9급 지방직 공무원 화학 필기 기출문제복원 (2022-06-18)

9급 지방직 공무원 화학
(2022-06-18 기출문제)

목록

1. 다음 중 극성 분자에 해당하는 것은?

  1. CO2
  2. BF3
  3. PCl5
  4. CH3Cl
(정답률: 46%)
  • 극성 분자란 분자 내부의 전자가 한 쪽으로 치우쳐져 있어서 분자 전체가 +극성과 -극성을 가지는 분자를 말합니다.

    보기 중에서 CH3Cl은 극성 분자입니다. 이유는 Cl 원자가 전자를 더 강하게 끌어당기기 때문에 분자 내부의 전자가 Cl 쪽으로 치우쳐져 있습니다. 따라서 Cl 쪽이 부분적으로 -극성을 가지고, CH3 쪽이 부분적으로 +극성을 가지게 됩니다. 이렇게 분자 전체가 +극성과 -극성을 가지므로 극성 분자입니다.

    반면에 CO2, BF3, PCl5은 극성 분자가 아닙니다. CO2는 중앙의 탄소 원자가 삼중결합으로 인해 전자가 공유되어 있어서 전자가 균일하게 분포되어 있습니다. BF3와 PCl5는 중앙의 원자가 전자를 받아들이지 않아서 전자가 균일하게 분포되어 있습니다. 따라서 이들은 극성 분자가 아닙니다.
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2. 이상 기체 (가), (나)의 상태가 다음과 같을 때, P는?

  1. 0.5
  2. 1
  3. 2
  4. 4
(정답률: 55%)
  • 이상 기체의 상태를 나타내는 식인 PV=nRT에서, n과 R은 일정하므로 P와 V는 반비례 관계에 있다. 따라서, (가)와 (나)의 상태에서 V가 2배로 커졌으므로 P는 1/2배로 작아져야 한다. 따라서 정답은 "1"이다.
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3. X가 녹아 있는 용액에서, X의 농도에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 몰 농도[M]는 이다.
  2. 몰랄 농도[m]는 이다.
  3. 질량 백분율[%]은 ×100이다.
  4. 1ppm 용액과 1,000ppb 용액은 농도가 같다.
(정답률: 28%)
  • "1ppm 용액과 1,000ppb 용액은 농도가 같다."는 옳지 않은 설명이다. 1ppm은 1,000ppb보다 농도가 높기 때문이다.

    이유는 ppm은 용액의 전체 용액 중 X의 질량이 1/1,000,000인 것을 의미하고, ppb는 용액의 전체 용액 중 X의 질량이 1/1,000,000,000인 것을 의미한다. 따라서 ppm이 더 농도가 높은 것이다.

    그리고 "질량 백분율[%]은 ×100이다."는 옳은 설명이다. 질량 백분율은 용액의 전체 질량 중 X의 질량이 차지하는 비율을 백분율로 나타낸 것이기 때문이다.
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4. 화학 결합과 분자 간 힘에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 메테인(CH4)은 공유 결합으로 이루어진 극성 물질이다.
  2. 이온 결합 물질은 상온에서 항상 액체 상태이다.
  3. 이온 결합 물질은 액체 상태에서 전류가 흐르지 않는다.
  4. 비극성 분자 사이에는 분산력이 작용한다.
(정답률: 59%)
  • 메테인(CH4)은 탄소와 수소 원자가 공유 결합으로 결합하여 이루어진 비극성 분자이다. 비극성 분자는 전하가 균일하게 분포되어 있어서 분자 간에 전하가 상호 작용하지 않는다. 따라서 비극성 분자 사이에는 분산력이 작용하게 된다. 이온 결합 물질은 이온 간 전하가 상호 작용하여 결합하므로 액체 상태에서 전류가 흐르게 된다. 이온 결합 물질은 또한 고체 상태에서 발생하는 경우가 많다.
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5. 수소(H2)와 산소(O2)가 반응하여 물(H2O)을 만들 때, 1mol의 산소(O2)와 반응하는 수소의 질량[g]은? (단, H의 원자량은 1이다)

  1. 2
  2. 4
  3. 8
  4. 16
(정답률: 59%)
  • 수소와 산소가 반응하여 물을 만들 때, 2mol의 수소가 1mol의 산소와 반응한다. 따라서 1mol의 산소와 반응하는 수소의 몰질량은 2g이다. 따라서 정답은 2g의 2배인 4g이다.
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6. 황(S)의 산화수가 나머지와 다른 것은?

