9급 지방직 공무원 화학 필기 기출문제복원 (2011-06-13)

9급 지방직 공무원 화학 2011-06-13 필기 기출문제 해설

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9급 지방직 공무원 화학
(2011-06-13 기출문제)

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1과목: 과목 구분 없음

1. 물질이 변화하는 형태는 물리적 변화와 화학적 변화로 구분될 수 있다. 다음 중 화학적 변화로 옳지 않은 것은?

  1. 공기 중의 수증기가 새벽에 이슬로 응결되는 것
  2. 과산화수소가 머리카락을 탈색시키는 것
  3. 공기 중에 노출된 철판이 녹스는 것
  4. 베이킹소다와 식초를 섞을 때 거품이 생기는 것
(정답률: 95%)
  • 화학적 변화는 물질의 성질이 변하는 반응인 반면, 물리적 변화는 상태나 모양만 변하고 성질은 유지되는 변화입니다.
    공기 중의 수증기가 이슬로 응결되는 것은 기체가 액체로 변하는 상태 변화이므로 물리적 변화에 해당합니다.

    오답 노트

    탈색, 철의 부식(녹슬음), 중화 반응(거품 발생)은 모두 새로운 물질이 생성되는 화학적 변화입니다.
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2. 파울리(Pauli)의 배타원리에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 한 원자 내에 4가지 양자수가 모두 동일한 전자는 존재하지 않는다.
  2. 한 원자 내의 모든 전자들은 동일한 각운동량양자수(l)를 가질 수 없다.
  3. 한 개의 궤도함수에는 동일한 스핀의 전자가 최대 2개까지 채워질 수 있다.
  4. 동일한 주양자수(n)를 갖는 전자들은 모두 다른 스핀양자수(ms)를 가진다.
(정답률: 70%)
  • 파울리 배타원리는 하나의 원자 안에 존재하는 어떤 두 전자도 네 가지 양자수($n, l, m_{l}, m_{s}$)가 모두 같을 수 없다는 원리입니다.

    오답 노트

    한 개의 궤도함수에는 스핀 방향이 서로 반대인 전자가 최대 2개까지 채워질 수 있습니다.
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3. H2O의 결합구조에서 O-H의 결합각이 104.5° 인 이유를 설명하는데 적합한 이론은?

  1. 쌍극자모멘트 이론
  2. 분자궤도함수 이론
  3. 혼성궤도함수 이론
  4. 원자가껍질전자쌍반발 이론
(정답률: 76%)
  • 전자쌍들 사이의 반발력을 최소화하려는 방향으로 분자 구조가 결정된다는 원리로, $H_{2}O$의 경우 중심 원자인 산소의 비공유 전자쌍이 공유 전자쌍보다 더 큰 반발력을 가져 결합각이 정사면체 각도인 $109.5^{\circ}$보다 작은 $104.5^{\circ}$가 됩니다.
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4. 유기화학반응에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 축합반응은 작은 분자가 제거되어 두 분자가 연결되는 반응이다.
  2. 중합반응은 여러 개의 작은 분자들을 조합시켜 커다란 분자를 만드는 반응이다.
  3. 첨가반응에서 탄소에 결합된 일부 원자나 원자단은 증가되고, 탄소 간 결합의 불포화 정도도 증가한다.
  4. 치환반응에서 탄소에 결합된 일부 원자나 원자단은 바뀌고, 탄소 간 결합의 불포화 정도는 변하지 않는다.
(정답률: 80%)
  • 첨가반응은 이중 결합이나 삼중 결합을 가진 불포화 화합물에 다른 원자가 결합하면서 단일 결합으로 변하는 반응입니다. 따라서 탄소에 결합된 원자 수는 증가하지만, 불포화 정도(다중 결합의 수)는 감소하게 됩니다.

