수능(화학II) 필기 기출문제복원 (2014-09-03)

수능(화학II) 2014-09-03 필기 기출문제 해설

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수능(화학II)
(2014-09-03 기출문제)

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1과목: 과목구분없음

1. 다음은 미래 에너지원의 개발에 대한 설명이다.

(가)와 (나)에 해당하는 것으로 가장 적절한 것은? (순서대로 가, 나)

  1. 물, 수소
  2. 물, 산소
  3. 수소, 물
  4. 수소, 산소
  5. 산소, 수소
(정답률: 알수없음)
  • 빛 에너지를 이용하여 물을 분해해 수소를 생산하는 광분해 기술에 대한 설명입니다. 물($H_{2}O$)을 광분해하면 연료로 사용 가능한 수소($H_{2}$)가 생성되며, 수소 연료는 연소 후 다시 물($H_{2}O$)만 생성하므로 환경 오염이 없습니다. 따라서 (가)는 물, (나)는 수소입니다.
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2. 다음은 냉각 팩에 관한 실험이다.

이 실험에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 질산 암모늄( $NH_4NO_3$)이 물에 녹을 때 주변의 열을 흡수하여 온도가 낮아지는 흡열 반응이 일어나는 실험입니다.
    ㄱ. 지퍼 백은 밀봉된 상태이므로 내부에서 물질의 상태 변화나 용해만 일어날 뿐, 질량은 보존됩니다. 따라서 감소한다는 설명은 틀렸습니다.
    ㄴ. 주변이 차가워지는 것은 계가 에너지를 흡수하는 흡열 반응이기 때문입니다. 발열 반응이라는 설명은 틀렸습니다.
    ㄷ. 흡열 반응의 경우 엔탈피 변화 $\Delta H$는 0보다 큽니다. 따라서 옳은 설명입니다.
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3. 표는 수소 화합물 (가)~(라)에 대한 자료이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄱ, ㄷ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 분자 구조와 분자 간 인력, 끓는점의 관계를 분석하는 문제입니다.
    ㄱ. $PH_3$는 $SiH_4$보다 분자량이 크고 분자 구조가 유사하므로 분산력이 더 커서 끓는점 $x$는 $-112$보다 큽니다.
    ㄴ. 분산력은 분자량이 클수록 증가합니다. $SiH_4$ (32)가 $CH_4$ (16)보다 분자량이 크므로 분산력은 (다)가 (가)보다 큽니다.
    ㄷ. $H_2O$는 강한 수소 결합을 형성하므로, 분산력과 쌍극자-쌍극자 인력만 갖는 (가), (다)보다 분자 사이의 인력이 가장 큽니다.
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4. 다음은 메탄올(CH3OH)이 연소되는 화학 반응식이다.

그림 (가)~(다)와 같이 CH3OH이 각각 열린계, 닫힌계, 고립계에서 연소되고 있다.

이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? [3점]

  1. (가)에서 계의 엔탈피는 감소한다.
  2. (나)에서 주위의 엔트로피는 감소한다.
  3. (나)에서 계와 주위 사이에 물질 이동은 없다.
  4. (다)에서 계의 엔트로피는 증가한다.
  5. (다)에서 주위의 온도는 변하지 않는다.
(정답률: 알수없음)
  • 계의 종류(열린계, 닫힌계, 고립계)에 따른 에너지와 물질의 이동을 묻는 문제입니다.
    연소 반응은 발열 반응이므로 계의 엔탈피는 감소하고 주위로 열을 방출합니다.
    $\text{ (나)}$는 닫힌계로 물질 이동은 없으나 에너지는 이동합니다. 발열 반응으로 인해 주위로 열이 방출되면 주위의 온도가 상승하므로 주위의 엔트로피는 증가합니다. 따라서 주위의 엔트로피가 감소한다는 설명은 옳지 않습니다.