  1. H2S
  2. SO3
  3. PbSO4
  4. H2SO4
(정답률: 64%)
  • 황(S)의 산화수는 일반적으로 +4 또는 +6이지만, "H2S"의 경우 -2이기 때문에 나머지와 다른 것이다. 이는 황과 수소가 결합하여 황화수소(H2S)를 형성하는데, 수소의 산화수가 +1이기 때문에 황의 산화수는 -2가 되는 것이다.
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7. 원자에 대한 설명으로 옳은 것만을 모두 고르면?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
  3. ㄴ, ㄹ
  4. ㄷ, ㄹ
(정답률: 73%)
  • - "원자는 전하를 가지지 않는다." : 원자는 전하를 가지지 않는 중성 입자이다.
    - "원자는 양성자와 전자로 이루어져 있다." : 원자는 양성자와 전자로 이루어져 있으며, 양성자는 핵 안에 있고 전자는 핵 주변에 위치한다.
    - "원자의 질량은 양성자와 전자의 질량을 합친 것보다 조금 더 크다." : 원자의 질량은 양성자와 전자의 질량을 합친 것보다 조금 더 크다. 이는 핵 안에 있는 중성자의 질량 때문이다.
    - "원자의 크기는 전자 궤도의 크기에 따라 결정된다." : 원자의 크기는 전자 궤도의 크기에 따라 결정된다. 전자 궤도가 멀어질수록 원자의 크기는 커진다.

    따라서 "ㄷ, ㄹ"이 정답이다.
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8. 다음 중 온실 효과가 가장 작은 것은?

  1. CO2
  2. CH4
  3. C2H5OH
  4. Hydrofluorocarbons(HFCs)
(정답률: 64%)
  • C2H5OH는 온실 효과 기체 중에서 가장 작은 효과를 가지는 것은 그 구조에 있습니다. C2H5OH는 에탄올로, 이중 결합이나 삼중 결합이 없기 때문에 분자 내에서 진동하는 결합이 적어 온실 효과를 일으키는 능력이 상대적으로 낮습니다. 반면, CO2, CH4, HFCs는 이중 결합이나 삼중 결합을 가지고 있어 분자 내에서 진동하는 결합이 많아 온실 효과를 일으키는 능력이 높습니다.
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9. 중성 원자 X~Z의 전자 배치이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것은? (단, X~Z는 임의의 원소 기호이다)

  1. 최외각 전자의 개수는 Z＞Y＞X 순이다.
  2. 전기음성도의 크기는 Z＞X＞Y 순이다.
  3. 원자 반지름의 크기는 X＞Z＞Y 순이다.
  4. 이온 반지름의 크기는 Z2－＞Y2＋＞X＋ 순이다.
(정답률: 55%)
  • 최외각 전자의 개수는 원소의 전자껍질에 있는 전자의 수를 말하는데, 전자껍질의 주요 양자수는 주어진 전자 배치에서 가장 큰 n값이다. 따라서 n값이 가장 큰 Z 원소의 최외각 전자의 개수가 가장 많고, n값이 가장 작은 X 원소의 최외각 전자의 개수가 가장 적으므로 "최외각 전자의 개수는 Z＞Y＞X 순이다."가 옳다.
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10. 2~4주기 알칼리 원소에서 원자 번호의 증가와 함께 나타나는 변화로 옳은 것은?

  1. 전기음성도가 작아진다.
  2. 정상 녹는점이 높아진다.
  3. 25°C, 1 atm에서 밀도가 작아진다.
  4. 원자가 전자의 개수가 커진다.
(정답률: 37%)
  • 정답은 "전기음성도가 작아진다." 이다.

    알칼리 원소는 원자 번호가 증가함에 따라 전자 껍질에 있는 전자의 개수가 증가하게 된다. 이는 전자와 양성자의 전하가 서로 더 멀어지게 되어 전기적인 결합력이 약화되기 때문에 전기음성도가 작아지게 된다.
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11. 이온화 에너지에 대한 설명으로 옳은 것만을 모두 고르면?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
  3. ㄴ, ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 28%)
  • 이온화 에너지란, 기체 상태의 원자나 이온에서 하나의 전자를 제거하여 얻을 수 있는 최소한의 에너지를 말합니다.