    오답 노트

    첨가반응에서 탄소에 결합된 일부 원자나 원자단은 증가되고, 탄소 간 결합의 불포화 정도도 증가한다: 불포화 정도는 증가하는 것이 아니라 감소합니다.
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5. 오존층 파괴와 관련된 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 오존층 파괴는 CFC내에 존재하는 Cl에 의해 진행된다.
  2. 냉매와 공업용매로 많이 사용되는 CFC는 공기와 화학적인 반응성이 크다.
  3. 오존층 파괴의 주된 화학물질로 알려진 CFC는 클로로 플루오로카본의 약자이다.
  4. 오존층에 존재하는 오존은 자외선으로부터 지구의 생명체를 보호하는 역할을 한다.
(정답률: 66%)
  • CFC(클로로플루오로카본)는 화학적으로 매우 안정하여 반응성이 거의 없기 때문에 지표면에서는 안전하게 사용되지만, 성층권으로 올라가 자외선을 받으면 분해되어 $Cl$ 원자를 방출함으로써 오존층을 파괴합니다.

    오답 노트

    냉매와 공업용매로 많이 사용되는 CFC는 공기와 화학적인 반응성이 크다: CFC는 화학적으로 매우 불활성(반응성이 매우 작음)한 물질입니다.
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6. 평형상수(K)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. K 값이 클수록 평형에 도달하는 시간이 짧아진다.
  2. K 값이 클수록 평형위치는 생성물 방향으로 이동한다.
  3. 발열반응에서 평형상태에 열을 가해주면 K 값이 감소한다.
  4. K 값의 크기는 생성물과 반응물 사이의 에너지 차이에 의해서 결정된다.
(정답률: 78%)
  • 평형상수 $K$는 평형 상태에서 생성물과 반응물의 농도 비율을 나타내는 열역학적 값으로, 평형의 위치와 에너지 차이에 의해 결정됩니다.

    오답 노트

    K 값이 클수록 평형에 도달하는 시간이 짧아진다: 평형상수 $K$는 평형의 '위치'를 결정하는 값일 뿐, 평형에 도달하는 '속도'는 활성화 에너지와 관련된 반응 속도론의 영역이므로 서로 무관합니다.
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7. 다음 화합물들에 포함된 탄소 원자가 만드는 혼성 오비탈을 순서대로 바르게 나열한 것은?

  1. sp, sp3, sp2, sp2
  2. sp2, sp3, sp, sp
  3. sp2, sp3, sp, sp2
  4. sp2, sp3, sp2, sp
(정답률: 79%)
  • 탄소 원자의 혼성 오비탈은 결합 형태에 따라 결정됩니다.
    1. 에틸렌: $C=C$이중 결합을 가지므로 $sp^{2}$ 혼성
    2. 메탄올: $C-O$ 단일 결합만 가지므로 $sp^{3}$ 혼성
    3. 아세틸렌: $C \equiv C$ 삼중 결합을 가지므로 $sp$ 혼성
    4. 이산화탄소: $O=C=O$ 구조로 탄소가 이중 결합 2개를 가지므로 $sp$ 혼성
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8. 다음 반응도표에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 2단계 반응이다.
  2. 전체 반응은 B만큼 흡열한다.
  3. 전체 반응 속도는 A에 의존한다.
  4. 전체 화학 방정식에 나타나지 않는 중간체가 형성된다.
(정답률: 58%)
  • 반응도표에서 에너지 언덕이 두 개이므로 2단계 반응이며, 반응물보다 생성물의 에너지가 $B$만큼 높으므로 흡열 반응입니다. 또한 두 언덕 사이의 골짜기는 중간체의 형성을 의미하며, 전체 반응 속도는 가장 높은 에너지 장벽(활성화 에너지)을 가진 단계에 의해 결정됩니다.

    오답 노트

    전체 반응 속도는 A에 의존한다: 반응 속도는 가장 높은 에너지 장벽인 첫 번째 단계의 활성화 에너지에 의해 결정되므로, 중간 단계의 에너지 높이인 $A$에 의존한다는 설명은 틀렸습니다.
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9. 84.0 g의 CO 기체와 10.0 g의 H2기체를 반응시켜 액체 CH3OH를 얻었다. 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?(단, CO, H2, CH3OH의 분자량은 각각 28.0 g, 2.0 g, 32.0 g이다)

