6. ( = 30점 ) 메탄 (CH 4(g)) 은공기중에서타면물 (H 2O(l)) 과이산화탄소 (CO 2(g)) 로된다. (a) 위반응의균형잡힌화학반응식을쓰시오. CH 4(g) + 2 O 2(g) 2 H 2O(l) + CO 2(g) (b) 위

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1 2014 학년도 1 학기화학 1 중간고사 (2014 년 4 월 24 일 ) (a) 다음빈칸을채우시오. 이름 : 학번 : 동위원소 원자 번호 * 유효숫자네자리로적을것양성자의 원자량 (amu) 자연존재비 (%) 개수 중성자의 개수 l 시험시간 : 7:00 PM - 9:30 PM l 휴대전화는끌것 l 지우개, 계산기는서로빌려줄수없음 l 답은반드시각문제에주어진네모또는밑줄안에적을것. 네모의크기와답의길이는상관관계가없음 l 답의단위가주어졌을경우반드시단위에맞추어답을적을것 l 각문항에서빈공간이있는경우는풀이과정을적으라는의미임. 빈공간의크기와풀이의길이는상관관계가없음. l 시험에필요한상수나데이터는별지에있음. l 문제수 : 16 l Page 수 : 4( 문제 ) + 1( 자료 ) l 만점 : 355점 24 12Mg Mg Mg (b) Mg 원자하나의평균원자질량은몇 g 인가? x x x = amu g/mol = g/ x10 23 = x10-23 g 1. (2 x 10 = 20점 ) 다음측정값은각각어떤물리량을측정한것인가? 또각측정값을 SI 기본단위와지수표기법으로표시하시오.( 유효숫자틀리면오답처리 ) 측정값물리량지수표기법과 SI 기본단위로표현 25 N 힘 2.5 x 10 kg m/s 2 Mg 원자하나의평균원자질량 : x10-23 g 12.3 erg 에너지 1.23 x 10-6 kg m 2 /s 2 34 o C 온도 3.07 x 10 2 K 83.6 Å 길이 8.36 x 10-9 m x 개 ( 물질의 ) 양 x 10 4 mol ml 부피 x 10-5 m 3 2. (15점) 물의밀도는 25 C에서 g/cm 3 이고, 얼음의밀도는 -10 C 에서 g/cm 3 이다. 부피가 1.50 L 인음료수병에물을가득담고 - 10 C 까지얼리면얼음의부피는얼마인가? 질량 = 부피 x 밀도 25 C 물 1.50 L의질량 = 1.50 L x g/cm 3 = 1.50 x 1000 cm 3 x g/cm 3 = 1.50 x 10 3 g 부피 = 질량 / 밀도 4. ( = 20점 ) 마그네슘을태우면이온결합화합물인산화마그네슘이얻어진다. 2 Mg(s) + O 2(g) 2 MgO(s) (a) MgO에서 Mg 이온과 O 이온의바닥상태전자배치를쓰시오, 이온바닥상태전자배치 Mg 이온 1s 2 2s 2 2p 6 (Mg 2+ ) O 이온 1s 2 2s 2 2p 6 (O 2- ) (b) 얻어진 MgO 가루를특수하게처리하여한개의 MgO를분리하여냈다고가정하자. 그질량이 40 amu 일확률은몇 % 인가?( 유효숫자틀리면감점 ) 질량이 40 amu 이기위해서 MgO는 24 Mg 16 O 이어야한다. 24 Mg 16 O 일확률 = % x % = % -10 C 얼음 1.50 x 10 3 g 의부피 = 1.50 x 10 3 g / (0.917 g/cm 3 ) = 1.64 x 10 3 cm 3 질량이 40 amu 일확률 : % 부피 : 1.64 x 10 3 cm 3 5. (3 x 6 =18 점 ) 다음화합물의이름또는화학식을쓰시오. 3. ( = 27 점 ) 다음은마그네슘 (Mg) 로부터얻은질량분석스펙트럼 과산소의동위원소에대한자연존재비를나타낸표이다. 산소 (O) 의동위원소 자연원자량존재비 (amu) (%) 화학식 CsF Al 2O 3 HClO 4 H 2SO 4 Fe 2(CO 3) 3 N 2O 4 이름플루오린화세슘 (cesium fluoride) 산화알루미늄 (aluminum oxide) 과염소산 (perchloric acid) 황산 (sulfuric acid) 탄산철 (III) (iron(iii) carbonate) 사산화이질소 (dinitrogen tetroxide)