    오답 노트
    (가) 열린계: 물질과 에너지 모두 이동 가능 $\rightarrow$ 엔탈피 감소 (정답)
    (나) 닫힌계: 에너지 이동 가능, 물질 이동 불가 $\rightarrow$ 주위 엔트로피 증가 (오답)
    (다) 고립계: 물질과 에너지 모두 이동 불가 $\rightarrow$ 주위 온도 불변, 계 내부 엔트로피 증가 (정답)
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5. 표는 25℃에서 A와 B가 반응하여 C가 생성되는 반응에서 A와 B의 초기 농도에 따른 초기 반응 속도이다.

이 반응에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄱ, ㄷ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 초기 반응 속도 데이터를 통해 반응 차수와 속도 상수를 결정하는 문제입니다.
    ㄱ. (나)와 (다)를 비교하면 $B$의 농도가 $0.5\text{ M}$에서 $1\text{ M}$으로 2배 증가했음에도 속도는 $0.1$로 일정합니다. 따라서 반응 속도는 $B$의 농도에 의존하지 않습니다.
    ㄴ. (가)와 (나)를 비교하면 $A$의 농도가 $0.5\text{ M}$에서 $1\text{ M}$으로 2배 증가할 때 속도가 $0.05$에서 $0.1$로 2배 증가하므로 $A$에 대해 1차 반응이며, 전체 반응 차수는 1차입니다.
    ㄷ. 속도 식 $v = k[A]$에 (나)의 데이터를 대입합니다.
    ① [기본 공식] $k = \frac{v}{[A]}$
    ② [숫자 대입] $k = \frac{0.1}{1}$
    ③ [최종 결과] $k = 0.1\text{ s}^{-1}$
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6. 그림은 금속 A, B와 산소(O)로 이루어진 이온 화합물의 결정구조를 모형으로 나타낸 것이다. 은 각각 정육면체의 꼭짓점, 중심, 면의 중심에 위치한다.

이 화합물의 화학식은? (단, A 와 B 는 임의의 원소 기호이다.) [3점]

  1. ABO2
  2. ABO3
  3. A2BO2
  4. A4BO3
  5. A8BO6
(정답률: 알수없음)
  • 단위 정육면체 내의 각 이온의 개수를 계산하여 화학식을 결정합니다.
    A의 양이온: 꼭짓점 $8 \times \frac{1}{8} = 1\text{개}$
    B의 양이온: 중심 $1 \times 1 = 1\text{개}$
    $\text{O}^{2-}$이온: 면의 중심 $6 \times \frac{1}{2} = 3\text{개}$
    따라서 이온의 개수비는 $\text{A} : \text{B} : \text{O} = 1 : 1 : 3$이므로 화학식은 $\text{ABO}_{3}$ 입니다.
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7. 다음은 어는점 내림에 관한 실험이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ
  5. ㄱ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 어는점 내림은 용액의 몰랄 농도(입자 수)에 비례하여 나타납니다.
    ㄱ. 같은 질량($10\text{g}$)일 때 분자량이 작은 포도당($\text{C}_{6}\text{H}_{12}\text{O}_{6}$)이 설탕($\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}$)보다 몰수가 더 많으므로 어는점 내림이 더 커져 $t_{1}$이 $t_{2}$보다 낮습니다.

    오답 노트
    수용액이 어는 동안 온도는 일정하게 유지된다: 비전해질 용액은 어는 동안 온도가 계속 내려갑니다.
    수용액 $10\text{mL}$를 사용하면 어는점이 낮아진다: 어는점 내림은 용액의 양과 무관한 총괄성으로, 농도가 같으면 어는점은 동일합니다.
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8. 다음은 기체의 용해도에 대한 탐구 내용이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄱ, ㄷ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 기체의 용해도는 온도가 낮을수록, 압력이 높을수록 증가합니다.
    ㄱ. 온도가 $4^{\circ}\text{C}$인 [I]이 $25^{\circ}\text{C}$인 [II]보다 $\text{CO}_{2}$의 용해도가 큽니다.
    ㄴ. 온도가 올라갈 때 기체가 방출되므로 $\text{CO}_{2}$의 용해는 열을 흡수하는 것이 아니라 방출하는 발열 과정입니다.
    ㄷ. 뚜껑을 열면 내부 압력이 급격히 낮아지므로, 닫혀 있던 [II]의 부분 압력이 열린 [III]보다 큽니다.
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9. 표는 수용액 (가)~(다)에 대한 자료이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 모든 수용액의 밀도는 1g/mL이다.) [3점]

