화석 연료, 암모니아 합성, 철의 제련은 인류 문명 발달의 핵심 화학 반응입니다.
ㄱ. 화석 연료(석탄, 석유, 천연가스)는 주로 탄소($C$)와 수소($H$)로 이루어진 탄화수소 화합물입니다.
ㄴ. 암모니아 합성(하버-보슈법)을 통해 질소 비료를 대량 생산함으로써 식량 증산에 결정적인 기여를 하였습니다.
ㄷ. 철의 제련은 철광석($Fe_{2}O_{3}$)을 코크스($C$)로 환원시키는 산화 환원 반응을 이용합니다.

전자 배치를 분석하면 X는 원자 번호 4번(베릴륨), Y는 원자 번호 5번(붕소), Z는 원자 번호 6번(탄소)입니다.
Y는 최외각 전자가 3개인 13족 원소로, $Y_{2}$ 분자를 형성할 때 각 원자가 3개의 전자를 공유하여 3중 결합을 형성합니다.

오답 노트
X의 전자 배치는 훈트 규칙에 위배된다: $2p$ 오비탈에 전자가 하나씩 들어갔으므로 훈트 규칙을 잘 따르고 있습니다.
Z의 전자 배치는 바닥상태이다: $2p$ 오비탈의 전자가 훈트 규칙을 무시하고 쌍을 이루어 배치되었으므로 들뜬 상태입니다.

실험 I에서 특정 온도 이상에서 갑자기 전류가 흐르는 것은 고체 X가 녹아 액체가 되면서 이온이 이동할 수 있게 되었음을 의미하며, 실험 II에서 X의 질량이 증가함에 따라 전류의 세기가 증가하다가 일정해지는 것은 X가 물에 녹아 전해질 수용액이 됨을 보여줍니다. 따라서 X는 이온 결합 물질입니다.
이온 결합 물질은 녹는점이 높고 연성과 전성이 없으며, 외부에서 힘을 가하면 층이 밀리면서 이온 간 반발력으로 인해 쉽게 부서지는 성질이 있습니다.

오답 노트
펴짐성과 뿜힘성이 좋다: 금속 결합 물질의 특징입니다.
한 종류의 원소가 결합한 2원자 분자의 형태이다: 이온 결합 물질은 분자 단위로 존재하지 않고 결정 격자 구조를 이룹니다.

분자의 극성과 전자 배치를 분석합니다.
쌍극자 모멘트: (가) $\text{H}_2\text{CO}$는 극성 분자이고, (나) $\text{BF}_3$는 대칭 구조로 쌍극자 모멘트가 $0$인 무극성 분자이므로 (가)가 더 큽니다.

오답 노트
옥텟 규칙: (나) $\text{BF}_3$의 중심 원자 $\text{B}$는 주변 전자 수가 6개뿐이어서 옥텟 규칙을 만족하지 않습니다.
비공유 전자쌍: (다) $\text{H}_2\text{O}$는 2쌍, (나) $\text{BF}_3$는 $\text{F}$ 원자당 3쌍씩 총 9쌍이므로 (나)가 더 많습니다.

붕소의 평균 원자량은 각 동위 원소의 상대적 질량과 존재비의 곱의 합으로 계산합니다.
① [기본 공식] $\text{Average Atomic Mass} = \sum (\text{Mass} \times \text{Abundance})$
② [숫자 대입] $\text{Average Atomic Mass} = (10 \times 0.2) + (11 \times 0.8)$
③ [최종 결과] $\text{Average Atomic Mass} = 10.8$
따라서 B의 원자량은 10.8이 맞습니다.

오답 노트
양성자 수: 동위 원소는 양성자 수가 같으므로 ${}^{11}\text{B}$와 ${}^{10}\text{B}$의 양성자 수는 동일합니다.
원자 수: 질량이 큰 ${}^{11}\text{B}$가 동일 질량($1\text{g}$) 내에 포함되는 원자 수는 더 적습니다.

수소 원자의 에너지 준위 공식 $E_n = -\frac{13.6}{n^2}\text{eV}$를 이용하여 각 전이의 에너지 차이를 분석합니다.
ㄱ. 전이 a는 $n=2 \rightarrow n=1$ 전이로, 가장 큰 에너지 차이를 가지므로 가장 짧은 파장의 빛을 방출합니다.
ㄴ. 전이 b는 $n=3 \rightarrow n=2$ 전이이고, 전이 c는 $n=4 \rightarrow n=2$ 전이입니다. 에너지 차이는 $|E_4 - E_2| > |E_3 - E_2|$이므로, 전이 c가 방출하는 빛의 에너지가 더 크고 파장은 더 짧습니다.
ㄷ. 전이 a는 라이먼 계열(n=1로 전이)이므로 자외선 영역이며, 전이 b와 c는 발머 계열(n=2로 전이)이므로 가시광선 영역입니다. 따라서 모두 같은 영역의 빛을 방출한다는 설명은 틀렸습니다.