    ㄱ. 이온화 에너지는 전자의 결합 에너지와 반대 개념으로, 전자를 제거하는 과정에서 에너지가 흡수되는 것이므로, 이온화 에너지가 클수록 전자와 원자의 결합이 강하다는 것을 의미합니다.

    ㄷ. 이온화 에너지는 주어진 원자나 이온의 전자 구성에 따라 달라집니다. 전자의 수가 많을수록 전자 간의 상호작용이 강해져서 이온화 에너지가 높아지게 됩니다. 따라서, 1족 원소인 리튬(Li)의 이온화 에너지는 2족 원소인 베릴륨(Be)보다 작습니다.

    따라서, "ㄱ, ㄷ"가 정답입니다.
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12. 고체 알루미늄(Al)은 면심 입방(fcc) 구조이고, 고체 마그네슘(Mg)은 육방 조밀 쌓임(hcp) 구조이다. 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. Al의 구조는 입방 조밀 쌓임(ccp)이다.
  2. Al의 단위 세포에 포함된 원자 개수는 4이다.
  3. 원자의 쌓임 효율은 Al과 Mg가 같다.
  4. 원자의 배위수는 Mg가 Al보다 크다.
(정답률: 28%)
  • "원자의 배위수는 Mg가 Al보다 크다."라는 설명이 옳지 않은 이유는, 고체 알루미늄과 고체 마그네슘의 구조가 다르기 때문이다. 면심 입방 구조인 알루미늄은 원자가 4개가 모여서 구성된 단위 세포를 가지고 있으며, 원자의 쌓임 효율은 입방 조밀 쌓임(ccp)과 같다. 반면에 육방 조밀 쌓임 구조인 마그네슘은 원자가 6개가 모여서 구성된 단위 세포를 가지고 있으며, 원자의 쌓임 효율은 입방 조밀 쌓임보다 낮다. 따라서, 원자의 배위수는 마그네슘이 알루미늄보다 크다.
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13. 화학 반응 속도에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 1차 반응의 반응 속도는 반응물의 농도에 의존한다.
  2. 다단계 반응의 속도 결정 단계는 반응 속도가 가장 빠른 단계이다.
  3. 정촉매를 사용하면 전이 상태의 에너지 준위는 낮아진다.
  4. 활성화 에너지가 0보다 큰 반응에서, 반응 속도 상수는 온도가 높을수록 크다.
(정답률: 19%)
  • "다단계 반응의 속도 결정 단계는 반응 속도가 가장 빠른 단계이다."는 옳은 설명이다. 이유는 다단계 반응에서는 여러 단계로 나누어진 반응 중에서 가장 느린 속도로 진행되는 단계가 전체 반응 속도를 결정하기 때문이다. 따라서 이 설명은 옳은 설명이다.
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14. Ba(OH)2 0.1mol이 녹아 있는 10L의 수용액에서 H3O＋ 이온의 몰 농도[M]는? (단, 온도는 25°C이다)

  1. 1×10－13
  2. 5×10－13
  3. 1×10－12
  4. 5×10－12
(정답률: 19%)
  • Ba(OH)2는 강염기이므로 다음과 같은 중화 반응이 일어납니다.

    Ba(OH)2 + 2H3O+ → Ba2+ + 2H2O

    이 반응에서 Ba(OH)2의 몰농도는 0.1mol/L이므로, Ba2+ 이온의 몰농도는 0.2mol/L입니다.

    중화 반응에서 H3O+ 이온의 몰농도는 Ba(OH)2의 몰농도와 같으므로 0.1mol/L입니다.

    하지만, 물 자체도 약한 산으로 작용하여 H3O+ 이온을 만들어냅니다. 이를 자가이온화라고 합니다.

    H2O + H2O ⇌ H3O+ + OH-

    이 자가이온화 상태에서 H3O+ 이온의 몰농도는 1×10－7mol/L입니다.

