다음은 우리가 핸드폰 등에 쓰고 있는 (1)graphite 및 (2)LiCoO2 전극으로 구성된 리튬이온전지에서 일어나는 반응에 대한 reduction potential 을 참고하여 물음에 답하시오

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원희 애
5 years ago
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1 [1] 다음은우리가핸드폰등에쓰고있는리튬이온전지는 (i) Li 이 graphite 탄소층사이사이에들어있는 graphite 전극과, (ii) LioO 2 전극으로구성되어있다. 이전지에서일어나는반응들에대한표준환원전위 (standard reduction potential) 을참고하여물음에답하시오. ( 각 5점 4 = 20점 ) Li + + e - + Li x-1 /graphite Li x /graphite E o = -3.0 V Li + + e - + Li 1-x oo 2 Li x oo 2 E o = 0.5 V (a) (i) 및 (ii) 전극중어느전극이환원반응이일어나는음극 (cathode) 인가? 이전극은 +, - 중무엇인가? (5점) a) (ii) LioO 2, + 극 (b) 이전지의전체반응식을쓰고표준상태에서의 cell voltage를구하시오. (5점) b) Li x /graphite Li + + e - + Li x-1 /graphite Li + + e - + Li 1-x oo 2 Li x oo 2 Li x /graphite + Li 1-x oo 2 Li x-1 /graphite + Li x oo 2 E o cell = E o (cathode) - E o (anode)= 0.5-(-3.0) =3.5 V (c) 이전지를사용할경우 Li + 이온은어느전극으로이동하는가? (5점) c) cathode 인 (ii) LioO 2 전극 (d) 두전극사이는다공성인고분자층으로채워져있다. 이층의역할은무엇이라고생각하는가? (5점) d) Li 이온전달을위한고체전해질역할

2 [2] Li 전지에사용되는 Graphite 는다음과그림과같이벤젠고리을연결하여만든판상구조 를가지고있다. ( 총 30 점 ) a) 이그래파이트는한탄소원자와인근 3 개탄소원자사이의두가지종류의결합이있다. 이들결합에대하여혼성오비탈과분자오비탈개념을도입하여설명하시오. (5 점 ) a) 1)sigma 결합 : s+ 2 p = 3 sp 2 한탄소원자 3개의 sp 2 orbital이주위의 3개원자에서오는각각하나의 sp 2 orbital과 sigma 결합을형성. 2) 각각하나의 p orbital들은 pi 결합. b) 그래파이트에레이저를조사하여그래파이트에서하나의 6각형을오려내어벤젠과모양이같으나수소가없이 6개의짝짓지않은전자 (unpaired electron) 가둘러싼다음그림과같은 6 분자를생성하였다. Pi orbital에대한에너지준위 (energy level) 및분자궤도함수 (molecular orbital) 만을고려하여 (1) 다음에있는주어진에너지준위에 pi 전자들을채우고 (5점), (2) 전자가채워진에너지준위들중가장높은에너지준위에해당하는분자궤도함수를 highest occupied molecular orbital(omo) 이라고한다. 이에너지준위에해당하는 pi 분자궤도함수 (molecular orbital) 그림을그리시오 (5점). ( 총 10점 ) b) 다음그림에오른쪽두분자궤도함수

3 (1) (2) c) 위와같은 conjugated 분자의 bond-order는결합에참여한전자들과결합의개수의비교 ++ 를통해구할수있다. 예를들어 6 분자에서의 -결합의 bond order는 1.5이다. 6 분자에서의 -결합의 bond order는무엇인가? 과정을반드시쓸것. (10점) c) # of bonds in ++ 6 (18-2)/2=8 bond order between and = 8/6= 4/3=1.33 d) 6, + 6, ++ 6 들중가장센 paramagnetism을보이리라예상되는분자는? (5점) # of unpaired electrons 6 = 6, + 6 = 7, ++ 6 =

