2020학년도 3월(4.24.) 고3 학력평가 화학1 3점 문항 풀이 (2)

 

2020학년도 3월(4월 24일) 고3 학력평가 화학1 3점 문항 풀이 (16 ~ 20번)

 

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2020년 3월(?) 고3 학력평가 화학1 3점 문항 풀이 (1)

 

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2020 3월 학력평가 화학1 16

 

16번 답 ⑤

  적정(titration)에서 적가액의 부피 변화를 측정하기 위해 사용하는 실험도구는 뷰렛(burette)입니다. 두께가 일정하고, 긴 유리관에 눈금이 있으며, 끝부분은 가늘고 코크가 달려있습니다. 코크를 여는 정도에 따라 적가 속도를 조절할 수 있습니다.

  일반적으로 가늘고 긴 유리관에 눈금이 있고, 액체 부피 측정에 사용한다는 점에서 피펫(pippet)과 헷갈리는 경우가 많지만 피펫은 뷰렛과 달리 하단부에 코크가 없으며, 피펫 상단부에 필러나 벌브를 장착하여 정확한 양의 액체를 빨아들여 옮기는 방식으로 사용합니다.

ㄱ. 실험에 알맞은 도구는 뷰렛입니다. (거짓)

ㄴ. CH₃COOH(적정액)의 몰농도는 이미 농도를 알고 있는 NaOH(적가액)의 부피를 이용하여 알 수 있습니다. 적정에 사용된 NaOH의 몰수(mol)는 미지 농도 CH₃COOH의 몰수와 같습니다.

  초기 뷰렛 눈금이 3 [mL], 적정이 완료된 지점에서 눈금이 23 [mL]이므로, 사용된 NaOH의 부피는 20 [mL] 입니다. NaOH의 농도가 0.1 M 이었기 때문에 적정에 사용된 NaOH의 몰수는 0.1 [mol/L] x 20 [mL] = 2 [mmol] 입니다.

  CH₃COOH의 부피는 10 [mL] 이므로, [CH₃COOH] x 10 [mL] = 2 [mmol], CH₃COOH의 몰농도는 0.2 M 입니다. (참)

ㄷ. (다)에서 생성된 물의 양은 중화반응에 참여한 산과 염기의 몰수와 같습니다. 따라서 생성된 물은 2 [mmol], 즉 0.002 몰입니다. (참)

 

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2020 3월 학력평가 화학1 17

 

17번 답 ③

  기체 (가)와 (나)의 분자식이 주어졌습니다. (나)의 B질량 / A질량 값이 8/3임을 통해 A = 3k, B = 4k의 원자량을 갖는다고 예상 할 수 있습니다. 바로 <보기>를 살펴보면,

ㄱ. 기체 (가)의 B질량/A질량 값은 4k/3k 이므로 4/3입니다. (참)

ㄴ. 온도와 압력이 일정한 조건에서 기체의 부피는 입자수에만 비례합니다. 즉, 기체의 종류에는 무관하게 동일한 입자수의 기체는 모두 동일한 부피를 갖습니다. 만약 입자수 기준이 1 몰이라면, 이를 몰부피 [L/mol]라고 합니다.

  즉, (가)와 (나) 기체의 몰부피 [L/mol]는 같습니다. 온도와 압력이 같고, 1 몰 기준이라면 몰부피는 같습니다. 두 경우의 몰부피를 구해보면, 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

V₁ [L/g] * (w₁ [g] / 1 [개]) * N_A [개/mol] = V₁*w₁*N_A [L/mol]  또는
V₂ [L/g] * (w₂ [g] / 1 [개]) * N_A [개/mol] = V₂*w₂*N_A [L/mol]

  위의 두 값은 같아야 하므로, V₁w₁*N_A = V₂*w₂*N_A 이며, V₂/V₁ = w₁/w₂ 임을 알 수 있습니다. (거짓)

 ㄷ. 위의 ㄴ에서 구한 바와 같이 기체 1 몰의 부피는 V₁*w₁*N_A [L/mol] 또는 V₂*w₂*N_A [L/mol]로 나타낼 수 있습니다. (참)

  

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2020 3월 학력평가 화학1 18

 

18번 답 ③

  2009 개정 교육과정까지는 화학평형은 화학2에서만 다뤄졌습니다. 이에 화학1 닮은꼴 화학반응에 포함되어 있던 산-염기 중화반응 관련 문제에서 평형에 관한 내용은 모두 빠진 채 몰 수 찾기 문제만 출제가 가능했습니다. 산과 염기 이온화 상수(K_a, K_b) 개념을 사용하지 못하여 바로 다음에 다룰 19번 문제와 같은 유형만 출제가 가능했었습니다.

