2020학년도 3월(4.24.) 고3 학력평가 화학1 3점 문항 풀이 (1)

 

 

  코로나 때문에 올해 첫 모의고사인 3월 학평이 취소되었다. 대신 4월 24일, 어제 온라인으로 모의고사를 치렀다. 학교마다 각가지 방법으로 학생들이 문제를 접하고, 시험을 치를 수 있도록 고민한 흔적들이 들려왔다. 현재 나는 휴직 중이어서 참여하지 못했지만, 우리 학교에서는 구글클래스룸을 시험 플랫폼으로 개설하고 전학년 시험지를 pdf 로 스캔하여 파일 전환한 뒤 시간 맞춰 문제를 업로드해서 시험을 치렀다고 한다. 답안 마킹은 구글 설문지를 이용했고, 구글 설문지 특성상 엑셀 형태로 정리되기 때문에 바로 성적 처리까지 되었다고 한다. 어떻게 이런 생각을 하셨는지, 정말 대단하다는 생각이 든다.

  나도 그냥 있기 뭐해서 고3 화학1 문제를 풀어 보았다. 학교 특성상 모의고사 문제를 해설할 일이 없었지만, 앞으로 어떤 상황에 놓일지 모르는 일이니 연습 삼아 풀어보았다. 모든 문제를 블로그에 풀이하기에는 내 끈기가 부족할 것 같아 3점짜리 문항만 선별하여 풀이하려 한다. 참고로, 시험 문제와 정답, 해설까지 서울특별시교육청이나 EBSi 홈페이지에서 다운로드 할 수 있다. 공식적으로 제공한 답안 해설지가 이해가 되지 않거나, EBSi 페이지 접속하기 귀찮거나, 모바일 접속했는데 압축파일 풀 방법이 마땅치 않거나, 우연히 검색해서 이 글을 읽게 되었거나, 특정 문제의 해설만을 원하는 경우 정도에 도움이 될 듯하다.

  화학1의 3점 문항은 총 10문제이며, 이번 3월(?) 학력평가의 경우 8, 10, 11, 13, 14, 16, 17, 18, 19, 20번이다. 이번 글에서는 8번부터 14번 문제까지 풀이하고, 다음 글에서 16번부터 20번까지 풀고자 한다. (한 번에 10문제 모두 하기에는 아무래도 나의 끈기가 부족하다.)

 

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2020학년도 3월(4월 24일) 고3 학력평가 화학1 3점 문항 풀이 (8 ~ 14번)

 

 

2020 3월 학력평가 화학1 8번

 

8번 답 ②

  주어진 문제의 두 그림은 '나트륨(다전자 원자)의 오비탈'을 모형으로 나타낸 것입니다. (가)는 s오비탈, (나)는 p오비탈임을 알 수 있습니다. 구체적으로 (가)는 3s 오비탈, (나)는 2p_y 오비탈입니다.

  (가) 오비탈이 3s라는 정보는 에너지 준위를 통해 알 수 있습니다. 주어진 바에 따르면 에너지 준위가 (가) > (나) 인데, 다전자 원자 오비탈의 에너지 준위는 주양자수(n)와 부양자수(l)의 합으로 결정됩니다.

  만약, 문제의 3s와 2p 처럼 주양자수와 부양자수의 합이 같은 경우에는 주양자수가 큰 오비탈의 에너지가 더 높습니다. (참고로 전자가 1개인 수소꼴 원자의 경우에는 다전자 원자와 달리 오직 주양자수에만 에너지가 의존되기 때문에 1s < 2s = 2p < 3s = 3p = 3d 입니다.)

  이정도면 대충 <보기>의 내용을 가려낼 수 있습니다.

ㄱ. (가)는 3s, (나)는 2p이므로 주 양자수(n)는 각각 3과 2로 같지 않습니다. (거짓)

ㄴ. 나트륨의 전자는 총 11개이며, 전자배치는 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ 입니다. p오비탈의 배향까지 고려하여 다시 전자 배치를 해보면, p오비탈은 2p_x² 2p_y² 2p_z² 로 나타낼 수 있습니다. 따라서 오비탈에 채워진 전자 수는 2p_y가 2개 3s는 1개이므로 (나)가 (가)의 2배가 맞습니다. (참)

ㄷ. (가) 오비탈에 들어있는 전자는 3s 전자입니다. s오비탈의 부양자수는 0 입니다. (거짓)

 

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2020 3월 학력평가 화학1 10번

 

10번 답 ①

  화학결합을 설명할 때 사용되는 그래프인 거리-퍼텐셜 그래프입니다. 개인적으로 좋아하는 그래프이기도 합니다. 그래프는 두 입자 사이 거리에 따른 퍼텐셜 에너지의 변화를 보여줍니다.