4 [3] A galvanic cell is constructed by linking a o 2+ o(s) half-cell to an Ag + Ag(s) halfcell through a salt bridge and then connecting the cobalt and silver electrodes through an external circuit. When the circuit is closed, the cell voltage is measured to be 1.08 V and silver is seen to plate out while cobalt dissolves. ( 각 5점씩 = 15점 ) F = mol -1 ; Ag = g/mol, o = 58.9 g/mol (a) Write the half-reactions that occur at the anode and at the cathode and the balanced overall cell reaction. (5점) 답 ) Anode: o(s) o 2+ (aq) + 2e - athode: Ag + (aq) + e - Ag(s) Overall: o(s) + 2Ag + (aq) o 2+ (aq) + 2Ag(s) (b) The cobalt electrode is weighed after 150 minutes of operation and is found to have decreased in mass by 0.36g. By what amount has the silver electrode increased in mass? (5점) 답 ) (0.36g 58.9 g mol -1 ) (2 mol Ag 1mol o) (107.9 g mol -1 ) =1.32 g (c) What is the average current drawn from the cell during this period? (5점) 답 ) (0.36 g 58.9g mol -1 ) (2 mol e - 1 mol o) = mol e - [(0.0122mol)(96485 mol -1 )] (150 60s) = 0.13A [4] The nuclide 35 S decays by beta emission with a half-life of 87.1 days. ( 총15점 ) (a) ow many grams of 35 S are in a sample that has a decay rate from that nuclide of S -1? (8점) 답 ) The decay constant equals ln2 divided by the half-life. In this case, it is (0.6931/87.1d)= d -1. Two of the three quantities in the equation A = kn are now known. The third is N=A/k = [( s -1 ) ( d -1 )] [(86400d -1 ) (1 s -1 )] = atom m 35S = ( atom) [(1 mol S) ( atom)] [(35g 35 S) (1 mol 35 S)]= g 35 S (b) After 365 days, how many grams of 35 S remain? (7점) We know the decay constant of the radioactive isotope, we know how much of it we start with, and we know that the decay goes on for 365 days. N=N i e -kt = exp[-( day -1 )(365 day)] = atoms This number of atoms of 35 S is a very small mass, only g

5 [5] 원자핵은양성자와중성자로구성되어있다. 이들의비 (N/Z) 또는구성이불안정 (unstable) 할때이핵은 5가지 (β, 양전자방출, α, 양성자 / 중성자방출, fission) 의붕괴를일으킨다. 어떠한조건에서각각의붕괴가일어나는지요점을기술할것. ( 각 3점씩 5 = 15점 ) N/Z large: β 방출 N/Z small: 양전자혹은전자포획 N, Z 모두클경우 : α 방출핵내중성자, 양성자부족 : 양성자 / 중성자방출 (boiled off) 매우불안정한핵 : fission [6] NO 분자에대한 MO-이론을도입하면화학결합의세기, 상자성등을설명할수있다. 이를이용하여 NO -, NO, NO + 의결합차수및상자성에대해설명하시오. ( 각 5점씩 3 =15점 ) NO: (σ2s) 2 (σ*2s) 2 (π2p) 4 (σ2p z ) 2 (π*2p) 1 NO + :(σ2s) 2 (σ*2s) 2 (π2p) 4 (σ2p z ) 2 NO-:(σ2s) 2 (σ*2s) 2 (π2p) 4 (σ2p z ) 2 (π*2p) 2 결합차수 NO: 2.5 ( 상자성 ) NO + : 3.0 NO - : 2.0( 상자성 )

6 [7] 탄소연대측정법은그유용성이매우뛰어나 1960 년대노벨상수상으로이어졌다. ( 총 20 점 ) a) 14 는대기중의 14 N과 cosmic ray ( 1 n) 로부터생성된다. 이핵반응식을쓰라. (5점) N + n b) 14 는 5730년의반감기를가지고붕괴하며 14 N이다시생성된다. 이때의반응식을쓰라. (5점) N 0 + e c) 투린에서발견된천조각에남자의형상이발견되었고이것이예수의수의인지에대한논란이생겼다. 1988년이수의의연대측정을해보니 14 의방사능양이 13.0 cpm/g이었다. 수의의제작에사용되는살아있는나무의현재 14 의방사량은 15.3 cpm/g이다. 수의의연대를계산해보라. (10점) c) From A = A i exp (-kt) k = (0.6931/5730) = 1.21 x 10-4 yr -1 Thus t = -(1.21 x 10-4 ) -1 ln(13.0/15.3) = 1346년따라서서기 642년경으로추정.