  1. ㄴ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 몰 농도는 용액 $1\text{L}$당 용질의 몰수이므로, 같은 용질 $\text{X}$를 사용한 (가)와 (나)의 질량비가 $40\text{g} : 10\text{g} = 4 : 1$이므로 $a = 4b$가 성립합니다.
    또한, (가)와 (다)는 몰 농도가 $a$로 같지만 용질의 종류가 다르므로 몰랄 농도는 다릅니다.
    퍼센트 농도는 용액의 밀도가 $1\text{g/mL}$일 때 용액 $1\text{L}$의 질량이 $1000\text{g}$이므로, (나)와 (다) 모두 용질 $10\text{g}$이 들어있어 퍼센트 농도가 같습니다.

    오답 노트
    몰랄 농도는 (가)와 (다)가 같다: 용질의 몰수와 용매의 질량이 다르므로 틀림
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10. 다음은 금속 A~C와 관련된 반쪽 반응과 25℃에서의 표준환원 전위(E°)를 나타낸 것이다.

25℃에서 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, A~C는 임의의 원소 기호이다.) [3점]

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄱ, ㄷ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 표준 환원 전위( $E^\circ$)를 통해 산화-환원 반응의 자발성을 판단합니다.
    ㄱ. B의 표준 환원 전위는 $-0.76\text{ V}$이고, 염산의 $H^+$ 환원 전위는 $$0.00\text{ V}$$ 입니다. B가 더 낮은 전위를 가지므로 B는 산화되고 $H^+$가 환원되는 반응이 자발적입니다.
    ㄴ. $A^{2+} + 2C \rightarrow A + 2C^+$ 반응의 표준 전지 전위는 환원 전위의 차이로 구합니다.
    ① [전지 전위 공식] $E^\circ_{\text{cell}} = E^\circ_{\text{cathode}} - E^\circ_{\text{anode}}$
    ② [숫자 대입] $E^\circ_{\text{cell}} = (+1.18) - (-0.14)$
    ③ [최종 결과] $E^\circ_{\text{cell}} = 1.32\text{ V}$
    따라서 $+1.46\text{ V}$ 라는 설명은 틀렸습니다.
    ㄷ. $B^{2+} + 2C \rightarrow B + 2C^+$ 반응의 전지 전위는 $$(-0.76) - (-0.14) = -0.62\text{ V}$$ 입니다. $$E^\circ_{\text{cell}} < 0$$ 이면 $$\Delta G^\circ = -nFE^\circ$$ 에 의해 $$\Delta G^\circ > 0$$ 이 되어 비자발적 반응이 됩니다. 따라서 ㄷ은 옳습니다.
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11. 그림은 A 가 B 를 생성하는 반응에서 반응 진행에 따른 에너지를 나타낸 것이다. 반응 (가)는 촉매를 사용하지 않은 경우, (나)는 촉매 X를 사용한 경우이다. 두반응은 같은 온도에서 일어난다.

이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? [3점]

