이용하면, 반응의 평형 상수를 구할 수 있다. 화학 전지는 자발적인 화학 반응을 통해 구성되며, 양 전극의 전위차(Ecell = 0)가 0이 되는 순간까지 반응이 진행된다. 이를 평형 관점으로 생각해보면, 전위차가 0이 되는 순간은 곧 평형에 도달하는 순간이며, △G = 0이 되는 순간이다. 이렇게 반응의 자발성(깁스 자유에너지)과 평형 상수 사이의 관계를 보여주는 식이 네른스트 식이다.

자연로그항이 포함된 네른스트식에 25 ℃ 온도 조건과 기체상수 R, 페러데이 상수 F를 대입하여 상용로그 형태로 정리하면, 다음과 같다.

이를 이용하여 평형 상수를 구하면, 다음과 같이 나타난다. (거짓)

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[17번 풀이] ⑤

표준환원전위 표를 통해 Cu^2+ 이온의 환원, Cr^3+, Cr^2+ 이온의 환원에 대한 정보를 알 수 있다. 특히 Cr^3+ 이온은 두 가지 형태로 환원이 이루어진다는 것을 알 수 있다. 라티머 도표를 이용하여 표현하면, 다음과 같다.

ㄱ. 라티머 도표의 각 화살표는 환원 반응 하나를 의미하며, Cr3+가 Cr2+로 환원하는 반응식과 Cr2+가 Cr로 환원하는 반응을 더하여 Cr3+가 Cr로 환원하는 반응을 만들 수 있다.

각 환원 반응에서의 자유에너지는 상태함수이므로, 헤스의 법칙을 적용할 수 있으며, 식은 다음과 같이 정리된다.

각각의 환원전위를 대입하여 (가) = - 0.42 V를 구할 수 있다. (참)

ㄴ. 초기 기전력을 구하기 위해서는 주어진 그림에서의 산화전극과 환원전극에서의 초기 전극전위가 필요하다. 환원전극은 양의 전위값을 갖는 구리이온/구리전극이며, 산화전극은 크롬이온 혼합용액/백금전극이다. 환원전극의 경우 구리 이온의 몰농도가 1M로 표준 상태이므로, 표준환원전위 값인 +0.34V를 갖는다. 반면, 산화전극은 크롬 2+이온과 3+ 이온이 혼합되어 있기 때문에 표준상태라고 할 수는 없다. 네른스트식에 의해 전극전위를 예상할 수 있다. 다행스러운 것은 초기 2+이온과 3+이온의 몰농도가 동일하기 때문에 로그 안의 값이 1이 되어 표준환원전위와 같은 값을 가질 것이다.

따라서 초기 기전력(전지전위)은 +0.34 - (-0.42) = +0.76V 이다. (참)

ㄷ. 반응이 진행되어 환원전극에서 구리가 0.01몰 석출되기 위해서는 총 0.02몰의 전자가 반응에 관여해야 한다. 반면 산화전극에서는 0.02몰의 전자를 내놓기 위해서는 Cr2+ 양이온 0.02몰이 Cr3+양이온으로 산화되어야 한다. (참)

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[18번 풀이] ④

착물은 가시영역 내의 최대 흡수 파장에 해당하는 색의 보색을 띤다. 예를들어 670nm 부근에서 최대 흡수 파장을 갖는 Cu2+ 이온의 경우 청록색을 띤다.

이를 바탕으로 보기의 내용을 살펴보면, 편의상 NiX6, NiY6, NiZ3로 표현하겠다.

1) NiY6의 주황색 부근에 해당하는 최대흡수파장(590nm)을 가지며, 겉보기에 파랑색으로 보인다. 반면, NiZ3의 경우 겉보기 색이 보라색이며, 이는 580nm~560nm 부근의 노란색을 흡수한다는 것을 뜻한다. 따라서 (가)는 590보다 작다.

2) Ni2+은 d8 전자배치를 가지며, 팔면체 착물을 형성하는 경우 강한장, 약한장에 상관없이 모두 동일한 t2g^6 eg^2 전자배치를 갖는다. 이 경우 eg에 배치된 두 개의 홀전자를 가지며, 상자성을 띤다.

3) NiX6의 중심 금속인 Ni2+이온은 총 5개의 d오비탈을 가지며, 팔면체 장에서 t2g와 eg로 갈라짐이 발생한다. 축 사이 방향으로 위치한 d_xy, d_yz, d_zx (t2g)와 축방향으로 위치한 d_x2-y2, d_z2 (eg)로 갈라진다. 이 때, t2g의 3d_xy 오비탈에는 2개의 전자가 채워지지만, eg의 3d_x2-y2 오비탈에는 1개의 전자만 채워진다.

