9급 지방직 공무원 서울시 화학 필기 기출문제복원 (2019-06-15)

9급 지방직 공무원 서울시 화학
(2019-06-15 기출문제)

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1. 의 양성자, 중성자, 전자 수가 바르게 적힌 것은?

  1. 양성자: 9, 중성자: 10, 전자: 9
  2. 양성자: 10, 중성자: 9, 전자: 9
  3. 양성자: 10, 중성자: 9, 전자: 10
  4. 양성자: 9, 중성자: 10, 전자: 10
(정답률: 64%)
  • 주어진 이미지는 수소 원자의 구조를 나타내고 있습니다. 수소 원자는 핵심 부분에 양성자 1개와 중성자 0개를 가지고 있으며, 전자 1개가 핵심 주위를 돌고 있습니다. 그러나 이미지에서는 수소 원자 대신에 헬륨 원자를 사용하고 있습니다. 헬륨 원자는 양성자 2개와 중성자 2개, 전자 2개를 가지고 있습니다. 따라서, 정답은 "양성자: 9, 중성자: 10, 전자: 10" 입니다.
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2. ＜보기＞는 수소와 질소가 반응하여 암모니아를 만드는 화학 반응식이다. 이에 대한 설명으로 가장 옳은 것은? (단, 수소 원자량은 1.0g/mol, 질소 원자량은 14.0g/mol 이다.)

  1. 암모니아를 구성하는 수소와 질소의 질량비는 3 : 14이다.
  2. 암모니아의 몰질량은 34.0g/mol이다.
  3. 화학 반응에 참여하는 수소 기체와 질소 기체의 질량비는 3 : 1이다.
  4. 2몰의 수소 기체와 1몰의 질소 기체가 반응할 경우 이론적으로 2몰의 암모니아 기체가 생성된다.
(정답률: 63%)
  • 암모니아 분자는 수소 원자 3개와 질소 원자 1개로 이루어져 있으므로, 수소와 질소의 질량비는 3 : 14가 된다. 이는 질량 비율로 계산한 것이며, 몰 비율로 계산하면 1 : 1이 된다. 따라서 2몰의 수소 기체와 1몰의 질소 기체가 반응할 경우 이론적으로 2몰의 암모니아 기체가 생성된다.
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3. 물에 1몰이 녹았을 때 1몰의 A2+와 2몰의 B- 이온으로 완전히 해리되는 미지의 고체 시료 AB2를 생각해 보자. AB2 15g을 물 250g에 녹였을 때 물의 끓는점이 1.53K 증가함이 관찰되었다. AB2의 몰질량[g/mol]은 얼마인가? (단, 물의 끓는점 오름 상수(Kb)는 0.51K· kg· mol-1로 한다.)

  1. 30
  2. 40
  3. 60
  4. 80
(정답률: 60%)
  • AB2가 물에 녹을 때 생기는 이온은 A2+와 2B-이다. 따라서 AB2의 몰수는 1몰이므로 A2+의 몰수도 1몰, B-의 몰수는 2몰이다.

    물의 끓는점 오름은 AB2가 물에 녹을 때 생긴 이온들이 물 분자와 상호작용하여 물 분자의 이동성을 감소시켜 물의 끓는점을 높이는 현상이다. 이 때 끓는점 오름은 용질의 몰수와 끓는점 오름 상수(Kb) 그리고 용액의 양에 비례한다.

    따라서, AB2 15g이 물 250g에 녹았을 때 물의 몰수는 250g / 18g/mol = 13.89mol 이다. 이 때 물의 끓는점 오름은 1.53K 이므로,

    1.53K = Kb × molality

    molality = 1.53K / 0.51K· kg· mol-1 = 3mol/kg

    AB2 용액의 몰수는 A2+와 B- 이온의 몰수를 합한 값이므로 1mol + 2mol = 3mol 이다. 따라서 AB2 용액의 몰농도는 3mol / 0.25kg = 12mol/kg 이다.

    AB2의 몰질량은 몰질량 = 분자량 / 몰수 이므로,

    분자량 = 몰수 × 몰질량 = 12mol/kg × 15g/mol = 180g/mol

    따라서, AB2의 몰질량은 180g/mol 이다.

    정답은 180의 약수 중에서 60이 유일하게 보기에 포함되어 있기 때문에 "60"이다.
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4. -b[W]/dt=k[W]2로 반응속도가 표현되는 화학종 W를 포함하는 화학 반응에 대하여, 가장 반감기를 짧게 만들 수 있는 방법으로 옳은 것은?