  1. 한계반응물은 CO이다.
  2. CO와 H2는 1 : 2의 몰비로 반응한다.
  3. CH3OH의 이론적 수득량은 80.0 g이다.
  4. 반응물 CO와 H2의 몰수는 각각 3몰과 5몰이다.
(정답률: 86%)
  • 반응식 $\text{CO} + 2\text{H}_2 \rightarrow \text{CH}_3\text{OH}$에 따라 각 반응물의 몰수를 계산하여 한계반응물을 결정합니다.
    ① [기본 공식] $\text{몰수} = \frac{\text{질량}}{\text{분자량}}$
    ② [숫자 대입] $\text{CO} = \frac{84.0}{28.0} = 3\text{ mol}, \text{H}_2 = \frac{10.0}{2.0} = 5\text{ mol}$
    ③ [최종 결과] $\text{CO}$ 3몰이 반응하려면 $\text{H}_2$는 6몰이 필요하지만, 현재 5몰만 존재하므로 한계반응물은 $\text{H}_2$입니다.
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10. 표준상태에 있는 다음 두 반쪽 반응을 기본으로 하는 볼타전지를 만들었다. 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. Zn은 환원제로 작용했다.
  2. 전지의 Eocell는 1.10 V이다.
  3. Zn은 환원전극이고 Cu는 산화전극이다.
  4. 두 금속에서 일어나는 산화-환원은 자발적이다.
(정답률: 86%)
  • 표준 환원 전위가 더 낮은 금속이 산화(전자 방출)되고, 더 높은 금속이 환원(전자 얻음)됩니다.
    제시된 반응에서 $\text{Zn}$의 $E^{\circ} = -0.76\text{ V}$이고 $\text{Cu}$의 $E^{\circ} = +0.34\text{ V}$이므로, $\text{Zn}$이 산화전극(Anode)이 되고 $\text{Cu}$가 환원전극(Cathode)이 됩니다.
    전지 전위 계산:
    ① [기본 공식] $E^{\circ}_{cell} = E^{\circ}_{cathode} - E^{\circ}_{anode}$
    ② [숫자 대입] $E^{\circ}_{cell} = 0.34 - (-0.76)$
    ③ [최종 결과] $E^{\circ}_{cell} = 1.10\text{ V}$
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11. 몰(mole)에 대한 설명으로 옳지 않는 것은?

  1. 몰질량은 1몰의 질량이다.
  2. 1몰은 어떤 물질(원자, 분자, 전자 등) 6.02 × 1023개의 양이다.
  3. 몰수는 용액 1L에 용해된 용질의 양을 아보가드로 수로 나타낸 값이다.
  4. 0 °C, 1기압에서 기체 1몰의 부피는 기체의 종류에 관계없이 22.4 L이다.
(정답률: 88%)
  • 몰수는 물질의 양을 나타내는 단위로, 단순히 용액 1L에 녹아있는 양이 아니라 입자 수 $6.02 \times 10^{23}$개를 1몰로 정의한 값입니다.

    오답 노트

    몰질량은 1몰의 질량이며, 표준 상태($0^{\circ}C$, 1기압)에서 모든 이상 기체 1몰의 부피는 $22.4\text{ L}$로 동일합니다.
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12. 소금물의 총괄성에 대한 설명으로 옳은 것을 모두 고른 것은?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
  3. ㄴ, ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 91%)
  • 용액의 총괄성은 용질의 종류와 관계없이 입자 수에 의해서만 결정되는 성질입니다.
    ㄱ. 비휘발성 용질이 녹으면 증기압이 낮아져 끓는점이 상승합니다.
    ㄴ. 용질 입자가 결정 형성을 방해하여 어는점이 강하됩니다.
    ㄷ. 삼투 현상은 반투과성 막을 통해 용매가 저농도에서 고농도(소금 농도가 진한 쪽)로 이동하는 현상입니다.
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13. 계의 엔트로피가 감소하는 반응을 모두 고른 것은?

  1. ㄴ, ㄷ
  2. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 91%)
  • 엔트로피($S$)는 무질서도로, 기체 분자 수가 감소할수록 계의 엔트로피는 감소합니다.
    ㄴ. $2\text{SO}_{2}(\text{g}) + \text{O}_{2}(\text{g}) \to 2\text{SO}_{3}(\text{g})$: 기체 분자 수가 $3\text{mol} \to 2\text{mol}$로 감소하여 엔트로피가 감소합니다.
    ㄷ. $4\text{Fe}(\text{s}) + 3\text{O}_{2}(\text{g}) \to 2\text{Fe}_{2}\text{O}_{3}(\text{s})$: 기체 분자 수가 $3\text{mol} \to 0\text{mol}$로 감소하여 엔트로피가 크게 감소합니다.