  1. X는 정촉매이다.
  2. (가)에서 역반응과 정반응의 활성화 에너지 차이는 E2-E1 이다.
  3. (가)와 (나)의 평형 상수는 같다.
  4. (가)와 (나)의 정반응 속도 상수는 같다.
  5. 역반응의 활성화 에너지는 (가)가 (나)보다 크다.
(정답률: 알수없음)
  • 에너지 도표를 통해 촉매의 효과와 반응 속도를 분석합니다.
    X를 사용한 (나) 반응의 활성화 에너지가 (가)보다 낮아졌으므로 X는 정촉매입니다.
    역반응의 활성화 에너지는 생성물 B에서 전이 상태까지의 에너지 차이입니다. 도표에서 (가)의 정점과 (나)의 정점의 높이 차이를 보면 (가)가 더 높으므로 역반응 활성화 에너지도 (가)가 더 큽니다.
    평형 상수는 반응물과 생성물의 에너지 차이($$\Delta H$$)에 의해 결정되며, 촉매는 이를 변화시키지 않으므로 (가)와 (나)의 평형 상수는 같습니다.
    정반응 속도 상수는 활성화 에너지에 지수적으로 반비례합니다. (나)의 활성화 에너지가 더 낮으므로 (나)의 속도 상수가 더 큽니다. 따라서 두 상수가 같다는 설명은 틀렸습니다.
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12. 다음은 25℃, 1 기압에서 2 가지 열화학 반응식이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄱ, ㄷ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 반응식의 상태 변화와 엔탈피를 분석합니다.
    ㄱ. 반응 (가) $2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(g)$는 기체 분자 수가 3몰에서 2몰로 감소하므로 무질서도가 감소하여 $$\Delta S < 0$$ 입니다. 따라서 ㄱ은 옳습니다.
    ㄴ. 반응 (나) $H_2(g) + O_2(g) \rightarrow H_2O_2(g)$의 $$\Delta H = -136\text{ kJ}$$ 로 발열 반응입니다. 발열 반응은 열이 계에서 주위로 이동하는 반응입니다.
    ㄷ. 주어진 두 식을 이용해 $2H_2O_2(g) \rightarrow 2H_2O(g) + O_2(g)$의 $$\Delta H$$ 를 구하면 $$-484 - 2(-136) = -212\text{ kJ}$$ 입니다. 또한 기체 분자 수가 2몰에서 3몰로 증가하므로 $$\Delta S > 0$$ 입니다. $$\Delta H < 0$$ 이고 $$\Delta S > 0$$ 이면 모든 온도에서 $$\Delta G < 0$$ 이므로 자발적입니다. 따라서 0보다 크다는 설명은 틀렸습니다.
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13. 25℃, 1`기압에서 탄소(C)와 황(S)의 동소체 중 가장 안정한 것은 각각 흑연과 사방황이다. (가)와 (나)는 각각 C와 S 의 두 동소체 사이의 반응을 나타낸 것이며, 두 반응의 엔트로피 변화(ΔS)는 모두 양의 값이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄱ, ㄷ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 자유 에너지 변화 $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$ 공식을 이용하여 자발성을 판단합니다.
    ㄱ. 흑연이 다이아몬드보다 안정하므로 다이아몬드에서 흑연으로 변하는 반응 (가)는 $$\Delta G < 0$$ 인 자발적 반응입니다. 또한 $$\Delta S > 0$$ 이고, 안정한 상태로 가므로 $$\Delta H < 0$$ 입니다. 따라서 모든 온도에서 자발적입니다.
    ㄴ. 사방황이 단사황보다 안정하므로 (나) 반응은 비자발적이며 $$\Delta G > 0$$ 입니다. 하지만 $$\Delta S > 0$$ 이므로 온도가 매우 높아지면 $T\Delta S$ 항이 커져 $$\Delta G$$ 가 음수가 될 수 있습니다. 따라서 온도와 무관하게 양의 값이라는 설명은 틀렸습니다.
    ㄷ. 다이아몬드가 흑연보다 에너지가 높으므로(불안정), 연소 시 더 많은 에너지를 방출합니다. 따라서 연소 엔탈피 $$\Delta H$$ 의 절댓값은 다이아몬드가 흑연보다 큽니다.
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14. 강철 용기에 1.6M의 A를 넣고 다음과 같은 반응을 진행시켰다.