2 6. ( = 30점 ) 메탄 (CH 4(g)) 은공기중에서타면물 (H 2O(l)) 과이산화탄소 (CO 2(g)) 로된다. (a) 위반응의균형잡힌화학반응식을쓰시오. CH 4(g) + 2 O 2(g) 2 H 2O(l) + CO 2(g) (b) 위반응식에서환원제로작용한화합물은? 그리고그화합물에서어떤원자의산화수가반응전과후에어떻게바뀌었는지아래의표를완성하시오. (b) 유클립톨의질량분석스팩트럼은 154 amu에서봉우리를나타낸다. 이물질의분자식은무엇인가? C 10H 18O의화학식량 = 12 amu x amu x amu x 1 = 154 amu 따라서실험식과분자식은같다. 즉분자식은 C 10H 18O 환원제로 작용한화합물 반응전후에 (A) 화합물에서 산화수가바뀐원자 반응전 산화수 반응후 (A) CH 4 C (c) 25 o C, 1 기압에서 1 mol 의 CH 4 가완전히연소되었을때몇 kj 의열이 발생하는가? 따라서발생된열량은 787 kj 분자식 : C 10H 18O 8. (6 x 4 = 24점 ) 수용액에다음을넣었을때일어나는반응의분자반응식과을쓰시오, 그리고반응이 산-염기반응, 침전반응, 산화-한원반응 중어느반응에해당하는지쓰시오,( 수용액에서의상태도정확히표시할것. 균형이맞아야함. 반응이일어나지않으면 이라고쓸것 ) (a) FeSO 4, KCl 787 kj 분자반응식 반응의종류 (d) 32g의 CH 4 를태웠더니반응이완전히진행되지않고물이 36 g 발생하 였다, 이과정에서발생한열은얼마인가? CH 4(g) + 2 O 2(g) 2 H 2O(l) + CO 2(g) 1 mol 2 mol 2 mol 1 mol 32 g (= 2 mol) 72 g(=4 mol) => 이론적수득량 36 g => 수득률 50% (b) Fe(s), Ni(NO 3) 2 분자반응식반응의종류 (c) K 3PO 4, AgNO 3 Fe(s) + Ni(NO 3) 2(aq) Fe(NO 3) 2(aq) + Ni(s) Fe(s) + Ni 2+ (aq) Fe 2+ (aq) + Ni(s) 산화 - 환원반응 CH 4 2 mol 이완전연소하면 (787 kj/mol x 2 mol) 발생 수득률이 50% 이므로 787 kj 발생 분자반응식 반응의종류 K 3PO 4(aq) + 3 AgNO 3(aq) Ag 3PO 4(s) + 3 KNO 3(aq) PO 4 3- (aq) + 3 Ag + (aq) Ag 3PO 4(s) 침전반응 (d) NaHCO 3, H 2SO 4 ( 힌트 : CO 2(g) 발생 ) 787 kj 분자반응식 반응의종류 2 NaHCO 3(aq) + H 2SO 4(aq) Na 2SO 4(s) + 2 H 2O(l) + 2 CO 2(g) HCO - 3 (aq) + H + (aq) H 2O(l) + CO 2(g) 산-염기반응 7. ( = 25점 ) 코알라는유클립투스 (euclyptus) 나뭇잎만을먹는다. 유클립투스나뭇잎에는독성이있는유클립투스오일이있는데, 코알라의소화계는이를해독하는능력을가지고있다. 유클립투스오일의주요성분은유클립톨 (euclyptol) 로서, 유클립톨 g 에는 C가 g, H가 g 있고나머지는 O 이다. (a) 유클립톨의실험식은? 유클립톨 g 에는 C가 g, H가 g, O가 g 있다. 9. ( = 20점 ) ΔE = q + w 의관계식으로부터 ( 여기서일 (w) 은오로지 PV 일만있다고가정 ) (a) 내부에너지의변화량 (ΔE) 은일정부피에서어떤변화가일어날때열로서수반되는에너지의흐름과같음 을증명하시오.( 즉, 일정부피에서 ΔE = q 임을증명 ) ΔE = q + w = q - PΔV ( 일정부피, ΔV = 0) = q C g = 77.87g/(12.011g/mol) = mol H g = 11.76g/(1.0079g/mol) = mol O g = 10.37g/(15.999g/mol) = mol 몰비 C:H:O = 6.483:11.67: :18:1 따라서실험식은 C 10H 18O 실험식 : C 10H 18O (b) 엔탈피의변화량 (ΔH) 은일정압력에서어떤변화가일어날때열로서수반되는에너지의흐름과같음 을증명하시오.( 즉, 일정압력에서 ΔH = q 임을증명 ) H = E + PV ΔH = ΔE + Δ(PV) = q + w + [PΔV + VΔP] = q - PΔV + [PΔV + VΔP] = q + VΔP ( 일정압력, ΔP = 0) = q