  그림의 퍼텐셜 에너지가 가장 낮은 지점에서 화학 결합이 형성되며, 두 입자는 일정한 거리를 유지할 수 있습니다. 참고로 결합이 형성되는 지점에서는 두 입자 간 인력과 반발력의 크기가 동일합니다. (위 그래프의 기울기가 (+)인 경우 인력 우세하고, (-)인 경우 반발력이 우세합니다.

  기울기가 0인 지점은 인력과 반발력의 크기가 같습니다. 인력은 r⁶에 반비례하고, 반발력은 r¹²에 반비례하기 때문에 반발력이 거리에 보다 민감하게 작용합니다. 거리가 가까울 때는 반발력 우세, 거리가 멀 때 인력이 우세하게 나타나는 이유이기도 합니다.)

[참고글] 153. 화학 결합과 거리에 따른 에너지 변화

  문제에서는 Na⁺와 Cl^-, 즉 두 이온이므로 이온결합이 형성되는 과정을 보여주고 있습니다. <보기>를 살펴보면,

ㄱ. NaCl의 결합을 형성하는 지점은 거리-퍼텐셜 에너지가 최저가 되는 지점인 r 입니다. (참)

ㄴ. 이온 사이 거리가 r일 때 Na⁺와 Cl^- 사이에는 반발력이 작용합니다. 단지 반대방향으로 인력이 동일하게 작용하고 있기 때문에 두 입자가 이동하지 않고, 일정 거리를 유지(결합)하고 있을 수 있습니다. (거짓)

ㄷ. KCl이 결합을 형성할 때, 이온 사이의 거리는 r보다 클 것입니다. 동일한 알칼리 금속이므로, 전하량은 차이가 없을 것이지만, K⁺는 Na⁺보다 껍질수가 많기 때문에 이온 반지름 역시 큽니다. 따라서 결합을 형성하는 거리는 증가할 것으로 예상할 수 있습니다. (거짓)

 

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2020 3월 학력평가 화학1 11번

 

11번 답 ⑤

  미지의 원자 A ~ C를 찾는 문제입니다. 원소의 주기적 성질을 이용해서 찾아야 할 듯 보입니다. 주어진 원자는 Na, Mg, Al 중 하나라 했습니다. 모두 3주기로 동일하며, 1족, 2족, 13족 원소입니다. 제시된 정보를 살펴보면,

  연속적인 순차적 이온화 에너지의 비가 가장 크다는 것을 통해 A가 Na임을 찾아야 합니다. 이온화 에너지(일반적으로 제1 이온화 에너지)는 다음과 같이 정의합니다.

  제1 이온화 에너지 : 중성 원자 1몰에서 전자 1몰을 떼어내어 1가 양이온을 만드는데 필요한 에너지
  제2 이온화 에너지 : 1가 양이온 1몰에서 전자 1몰을 떼어내어 2가 양이온을 만드는데 필요한 에너지
  제3 이온화 에너지 : 2가 양이온 1몰에서 전자 1몰을 떼어내어 3가 양이온을 만드는데 필요한 에너지

  즉, 분자항과 분모항의 에너지 차이가 극심해야 연속적인 순차적 이온화 에너지의 비가 커집니다. 제 2 이온화 에너지가 비정상적으로 큰 경우는 최외각껍질이 아닌 내부 껍질에서 전자가 제거되는 경우입니다. Na⁺에서 전자를 제거하여 Na²⁺를 만들기 위해서는 내부껍질인 n=2번 껍질에서 전자를 제거해야 하기 때문에 많은 에너지가 필요합니다.

  다음으로 원자가 전자가 느끼는 유효핵전하를 통해 B = Al, C = Mg임을 알 수 있습니다. 동일 주기의 유효핵전하는 원자번호가 커질수록 증가합니다. 따라서 B의 원자번호가 C보다 크다는 것을 알 수 있습니다. 이를 바탕으로 <보기>를 살펴보면,

ㄱ. 원자가 전자 수는 (A) Na = 1, (C) Mg = 2, (B) Al = 3 이므로, B가 가장 큽니다. (참)

ㄴ. 같은 주기 원자의 원자 반지름은 원자번호가 증가할수록 작아집니다. 껍질수의 변화는 없지만, 핵전하가 증가함에 따라 전자가 보다 핵 근처에 붙들려 있게 되기 때문입니다. 따라서 원자번호가 더 작은 A가 C보다 원자 반지름이 큽니다. (참)

ㄷ. 같은 주기에서 제 1 이온화에너지는 일반적으로 원자번호가 증가할수록 커지는 경향을 갖습니다. 주의할 것은 두 군데에서 예외적 경향성이 나타납니다. 2족(Be)과 13족(B) 사이, 15족(N)과 16족(O) 사이에서 발생합니다. 마찬가지로 (C) Mg는 2족이며, (B) Al은 3족입니다. 예외적 경향성에 따라 (B) Al보다 (C) Mg의 이온화 에너지가 더 큽니다. (참)

 

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2020 3월 학력평가 화학1 13번

 

13번 답 ①

  주어진 산화-환원 반응식을 완성하면, 간단하게 해결할 수 있는 문제입니다. 화학반응식의 계수는 일반적으로 미정계수법을 통해 맞추면 확실하긴 합니다. 미정계수법은 주어진 원소의 반응 전후 관계(반응 전후의 원소의 종류와 수는 보존되어야 함)를 이용해서 미지수(계수) 사이의 관계식을 만드는 것입니다.