표는 온도 T1 과 T2 에서 시간에 따른 B의 몰 농도이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, k 는 T1 에서의 반응 속도 상수이다.) [3점]

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 반응식 $2A(g) \rightarrow B(g) + 2C(g)$에서 B의 농도 변화를 통해 반응 차수를 분석합니다.
    T1에서 B의 농도가 0.23, 0.40, 0.52, 0.60으로 증가하는 양상을 보면, 시간이 지남에 따라 증가 폭이 감소하므로 1차 반응의 특성을 보입니다. 따라서 반응 속도식은 $v = k[A]$가 되어 ㄴ은 옳습니다.
    T2의 경우 B의 농도가 0.40, 0.60, a, 0.75로 증가합니다. 0분에서 2분까지 0.40이 증가했고, 2분에서 4분까지 0.20이 증가했습니다. 이와 같은 경향성(감소하는 증가량)을 유지하여 4분에서 6분 사이의 증가량을 예측하면 a는 0.70이 됩니다. 따라서 ㄱ은 옳습니다.
    T1에서 초기 4분 동안 B의 평균 생성 속도는 다음과 같이 계산합니다.
    ① [평균 속도 공식] $\text{속도} = \frac{\Delta [B]}{\Delta t}$
    ② [숫자 대입] $\text{속도} = \frac{0.40 - 0}{4 - 0}$
    ③ [최종 결과] $\text{속도} = 0.10\text{ M}\cdot\text{분}^{-1}$
    따라서 0.2M·분⁻¹이라고 한 ㄷ은 틀렸습니다.
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15. 그림 (가)와 (나)는 대기압 760mmHg에서 한쪽 끝이 막혀 있는 동일한 J 자관에 기체 A와 B가 각각 들어 있는 모습을, (다)는 (나)의 J 자관을 대기압이 PmmHg인 곳으로 옮겼을 때의 모습을 나타낸 것이다. 평균 분자 운동 속력은 A가 B의 2 배이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 온도는 같고 J 자관의 단면적은 일정하며, 수은의 증기 압력은 무시한다.) [3점]

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 평균 분자 운동 속력은 분자량의 제곱근에 반비례하므로, 속력이 A가 B의 2배라는 것은 분자량은 B가 A의 4배임을 의미합니다.
    기체 A와 B가 들어 있는 J 자관에서 수은 기둥의 높이 차이는 내부 기체 압력과 외부 대기압의 차이로 결정됩니다.

    ㄴ. (가)에서 A의 압력은 $760\text{ mmHg}$이며, (나)에서 B의 압력은 $760\text{ mmHg} + h\text{ mmHg}$입니다. 동일 온도에서 압력과 분자량의 관계를 통해 분석하면 B의 압력이 더 높고 분자량이 훨씬 크므로, B의 몰수는 A보다 많을 수 있습니다.
    ㄷ. (나)를 대기압 $P\text{ mmHg}$인 곳으로 옮긴 (다)에서 수은 기둥의 높이가 더 높아졌다면, 외부 압력 $P$가 $760\text{ mmHg}$보다 낮아져 내부 기체 압력과의 차이가 커졌음을 의미합니다.

    오답 노트
    ㄱ. (가)와 (나)의 기체 압력이 동일하더라도 분자량이 다르므로 밀도는 다릅니다.
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16. 다음은 온도 T1, 1 기압에서 이산화 질소(NO2)가 생성되는 열화학 반응식이다.

그림 (가)는 T1, 1 기압에서 이 반응이 평형에 도달한 상태를, (나)는 헬륨(He)을 첨가한 후 평형에 도달한 상태를, (다)는 온도를 T2 로 올려 평형에 도달한 상태를 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 피스톤의 질량과 마찰은 무시한다.)

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄱ, ㄷ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 이 반응은 $\text{NO}_2$ 분자 수가 감소하는 반응이며, 열화학 반응식에서 $\Delta H < 0$인 발열 반응입니다.
    ㄱ. 헬륨(He)과 같은 비활성 기체를 첨가하면 전체 압력은 증가하지만, 반응 성분 기체들의 부분 압력은 변하지 않습니다. 따라서 평형 상태는 유지되며, 부피가 일정하다면 평형 이동이 일어나지 않습니다. (옳음)
    ㄴ. 온도를 $T_1$에서 $T_2$로 올리면, 르샤틀리에 원리에 의해 발열 반응의 역방향(흡열 방향)으로 평형이 이동합니다. 따라서 $\text{NO}_2$의 양은 감소하고 $\text{N}_2\text{O}_4$의 양은 증가해야 합니다. (틀림)
    ㄷ. 온도가 상승하면 기체 분자의 평균 운동 에너지가 증가하여 전체 부피가 팽창합니다. (틀림)
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17. 다음은 25℃, 1기압에서 두 반응의 엔탈피(H) 변화와 이 반응에 관련된 세 물질의 생성 엔탈피를 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? [3점]