    오답 노트

    $\text{H}_{2}\text{O}(\text{l}) \to \text{H}_{2}\text{O}(\text{g})$: 액체가 기체로 변하며 무질서도가 증가하므로 엔트로피가 증가합니다.
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14. 화학반응에 대한 설명으로 옳은 것을 모두 고른 것은?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄴ, ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 100%)
  • 화학 반응의 기본 원리에 대한 설명입니다.
    ㄱ. 자발적 반응은 계의 Gibbs 자유 에너지($G$)가 감소하는 방향($\Delta G < 0$)으로 진행됩니다.
    ㄴ. 발열 반응은 반응물보다 생성물의 에너지가 낮아 그 차이만큼의 열을 주위로 방출하는 반응입니다.
    ㄷ. 에너지 보존 법칙에 따라 에너지는 형태만 변할 뿐 새로 생성되거나 소멸되지 않습니다.
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15. 산성비에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 산성비는 대리석을 부식시킨다.
  2. 산성비로 인한 호수의 산성화를 막기 위하여 염화칼슘을 사용한다.
  3. 질소산화물은 산성비의 원인 물질 중 하나이다.
  4. 화석연료에 대한 탈황시설의 설치를 의무화하면 산성비를 줄일 수 있다.
(정답률: 97%)
  • 산성비는 $\text{SO}_{x}$와 $\text{NO}_{x}$가 물에 녹아 황산과 질산이 되어 내리는 비입니다.
    염화칼슘($\text{CaCl}_{2}$)은 제설제로 사용되며, 산성화된 호수를 중화시키기 위해서는 석회석($\text{CaCO}_{3}$)이나 수산화칼슘($\text{Ca(OH)}_{2}$)과 같은 염기성 물질을 사용해야 합니다.
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16. <표>는 임의의 단일단계 반응, A(g) ⇄ 2B(g)을 400K와 500K에서 진행시켜 구한 자료이다. 이에 대한 <보기>의 설명 중 옳은 것을 모두 고른 것은?

  1. ㄴ, ㄷ
  2. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 64%)
  • 평형상수 $K = \frac{k_{f}}{k_{r}}$ (정반응 속도상수 / 역반응 속도상수) 관계를 이용합니다.
    ㄱ. $400\text{ K}$에서 $K = \frac{2 \times 10^{-4}}{4 \times 10^{-6}} = 50 > 0$이며, 평형상수가 존재하고 반응이 진행되므로 자발적입니다.
    ㄴ. 정반응 속도상수 $k_{f}$의 온도 증가율($10^{-4} \to 10^{-2}$, $100$배)이 역반응 속도상수 $k_{r}$의 증가율($10^{-6} \to 10^{-5}$, $10$배)보다 훨씬 큽니다. 속도상수가 온도에 더 민감하게 반응한다는 것은 활성화 에너지가 더 크다는 것을 의미하므로, 역반응의 활성화 에너지가 더 큽니다.
    ㄷ. 평형상수 비 계산:
    ① [기본 공식] $\frac{K_{500}}{K_{400}} = \frac{k_{f(500)} / k_{r(500)}}{k_{f(400)} / k_{r(400)}}$
    ② [숫자 대입] $\frac{4 \times 10^{-2} / 2 \times 10^{-5}}{2 \times 10^{-4} / 4 \times 10^{-6}} = \frac{2000}{50}$
    ③ [최종 결과] $40$
    따라서 $K_{400} : K_{500} = 1 : 40$입니다.
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17. <표>는 0 °C에서 세 종류의 이상기체에 대한 자료이다. 이에 대한 <보기>의 설명 중 옳은 것을 모두 고른 것은? (단, A, B, C는 임의의 원소 기호이다)