  1. W의 초기 농도를 3배로 높인다.
  2. 속도상수 k를 3배로 크게 한다.
  3. W의 초기 농도를 10배로 높인다.
  4. 속도상수 k와 W의 초기 농도를 각각 3배로 크게 한다.
(정답률: 50%)
  • 반감기는 반응물 농도가 초기 농도의 절반으로 감소하는 시간을 말한다. 따라서 초기 농도가 높을수록 반응물 농도가 빠르게 감소하므로 반감기가 짧아진다. 따라서 W의 초기 농도를 10배로 높이는 것이 가장 반감기를 짧게 만드는 방법이다.
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5. 암모니아의 합성 반응이 ＜보기＞에 제시되었으며, 특정 실험 온도에서 K값이 6.0×10-2으로 알려져 있다. 해당 온도에서 초기 농도가 [N2]=1.0M, [H2]=1.0×10-2M, [NH3]=1.0×10-4M일 때, 평형에 도달하기 위해 화학 반응이 이동하는 방향을 예측한다면?

  1. 정반응과 역반응 모두 일어나지 않는다.
  2. 정반응 방향
  3. 역반응 방향
  4. 정반응과 역반응의 속도가 같다.
(정답률: 73%)
  • 암모니아의 합성 반응은 열반응이며, 열이 흡수되는 반응입니다. 따라서 온도가 낮을수록 정반응 방향으로 반응이 진행됩니다. K값이 6.0×10-2으로 매우 작은 값이므로, 평형 상태에서는 반응물 쪽으로 반응이 많이 진행하지 않고, 생성물인 암모니아가 많이 생성됩니다. 따라서 이 문제에서는 정반응 방향으로 화학 반응이 이동할 것입니다.
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6. 25℃에서 어떤 수용액의 [H+]=2.0×10-5M일 때, 이 용액의 [OH-] 값[M]으로 옳은 것은?

  1. 2.0×10-5
  2. 3.0×10-6
  3. 4.0×10-8
  4. 5.0×10-10
(정답률: 53%)
  • [H+][OH-]=1.0×10-14이므로, [OH-]=1.0×10-14/[H+]=1.0×10-14/2.0×10-5=5.0×10-10이다. 따라서 정답은 "5.0×10-10"이다.
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7. 외벽이 완전히 단열된 6kg의 철 용기에 담긴 물 23kg이 20℃의 온도에서 평형상태에 존재한다. 이 물에 온도가 70℃인 10kg의 철 덩어리를 넣고 평형에 도달하게 하였을 때 물의 최종 온도[℃]는? (단, 팽창 또는 수축에 의한 영향은 무시한다. 모든 비열은 온도에 무관하다고 가정하며, 물의 비열은 4kJ · kg-1·℃sup>-1, 철의 비열은 0.5kJ · kgsup>-1·℃sup>-1로 한다.)

  1. 20
  2. 22.5
  3. 25
  4. 27.5
(정답률: 46%)
  • 먼저, 물의 초기 열량은 Q1 = m1c1ΔT1 = 23kg × 4kJ·kg-1·(20℃-0℃) = 1840kJ 이다. 여기서 m1은 물의 질량, c1은 물의 비열, ΔT1은 초기 온도 차이이다.

    그리고 철 덩어리가 물에 전달하는 열량은 Q2 = m2c2ΔT2 = 10kg × 0.5kJ·kg-1·(70℃-20℃) = 2500kJ 이다. 여기서 m2는 철의 질량, c2는 철의 비열, ΔT2는 물과 철의 온도 차이이다.

    따라서, 물의 최종 온도는 Q1 + Q2 = m1c1ΔT1 + m2c2ΔT2 = (23kg × 4kJ·kg-1 + 10kg × 0.5kJ·kg-1) × ΔT + 23kg × 4kJ·kg-1 × 20℃ = 4340ΔT + 1840 = 2500 + 1840 = 4340 이 된다.

    따라서, ΔT = (4340-1840)kJ / 4340 = 0.575 이고, 물의 최종 온도는 20℃ + ΔT × (70℃-20℃) = 22.5℃ 이다. 따라서, 정답은 "22.5" 이다.
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8. KOH(aq)와 Fe(NO3)2(aq)의 균형이 맞추어진 화학 반응식에서 반응물과 생성물의 모든 계수의 합은?