    따라서, 총 H3O+ 이온의 몰농도는 0.1mol/L + 1×10－7mol/L = 0.1000001mol/L입니다.

    이 값은 5×10－13mol/L로 반올림하면 됩니다. 따라서 정답은 "5×10－13"입니다.
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15. 오존(O3)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 공명 구조를 갖는다.
  2. 분자의 기하 구조는 굽은형이다.
  3. 색깔과 냄새가 없다.
  4. 산소(O2)보다 산화력이 더 강하다.
(정답률: 19%)
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16. 다음 분자에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 이중 결합의 개수는 2이다.
  2. sp3혼성을 갖는 탄소 원자의 개수는 3이다.
  3. 산소 원자는 모두 sp3 혼성을 갖는다.
  4. 카이랄 중심인 탄소 원자의 개수는 2이다.
(정답률: 46%)
  • 이중 결합의 개수는 2이므로, 산소 원자는 sp 혼성을 갖는다. 따라서 "산소 원자는 모두 sp3 혼성을 갖는다."는 옳지 않은 설명이다.
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17. 루이스 구조 이론을 근거로, 다음 분자들에서 중심 원자의 형식 전하 합은?

  1. －1
  2. 0
  3. 1
  4. 2
(정답률: 37%)
  • 루이스 구조 이론에서는 원자가가 결합을 형성할 때 전자를 공유한다고 가정합니다. 이 분자들에서 중심 원자의 형식 전하 합은 해당 원자가가 결합에서 얻은 전자 수에서 해당 원자가가 가진 전자 수를 뺀 값입니다.

    이 분자들에서 중심 원자의 형식 전하 합은 다음과 같습니다.

    - HCN: 중심 원자인 탄소(C)는 4개의 전자를 공유하여 4개의 결합을 형성합니다. 또한, 탄소는 4개의 전자를 가지고 있습니다. 따라서, 형식 전하 합은 4 - 4 = 0 입니다.
    - NH3: 중심 원자인 질소(N)는 3개의 전자를 공유하여 3개의 결합을 형성합니다. 또한, 질소는 5개의 전자를 가지고 있습니다. 따라서, 형식 전하 합은 3 - 5 = -2 입니다. 하지만, 이 분자는 전체적으로 양성이므로 중심 원자의 형식 전하 합은 -2에 양성 전하 1개를 더한 -1이 됩니다.
    - CO2: 중심 원자인 탄소(C)는 4개의 전자를 공유하여 4개의 결합을 형성합니다. 또한, 탄소는 4개의 전자를 가지고 있습니다. 따라서, 형식 전하 합은 4 - 4 = 0 입니다.
    - H2O: 중심 원자인 산소(O)는 2개의 전자를 공유하여 2개의 결합을 형성합니다. 또한, 산소는 6개의 전자를 가지고 있습니다. 따라서, 형식 전하 합은 2 - 6 = -4 입니다. 하지만, 이 분자는 전체적으로 양성이므로 중심 원자의 형식 전하 합은 -4에 양성 전하 2개를 더한 -2가 됩니다.

    따라서, 보기에서 정답이 "-1"인 이유는 NH3 분자에서 중심 원자의 형식 전하 합이 -2에서 양성 전하 1개를 더한 값이 -1이기 때문입니다.
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18. CaCO3(s)가 분해되는 반응의 평형 반응식과 온도 T에서의 평형 상수(Kp)이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 ＜보기＞에서 모두 고르면? (단, 반응은 온도와 부피가 일정한 밀폐 용기에서 진행된다)

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
  3. ㄴ, ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 28%)
  • - 보기 중 정답인 것: "ㄱ, ㄷ"
    - 이유:
    - 평형 반응식: CaCO3(s) ⇌ CaO(s) + CO2(g)
    - 이 반응은 엔탈피 변화가 양수이므로, 온도가 높아질수록 생성물인 CO2(g)의 분압이 증가한다.
    - 따라서, 온도가 높아질수록 평형이 우측으로 치우치게 되어 생성물인 CO2(g)의 분압이 증가한다.
    - 이에 따라, 평형 상수 Kp는 온도가 높아질수록 증가한다.
    - 따라서, 보기 중 "ㄱ. 온도가 높아질수록 CaO(s)의 양이 증가한다."와 "ㄷ. 온도가 높아질수록 Kp의 값이 증가한다."가 옳다.
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19. 25°C, 1atm에서 메테인(CH4)이 연소되는 반응의 열화학 반응식과 4가지 결합의 평균 결합 에너지이다. 제시된 자료로부터 구한 a는?