  2015 개정 교육과정에서는 화학평형 개념이 포함되었습니다. 몰농도도 함께 포함되면서 산-염기 반응에서 필요한 용어와 다룰 수 있는 내용의 다양성을 갖출 수 있게 되었습니다. 더이상 '용액 단위 부피당 이온 수'라는 형태로 몰농도를 에둘러 표현할 필요가 없어졌습니다. 위 문제는 물의 이온화상수(K_w)와 pH 개념을 함께 다루는 문제입니다.

  (가) ~ (다) 용액의 25℃ pH 값이 주어졌기 때문에 용액 내 수소이온농도[H₃O⁺]를 알 수 있습니다. pH = -log[H₃O⁺] 이므로, 몰농도는 (가) 부터 순서대로 10^-4 M, 10^-5 M, 10^-8 M 입니다. 용액의 액성은 (가), (나) 산성, (다) 염기성입니다.

  * 참고로, 교육과정 밖의 이물의 이온화상수(K_w) 값에 따라 산성, 염기성, 중성 조건을 나누는 기준이 달라집니다. 일반적인 조건인 K_w가 10^-14일 때는 수소 이온의 농도가 10^-7(pH = 7)일 때, 중성이지만, 온도가 상승하여 K_w가 10^-12이라면, 수소 이온 농도가 10^-6(pH = 6)이 중성 기준 pH가 됩니다. 이런 경우에는 pH가 6보다 크면, 염기성, 6보다 작으면 산성입니다.

  주어진 <보기>를 살펴보면,

ㄱ. 산성 수용액은 pH가 7보다 작은 (가)와 (나) 2가지입니다. (참)

ㄴ. 수용액 속 H₃O⁺의 양(mol)은 수소이온농도(mol/L = M)에 전체 부피(mL)를 곱하면 알 수 있습니다.(mol/L x mL = mmol) (가)는 10^-4 [mol/L] x 100 [mL] = 1 x 10^-2 [mmol] , (나)는 10^-5 [mol/L] x 500 [mL] = 0.5 x 10^-2 [mmol] 입니다. 따라서 (가)의 몰수가 (나)의 2 배임을 알 수 있습니다. (거짓)

ㄷ. 물의 이온화상수 K_w = [H₃O⁺][OH^-] = 1 x 10^-14 입니다. (다) 용액의 pH가 8이므로 [H₃O⁺]=10^-8이며, [OH^-] = 10^-6입니다. 따라서 [OH^-] / [H₃O⁺] = 10² = 100 입니다. (참)

 

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2020 3월 학력평가 화학1 19

 

19번 답 ②

  지난 교육과정부터 산과 염기의 반응에서 주로 나오던 문제 유형입니다. 중화 반응 이후 용액의 액성을 통해 한계 반응물이 무엇인지 파악할 수 있으며, 전체 음이온 수를 통해 몰수가 많아 남아있는 물질의 초기 몰수를 알 수 있습니다. 이 문제의 특징은 산과 염기 모두 초기 농도를 알려주지 않기 때문에 액성과 전체 음이온의 수를 통해 찾아내야 합니다. 혼합용액 (가)부터 하나씩 살펴보도록 하겠습니다.

  (가) 혼합용액은 중화반응 이후 산성을 띠고 있으며, 이는 NaOH가 모두 반응하였으며, HCl이 반응 후에 남아있다는 의미입니다. 이 과정에서 Cl^-은 중화반응에 직접적으로 참여하지 않아 반응 전후 몰수 변화가 없습니다. 또한 NaOH의 OH^-는 모두 소진되어 남지 않습니다. 즉, 반응 후의 전체 음이온의 수는 Cl^-의 수와 같습니다. Cl^-의 수는 HCl 초기 몰수와 같습니다. 따라서 HCl 80 [mL]에 해당하는 몰수는 2N 이라는 것을 알 수 있습니다.