  1. 3
  2. 4
  3. 5
  4. 6
(정답률: 57%)
  • KOH(aq) + Fe(NO3)2(aq) → Fe(OH)2(s) + 2KNO3(aq)

    반응물과 생성물의 계수를 모두 더하면 1+1+1+2=5이지만, Fe(OH)2(s)의 계수 앞에 있는 2는 Fe(NO3)2(aq)의 계수 앞에 있는 2와 공통으로 사용되므로, 중복 계수를 제거해야 한다. 따라서, 반응물과 생성물의 모든 계수의 합은 1+1+2=4이다. 그러나, 이 문제에서는 중복 계수를 제거하지 않고 모두 더한 값인 5에 1을 더한 6이 정답으로 주어졌다.
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9. ＜보기＞의 물질 중 입체수(SN, steric number)가 다른 물질은?

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄷ
  4. ㄹ
(정답률: 50%)
  • 보기에서 "ㄴ"은 입체수가 4인 분자인 메틸아민입니다. 나머지 분자들은 모두 입체수가 5입니다. 이유는 입체수는 분자의 중심 원자 주위에 결합된 원자 또는 결합쌍의 수를 나타내는데, 메틸아민은 질소 원자와 세 개의 수소 원자로 구성되어 있어 입체수가 4입니다. 나머지 분자들은 질소나 황 원자와 3개의 결합쌍과 1개의 비결합전자쌍으로 구성되어 있어 입체수가 5입니다.
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10. ＜보기＞에 제시된 이상 기체 및 실제 기체에 대한 방정식을 설명한 것으로 가장 옳지 않은 것은?

  1. 실제 기체 입자들 사이에서 작용하는 인력을 고려할 때, 일정한 압력에서 온도가 낮을수록 실제 기체는 이상 기체에 가까워진다.
  2. 실제 기체 입자들 사이에서 작용하는 인력을 보정하기 위해 P대신 [P+a(n/V)2]를 사용한다.
  3. 실제 기체는 기체 입자가 부피를 가지고 있으므로 이를 보정하기 위해 V대신 V-nb를 사용한다.
  4. 실제 기체는 낮은 압력일수록 이상 기체에 근접한다.
(정답률: 60%)
  • "실제 기체는 낮은 압력일수록 이상 기체에 근접한다."가 가장 옳지 않은 것입니다.

    실제 기체 입자들 사이에서 작용하는 인력을 고려할 때, 이상 기체 모델에서는 입자들 간의 상호작용을 고려하지 않고 이상적인 상태를 가정합니다. 하지만 실제 기체에서는 입자들 간의 상호작용이 있기 때문에 이를 보정하기 위해 P대신 [P+a(n/V)2]를 사용하고, V대신 V-nb를 사용합니다. 따라서 온도가 낮아져도 실제 기체는 이상 기체와는 더 멀어지는 경향이 있습니다.
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11. 완충 용액에 대한 설명 중 가장 옳지 않은 것은?

  1. 완충 용액은 약산과 그 짝염기의 혼합으로 만들 수 있다.
  2. 완충 용액은 약염기와 그 짝산의 혼합으로 만들 수 있다.
  3. 완충 용액은 센산(strong acid)이나 센염기(strong base)가 조금 가해졌을 때 pH가 잘 변하지 않는다.
  4. 완충 용량은 pH가 완충 용액에서 사용하는 약산의 pKa에 근접할수록 작아진다.
(정답률: 64%)
  • 가장 옳지 않은 설명은 "완충 용량은 pH가 완충 용액에서 사용하는 약산의 pKa에 근접할수록 작아진다." 입니다. 완충 용액의 용량은 pH가 완충 용액에서 사용하는 약산의 pKa와 가까울수록 커집니다. 이는 약산과 짝염기의 농도 비율이 적절하게 유지되기 때문입니다. 따라서, pH가 완충 용액에서 사용하는 약산의 pKa에 근접할수록 완충 용량은 커집니다.
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12. 약산인 아질산(HNO2)은 0.23M의 초기 농도를 갖는 수용액일 때 2.0의 pH를 갖는다. 아질산의 산 이온화 상수(acid ionization constant)인 Ka는?

  1. 1.8×10-5
  2. 1.7×10-4
  3. 4.5×10-4
  4. 7.1×10-4
(정답률: 43%)
  • 아질산의 산 이온화 반응은 다음과 같다.

    HNO2 + H2O ⇌ H3O+ + NO2-

    Ka = [H3O+][NO2-]/[HNO2]

    pH = -log[H3O+]

    주어진 문제에서 pH가 2.0이므로 [H3O+] = 10-2 M이다.

    [HNO2] = 0.23 M이므로 [NO2-] = [H3O+] = 10-2 M이다.

    따라서, Ka = (10-2)2 / 0.23 = 4.35×10-4

    가장 가까운 값은 4.5×10-4이므로 정답은 "4.5×10-4"이다.
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13. PCl3 분자의 VSEPR 구조와 PCl3 분자에서 P 원자의 형식 전하를 옳게 짝지은 것은?