3 10. ( = 21 점 ) 다음의두반응은산화 - 환원반응이다. Br 2(aq) + 2 NaI(aq) 2 NaBr(aq) + I 2(aq) Cl 2(aq) + 2 NaBr(aq) 2 NaCl(aq) + Br 2(aq) 12. (12점) 다음그림의닫힌상자는각각계를나타내고있으며, 화살표는특정과정에있어서의변화를나타내고있다. 화살표의길이는상대적인 q와 w의강도를나타낸다. 아래물음에답하시오.( 아래에서답이존재하지않을경우 답없음 이라고쓸것 ) (a) 수용액에서 Cl - (aq), Br -,(aq) I - (aq) 중산화가쉽게되는것부터아래표에위에서아래로순서대로쓰고, 각각에대하여산화 ( 반쪽 ) 반응식을쓰시오.( 표4.5 참고 ) 산화의용이성순서산화 ( 반쪽 ) 반응 ( 균형이맞아야함 ) I - (aq) 2 I - (aq) 2 e - + I 2(aq) 물음흡열과정을모두고르시오 ΔE < 0인과정을모두고르시오계의내부에너지가증가하는과정을모두고르시오 답 (iii) 답없음 (i), (ii), (III) Br - (aq) 2 Br - (aq) 2 e - + Br 2(aq) Cl - (aq) 2 Cl - (aq) 2 e - + Cl 2(aq) (b) 수용액에다음을넣었을때일어나는반응의을쓰시오,( 수용 액에서의상태도정확히표시할것. 균형이맞아야함. 반응이일어나지않 으면 이라고쓸것 ) 반응물 Cl 2(aq), KI(aq) 2 I - (aq) + Cl 2(aq) 2 Cl - (aq) + I 2(aq) 13. (15 점 ) 아래의전자배치를하는원자에대하여표의빈칸을채우시오. Br 2(aq), LiCl(aq) 전자배치원자족 왼쪽의전자배치는 들뜬 상태 또는 바닥상태? 1s 2 2s 2 2p 5 F 17(7A) 바닥상태 11. ( = 25점 ) 수증기 (H 2O(g)) 의표준생성엔탈피 (ΔH o f ) 는 -242 kj/mol 이고물 (H 2O(l)) 의표준생성엔탈피 (ΔH o f ) 는 -286 kj/mol 이다. (a) 여기에서 ΔH o o f (H 2O(g)) 와 ΔH f (H 2O(l)) 는각각어떠한온도와압력에서일어난화학적변화 ( 반응 ) 에대한엔탈피변화량인가? 반응식을정확하게쓰시오. 그리고온도와압력을적으시오. ΔH f o (kj/mol) 압력온도반응식 ( 기압 ) ( o C) H 2O(g) -242 H 2(g) + 1/2 O 2(g) H 2O(g) 1 25 H 2O(l) -286 H 2(g) + 1/2 O 2(g) H 2O(l) 1 25 (b) 1기압, 100 o C에서물의기화열 (ΔH vap) 을구하시오. 1s 2 2s 1 Li 1(1A) 바닥상태 1s 2 2s 1 2p 6 3s 1 Ne 18(8A) 들뜬상태 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 Cl 17(7A) 바닥상태 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 4 Cr 6(6B) 들뜬상태 14. (3 x 6 =18점 ) 다음은 19세기말과 20세기초에걸쳐서일어난과학적 실험의관측들이다. ( 무순 ) 수소원자의방출스펙트럼 ( 선스펙트럼 ), 광전효과, 러더포드의알파입자산란 실험, 톰슨의음극선관실험, 회절, Compton( 콤프톤 ) 효과 ΔH f(h 2O(g), 100 o C) = ΔH o f (H 2O(g)) + Cp(H 2O(g)) x ΔT = kj/mol J/(K mol) x 75K = -239 kj/mol ΔH f(h 2O(l), 100 o C) = ΔH o f (H 2O(l)) + Cp(H 2O(l)) x ΔT = kj/mol J/(K mol) x 75K = kj/mol 100 o C에서물의기화열 (ΔH vap) = ΔH f(h 2O(g), 100 o C) - ΔH f(h 2O(l), 100 o C) = -239 kj/mol - (-280 kj/mol) = 41 kj/mol 다음의성질들은위의관측들중어느것에의하여알게되었는가? (a) 