칼륨(K) : 2a = c  ,  크롬(Cr) : a = d  ,  수소(H) : 2b = c  ,  산소(O) : 7a + b = c + 3d + 6

  위 관계식을 살펴보면, 모두 공통적으로 a로 변환할 수 있습니다. 모두 a로 나타내어 산소(O) 식에 대입하면, 7a + a = 2a + 3a + 6 이 되며, 3a = 6 이 되어 a = 2임을 알 수 있습니다. 관계식에 따라 c = 4 , d = 2 , b = 2 입니다.

  * 위 반응식에서 일일이 미정계수법을 사용하지 않고, 더 간단하게 해결할 수 있는 방법은 산화수 변화를 이용하는 방법입니다. 계수가 이미 완성되어 있는 황의 산화수 변화를 통해 관여한 전체 전자수를 찾아보면, 3S (0*3)에서 3SO₂ (+4*3=+12)로 산화수가 총 12 증가(산화)했음을 알 수 있습니다. 산화-환원 반응에서 주고 받은 전자수는 항상 동일해야 하므로, 환원되는 크롬(Cr) 전체의 산화수 변화는 -12가 되어야 합니다. K₂Cr₂O₇에서 Cr 1개의 산화수는 +6이고, 생성물의 Cr₂O₃의 Cr 1개의 산화수는 +3입니다. 즉, 전체 12의 산화수 감소를 일으키기 위해서는 전체 크롬의 수가 4개이어야 합니다.(-3*4=-12) 따라서 계수 a와 d가 각각 2라는 것을 찾을 수 있습니다. 그럼 자연스럽게 나머지 계수들을 찾아낼 수 있습니다.

ㄱ. 앞서 설명한대로 S의 산화수는 0에서 +4로 증가합니다. (참)

ㄴ. a + b + c + d = 2 + 2 + 4 + 2 = 10 입니다. (거짓)

ㄷ. K₂Cr₂O₇의 크롬은 산화수가 +6에서 +3으로 감소하여 환원됩니다. 자신이 환원되어 남을 산화시키는 물질은 산화제입니다. (거짓)

 

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2020 3월 학력평가 화학1 14번

 

14번 답 ⑤

  X, Y, Z는 2주기 원소이면서 옥텟규칙을 만족합니다. (나)에서 H 원자 3개와 Y 원자 1개가 안정한 화합물을 만드는 것을 보아 Y의 원자가는 3이며, (나)는 NH₃ 라는 것을 알 수 있고, (다)에서 H 원자 2개와 Z 원자 1개가 안정한 화합물을 만드는 것을 보아 Z의 원자가는 2이며, (다)는 H₂O 라는 것을 알 수 있습니다. (가)에서 H 원자 1개, N 원자 1개, X 원자 1개로 안정된 화합물을 만들기 위해서는 X가 C라는 것을 예상할 수 있습니다. 정리하자면, X = C, Y = N, Z = O 이며, (가)는 H-C≡N, (나)는 NH₃, (다)는 H₂O 입니다. <보기>를 살펴보면,

ㄱ. [공유전자쌍 수(결합 수) / 비공유전자쌍 수]가 1보다 큰 것은 (가)=4/1, (나)=3/1 이며, (다)=2/2=1 입니다. (참)

ㄴ. 분자를 구성하는 모든 원자가 동일 평면에 존재하는 것은 (가), (다)이며, (나)는 삼각뿔의 입체 구조를 갖습니다. (참)

ㄷ. (가), (나), (다)는 모두 극성공유결합을 하며, 분자 내 쌍극자모멘트의 합이 0이 아니므로, 극성 분자입니다. (참)

 

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* 분문 설명 중 잘못된 부분에 대해 지적해주시면, 참고하여 수정, 업데이트 하도록 하겠습니다. 위 문제의 출처는 서울특별시 교육청과 EBSi 사이트입니다.

* 2020-04-26 덧붙임

3점 문항 풀이 (2) 16번~ 20번 바로가기  https://stachemi.tistory.com/96

2020년 3월(?) 고3 학력평가 화학1 3점 문항 풀이 (2)