  1. ㄴ
  2. ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄱ, ㄷ
  5. ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 엔탈피 도표와 생성 엔탈피의 정의를 이용하여 분석합니다.
    ㄱ. $\Delta H_1$은 $CH_4(g) + 2O_2(g)$가 원자 상태로 분해되는 에너지입니다. $C-H$ 결합은 4개가 끊어져야 하므로 $C-H$ 결합 에너지는 $\Delta H_1$에서 $O_2$ 결합 에너지 등을 제외한 값이어야 합니다. 단순히 $\frac{\Delta H_1}{4}$라고 할 수 없으므로 틀렸습니다.
    ㄴ. $\Delta H_2$는 $CO_2(g) + 2H_2O(g)$가 원자 상태로 분해되는 에너지입니다. 생성 엔탈피 정의에 의해 $CO_2(g) + 2H_2O(g)$의 전체 엔탈피는 $b + 2c$ 입니다. 원자 상태의 엔탈피를 $H_{atoms}$라 하면 $\Delta H_2 = H_{atoms} - (b + 2c)$ 입니다. $H_{atoms}$는 항상 양수이므로 $\Delta H_2 > -(b + 2c)$가 성립합니다. 따라서 옳은 설명입니다.
    ㄷ. $\Delta H_1 - \Delta H_2$는 $(H_{atoms} - (a + 2\Delta H_{O_2})) - (H_{atoms} - (b + 2c)) = -a + b + 2c$ (단, $O_2$ 항은 상쇄됨) 가 됩니다. 따라서 옳은 설명입니다.
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18. 그림은 110℃, 1기압에서 탄화수소(C2Hn) 기체와 산소(O2)가 실린더에 들어 있는 모습을, 표는 C2Hn 을 완전 연소시켰을 때 반응 전후의 C2Hn 과 이산화 탄소(CO2)의 부분 압력을 나타낸 것이다. 반응 전후 온도는 같다.

반응 후 H2O(g)의 부분 압력(기압)은? (단, 피스톤의 질량과 마찰은 무시한다.)

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(정답률: 알수없음)
  • 탄화수소 $C_2H_n$의 완전 연소 반응식은 $C_2H_n + \frac{2n+4}{2}O_2 \rightarrow 2CO_2 + \frac{n}{2}H_2O$ 입니다.
    반응 전 $C_2H_n$의 부분 압력이 $1/5$ 기압이었고 반응 후 0이 되었으므로, 반응한 $C_2H_n$의 양은 $1/5$ 기압분입니다. 이때 생성된 $CO_2$의 부분 압력은 반응 계수비에 따라 $2 \times (1/5) = 2/5$ 기압이 되어야 하지만, 실제 반응 후 $CO_2$의 부분 압력은 $4/9$ 기압입니다. 이는 피스톤이 움직여 전체 부피가 변했기 때문입니다.
    부피 변화 비율을 $k$라고 하면, 생성된 $CO_2$의 압력은 $\frac{2/5}{k} = 4/9$가 되어 $k = \frac{2/5}{4/9} = \frac{18}{20} = 0.9$ 입니다.
    마찬가지로 생성된 $H_2O(g)$의 부분 압력은 $\frac{(n/2) \times (1/5)}{k}$ 입니다. $C_2H_n$에서 $n$은 탄화수소의 일반식($n=2, 4, 6...$)을 따르며, $CO_2$ 생성량과 $H_2O$ 생성량의 비는 $2 : n/2$ 입니다.
    $$P_{H_2O} = P_{CO_2} \times \frac{n/2}{2} = \frac{4}{9} \times \frac{n}{4} = \frac{n}{9}$$
    일반적인 알케인($n=6$)인 경우 $P_{H_2O} = 6/9$이나, 보기의 값과 대조하여 $n=2$ (에텐/에테인 계열)일 때 $P_{H_2O} = 2/9$가 도출됩니다.
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19. 표는 25℃ 에서 산 HA , 염기 MOH, 염 MA 수용액의 몰 농도와 pH를 나타낸 것이다. 25℃에서 물의 이온곱 상수(Kw)는 1×10-14이다.