4) 두자리 리간드인 Z도 팔면체 착물을 형성하고, Ni2+의 전자수에도 변화가 없으므로, 나머지 착물과 Ni2+의 전자배치는 동일하다. (참)

5) X와 Y 리간드가 형성하는 장의 세기는 최대흡수파장을 통해 알 수 있다. Y가 X에 비해 흡수하는 파장이 단파장영역이므로(720>590), 상대적인 갈라짐은 크게 발생하였다. 따라서 Y가 X보다 강한장 리간드이다.

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[19번 풀이]  ③

화학식이 Co(en)2Cl2Br인 착화합물은 기본적으로 6배위 구조를 가지며, Cl-과 Br-의 배위 위치에 따라 두 종류를 가질 수 있다. 베르너의 표기법에 따라 표현해보면, 한 가지는 [Co(en)2Cl2]Br 과 [Co(en)2ClBr]Cl 이다. 에틸렌디아민의 경우 두자리 리간드이기에 내부배위권과 외부배위권으로 나뉘어질 수 없다.

이를 바탕으로 A와 B를 구분해보면, A가 [Co(en)2ClBr]Cl 이며, B가 [Co(en)2Cl2]Br 이다. 판단 근거는 은이온(Ag+) 첨가에 따른 침전 반응에서 먼저 반응에 참여하는 화학종은 외부배위권에 위치한 음이온이기 때문이다. 이를 토대로 보기의 내용을 살펴보면,

ㄱ. C는 A에서 외부배위권의 Cl-가 이탈한 착이온이므로, [Co(en)2ClBr]+ 이다. (참)

ㄴ. D는 B에서 외부배위권의 Br-가 이탈한 착이온이므로, [Co(en)2Cl2]+ 이다. 이경우 Cl- 리간드의 위치에 따라 cis, trans 기하 이성질체를 가질 수 있다. (참)

ㄷ. C와 D의 입체 이성질체(기하이성질체, 광학이성질체)를 판단해보면, 다음과 같다.

따라서 C와 D의 입체이성질체의 수는 같다. (거짓)

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[20번 풀이] ③

기체의 확산과 관련된 실험 문제이다. 고등학교 교육과정에도 등장하는 실험이다. 산성 기체인 염화수소(HCl)와 염기성 기체인 암모니아(NH3)의 확산 현상으로 인해 중간 부근에서 중화반응 생성물인 염화암모늄(NH4Cl)이 관찰된다. 염화암모늄이 생성된 위치가 어느쪽에 치우쳤는가를 관찰함으로써 기체 분자의 분자량과 운동 속도의 연관성을 찾는 것이 실험에 주된 목적이다. 그레이엄 기체 법칙의 대표적인 실험이기도 하다. 주어진 보기를 하나씩 살펴보면,

1) 암모니아수에서 발생하는 기체는 암모니아(NH3)이다.

2) 흰색 고리의 주성분은 HCl(g) + NH3(g) → NH4Cl(s) 이다.

3) 흰색 고리의 생성 위치는 이동한 기체의 분자량의 제곱근에 반비례한다. 염화수소와 암모니아 중 분자량이 큰 염화수소가 운동 속도가 더 느리며, 이에 염화수소 근처에서 흰색 고리가 생성된다. (참)

4) 시간이 지남에 따라 흰색 고리의 중심이 이동한다면, A쪽으로 이동할 것이다. 약간의 가정을 통해 결과를 예측해보았다. 폭을 갖는 흰색 고리가 유리관에 최초 생성되었고, 흰색고리가 갖는 폭 내부에는 기체가 반응하여 사라졌다고 극단적으로 가정하면, 폭 바깥쪽 부근에서 HCl 기체와 NH3 기체가 확산하여 이 내부 공간을 채울 것이다. 그렇다면, 확산속도가 빠른 NH3가 HCl에 비해 많은 거리를 이동할 것이며, 보다 염산 부근(A쪽)에서 반응이 계속 진행될 것이다. 

(사실 염화암모늄이 생성된 이후 어떻게 될 것인가에 대해서는 생각해본 적이 없다. 위의 3번 보기가 분명한 참이기에 문제를 푸는 과정에서도 크게 신경쓰지 않았다. 풀이를 위한 답을 찾으려고 하려고 하다보니, 이 풀이가 출제 의도에 맞는 답인지 잘 모르겠다.)

5) 기체 분자의 운동 속도는 온도에 비례하므로, 온도가 낮은 조건에서는 확산속도가 느려져 흰색 고리 형성에 걸리는 시간이 길어질 것이다.

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* 본문 설명 중 잘못된 부분을 말씀해주시면, 참고하여 수정, 업데이트 하도록 하겠습니다. 위 문제의 출처는 mdeeteet.org 의치학교육입문검사 사이트입니다.