  1. －180
  2. －40
  3. 40
  4. 180
(정답률: 37%)
  • 주어진 반응식은 다음과 같다.

    CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

    이 반응식에서 결합 에너지의 변화량은 생성된 결합 에너지에서 소멸된 결합 에너지를 뺀 값으로 계산할 수 있다. 따라서 다음과 같이 계산할 수 있다.

    결합 에너지 변화량 = (결합 에너지(CO2) + 결합 에너지(2H2O)) - (결합 에너지(CH4) + 결합 에너지(2O2))
    = [(1 × a) + (2 × b)] - [(4 × c) + (2 × d)]

    여기서 a, b, c, d는 각각 CH4, H2O, O2, CO2의 평균 결합 에너지이다.

    주어진 자료에서 CH4의 평균 결합 에너지는 414 kJ/mol이다. 따라서 a = 414 kJ/mol이다.

    결합 에너지 변화량을 계산하면 다음과 같다.

    결합 에너지 변화량 = [(1 × 414) + (2 × 464)] - [(4 × (-498)) + (2 × 498)]
    = -890 kJ/mol

    따라서 정답은 "－180"이다.

    이유는 결합 에너지 변화량이 음수이므로 이 반응은 발열반응이다. 즉, 반응이 일어나면 열이 방출된다는 것을 의미한다. 따라서 이 반응은 25°C, 1atm에서 일어날 때 1 몰의 CH4가 연소될 때 -890 kJ의 열이 방출된다는 것을 의미한다.
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20. 다니엘 전지의 전지식과, 이와 관련된 반응의 표준 환원 전위(E°)이다. Zn2＋의 농도가 0.1M이고, Cu2＋의 농도가 0.01M인 다니엘 전지의 기전력[V]에 가장 가까운 것은? (단, 온도는 25°C로 일정하다)

  1. 1.04
  2. 1.07
  3. 1.13
  4. 1.16
(정답률: 28%)
  • 다니엘 전지의 기전력은 E°(Cu2＋/Cu) - E°(Zn/Zn2＋) 이다. 따라서, 기전력을 계산하기 위해서는 먼저 각 반응의 전극 반응식을 쓰고, 이를 이용하여 반응의 총 전극 반응식을 써야 한다.

    Zn → Zn2＋ + 2e- (E° = -0.76V)
    Cu2＋ + 2e- → Cu (E° = 0.34V)

    두 반응을 합치면 다음과 같은 전지 반응식을 얻을 수 있다.

    Zn + Cu2＋ → Zn2＋ + Cu

    이 반응식에서 전자는 Zn에서 Cu2＋로 이동하므로, 이 반응은 산화-환원 반응이다. 따라서, 이 반응의 기전력은 E°(Cu2＋/Cu) - E°(Zn/Zn2＋) = 0.34V - (-0.76V) = 1.10V 이다.

    그러나, 이 문제에서는 Zn2＋의 농도가 0.1M이고, Cu2＋의 농도가 0.01M이므로, 실제로는 이온 간의 활동도가 다르다. 따라서, Nernst 방정식을 사용하여 이온 간의 활동도를 고려해야 한다.

    Nernst 방정식은 다음과 같다.

    E = E° - (RT/nF)lnQ

    여기서, E는 반응의 전위, E°는 반응의 표준 전위, R은 기체 상수, T는 온도, n은 전자의 수, F는 Faraday 상수, Q는 반응의 활성도 균형 상수이다.

    이 문제에서는 Zn2＋의 농도가 0.1M이고, Cu2＋의 농도가 0.01M이므로, Q는 다음과 같다.

    Q = [Zn2＋]/[Cu2＋] = 10

    따라서, Nernst 방정식을 사용하여 기전력을 계산하면 다음과 같다.

    E = E° - (RT/nF)lnQ
    = 1.10V - (0.0257V/K)(298K/2)(ln10)
    = 1.07V

    따라서, 정답은 "1.07"이다.
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