7 [8] 알렌, 2 == 2, 에대해다음에답하시오. ( 각 3 점씩 = 15 점 ) a) 각탄소의혼성궤도함수를밝히라. (5 점 ) 중앙 : sp 주변탄소 : sp 2 b) - 결합이갖고있는 π 결합의모양을그리라. (5 점 ) c) 이때네개의 atom 은동일한평면에있겠는가? 3 차원적구조를예측하라. (5 점 ) 동일평면에있지않고양쪽의 2 가이루는평면은서로수직이다. [9] 다음의이원자분자들의 (a) Bond energy의순서를 ( 큰것부터 ) 예측하고 (5점), (b) 그이유를설명하라 (5점). ( 총 10점 ) O 2, N 2, F 2, Be 2, B 2 (a) N 2 > O 2 > B 2 > F 2 > Be 2 B 2 와 F 2 순서틀리면 -2 점 (b) MO-diagram을보면결합차수가 N 2 (3), O 2 (2), B 2 (1), F 2 (1), Be 2 (0) 의순서이다. F 2 의경우전자반발이심해 B 2 에비해그결합세기가약하다.

8 [1] Platinum(IV) forms octahedral complexes. Sketch the structures of all the distinct isomers of [Pt(N 3 ) 2 l 2 F 2 ], indicating which pairs of structures are mirror images of each other. ( 총 15 점 ) - 1 -

9 [2] The following reduction potentials have been measured in acidic aqueous solution: Mn 3+ + e - Mn 2+ Fe 3+ + e - Fe 2+ o 3+ + e - o 2+ ε o = 1.51 V ε o = 0.77 V ε o = 1.84 V Explain why the reduction potential for Fe 3+ lies below those for the +3 oxidation states of the elements on both sides of it in the periodic table. ( 총 15 점 ) [3] 다음의 ( ) 를채워넣으시오. ( 각 2.5 점 8 = 총 20 점 ) 1996년노벨화학상은 Smalley, Kroto, url등이 ( 60 or Fullene ) 을발견한공로에주어졌다. 이것은 ( 나노과학, Nano Science ) 라는분야를새로이탄생시킨의미로도주어졌다. 2001년화학상은 asymmetric catalyst를개발한공로로 Knowles, Noyori, Sharpless에게주어졌는데, 그들은 ( 광학이성질체 or optical isomer ) 을선택적으로합성하는방법을개발하였다. 1999년 Zewail교수는 (femtosecond, sec) 규모의시간분해능으로화학반응에서일어나는원자의움직임을실시간에서관찰한공로로노벨상을수상하였다. 2000년에노벨상은 ( ( 전기 ) 전도성 ) 의특성을지닌고분자를처음으로합성한공로로주어졌는데, 그응용분야는대표적으로 (light-emitting diode or LED ) 가있다. 1992년 Marcus는 ( 전자전이 or electron transfer) 에대한이론으로노벨상을수상하였다. 이이론은금속의녹이스는과정은물론이고생명유지에가장중요한밑거름이라할 ( 광합성 ) 과정에서빛에의해일어나는과정을잘설명하였다

10 [4] d 5 tetrahedral complex 인 [Fel 4 ] - 이온에관한다음물음에답하시오. ( 총 20 점 ) (a) 이온의입체구조를그리시오. (5 점 ) (b) 철에있는 3d orbital 들의에너지레벨 diagram 을그리시오. (10 점 ) d xy d yz d zx t 2g orbitals d x2-y2 d z2 e g orbitals (c) 이착이온의 crystal field stabilization energy 를구하시오. (5 점 ) 0 [5] Octahedral complex 에관한다음기술중옳은것에는 O 표, 부적절한것에는 X 표를하시오. ( 각 4 점 5 = 총 20 점 ) (a) 같은원소로된 low-spin d 5 octahedral complex는 high-spin d 5 octahedral complex에비하여 magnetic susceptibility가작다. a) O (b) 동일한금속이온에대하여, 물분자는염소이온에비하여약한결합을하는리간드이다. b) X (c) d 10 complex와 high-spin d 5 complex는선명한색을띄지않는다. c) O (d) Mo(O) 6 에서 Mo 원자는일산화탄소분자에 d-orbital의전자를 back-donation하기때문에이러한 back-donation을안하는 l - 리간드에비하여약한리간드로작용한다. d) X (e) 3d 전이금속착화합물은 4d 전이금속착화합물에비하여대체로 o 값이작다. e) O - 3 -