  (나) 혼합용액은 중화반응 이후 염기성을 띠고 있으며, 이는 HCl이 모두 반응하였으며, NaOH가 반응 후에 남아있다는 의미입니다. 이 과정에서 전체 음이온의 수는 초기 Cl^-의 수 + 남아있는 OH^-의 수입니다. (가)를 통해 80 [mL] 가 2N 임을 알아냈기 때문에 비례식을 통해 30 [mL]에 해당하는 Cl^- 몰수를 구할 수 있습니다.

80 [mL] : 2N [mol] = 30 [mL] : x [mol]          x = 3N/4

  반응 후 전체 음이온의 몰수가 N이므로, 남아있는 OH^-의 몰수는 N/4 , 초기 NaOH의 몰수는 N 임을 알 수 있습니다. NaOH 20 [mL]에 해당하는 몰수는 N 입니다.

  (다) 혼합용액은 (가)의 HCl 절반, (나)의 NaOH 절반이 반응하였으므로, HCl N [mol], NaOH N/2 [mol] 이 반응했음을 알 수 있습니다. 한계 반응물은 NaOH이며, 반응 후 용액의 액성은 산성임을 알 수 있습니다.

  주어진 <보기>를 살펴보면,

ㄱ. 위에서 설명한 바와 같이 (ㄷ) 용액의 액성은 산성입니다. (거짓)

ㄴ. 산과 염기의 몰농도는 초기 몰수를 통해 구할 수 있습니다. N [mol] = [HCl] x 40 [mL] 이며, N [mol] = [NaOH] x 20 [mL] 입니다. 따라서 NaOH 의 몰농도가 HCl의 두 배 입니다. (참)

ㄷ. 생성된 물분자는 반응한 산과 염기의 몰수와 같습니다. 혼합용액 (가)와 (다)에서는 모두 NaOH가 한계 반응물이며, 염기의 초기 몰수만큼 물이 생성됩니다. 초기 농도가 일정한 NaOH의 초기 몰수는 부피에 비례하므로 (가)가 (다)의 3 배 입니다. (거짓)

 

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2020 3월 학력평가 화학1 20

 

20번 답 ④

  y 축 값이 반응 후 A의 부피 x C의 양입니다. 즉, A가 한계 반응물이라면, y 값이 0이 되므로 주어진 조건에서는 언제나 B가 한계 반응물입니다. 즉, 사용한 B가 모두 소진되어 c를 생성합니다. 온도와 압력이 일정한 조건이므로, 기체의 부피는 입자의 몰수에 의존합니다. 초기 A의 몰수를 n이라 가정하고, B 2mol 첨가한 경우를 살펴보면,

  반응 초기 몰수 n와 부피 V, 반응 후 몰수 (n - 1)과 부피(V2) 사이의 관계를 비례식으로 세우면, V : n = V₂ : (n - 1) 입니다. V₂ = V(n - 1)/n 이므로, 반응 후 A의 부피(V₂)와 C몰수의 곱 = 3V/2 = V(n - 1)*c / n 이다. B 6mol 첨가한 경우 또한 살펴보면, 

  반응 후 A의 부피(V₆)와 C몰수의 곱 = 3V/2 = V(n-3)*3c / n 입니다. 위의 식과 함께 연립하여 풀면, (n-1) = 3(n-3) 이며, n = 4 임을 알 수 있습니다. 이를 3V/2 = V(n - 1)*c / n 식에 대입하면, 3/2 = 3c/4 이므로, c = 2 입니다.

  모든 값을 찾았으므로, x를 구해보면, B 4 [mol] 첨가한 경우 남아있는 A의 몰수 = 2 [mol]이며, A 기체 4 [mol]에 해당하는 부피가 V 였으므로 반응 후 A의 부피 = V/2입니다. 생성된 c의 몰수는 소모한 B의 몰수와 동일하게 4 [mol] 입니다. 따라서 x = 4 * 1/2 = 2 입니다.

  문제에서 요구한 c * x 값은 2 * 2 = 4 입니다.

 

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