전자는파의성질을가지고있다. ( 한개 ) 회절 (b) 원자의질량은거의핵에집중되어있다. ( 한개 ) 러더포드의알파입자산란실험 (c) 원자는전자를가지고있다. ( 한개 ) 톰슨의음극선관실험 (d) 원자에있는전자는양자화된에너지상태를가지고있다. ( 한개 ) 수소원자의방출스펙트럼 ( 선스펙트럼 ) 100 o C 에서물의기화열 (ΔH vap) = 41 kj/mol (e) 빛은파의성질을가지고있다. ( 한개 ) 회절 (f) 빛은광자 (photon) 이라고불리는입자의성질을가지고있다. ( 두개 ) 광전효과, Compton( 콤프톤 ) 효과

4 15. ( = 35점 ) 다음은몇가지원자오비탈의그림이다. 아래물음에답하시오.( 답이없으면 답없음 이라고쓸것 ) (1) (2) (3) z Z Z 16. ( = 30점 ) 금속에파장이짧은빛을비추면전자가튀어나오는현상을광전효과 (photoelectric effect) 라고한다.( 아래왼쪽그림 ) 아래오른쪽그래프는금속표면에조사하는빛의진동수 ( 주파수 ) 와튀어나오는전자의운동에너지사이의관계를나타낸그래프이다.( 굵은실선 ) + x X y - (4) (5) Z y X X (a) l 값 ( 각운동량양자수, 부양자수 ) 이 2 인것을모두고르시오, (3), (4), (5) (b) n 값 ( 주양자수 ) 이 3 인것을모두고르시오, (2), (3) (a) 위그래프에서기울기의값은얼마인가?( 값과단위를정확히쓸것 ) 또 그렇게결정하게된이유를설명하시오. 광전효과실험에서 (c) 각방향마디 (angular node) 가두개있는것을모두고르시오, (3), (4), (5) 빛의진동수 ( ) 가문턱진동수 ( ) 보다작을때전자는튀어나오지않 는다. 즉 (d) 수소원자 (H) 에서 (5) 번오비탈에있는전자가 (2) 번오비탈로전이할때방출하는빛의에너지 (ΔE H) 와헬륨이온 (He + ) 에서 (5) 번오비탈에있는전자가 (2) 번오비탈로전이할때방출하는빛의에너지 (ΔE He+) 사이의관계식을구하시오, (5) 5d x2-y2 오비탈, (2) 3p x 오비탈 빛의진동수 (ν) 가문턱진동수 (ν o) 보다클때전자는튀어나오고이때전 자의운동에너지는 이다. 따라서기울기는 ( 플랑크상수 ) 이다. 는핵전하 따라서 또는 기울기 : x J s (b) 위의실험에서금속이 Li인경우문턱진동수 ( ) 는 x10 14 Hz 이다. 위그래프에서기울어진직선을연장하였을때 y-축과만나는점 (y-절편 ) 의값은얼마인가?( 단위 J) 따라서 y- 절편의값은 ΔE H 와 ΔE He+ 사이의관계식 : 또는 (e) 수소원자 (H) 에서 (2) 번오비탈에있는전자가 (4) 번오비탈로전이할때흡수하는빛의파장 (λ H) 과헬륨이온 (He + ) 에서 (2) 번오비탈에있는전자가 (4) 번오비탈로전이할때흡수하는빛의파장 (λ He+) 사이의관계식을구하시오, 절편 = x Js x x s -1 = x J ( 즉 y-절편의값은 [ 일함수 (work function) 값 x (-1)] 이다.) (4) 4d xz 오비탈, (2) 3p x 오비탈 (d) 에서전자가 2p z 오비탈에서 4d xz 오비탈로전이할때흡수하는 빛의에너지도역시 또는 의관계에 y- 절편 : x J 있음을알수있다. 즉 따라서 또는 λ H 와 λ He+ 사이의관계식 : 또는

5 < 상수 > Avogadro의수 (N A) 6.022x10 23 /mol Planck 상수 (h) x J s < 단위변환 > K o C < 밀도, 비열, 증발열, 녹음열 > 물의비열 (C p(h 2O(l)) 1.00 cal/(g o C) = J/(g o C) = J/(K mol) 수증기의비열 (C p(h 2O(g)) cal/(g o C) = J/(K mol) <( 방정 ) 식 > 수소꼴원자에서의전자오비탈에너지준위 (n=1,2,..) 빛의속도 빛의에너지 < 표준생성엔탈피 : ΔH o f (kj/mol)> 화합물 ΔH o f (kj/mol) H 2O (l) -286 H 2O (g) -242 CO 2(g) CH 4(g) -78.4

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