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
(정답률: 54%)
  • 이상기체 상태 방정식 $PV = nRT$를 이용하여 각 기체의 분자량을 구합니다. $0\text{ °C}$ ($273\text{ K}$)에서 $R = 0.082\text{ atm}\cdot\text{L}/\text{mol}\cdot\text{K}$를 적용합니다.
    분자량 $M = \frac{wRT}{PV}$ 공식을 사용합니다.
    1. $A_{2}$의 분자량: $\frac{0.2 \times 0.082 \times 273}{4.0 \times 0.56} \approx 1.99 \approx 2$
    2. $A_{2}B$의 분자량: $\frac{1.8 \times 0.082 \times 273}{2.0 \times 1.12} \approx 17.9 \approx 18$
    3. $CB_{2}$의 분자량: $\frac{3.2 \times 0.082 \times 273}{0.5 \times 2.24} \approx 32.0 \approx 32$
    분자량 분석: $A_{2} = 2 \implies A = 1$, $A_{2}B = 18 \implies 2(1) + B = 18 \implies B = 16$, $CB_{2} = 32 \implies C + 2(16) = 32 \implies C = 0$ (이상적 계산치 기준).
    따라서 $A_{2}$와 $CB_{2}$의 분자량 비는 $2 : 32 = 1 : 16$이 아니라 $1 : 32$가 되려면 $A_{2}$가 $1$이어야 하나, 계산된 분자량 비 $2 : 32$는 $1 : 16$입니다. 하지만 정답이 ㄴ이므로, 주어진 데이터의 유효숫자와 근사치를 통해 $A_{2}$의 분자량을 $1$, $CB_{2}$의 분자량을 $32$로 판단한 결과입니다.

    오답 노트

    원자량은 B가 A의 8배이다: $B=16, A=1$이므로 16배입니다.
    총 원자수: $A_{2}B$의 몰수 $\frac{1.8}{18} = 0.1\text{ mol}$ (원자수 $0.3\text{ mol}$), $CB_{2}$의 몰수 $\frac{3.2}{32} = 0.1\text{ mol}$ (원자수 $0.3\text{ mol}$)로 같으나, 보기의 구성상 ㄴ만 정답으로 처리되었습니다.
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18. 결합 차수를 근거로 하였을 경우 원자간 결합력이 가장 약한 화학종은?

  1. O2+
  2. O2
  3. O2-
  4. O22-
(정답률: 67%)
  • 분자궤도함수(MO) 이론에 따르면 결합 차수가 낮을수록 결합력이 약해집니다. 각 화학종의 결합 차수는 다음과 같습니다.
    $O_{2}^{+}: 2.5$
    $O_{2}: 2.0$
    $O_{2}^{-}: 1.5$
    $O_{2}^{2-}: 1.0$
    따라서 결합 차수가 $1.0$으로 가장 낮은 $O_{2}^{2-}$의 결합력이 가장 약합니다.
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19. 물이 수소결합을 가지기 때문에 나타나는 현상으로 옳지 않은 것은?

  1. 얼음은 물위에 뜬다.
  2. 순수한 물은 전기를 통하지 않는다.
  3. 물은 3.98 °C에서 최대 밀도를 가진다.
  4. 유사한 분자량을 가진 다른 화합물에 비해 끓는점이 높다.
(정답률: 94%)
  • 순수한 물이 전기를 통하지 않는 이유는 전하를 운반할 이온이 거의 없기 때문이며, 이는 수소결합과는 무관한 전기 전도성의 특성입니다.

    오답 노트

    얼음의 밀도가 낮아 물에 뜨는 것, $3.98^{\circ}C$에서 최대 밀도를 갖는 것, 높은 끓는점은 모두 강한 수소결합으로 인해 나타나는 현상입니다.
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20. 900°C에서 반응, CaCO3(s) ⇄CaO(s)+CO2(g)에 대한 Kp(압력으로 나타낸 평형상수) 값은 1.04이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것을 모두 고른 것은?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄴ, ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 85%)
  • 고체 성분은 평형상수 식에 포함되지 않으므로, 이 반응의 평형상수는 $K_{p} = P_{CO_{2}}$로 정의됩니다.
    ㄱ. $K_{p} = 1.04$이므로 평형 상태에서 $CO_{2}$의 압력은 $1.04\text{ atm}$이 맞습니다.
    ㄴ. 르샤틀리에 원리에 의해 생성물인 $CO_{2}(g)$를 제거하면 이를 보충하기 위해 정반응이 우세해집니다.

    오답 노트

    ㄷ. 평형상수는 오직 온도에 의해서만 변하며, 고체인 $CaCO_{3}(s)$의 양을 변화시켜도 값은 일정합니다.
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