11 [6] 나노화학에관한다음기술중에서옳은것은 O 표, 부적절한것은 X 표를하시오. ( 각 5 점 5 = 총 25 점 ) (a) 20~50nm 직경범위에있는 dse 나노입자의 fluorescence 는입자의크기가작아질수록 blue-shift 된다. ( 즉, 파장이짧아진다.) a) O (b) 나노입자를제조할수있는방법중에서 분쇄 기법이있는데이것은 bottom-up 방법의일종이다. b) X (c) 반도체나노입자는크기가 10nm~100nm 범위에서도전기전도도의민감한나노효과 ( 즉, 입자의크기변화에따른전기전도도의변화 ) 를보여주는데비하여, 금속나노입자의전기전도도는이범위에서거의변화가없다. c) O (d) Self-assembly 기법은 10nm 이하직경의나노선 (nanowire) 를만드는데적합하지않다. d) X (e) 계면활성제를이용하는 self-assembly process 는 bottom-up 기법으로활용된다. e) O [7] 지구환경 ( 기후등 ) 에서평형과교란에대해아는것을쓰시오. ( 총 5 점 ) 평형 지구탄생후 46 억년에걸친변화속에서, 인간이생긴이후그변화는변화요소들의생 성 / 소멸비가일정한화학평형상태가유지되었다. 교란 균형에외부의요인에의해지구의자정능력밖의빠른속도의변화가일어나면인간이적응할수없다. 예를들어성층권의오존파괴, 대류권의 smog, 토양오염, 온실효과 [8] 물질이빛과의상호작용을통해상태전이를일으켰다. 이때이러한물질의상태를정의하기위해필요한물리적요소들을기술하시오. ( 총15점 ) (1) 에너지 E tot = E trans + E rot + E vib + E el (2) 자유도 : 병진, 회전, 진동, 전자자유도로의분배 (3) 수명 (lifetime) [9] 면심입방격자 (face centered cubic) 구조를갖는금 (Au) 결정을 X- 선회절을이용하여 - 4 -

Au(100) 면의방향을파악한후에다이아몬드톱을이용하여이상적인 Au(100) 면이표면에 되도록정육면체모양이되도록잘랐다. ( 총 25 점 ) (a) Au 결정에서뭉치 (bulk) 및 (100) 표면 (surface) 에있는한 Au 원자를둘러싸고있는 Au 원자들중최근접 (nearest neighbor) 하는 Au 원자들의갯수는각각얼마인가?

12 Au(100) 면의방향을파악한후에다이아몬드톱을이용하여이상적인 Au(100) 면이표면에 되도록정육면체모양이되도록잘랐다. ( 총 25 점 ) (a) Au 결정에서뭉치 (bulk) 및 (100) 표면 (surface) 에있는한 Au 원자를둘러싸고있는 Au 원자들중최근접 (nearest neighbor) 하는 Au 원자들의갯수는각각얼마인가? Bulk에있는 Au 원자들의결합에너지에상대적인표면 Au 원자의결합에너지 (binding energy) 를예상하시오? (10점) bulk 속 Au 원자의최근접원자개수 = 12 표면에있는 Au 원자의최근접원자개수 = 8 binding energy of surface Au atom = (2/3)x binding energy of bulk Au atom (b) 강의에서보여준바와같이실제의 Au(100) 표면에대한 STM image는이상적인 fcc(100) 의구조와는달리변형된표면구조를보인다. 이와같은고체표면의수평적구조변형을무엇이라하고 (5점), 왜그런변형된표면구조를갖는지설명하시오 (5점). 재배열 (reconstruction) [ 이완 (relaxation) 은수직적인변형을얘기하나정답으로맞게함 )] broken bond를가지는표면원자들의에너지가상대적으로커서에너지를최소화는구조로변형. (c) 정육면체모양의 Au 결정을녹는점 (melting point) 이상으로가열하면이결정모양은어떻게변화겠는가? 그이유는? (5 점 ) 구모양이표면적이최소화되는모양으로표면에너지 ( 표면장력 ) 가최소화하는구조임

[10] D-ribose 의곧은사슬분자형태는아래와같다. ( 총 10 점 ) O O O O 2 O D-ribose 의고리형 (ring form) 을그려라. (5 점 ) 또한몇개의키랄 (chiral) 탄소가존재하는지기술하라. (5 점 ) ( 해답 ) The ring form of D-ribose has four asymmetric carbon atom.