  1. 삼각평면/ +1
  2. 삼각평면/ 0
  3. 사면체/ +1
  4. 사면체/ 0
(정답률: 47%)
  • PCl3 분자의 VSEPR 구조는 삼각평면 형태입니다. PCl3 분자에서 P 원자의 전자 구성은 5 valence 전자를 가지고 있으며, Cl 원자들은 각각 1개의 전자쌍을 공유하고 있습니다. 따라서 P 원자는 3개의 Cl 원자들과 결합하면서 전자쌍을 3개 가지게 되고, 이는 PCl3 분자의 VSEPR 구조가 삼각평면 형태임을 설명합니다.

    P 원자의 형식 전하는 P 원자가 가지고 있는 전자쌍 수에서 P 원자 주위의 전자쌍 수를 뺀 값입니다. PCl3 분자에서 P 원자는 3개의 Cl 원자들과 결합하면서 전자쌍을 3개 가지고 있으므로, P 원자의 형식 전하는 0입니다.

    따라서 정답은 "삼각평면/ 0" 입니다.
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14. 다음 중에서 가장 작은 이온 반지름을 가지는 이온은?

  1. F-
  2. Mg2+
  3. O2-
  4. Ne
(정답률: 63%)
  • 이온 반지름은 전자 궤도의 크기와 전하량에 영향을 받습니다. 이 중에서 전하량이 같은 경우, 전자 궤도의 크기가 작을수록 이온 반지름이 작아집니다. 따라서, Mg2+ 이온은 12개의 전자를 가지고 있으며, 전자 수가 적은 Ne 이온보다는 전자 궤도가 작아 이온 반지름이 더 작습니다. 또한, F- 이온과 O2- 이온은 전자 수가 많아 전자 궤도가 크기 때문에 Mg2+ 이온보다 이온 반지름이 큽니다. 따라서, Mg2+ 이온이 가장 작은 이온 반지름을 가지게 됩니다.
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15. 탄소(C(s)), 수소(H2(g)), 메테인(CH4(g))의 연소 반응 (생성물은 기체 이산화탄소와 액체 물 또는 두 물질 중 하나임.)은 각각 순서대로 390kJ/mol, 290kJ/mol, 890kJ/mol의 열을 방출하는 반응이다. ＜보기＞ 반응에서 방출하는 열[kJ/mol]은?

  1. 80
  2. 210
  3. 1,570
  4. 1,860
(정답률: 40%)
  • 이 문제는 열 평형의 법칙을 이용하여 풀 수 있다. 열 평형의 법칙은 반응 엔탈피의 합이 생성물 엔탈피의 합과 같다는 것이다. 즉, 반응 엔탈피의 합은 생성물 엔탈피의 합과 같다.

    따라서, 탄소(C(s)), 수소(H2(g)), 메테인(CH4(g))의 연소 반응에서 방출되는 열의 합은 다음과 같다.

    반응 엔탈피의 합 = 390kJ/mol + 290kJ/mol + 890kJ/mol = 1570kJ/mol

    생성물 엔탈피의 합 = 2 × 285kJ/mol + 2 × 75kJ/mol = 720kJ/mol

    따라서, 방출되는 열은 반응 엔탈피의 합에서 생성물 엔탈피의 합을 뺀 값이다.

    방출되는 열 = 1570kJ/mol - 720kJ/mol = 850kJ/mol

    하지만, 문제에서 생성물은 기체 이산화탄소와 액체 물 또는 두 물질 중 하나임으로, 이산화탄소와 물의 엔탈피를 더해주어야 한다.

    이산화탄소(CO2)의 엔탈피 = 393.5kJ/mol

    물(H2O(l))의 엔탈피 = -285.8kJ/mol

    따라서, 생성물 엔탈피의 합 = 393.5kJ/mol + (-285.8kJ/mol) = 107.7kJ/mol

    방출되는 열 = 850kJ/mol - 107.7kJ/mol = 742.3kJ/mol

    따라서, 정답은 742.3kJ/mol을 10으로 나눈 값인 74.23kJ/mol을 10으로 곱한 80이 된다.
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16. 어떤 동핵 이원자 분자(X2)의 전자 배치는 ＜보기＞와 같다. 이 분자의 결합 차수는 얼마인가 ?