x는? [3점]

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(정답률: 알수없음)
  • 강산, 강염기, 약산의 성질을 이용하여 $x$를 구하는 문제입니다.
    1. $MOH$는 강염기이므로 $[OH^-] = 0.1\text{M}$, $pOH = 1$, $pH = 14 - 1 = 13$으로 표와 일치합니다.
    2. $MA$는 약산 $HA$와 강염기 $MOH$의 염으로, 가수분해되어 염기성을 띱니다. $[OH^-] = \sqrt{\frac{K_w}{K_a} \times [MA]} = \sqrt{\frac{10^{-14}}{K_a} \times 1}$ 입니다. $pH=10$이므로 $pOH=4$, $[OH^-]=10^{-4}$ 입니다. 따라서 $10^{-8} = \frac{10^{-14}}{K_a}$에서 $K_a = 10^{-6}$ 입니다.
    3. $HA$는 약산이므로 $[H^+] = \sqrt{K_a \times [HA]} = \sqrt{10^{-6} \times 0.01} = \sqrt{10^{-8}} = 10^{-4}$ 입니다.
    따라서 $x = pH = -\log(10^{-4}) = 4$ 입니다.
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20. 다음은 A가 분해되어 B가 생성되는 화학 반응식과 300K에서의 평형 상수(K)이다.

그림 (가)는 실린더에 A, B가 들어 있는 초기 상태를, (나)는 이 반응이 평형에 도달한 상태를, (다)는 고정 장치를 제거한 후 새로운 평형에 도달한 상태를 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 대기압은 1 기압, 기체 상수(R)는 0.08기압·L/몰·K이고, 피스톤의 질량과 마찰은 무시한다.) [3점]

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄱ, ㄷ
  4. ㄴ, ㄷ
  5. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 알수없음)
  • 반응식 $A(g) \rightleftharpoons 2B(g)$에서 평형 상수 $K = \frac{1}{40}$ 입니다.
    ㄱ. (가)에서 반응 지수 $Q = \frac{[B]^2}{[A]} = \frac{(2/160)^2}{5/160} = \frac{4/160}{5} = \frac{1}{200}$ 입니다. $Q(1/200) < K(1/40)$이므로 옳은 설명입니다.
    ㄴ. (나)는 평형 상태이므로 $K = \frac{(y/160)^2}{x/160} = \frac{y^2}{160x} = \frac{1}{40}$ 입니다. 이를 정리하면 $y^2 = 4x$가 되며, $y=2x$가 성립하려면 $x=1$이어야 하는데, 초기 $A$가 5몰에서 감소하여 $x$가 되고 $B$가 2몰에서 증가하여 $y$가 되므로 $y = 2 + 2(5-x) = 12-2x$ 입니다. $12-2x=2x$에서 $x=3, y=6$ 일 때 $y=2x$가 성립하지만, 평형 상수 식 $y^2=4x$에 대입하면 $36=12$가 되어 모순입니다. 따라서 틀린 설명입니다.
    ㄷ. (다)에서는 외부 압력이 1기압으로 일정합니다. 평형 상태의 총 몰수를 $n$이라 하면 $P V = n R T$에서 $V = \frac{n R T}{P}$ 입니다. 평형 상수 $K = \frac{(n_B/V)^2}{(n_A/V)} = \frac{n_B^2}{n_A V} = \frac{1}{40}$ 입니다. $n_A + n_B = n$이고 $n_B = 2(5-n_A)$이므로 $n = 10-n_A$ 입니다. $V = 40 \frac{n_B^2}{n_A}$에 $V = n R T / P$를 대입하여 계산하면 $V$는 $192\text{L}$ 보다 크게 나타납니다. 따라서 옳은 설명입니다.
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