이온화 에너지의 급격한 증가 지점을 통해 원자가 전자를 찾습니다.
A: $E_{4}$에서 $E_{5}$로 급증 $\rightarrow$ 4족 원소 ($\text{Si}$)
B: $E_{3}$에서 $E_{4}$로 급증 $\rightarrow$ 3족 원소 ($\text{Al}$)
ㄱ. 제1 이온화 에너지는 $E_{1}$이 작을수록 금속성이 큽니다. $B(578) < A(787)$이므로 B의 금속성이 더 큽니다.
ㄴ. A는 14족 $\text{Si}$로, 산소와 공유 결합하여 $\text{SiO}_{2}$를 형성합니다. (맞음)
ㄷ. $\text{B}(\text{g}) \rightarrow \text{B}^{2+}(\text{g})$에 필요한 에너지는 $E_{1} + E_{2}$입니다.
$$\text{Energy} = E_{1} + E_{2}$$
$$\text{Energy} = 578 + 1817$$
$\text{Energy} = 2395 \text{ kJ/mol}$ (맞음)

산-염기 정의에 따른 분석입니다.
ㄱ. 반응 (가)에서 $\text{H}_2\text{O}$는 $\text{H}^{+}$를 내어주어 $\text{OH}^{-}$가 되고, $\text{H}_3\text{O}^{+}$는 $\text{H}^{+}$를 받아 $\text{H}_2\text{O}$가 되므로 $\text{H}_2\text{O}$는 $\text{H}_3\text{O}^{+}$의 짝염기입니다.

오답 노트
ㄴ. $\text{NH}_2^{-}$는 수용액에서 $\text{OH}^{-}$를 직접 내놓는 것이 아니라 $\text{H}_2\text{O}$로부터 $\text{H}^{+}$를 받는 브런스태드-로우리 염기입니다.
ㄷ. $\text{CO}_2$는 $\text{H}^{+}$를 가지고 있지 않아 내어줄 수 없으므로 브런스태드-로우리 산이 아니라, 전자쌍을 받는 루이스 산입니다.

나트륨($\text{Na}$)의 반응 분석입니다.
반응 (가): $2\text{Na} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaOH} + \text{H}_2 \uparrow$ (A는 $\text{NaOH}$ 수용액)
반응 (나): $\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$ (B는 $\text{Cl}_2$가스)
반응 (나)의 $\text{HCl}$은 전자쌍을 받는 루이스 산으로 작용합니다.

오답 노트
반응 (가)에서 $\text{Na}$의 전자는 $\text{H}_2\text{O}$의 $\text{H}$로 이동하여 $\text{H}_2$가 됩니다.
A($\text{NaOH}$)는 강염기이므로 BTB 용액에서 파란색을 띱니다.
B($\text{Cl}_2$)는 무극성 분자입니다.
C($\text{HCl}$ 수용액)는 산성이므로 $\text{pH}$는 $7$보다 작습니다.

물질 X의 연소 반응에서 $\text{CaCl}_2$ 관은 $\text{CO}_2$를, $\text{NaOH}$ 관은 $\text{H}_2\text{O}$를 흡수합니다.
C의 질량: $\text{CO}_2$의 몰수 $\times 12 = \frac{0.54}{44} \times 12 \approx 0.147\text{g}$
H의 질량: $\text{H}_2\text{O}$의 몰수 $\times 2 = \frac{1.32}{18} \times 2 \approx 0.147\text{g}$
O의 질량: 전체 질량 - (C 질량 + H 질량) $= 0.74 - (0.147 + 0.147) = 0.446\text{g}$
각 원소의 몰수비: $\text{C} : \text{H} : \text{O} = \frac{0.147}{12} : \frac{0.147}{1} : \frac{0.446}{16} \approx 0.0122 : 0.147 : 0.0278 \approx 1 : 12 : 2.3$ (계산 보정 시 $\text{C}_1\text{H}_4\text{O}_1$ 또는 $\text{C}_2\text{H}_8\text{O}_2$ 계열 분석)
정확한 몰수비 계산: $\text{C} = 0.0123\text{mol}, \text{H} = 0.1467\text{mol}, \text{O} = 0.0279\text{mol} \rightarrow \text{C} : \text{H} : \text{O} = 1 : 12 : 2.26$ (실험식 $\text{C}_2\text{H}_{24}\text{O}_5$ 등 복잡하나 보기 검증)
ㄴ. $\text{O}$와 $\text{H}$ 몰수비: $0.0279 : 0.1467 \approx 1 : 5.2$ (제시된 정답 ㄴ, ㄷ 기준 재분석 시 $\text{C}_2\text{H}_6\text{O}_2$ 등 가능성 검토)
ㄷ. 실험식량: $\text{C}_2\text{H}_6\text{O}_2$일 경우 $12\times2 + 1\times6 + 16\times2 = 62$, $\text{C}_3\text{H}_8\text{O}_3$일 경우 $36+8+48=92$. 주어진 정답 ㄴ, ㄷ이 성립하는 실험식은 $\text{C}_2\text{H}_6\text{O}_2$가 아니며, $\text{C}_2\text{H}_6\text{O}_2$의 몰수비와 질량비를 다시 계산하면 $\text{O} : \text{H} = 2 : 6 = 1 : 3$이며, 실험식량은 $24+6+32=62$가 아닌 $\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_2$ 등 조합 확인 필요. 정답 ㄴ, ㄷ에 따라 $\text{O} : \text{H} = 1 : 3$이고 실험식량이 $74$인 물질은 $\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_2$ ($36+6+32=74$)이며, 이때 $\text{O} : \text{H} = 2 : 6 = 1 : 3$이 성립합니다.

오답 노트
C와 H 질량비는 $36 : 6 = 6 : 1$이므로 $1 : 2$가 아닙니다.