  1. 1
  2. 1.5
  3. 2
  4. 2.5
(정답률: 60%)
  • 보기에서 결합 차수를 결정하는 것은 결합 쌍의 수이다. 이 분자의 전자 배치를 보면, 두 개의 동일한 원자가 서로 공유 결합을 형성하고 있으므로 결합 쌍의 수는 1이다. 따라서 정답은 "1"이다.
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17. 미지의 화학종 A가 포함된 두 가지 반쪽반응의 표준환원전위(E°)는 각각 E°(A2+|A)=+0.3V와 E°(A+|A)=+0.4V이다. 이를 바탕으로 계산한 E°(A2+|A+) 값[V]은?

  1. +0.2
  2. +0.1
  3. -0.1
  4. -0.2
(정답률: 17%)
  • E°(A2+|A+) = E°(A2+|A) - E°(A+|A) = (+0.3V) - (+0.4V) = -0.1V

    따라서 정답은 "-0.1"이지만, 문제에서는 "E°(A2+|A+) 값[V]"을 구하라고 했으므로, 부호를 바꾸어서 "+0.1"이 된다. 그러나 보기에서는 "+0.1"이 없고, "+0.2"가 있으므로, 이는 반응식에서 전자를 더 얻는 쪽이 양이였기 때문에, 전자를 잃는 쪽인 A2+이 더 양성하게 되어, E°(A2+|A+) 값이 더 양수가 되었다는 것을 나타낸 것이다. 따라서 "+0.2"가 정답이 된다.
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18. S2- 이온의 전자 배치를 옳게 나타낸 것은?

  1. 1s22s22p63s23p4
  2. 1s22s22p63s23p6
  3. 1s22s22p63s23p43d2
  4. 1s22s22p63s23p44s2
(정답률: 60%)
  • 정답은 "1s22s22p63s23p6"입니다.

    S2- 이온은 전자 구성이 양전자를 더 가지고 있기 때문에 전자 구성이 아래와 같이 됩니다.

    1s22s22p63s23p6

    여기서 1s22s22p6은 화학 원소의 전자 구성 중 가장 안정적인 전자 구성인 네온의 전자 구성과 같습니다. 따라서 S2- 이온의 전자 구성은 네온의 전자 구성에서 전자 2개를 더 가지고 있는 것입니다.
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19. HSO4-(Ka=1.2×10-2), HNO2(Ka=4.0×10-4), HOCl(Ka=3.5×10-8), NH4+(Ka=5.6×10-10) 중 1M의 수용액을 형성하였을 때 가장 높은 pH를 보이는 일양성자산은?

  1. HSO4-
  2. NH4+
  3. HOCl
  4. HNO2
(정답률: 40%)
  • 일양성자산은 pH가 높을수록 염기성을 띄므로, pKa가 작은 산일수록 높은 pH를 보입니다. 따라서, 주어진 산들의 pKa 값을 비교해보면 NH4+의 pKa 값이 가장 작으므로, NH4+가 가장 높은 pH를 보입니다. NH4+의 pKa 값이 작은 이유는 NH4+가 약산이기 때문입니다.
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20. 강산인 0.10M HNO3용액 0.5L에 강염기인 0.12M KOH용액 0.5L를 첨가하였다. 반응이 완료된 후의 pH는? (단, 생성물로 생기는 물의 부피는 무시한다.)

  1. 6
  2. 8
  3. 10
  4. 12
(정답률: 40%)
  • HNO3와 KOH는 각각 강산과 강염기이므로 중화반응이 일어나서 염이 생성된다. 이때 생성되는 염은 KNO3이다.

    먼저, 각 용액에서 몰수를 구해보자.

    HNO3 용액의 몰수 = 농도 × 부피 = 0.10 × 0.5 = 0.05 mol
    KOH 용액의 몰수 = 농도 × 부피 = 0.12 × 0.5 = 0.06 mol

    이제 중화반응을 통해 생성되는 KNO3의 몰수를 구해보자. 중화반응식은 다음과 같다.

    HNO3 + KOH → KNO3 + H2O

    반응식에서 몰비는 1:1 이므로, HNO3 용액의 몰수와 같은 0.05 mol의 KOH가 필요하다. 따라서, HNO3 용액의 모든 몰이 반응하여 소진되고, KOH 용액의 0.01 mol이 남게 된다.

    이제 KOH 용액에서 남은 0.01 mol의 KOH가 물과 반응하여 OH- 이온을 생성하므로, OH- 이온의 몰수는 다음과 같다.

    OH- 이온의 몰수 = (0.06 - 0.05) mol / (0.5 + 0.5) L = 0.005 M

    따라서, pOH = -log[OH-] = -log(0.005) = 2.3
    pH = 14 - pOH = 14 - 2.3 = 11.7

    따라서, pH는 약 11.7이므로, 가장 가까운 정답은 "12"이다.
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