13 [10] D-ribose 의곧은사슬분자형태는아래와같다. ( 총 10 점 ) O O O O 2 O D-ribose 의고리형 (ring form) 을그려라. (5 점 ) 또한몇개의키랄 (chiral) 탄소가존재하는지기술하라. (5 점 ) ( 해답 ) The ring form of D-ribose has four asymmetric carbon atom. [11] 유전자암호 (genetic code) 는코돈이라부르는 3 염기서열로이루어진세트로되어있다. 왜 2 개의염기서열로는단백질에서흔히발견되어지는서로다른 20 개의아미노산을 code 화시킬수없는가? ( 총 10 점 ) DNA 염기는 4 가지가존재한다. (A, G,, T) 이중 2 개만취하여 2 글자단어로만들수있는가능한경우의수는 4 2 =16 이므로 20 개의서로다른아미노산을만들수없다

14 [12] 아래물음에답하시오. ( 총 10 점 ) (a) Ala, Ala 및 Gly 에서몇개의트리펩타이드가가능할까? (5 점 ) ala-ala-gly, ala-gly-ala, gly-ala-ala 3 펩타이드가가능하다. (b) 아미노말로산은동맥경화증플라그의형성과관계있는것으로알려져있고그 구조는다음과같다. O 2 O 2 N 2 이아미노산은친수성혹은소수성아미노산중어느것으로분류되겠는가? (2 점 ) 그까닭은? (3 점 ) 중성 p 에서대단히큰극성 ( 전하를띤 ) R 기를가지고있으므로친수성아미노산이다. [13] 다음분자식을가지는화합물에대한질문에답하시오. ( 총20점 ) 3 7 I, 3 5 I, 4 8 I 2, 4 6 I 2, 3 8 O (a) 이성질체 ( 거울상이성질체포함 ) 의수가가장많은화합물의분자식은? (5점) 4 6 I 2 (b) diastereomer를가지는분자식을쓰고 diastereomer의구조를그리시오. (10점) 4 8 I 2 I I I I (c) 3 8 O의가능한구조이성질체를모두그리고이들을끓는점순서 ( 낮은것부터 ) 대로나열하시오. (5점) O O < < (82.4 o ) (97 o ) O - 7 -

15 [14] 에스테르는카복실산과알코올로부터다음과같이만들수있다. ( 총 10 점 ) ROO + RO ROOR + 2 O (a) 위반응에서생성되는물 (water) 의산소는어느반응물에서온것인가? (5 점 ) ROO (b) 위반응을촉진시킬수있는촉매를제시하시오. (5 점 ) 산 ( + ), 염기도가능 [15] 프로필렌 (propylene, 2 =- 3 ) 의촉매에의한부가중합에의해얻을수있는폴리프로필렌의종류를 3 가지이상그리시오. (10점) 1) 2 ead to tail structure 3 n a isotactic polypropylene b syndiotactic polypropylene c atatic polypropylene 2) a,b,c Isotactic, syndiotatic, atatic n ead to ead & Tail to Tail structure - 8 -

<B4EBC7D0BFF85F F31C7D0B1E25FB0EDB1DEB9ABB1E2C8ADC7D0315FB1E2B8BBB0EDBBE72E687770>

<B4EBC7D0BFF85F F31C7D0B1E25FB0EDB1DEB9ABB1E2C8ADC7D0315FB1E2B8BBB0EDBBE72E687770> 2008학년도고급무기화학1 기말고사 (2008년 6월 10일 ) [2008 Advanced Inorganic Chemistry 1 Final Exam] mplex d n S Term LFSE ( o) Hours: 2:00PM-5:00 PM Answer the questions in the boxes given. Total Pages: 6 Total Problems: