2018 학년도자연계수시논술 논리로해결하는과학논술화학 성균관대 4개년기출문제와해설이석선생님
< 제목차례 > 1. 알루미늄과황 1 2. 인산구조식 3 3. 이온화에너지 6 4. 요소 9 5. 칼슘과아연의크기비교 12 6. 이온화에너지와철산화물 14 7. 구리생성과원소분석 16 8. 이온화에너지비교 18 9. 포름알데하이드와산화구리 20 10. 산화나트륨 22 11. 루이스구조식 24 12. 논제해설 25
1. 알루미늄과황 1) 다음 < 제시문 1> ~ < 제시문 4> 를읽고 [ 화학 Ⅰ - i] ~ [ 화학 Ⅰ - ⅳ] 를문항별로풀이와 함께답하시오.(17 수시 ) < 제시문1> 바닥상태의원자는에너지가가장낮은오비탈부터전자가채워지고, 그오비탈이채워지면다음으로에너지준위가높은오비탈에전자가채워지는전자쌓음원리로전자가배치된다. 또한, 전자배치와원소의화학적성질은밀접한관계를가진다. < 제시문2> 원자를구성하는전자는명확한경계를갖지않으므로한개의원자로써그원자의반지름을결정하기는쉽지않다. 따라서원자반지름은원자들의핵사이의거리를측정해서결정한다. 즉원자반지름은같은종류의원자가결합해있을때두원자의핵간거리의반이다. 원자가전자를잃고양이온이되거나전자를얻어음이온이되면각이온의반지름은원자의반지름과크기가달라진다. < 제시문3> 화학반응이일어날때반응물질과생성물질의관계를나타낸식을화학반응식이라고한다. 화학반응식을이용하여반응물과생성물의종류를알수있고, 계수로부터반응물과생성물의양적관계를파악할수있다. < 제시문4> 산과염기를반응시키면산과염기의성질이사라지는데, 이것은산과염기가반응하여물과염을생성하기때문이다. 이러한반응을중화반응이라고하는데, 이때물은산의수소이온과염기의수산화이온의결합으로생성된다. 또한염은산의음이온과염기의양이온이결합하여생성되는물질을말한다. [ 화학 Ⅰ - ⅰ] 원자번호 13 번인알루미늄 (Al) 과원자번호 16 번인황 (S) 에대해서각각의안 정한이온형태를 < 제시문 1> 을참조하여논하시오. [ 화학 Ⅰ - ⅱ] 알루미늄이온과알루미늄원자, 그리고황원자가있다. 이 3 개의이온및 원자들에대해반지름의크기를비교하여순서대로나타내고, 그근거를논하시오. - 1 -
[ 화학 Ⅰ - ⅲ] 황화은 (Ag S) 과알루미늄의반응을통해은을추출할수있다. 이때부산물로황화알루미늄이생성된다. 이반응을통해은 21.6 g을얻고자할때, 부산물로생성될황화알루미늄의양 (g) 을구하고, 그근거를논하시오. ( 단, Ag, Al, S의원자량은각각 108, 27, 32이다.) [ 화학 Ⅰ - ⅳ] 황화은과염산이반응하면유독한황화수소 (H S) 기체가발생한다. 이때발생한황화수소기체를포집하여물에모두녹인뒤, NaOH 수용액으로중화시키고자한다. 황화은 31 g과충분한양의염산이반응하여발생한황화수소를중화시키기위해필요한 NaOH의양 (g) 은얼마인지구하고, 그근거를논하시오. ( 단, Na, O, H의원자량은각각 23, 16, 1이다.) - 2 -
2. 인산구조식 2) 다음 < 제시문 1> ~ < 제시문 4> 를읽고 [ 화학 Ⅰ - i] ~ [ 화학 Ⅰ - ⅲ] 을문항별로풀이와함께 답하시오.(17 학년도수시 ) < 제시문1> 공유결합분자의전자배치를간편하게나타내기위해서공유전자쌍은결합선으로나타내고, 비공유전자쌍은 1쌍의점으로나타내거나생략하기도하는데, 이것을루이스구조식이라고한다. < 제시문2> 전자쌍반발이론은중심원자를둘러싸고있는전자쌍들은 (-) 전하를띠고있어서정전기적반발력이최소가되도록가능한멀리떨어지려는방향으로배치된다는것이다. 전자쌍반발이론을이용하여분자의구조를예측할수있다. < 제시문3> 주기율표의같은주기에서는오른쪽으로갈수록원자반지름이작아지고, 주기율표의같은족에서는아래로갈수록원자반지름이커진다. 다음그래프는원자반지름의주기성을나타낸다. 원자의가장바깥전자껍질의전자를모두잃어서양이온이될때는전자껍질 1개가줄어들어원자반지름보다양이온의반지름이작아진다. < 제시문 4> 산화수는어떤물질속에서원소가어느정도로산화되었는지를나타내는가상 적인전하량이다. [ 화학 Ⅰ - ⅰ] 뉴클레오타이드는인산결합으로핵산을형성한다. 뉴클레오타이드의일부는 그림과같이탄소원자 5 개로이루어진당, 인산, 그리고질소를포함한염기의세부분으로 이루어져있다. 아래빈칸에두개의당과결합하고있는인산의루이스구조식을제시하시 - 3 -
오. ( 단, 비공유전자쌍은생략하시오.) 그리고이온화되지않은인산의구조에서 HOP 와 염기구조에서의 HNC 의결합각의크기를비교하여논하시오. - 4 -
[ 화학 Ⅰ - ⅱ] 다음화합물의녹는점이높은것부터순서대로나열하고, 그이유를논하시오. NaCl HCl CaO KCl [ 화학 Ⅰ - ⅲ] 그림은 0, 1기압에서콕으로분리된두실린더에각각기체상태의 22.4 L 이산화황 (SO ) 과황화수소 (H S) 가채워져있는모습을나타낸것이다. 콕을열고피스톤을밀어 ( 가 ) 의이산화황을모두 ( 나 ) 로보내고난후, 콕을닫았다. 그후, 고체상태의황과액체상태의물이생성되는것을관찰하였다. 반응이완전히끝난후, 용기 ( 나 ) 의부피를예측하시오. 또한, 반응물과생성물의산화수변화를논하시오. ( 단, 온도와압력은일정하다. 연결관의부피, 피스톤의마찰과질량, 고체와액체의부피는무시하시오. 기체의물에대한용해도는없다고가정하시오.) - 5 -
3. 이온화에너지 [ 화학 I ] 3) 다음 < 제시문1> ~ < 제시문5> 를읽고 [ 화학Ⅰ-i] ~ [ 화학Ⅰ-ⅳ] 를문항별로풀이와함께답하시오.(16학년도수시 ) < 제시문1> 현대주기율표에서같은족원소들은화학적성질이비슷하며, 원자번호에따라물리적성질이규칙적으로변화한다. 또한같은주기에서는원자번호에따라물리적성질과화학적성질이규칙적으로변화한다. 예를들면, 몇가지원소들은주기율표에다음과같이표기된다. < 제시문2> 주기율표에있는 18족원소들은최외각전자껍질에전자들이모두채워진균형잡힌전자배치를하고있다. 따라서반응성이매우작고화학적으로안정하기때문에비활성기체라고한다. 18족원소이외의대부분의원자들은전자를잃거나얻어서네온, 아르곤과같은비활성기체처럼최외각전자껍질에 8개의전자를채워안정한전자배치를가지려고한다. 이러한경향을옥텟규칙이라고한다. < 제시문3> 기체상태의중성원자에서 2개이상의전자를순차적으로떼어낼때필요한에너지를순차적이온화에너지 ( ) 라고하며, 제일이온화에너지 ( ), 제이이온화에너지 ( ), 제삼이온화에너지 ( ), 로나타낸다. < 제시문4> 원자들이모여분자를만들때, 분자를이루는원자들의원자량을합한값을분자량이라고한다. 분자로존재하지않는물질은분자량과마찬가지로화학식을이루는원소들의원자량합인화학식량으로상대적인질량을나타낸다. 예를들어, 은 170, 는 110, 은 143의화학식량을갖는다. < 제시문5> 3개의원자가결합한분자에서중심원자의원자핵과중심원자와결합한두원자의핵을연결했을때두원자핵사이의거리를결합길이라고하고, 중심원자와다른두원자가이루는각을결합각이라고한다. - 6 -
[ 화학 Ⅰ-ⅰ],,,,, 원소들이 와같은수의원자가전자를가질때형성 되는이온의크기가큰것부터이온의형태로나열하고, 그이유를논하시오. [ 화학 Ⅰ-ⅱ] 화성에서발견된어느원소의순차적이온화에너지 ( ) 를실험을통해다음과같 이얻었다고하자. 이원소의원자가전자의개수는몇개인지논리적으로추론하시오. - 7 -
[ 화학 Ⅰ-ⅲ] 질산은 ) 수용액은염화칼슘 ( ) 수용액과반응하여질산칼슘 ( ) 과염화은 ( ) 을형성한다. 340 g 의질산은을포함한용액과 55 g 의염화칼슘 을포함하는용액을섞었을때최대몇 g 의염화은이생성될지논하시오. [ 화학 Ⅰ-ⅳ] 메톡시아민 ( ) 은산과반응하여 이온을형성한다. 반응전 후, 질소원자를중심으로이루어지는결합각 HNH 의변화를논하시오. - 8 -
4. 요소 4) [ 화학 I ] 다음 < 제시문1> ~ < 제시문5> 를읽고 [ 화학Ⅰ-i] ~ [ 화학Ⅰ-ⅳ] 를문항별로풀이와함께답하시오.(16학년도수시 ) < 제시문1> 분자에서모든원자가전자를나타내는식을루이스전자점식이라고한다. 루이스전자점식은결합에참여한전자와결합에참여하지않은전자가드러나도록표시한화학식이다. < 제시문2> 전자쌍반발원리는한분자내에서중심원자를둘러싸고있는전자쌍끼리는서로의정전기적반발력이작용하여가능하면멀리떨어져있으려고한다는이론이다. 이원리는공유결합으로만들어진분자의구조와결합각을예측하는데유용하다. < 제시문3> 화학반응이일어날때반응물질과생성물질의관계를나타낸식을화학반응식이라고한다. 화학반응식을이용하여반응물과생성물의종류를알수있고, 계수로부터반응물과생성물의양적관계를파악할수있다. < 제시문4> 이온결합은양이온과음이온사이의전기적인력에의해형성되는결합이며공유결합은원자사이에전자쌍을공유하여이루어지는결합이다. 과 는양이온과음이온사이에강한전기적인력에의해결합되어있어녹는점과끓는점이높으므로상온에서고체로존재한다. 반면에분자로이루어진공유결합물질인 와 는녹는점과끓는점이낮아상온에서각각기체와액체로존재한다. < 제시문5> 화학반응에서전자를잃는것을산화라고하고전자를얻는것을환원이라고한다. 산화-환원반응을설명하기위하여산화수를사용한다. 산화수는어떤물질속에서원소가어느정도로산화되었는지를나타내는가상적인전하량이다. [ 화학Ⅰ-ⅰ] 요소는 의화학식을가지는분자이다. 요소의구조에서 과 의결합각을각각 a와 b라하자. 요소는화학반응에의해 와암모니아로분해된다. 의구조에서 의결합각을 c라하자. 요소와 의루이스전자점식을제시하고결합각 a,b,c의크기를비교하여논하시오. [ 화학 Ⅰ-ⅱ] 질소기체와수소기체의반응을통해암모니아가합성되고, 암모니아와이산화 - 9 -
탄소의반응을통해요소와물이생성된다. 이러한합성과정으로요소를합성하고자할때, 0 1기압에서 11.2 L의부피를가지는수소기체를사용하여얻을수있는요소의최대량 (g) 을구하고, 그근거를제시하시오.(H, C, N, O의원자량은각각 1, 12, 14, 16이다. 질소기체와이산화탄소는충분한양을사용한다.) - 10 -
[ 화학 Ⅰ-ⅲ] 암모니아와이산화탄소의반응에의한요소의생성반응에서 의화 학식을가지는중간물질이얻어졌다. 요소와이중간물질에대해화학결합의차이를논하 고, 두물질의녹는점을비교하시오. [ 화학 Ⅰ-ⅳ] 콩과식물에서 1 몰의 와 8 몰의 가반응하여 2 몰의 과 1 몰의 를생 성한다고할때 1 몰의암모니아생성에필요한전자의개수를논하시오. - 11 -
5. 칼슘과아연의크기비교 5) 다음 < 제시문 1> ~ < 제시문 4> 를읽고 [ 화학 Ⅰ-i] ~ [ 화학 Ⅰ-ⅱ] 를문항별로풀이와함께답 하시오.(16 학년도모의 ) < 제시문 1> 원소기호를이용하여복잡한화합물을화학식으로간단하게나타내듯이, 화학식을이용하여화학적변화를나타낸것을화학반응식이라고한다. 화학반응식으로부터반응물과생성물의종류뿐만아니라반응에관한여러가지정보를얻을수있다. 예를들어, 화학반응식의계수비는각물질의몰수비와같다. < 제시문 2> 한용액의농도를표현하는여러가지방법중화학에서가장많이이용되는농도인몰농도가있다. 몰농도는용액 1L부피에들어있는용질의몰수이며, 단위는 M으로표기한다. 용질의몰수 용액의 < 제시문 3> 일정한에너지의전자가원자핵주위에서발견될확률밀도를나타내는함수를오비탈또는궤도함수라고한다. 같은전자껍질에있지만에너지가조금씩다른오비탈은 s,p,d,f등의기호를사용하여나타낸다. 바닥상태원자의전자배치는에너지가가장낮은오비탈부터차례대로채워진다. < 제시문4> 비슷한성질의원소들이주기적으로나타나는것을주기율이라고하며, 이러한주기율에따라원소들을배열한표를주기율표라고한다. 현대주기율표는원자번호순서대로왼쪽에서오른쪽으로원소를나열하다가줄을바꾸어화학적성질이비슷한원소가같은세로줄에오도록배열한것이다. 화학적성질은원소의전자배치와밀접한관련이있으므로현대주기율표는유사한전자배치를가지는원소끼리분류하고배치한표라고생각할수있다. 화학 I-i 비이커에 26g의 NiCl 와 10g의 NaOH 를포함하고있는용액을혼합하여부피가 5L인용액을만들었다. 비이커에서는반응이발생하여, Ni OH 와 NaCl이생성되었다. Ni OH 가최대로생성될때, 용액에녹아있는 NaCl의최대몰농도를논리적으로예측하시오. (NiCl 의화학식량은 130이고, NaCl의화학식량은 40이다.) - 12 -
화학 I-ii 주기율표에서 4주기에위치한 Ca( 원자번호 20) 과 Zn( 원자번호 30) 은두개의전자를잃어 Ca 와 Zn 이온을형성한다. Ca, Ca, Zn, Zn 의크기를서로비교하여예측하고그이유를논하시오. - 13 -
6. 이온화에너지와철산화물 6) 다음 < 제시문 1> ~ < 제시문 4> 를읽고 [ 화학 Ⅰ-i] ~ [ 화학 Ⅰ-ⅳ] 를문항별로풀이와함께답하 시오.(15 학년도수시 ) < 제시문1> 원자를구성하는입자는전자, 양성자, 중성자가있다. 중성자는양성자와질량이거의같으며전하를띠지않는입자로양성자와함께원자핵을구성한다. 같은원소의원자라도중성자의수는다를수있다. < 제시문2> 기체상태의중성원자로부터전자한개를무한히먼거리로떼어내는데필요한에너지를이온화에너지라고한다. 여러개의전자를가지는원자의경우차례대로전자를떼어낼수있다. 첫번째전자를떼어내는데필요한에너지를제1 이온화에너지 ( ), 두번째전자를떼어내는데필요한에너지를제2 이온화에너지 ( ), 세번째전자를떼어내는데필요한에너지를제3 이온화에너지 ( ) 라하며, 이를순차적이온화에너지라한다. < 제시문3> 원자번호 13번인알루미늄의제1 이온화에너지는 578 kj/mol, 제2 이온화에너지는 1817 kj/mol, 제3 이온화에너지는 2745 kj/mol, 제4 이온화에너지는 11577 kj/mol, 제5 이온화에너지는 14842 kj/mol 로알려져있다. < 제시문4> 어떤물질이전자를잃는반응을산화반응이라하고, 전자를얻는반응을환원반응이라고한다. 산화환원반응을설명하기위하여산화수를사용한다. 물질내에서원자들사이에전자가완전히이동하였다고가정할때각원자가가지는전하의수를산화수라고한다. 산화수는어떤물질속에서성분원소의원자가어느정도로산화되었는지를나타내는가상적인전하량이다. 자신이환원되면서다른물질을산화시키는것을산화제, 자신은산화되면서다른물질을환원시키는것을환원제라한다. [ 화학 Ⅰ-ⅰ] 원자번호 26 번인철의동위원소중, 질량수가 54 와 58 인두종류의동위원소 로이루어져있으며동위원소의함량비가 1:1 인철시료를얻었다. 이시료안의철 1 몰에 있는중성자의개수를몰단위로추론하시오. [ 화학 Ⅰ-ⅱ] < 제시문 3> 에서알루미늄의이온화에너지가순차가진행될수록커지는것과제 4 이온화에너지가급속히증가하는이유에대해각각논하시오. - 14 -
[ 화학Ⅰ-ⅲ] 적철석 (Fe O ) 과알루미늄가루를반응물로사용하여높은열과철 (Fe) 을얻을수있다. 이방법은비교적간단한기구를사용하여철도의레일설치작업에이용되고있다. 충분한양의적철석을사용하여철을만들때, 108 g의알루미늄가루를가지고만들수있는철의최대량 (g) 을화학반응식과더불어논하시오. ( 철원자량은 56, 알루미늄원자량은 27 이다.) [ 화학Ⅰ-ⅳ] 철의산화물중흔히발견되는것으로 FeO, 적철석 (Fe O ), 자철석 (Fe O ) 이있다. 이들철산화물이철 (Fe) 로환원되는반응은전기에너지저장장치에활용될수있다. 이환원반응에서철산화물무게 (g) 당필요한전자의개수 ( 몰수 ) 를전기에너지저장량이라고할때, 위의세가지철산화물을최대전기에너지저장량이높은순에서낮은순으로배열하고근거를논하시오. ( 산소원자량은 16이다.) - 15 -
7. 구리생성과원소분석 7) 다음 < 제시문 1> ~ < 제시문 3> 을읽고 [ 화학 Ⅰ-i] ~ [ 화학 Ⅰ-ⅳ] 를문항별로풀이와함께답하 시오.(15 학년도수시 ) < 제시문1> 구리광석은구리와철의황화물이섞여있는황동광 ( CuFeS ) 이다. 황동광을가열하면휘발성불순물들을제거할수있으며, 충분한공기가있으면 FeS는산화물로변환되지만 CuS는변환되지않는다. 순수한구리를얻기위해산화철을제거하고다음의두단계의반응을진행시킨다. 1단계에서구리황화물인 CuS을산소 ( O ) 기체와고온에서반응시키면생성물로액체상태의 Cu S와기체상태의 SO 가얻어진다. 이후, 2단계반응에서 Cu S를산소기체와반응시켜액체상태의 Cu와기체상태의 SO 가얻어진다. < 제시문 2> 원자량은탄소원자 ( C ) 의질량을 12 로정하여다른원자들의질량은탄소원자의질량 에따른상대적인값으로표기한다. < 제시문3> 분자식은같으나구조가달라서성질이다른화합물을구조이성질체라고한다. 예를들어, 에탄올과다이메틸에테르는모두극성분자로이루어진분자성물질이다. 그러나두물질은서로같은원소로이루어져있고분자식도같지만분자의구조가다르며극성의세기도같지않다. 이처럼같은원자로이루어져있어도분자의구조가다르면물질의녹는점과끓는점, 물에대한용해도가다를수있다. [ 화학Ⅰ-ⅰ] < 제시문1> 에서황동광을순수한구리로전환시키는화학반응에대하여답하시오. ( 가 ) 구리황화물 CuS를순수한 Cu 로전환시키는 1단계와 2단계화학반응식을각각제시하시오. ( 나 ) 0.5몰의 CuS를순수한 Cu로전환시키는데필요한산소기체가 0 1기압에서차지하는부피를논하시오. - 16 -
[ 화학Ⅰ-ⅱ] 원소분석을통해분자성화합물이 C, H, Cl로이루어져있음을알아내었다. 아래원소분석장치에서 g의시료를완전연소시킨결과, 염화칼슘을채운관의질량이 g 증가하였고, 수산화나트륨을채운관의질량은 g 증가하였다. 또한이화합물의몰질량이 g mol로결정되었다. 이화합물의실험식과분자식을논하시오. (H 의원자량은 1, C 의원자량은 12, O 의원자량은 16, 그리고 Cl의원자량은 35라한다.) [ 화학 Ⅰ-ⅲ] 문제 [ 화학 I-ⅱ] 에서결정된분자의구조이성질체를모두그리시오. [ 화학 Ⅰ-ⅳ] 문제 [ 화학 I-ⅲ] 에서얻어진구조이성질체의물에대한용해도크기를비교하고 그이유를논하시오. - 17 -
8. 이온화에너지비교 8) 다음 < 제시문 1> ~ < 제시문 3> 을읽고 [ 화학 Ⅰ-ⅰ] 과 [ 화학 Ⅰ-ⅱ] 를문항별로풀이와함께답하 시오.(15 학년도모의 ) < 제시문1> 원자에에너지를가하면가장바깥전자껍질에배치되어있는원자가전자가원자핵으로부터떨어져나오게된다. 기체상태의중성원자 1개로부터전자 1 개를무한히먼거리로떼어내는데필요한에너지를이온화에너지라고한다. 전자를 1개이상떼어낼경우첫번째전자를떼어내는데필요한에너지를제일이온화에너지 (E₁), 두번째전자를떼어내는데필요한에너지를제이이온화에너지 (E₂) 라고한다. < 제시문2> 원자가가장낮은에너지상태에있을때가장안정한데, 이러한상태를바닥상태라고한다. 바닥상태에있던전자가에너지를흡수하여높은에너지상태로올라가있는상태를들뜬상태라고한다. 들뜬상태의수소원자에서전자가낮은에너지준위의전자껍질로떨어질때두준위의에너지차이만큼의에너지를빛의형태로방출한다. < 제시문 3> 보어의원자모형에서 K, L, M, N, 의각전자껍질에번호를붙이고기호 n(n은자연수 ) 으로표시하면, 이때 n에따라각전자껍질간전자이동에따른에너지준위차이 ( En) 은 과같이주어진다.( 은상수 ) 나중초기 일반적으로빛의속도는, 플랑크상수는, 빛의파장은, 진동수는 로표 기한다. [ 화학Ⅰ-ⅰ] 주기율표에서 2주기에있는 15족에속한질소 (N) 과 16족에속한산소 (0) 의제일이온화에너지 (E₁) 는각각 1404 kj/mol과 1314 kj/mol이다. 제 3주기에있는 15족에속한인 (P) 과 16족에속한황 (S) 의이온화에너지값의크기를제 2주기에속한원소와비교하여예측하고그이유를논하시오. - 18 -
[ 화학 Ⅰ-ⅱ] 보어의원자모형을이용하여, 바닥상태에있는수소원자로부터전자를제거하여 양이온으로만드는데필요한빛에너지의파장을논리적으로추론하시오. - 19 -
9. 포름알데하이드와산화구리 9) 다음 < 제시문 1> ~ < 제시문 4> 를읽고 [ 화학 Ⅰ-i] ~ [ 화학 Ⅰ-ⅳ] 를문항별로풀이와함께답 하시오.(14 학년도수시 ) < 제시문 1> 질량수 12인 C 원자의질량을 12로정하고, 이를기준으로하여나타낸원자들의상대적인질량을원자량이라한다. 원자량은상대적인값이므로단위가없으며탄소원자량은 12, 수소원자량은 1, 산소원자량은 16, 구리원자량은 64이다. < 제시문 2> 아보가드로법칙에의하면같은온도, 같은압력에서같은부피속에는기체의종류에관계없이같은수의분자가들어있다. 0, 1기압에서모든기체 1몰의부피는 22.4L이며, 그부피속에는 의기체분자가들어있다. < 제시문 3> 전자를잃는반응을산화반응, 전자를얻는반응을환원반응이라한다. 산화환원반응을설명하기위하여산화수를사용한다. 산화수는어떤물질속에서원소가어느정도로산화되었는지를나타내는가상적인전하량으로, 물질내에서원자들사이에전자가완전히이동하였다고가정할때각원자가가지는전하수로나타낸다. < 제시문 4> 중심원자주위의전자쌍들의반발력을최소화하기위해서전자쌍들이가장멀리떨어져있는구조를가지게되는데, 이를전자쌍반발원리라한다. 이를바탕으로 3개이상의원자로구성된공유결합분자의경우입체구조를예측할수있다. 전자쌍들의반발력은전자밀도가높을수록커진다. 화학I-i 메탄올 (CH OH) 8g을산소기체 36g과완전연소반응시킨후, 생성된이산화탄소와수증기및반응후남은산소기체로이루어진기체혼합물을얻었다. 이혼합물에서수증기를흡착제를이용하여제거한후, 이산화탄소와산소로만이루어진기체혼합물을얻었다. 0, 1기압에서이기체혼합물의밀도를 g/l 단위로추론하시오. - 20 -
화학 I-ii 메탄올 (CH OH) 은포름알데하이드 (HCHO ) 를거쳐포름산 (HCOOH) 으로산화될수있다. 각 각의변환과정이산화반응에해당한다는점을산화수를이용하여논하시오. 화학I-ii 포름알데하이드 (HCHO ) 의포름산 (HCOOH ) 변환반응을바탕으로포름알데히드 6g을녹인수용액과 1몰 (mole) 의 Cu 이온을가지는구리화합물을반응시켜산화구리 (Ⅰ) (Cu O ) 침전을얻었다. 이때얻을수있는산화구리 (Ⅰ) (Cu O ) 침전의최대량은몇 g인지추론하시오. 화학 I-iv 아래그림과같이메탄올과포름산의구조식에 4 종류의서로다른결합각 ( 가 ~ 라 ) 을표시하였 다. 결합각 ( 가 ~ 라 ) 을큰것부터차례로나열하고근거를논하시오. - 21 -
10. 산화나트륨 10) [ 화학 I] 다음 < 제시문 1> ~ < 제시문 3> 을읽고 [ 화학 Ⅰ-i] ~ [ 화학 Ⅰ-ⅳ] 를문항별로풀이와함 께답하시오.(14 학년도수시 ) < 제시문 1> 1 족의알칼리금속의산화물은염기성이며, 물에녹아강한염기가된다. < 제시문2> 모든수용액속에들어있는 H O 와 OH 의농도곱은항상물의이온곱상수 ( H O OH ) 로일정하다. 수용액속에들어있는 H O 를쉽게나타낼수있는방법을제시한사람은덴마크의과학자쇠렌센으로, 산과염기의세기를나타내는 ph를제안하였다. ph log H O < 제시문3> 화학반응에서이론적수득량은반응이완전히진행된다는가정하에계산된다. 어떤경우에는반응물들이동시에둘또는그이상의반응을하여, 원하는생성물이외에원하지않았던생성물들을생성시킨다. 원하지않는반응을부반응이라고한다. [ 화학Ⅰ-ⅰ] 온도 C 압력 1기압에서그림과같은실린더에나트륨 (Na) 23 g을넣고, 산소 (O ) 44.8 L를채웠다. 어느한반응물이완전히소모될때까지반응을시켜산화나트륨 (Na O) 을얻었다. 반응후실린더내부의부피변화를논하시오. ( 반응전후의온도와압력변화는없으며, 피스톤의질량과마찰, 실린더내부에있는고체의부피는무시한다. 나트륨의원자량은 23, 산소의원자량은 16이다.) - 22 -
[ 화학 Ⅰ-ⅱ] 문제 [ 화학 I-i] 에서얻어진산화나트륨 (Na O) 을물 10 L 에녹였다. 얻어진용액의 ph 는얼마가될지논하시오. [ 화학 Ⅰ-ⅲ] 문제 [ 화학 I-ⅱ] 에서얻어진용액에 1 M 의염산 (HCl) 수용액을넣으면서혼합용 액의온도를측정한다. 반응기의온도가최대가될때의첨가된염산수용액의부피를논하시 오. [ 화학 Ⅰ-ⅳ] 실제로는문제 [ 화학 I-i] 에서전체나트륨 (Na) 의 80% 만산소 (O ) 와반응하여산화 나트륨 (Na O) 을생성하고, 나머지 20% 는부반응을거쳐과산화나트륨 (Na O ) 을형성한다. 반 응후실린더내부의부피변화를논하시오. ( 모든나머지조건은문제 [ 화학 I-i] 과동일하다.) - 23 -
11. 루이스구조식 11) 다음 < 제시문 1> ~ < 제시문 3> 을읽고 [ 화학 Ⅰ-ⅰ] 과 [ 화학 Ⅰ-ⅱ] 를문항별로풀이와함께 답하시오.(14 학년도모의 ) < 제시문1> 분자의구조는분자를이루는원자의종류와수에따라달라진다. 3개의원자가결합한분자에서중심원자와다른두원자가이루는각을결합각이라고한다. 전자쌍반발이론은중심원자를둘러싸고있는전자쌍들의정전기적반발력이최소가되도록가능한멀리떨어지려는방향으로배치된다는것이다. < 제시문2> 루이스는화학결합을나타내기위해서원자들의원자가전자를점으로나타내는방법을이용하였는데, 이것을루이스전자점식이라고한다. 원자의최외각전자껍질에존재하는원자가전자중에서쌍을이루지않는전자를홀전자라고하는데, 원자들이공유결합을할때에는홀전자들이전자쌍을이루어공유전자쌍을만든다. 전자가쌍을이루고있으나공유결합에참여하지않는전자쌍은비공유전자쌍이라고한다. < 제시문3> 두원자가전자를동등하게제공하여이루어지는결합과는달리, 한쪽원자에서만 1개의전자쌍을일방적으로제공하여이루어지는결합이있다. 공유되는전자쌍을한쪽원자에서만제공하여이루어진결합을배위결합이라고한다. [ 화학 Ⅰ-ⅰ] 삼플루오린화붕소 (BF ) 는암모니아분자와배위결합을한다. 삼플루오린화붕소 가배위결합을이루기전과후의결합각변화를, 전자쌍반발이론과루이스전자점식을이용 하여논하시오. [ 화학 Ⅰ-ⅱ] 탄산이온 (CO ) 의루이스구조식을그리고비공유전자쌍이몇쌍인지나타내시 오 ( 단, 공명구조는고려하지않는다 ). - 24 -
12. 논제해설 1) [ 화학 Ⅰ - ⅰ] 원자번호 13번인알루미늄의전자배치는 이다. 원자번호 16 번인황의전자배치는 이다. 원자가전자를잃거나얻게되면이온이된다. 이온이됨으로써안정한전자배치를갖는다. 안정한전자배치는최외각전자껍질의전자수가불활성기체와같아지는것이다. 알루미늄은전자 3개를잃고 Ne과같은전자배치를갖는다. 이때의전자배치는 이고, Al 가된다. 황은전자를얻어서 Ar과같은전자배치를갖는다. 이때의전자배치는 이고, S 가된다. [ 화학 Ⅰ - ⅱ] 알루미늄이온은네온과동일한전자배치를갖는다. 네온은 2주기의원소이므로알루미늄이온의전자껍질도 2주기원소의것과동일하다. 알루미늄원자와황원자는 3 주기에속하기때문에알루미늄이온보다 1개의전자껍질을더갖는다. 따라서반지름은알루미늄이온이 3주기의원자보다작다. 3주기내에서알루미늄과황의원자반지름은유효핵전하의크기에의해정해진다. 유효핵전하는최외각전자가원자핵으로부터실제로느끼는핵전하이다. 유효핵전하가클수록반지름이작고, 유효핵전하가작을수록반지름이크다. 유효핵전하는원자의양성자수와관련이있다. 가려막기효과때문에양성자수에비례하지않지만, 양성자수가클수록유효핵전하가큰경향이있다. 알루미늄의양성자수는 13개이고, 황의양성자수는 16개이다. 그러므로유효핵전하는황이크고, 반지름은황이알루미늄보다작다. 따라서반지름의크기는 Al S Al이다. [ 화학 Ⅰ - ⅲ] 황은 (-2) 의전하를가질수있고, 알루미늄은 (+3) 의전하를가질수있다. 그 러므로황화알루미늄은 Al S 이다. 황화은과알루미늄의반응을통해은과황화알루미늄이 생성된다. 이를반응식으로나타내면, Ag S Al Ag Al S 이다. 은의원자량은 108 이 다. 황화알루미늄의화학식량은 이다. 은 21.6 g은 ( 몰 ) 이다. 6 몰의은에대해 1몰의황화알루미늄이생성된다. 그러므로 0.2몰의은에대해 몰의황화알 루미늄이생성된다. 따라서황화알루미늄의양은 (g) 이다. [ 화학 Ⅰ - ⅳ] 황화은과염산의반응으로황화수소가발생한다. 따라서남은은이온과염화 이온이반응하여염화은도발생한다. 반응식은 Ag S HCl H S AgCl (1) 이다. 황화 수소와수산화나트륨이반응하면, H S NaOH Na S H O (2) 가된다. 황화은의화학식량은 이다. 황화은 31 g 는 몰이다. (1) 식에근거 하여생성되는황화수소도 몰이다. 황화수소 몰은 (2) 식에근거하여 몰의수산화나트륨 과반응한다. 수산화나트륨의화학식량은 이다. 몰의수산화나트륨의양은 - 25 -
(g) 이다. 2) [ 화학 Ⅰ - ⅰ] 인산의화학식은 H PO 이다. 중심원자인인을기준으로 4개의산소를주변에배치할수있고, 1개의산소에대해서 1개의수소를배치할수있다. 전체최외각전자의수는 32개이다. 이를산소와인의결합및산소와수소의결합에배치하면, 14개의전자가소모된다. 남는전자는 18개이다. 이들전자를산소에배치하면 H O P 의산소는 4개의전자를비공유전자로갖게된다. O P 의산소는 6개의전자를비공유전자로갖게된다. 인이확장된옥텟을만족할수있으므로 O P 의결합은 O P 가된다. 이온화되지않은인산의구조식에서 H O P 의산소는공유전자쌍 2개와비공유전자쌍 2개를갖는다. 4개의전자쌍이반발하여사면체를이룬다. 2개의비공유전자쌍이갖는반발이크기때문에물분자와비슷한굽은형의구조가만들어진다. 이때의 HOP는약 104도이다. 염기에서 H N C 는질소를중심으로 3개의공유전자쌍과 1개의비공유전자쌍이반발하는구조이다. 사면체를이루지만, 비공유전자쌍이 1개이므로 HNC는약 107도이다. [ 화학 Ⅰ - ⅱ] 전기음성도의차이가매우크면 (1.7 이상 ) 이온결합이일어나고작으면공유결합이된다. 염산을이루는수소와염소는전기음성도의차이가작다. 그러므로염산은공유결합물질이다. 나머지물질들은이온결합을한다. 녹는점은결합력이강할수록높고, 약할수록낮다. 공유결합은이온결합보다약하다. 그러므로 HCl의녹는점이가장낮다. 이온결합에서결합력은전하량의곱에비례하고, 이온간거리에반비례한다. CaO 를구성하는이온의전하량은각각 (+2) 와 (-2) 이다. 그러므로가장강한결합력을나타낸다. NaCl과 KCl의전하량곱은 (+1) 과 (-1) 의곱이므로크기가같다. 따라서이온간거리를비교해야한다. 공통의이온이 Cl 이다. Na 의반지름은 2주기불활성기체인 Ne와같고, K 의반지름은 3주기의불활성기체인 Ar과같다. 양이온의반지름은 K 가크기때문에 KCl의결합력이 NaCl보다약하다. 따라서녹는점은 NaCl이높고, KCl이낮다. 그러므로녹는점이순서는 CaO NaCl KCl HCl이다. - 26 -
[ 화학 Ⅰ - ⅲ] 반응식을나타내면, SO H S H O S s 이다. 0, 1기압 22.4 L는 1몰이다. 이산화황 1몰과황화수소는 1몰이다. 1대2의비로반응하기때문에이산화황 0.5몰과황화수소 1몰이반응하여생성된것은고체황 1.5몰과액체물 1몰이다. 기체로남은것은이산화황 0.5몰이다. 그러므로부피는 11.2 L이다. 산화수는반응을통해변하는전자의수이다. 전자를잃으면산화수가증가한다. 이때산화가일어난다. 전자를얻으면산화수는감소한다. 이때환원이일어난다. 이산화황을구성하는황의산화수는 (+4) 이다. 황화수소를구성하는황의산화수는 (-2) 이다. 생성물인고체황의산화수는 0이다. 그러므로이산화황의황은환원되었고, 황화수소의황은산화되었다. 3) < 논의전개과정 > [ 화학 Ⅰ-ⅰ] 의전자배치는 이다. 최외각전자껍질에존재하는원자가전자의 수는 8이다. 다른원소에서 와같은전자배치가이루어지려면전자를추가로획득하거나기존의전자를잃어야한다. 의전자배치는 이다. 2개의전자를더확보하여 가되어야한다. 의전자배치는 이다. 3개의전자를더확보하여 가되어야한다. 의전자배치는 이다. 1개의전자를더확보하여 가되어야한다. 의전자배치는 이다. 이때는 2개의전자를잃음으로써 가되어야한다. 의전자배치는 이다. 3개의전자를잃음으로써 가되어야한다. 의전자배치는 이다. 1개의전자를잃어야한다. 이때는 가되어야한다. 이온의크기는원자의중심과최외각껍질에존재하는전자사이의거리에의해정해질수있다. 원자의중심에양성자가있다. 양성자는전자에대해전기적인력을발휘한다. 양성자의수가많을수록전기적인력이강화되어전자는원자의중심으로가까워지고이온의크기는줄 어든다. 그러므로이온의크기는 의순서가된 다. [ 화학 Ⅰ-ⅱ] 중성의원자가이온화되기위해최외각전자껍질의전자를떼어내야한다. 이때전자를떼기위해에너지가필요하다. 중성원자의최외각전자껍질의전자배치가비활성기체의최외가전자껍질에배치된전자의수보다작을때, 전자를하나씩떼어낼때마다에너지는순차적으로증가한다. 양성자에의한전기적인력이점차강화되기때문이다. 이러한단계를거쳐배치된전자의수가비활성기체의최외각전자껍질에배치된전자의수와같아지면, 전자의배치가안정화된다. 이때추가로전자를떼어낼때, 안정화된상태를극복하기위해필요한에너지의규모가급격하게증가한다. 화성에서발견된원소의순차적이온화에너지가 에서급격하게증가하였다. 떼어내려는 4번째전자가안정된상태에있기때문이다. - 27 -
따라서 3 번째전자까지가이원소의최외각전자껍질에존재하는전자이다. 그러므로이원소 의원자가전자의개수는 3 개이다. [ 화학 Ⅰ-ⅲ] 질산은 ) 수용액은염화칼슘 ( ) 수용액과반응하여질산칼슘 ( ) 과염화은 ( ) 을형성한다. 이를반응식으로나타내면, AgNO CaCl Ca NO AgCl 이다. 질산은의화학식량이 170이다. 그러므로질산은 340그램은 (mol) 이다. 염화칼 슘의화학식량이 110이다. 그러므로염화칼슘 55그램은 (mol) 이다. 반응식에따라 반응물항에서양이적은염화칼슘 1/2 mol 에대해질산은은 1 mol 이반응한다. 생성물항 에서 1 mol 의염화은이형성된다. 염화은 1 mol 은 143 그램이다. [ 화학Ⅰ-ⅳ] 메톡시아민에서질소는 1개의산소및 2개의수소와단일결합을하고있다. 그리고질소자체의비공유전자쌍을가지고있다. 공유된 2개의전자쌍과 1개의비공유전자쌍이서로반발하여멀리떨어져있으려한다. 비공유전자쌍의반발력이공유전자쌍보다강하기때문에질소를중심에배치한사면체가형성된다. 사면체를기준으로 HNH는약 107도이다. 메톡시아민은산과반응함으로써 이온이된다. 이때질소는비공유전자쌍을수소와공유한다. 이로인하여질소는 1개의산소및 3개의수소와단일결합을하게된다. 질소를중심으로 4개의공유전자쌍이서로반발하여멀리떨어져있으려고한다. 이를통해질소를중심에둔정사면체가구성된다. 정사면체를기준으로 HNH는약 109도이다. 4) < 논의전개과정 > [ 화학 Ⅰ-i] 요소와 의루이스전자점식은다음과같다. - 28 -
결합각 a는탄소를중심으로 3개의전자쌍이배치되는형식이다. 3개의전자쌍이서로반발하여멀리떨어져있으려고할때, 정삼각형의중심에탄소가있고이를중심으로꼭지점에이르는선과선이이루는각이형성된다. 그각의값은 이다. 결합각 b는질소를중심으로 3개의공유전자쌍과 1개의비공유전자쌍이배치되는형식이다. 이것은 4개의전자쌍이서로반발하여멀리떨어져있으려는것과같다. 이때형성되는결합각은사면체의중심에질소가있고각꼭지점에이르는선과선이이루는각과같은구조이다. 사면체를정사면체로가정하면각의값은 이다. 결합각 c는탄소를중심으로전자쌍 2개가배치되는형식이다. 전자쌍반발원리를적용할때이루어지는각은 180 에가까울것이다. 따라서예상되는결합각의크기의순서는 c>a>b로볼수있다. [ 화학 Ⅰ-ⅱ] 질소기체와수소기체의반응에서의암모니아합성을화학반응식으로나타내면다음과같 다. 암모니아와이산화탄소와의반응에서요소와물이생성되는반응을화학반응식으로나태내 면다음과같다. 화학반응식에의하면 3 몰의수소로부터 1 몰의요소를얻을수있다. 1 기압에서기체 22.4L 가 1 몰이다. 주어진수소는 11.2 L 이다. 이를몰수로환산하면 0.5 몰이다. 0.5 몰의수소 로얻을수있는요소의최대몰수는 이다. 요소의분자량은 이다. 요소 1몰은 60g 이다. 따라서얻을수있는요소의질량은 (g) 이다. [ 화학 Ⅰ-ⅲ] 에서 CO NH 는 COO NH 로나타낼수있다. 따라서 는 NH COO 와 NH 의이온결합물질로볼수있다. 요소는공유결합으로이루어져있다. 이 를루이스전자점식으로나타내면다음과같다. - 29 -
이온결합을이루는양이온과음이온사이에는강한전기적인력이형성된다. 전기적인력의영향으로이온결합물질은높은끓는점과녹는점을갖는다. 반면에공유결합물질은낮은끓는점과녹는점을갖는다. 따라서요소에비해 가더높은녹는점을가질것으로예상할수있다. [ 화학 Ⅰ-iv] 언급된반응을나타내면 가된다. 반응물항과생성물항의전하수가일치해야한다. 이를위해반응물항에 8개의전자를추가한다. 제시된반응을반응식으로나타내면다음과같다. 이반응에서질소의산화수는 0에서 3으로변한다. 수소의산화수는 +1에서 0으로변한다. 암모니아를구성하는수소는산화수의변화를겪지않는다. 질소는산화수가감소하는환원반응을겪은것이다. 수소도환원반응을겪은것이다. 이반응을통해 2개의암모니아가생성될때, 8개의전자가관여함을알수있다. 그러므로 1몰의암모니아가생성될때 4몰의전자가필요하다. 5) Ca 와 Zn 의크기비교 < 논의전개과정 > [ 화학 Ⅰ-ⅰ] 26g 의 NiCl 에서 NiCl 의화학식량이 130이기때문에몰수는 mol 이다. 10g 의 NaOH 에서 NaOH 의화학식량이 40이기때문에몰수는 mol 이다. NiCl 와 NaOH 가 반응하여 Ni OH 와 NaCl 이생성되었다. 이를반응식으로나타내면, NiCl NaOH Ni OH NaCl 가된다. NiCl 와 NaOH 의반응은 1 : 2 의몰수비로일어난다. 그러므로 0.25mol 인 NaOH 가모두반응하였 을때, mol의 NiCl 가반응할수있게되고그결과로 0.125 mol 의 Ni OH 가생성 된다. 이때 0.125mol 이 Ni OH 의최대생성량이다. 생성된 Ni OH 의몰수에대해 NaCl 은 2 배 의몰수로생성된다. 따라서 NaCl 의생성량은 mol 이다. 용액의부피가 5L 이므로 NaCl의몰농도는 이다. [ 화학 Ⅰ-ⅱ] 각각의전자배치를적어보면다음과같다. Ar s s p s p Ca Ar s - 30 -
Zn Ar s d Ca Ar Zn Ar d 같은주기에있는원소사이에서는원자번호가증가할수록크기가감소한다. 원자번호의증가는원자핵에위치한양성자의수가증가함을의미한다. 양성자의수가증가할수록유효핵전하가커지게된다. 이에따라외곽의전자를끌어당기는인력도증가한다. 인력의증가로인해외곽전자가존재하는궤도의반지름이줄어들게되어원자의크기는감소한다. Ca와 Zn 은 4주기에있는원소이다. 원자번호는 Ca 보다 Zn이큰값을갖는다. 따라서원자번호의증가만큼 Zn 의크기는감소한다. 즉, 원자의크기는 Ca Zn 이된다. 원자가전자를잃어서양이온이되면, 원래의원자보다작은크기가된다. 이때도가지고있는양성자에의한유효핵전하는동일하게존재한다. Ca 는 Ca보다작아지고, Zn 는 Zn 보다작아진다. 이때 Zn 의유효핵전하가 Ca 보다크기때문에 Zn 의크기가 Ca 보다작을것으로예측할수있다. 즉이온크기는 Ca > Zn 이다. 그리고 Ca와 Zn 이전자를잃어서 Ca 와 Zn 가되었다. 전자껍질하나가줄어들었기때문에이들이온은원래의원자중크기가작은 Zn 보다더작은크기가된다. 정리하면, 이들의상대크기비교는 Ca > Zn > Ca > Zn 이다. 6) < 논의전개과정 > [ 화학Ⅰ-ⅰ] 원자번호는중성원자가가지고있는전자의수인동시에양성자의수이다. 질량수는원자의양성자수와중성자의수를합한값이다. 원자번호가 26이고질량수가 54인철동위원소는 54-26=28 의중성자를가지고있다. 원자번호가 26이고질량수가 58인철동위원소는 58-26=32의중성자를가지고있다. 동위원소의함량비가 1:1인철시료 1몰을얻었다. 함량비가 1:1이기때문에각동위원소의양은 0.5 몰이다. 질량수가 54일때 28의중성자가있으므로몰단위로나타내면 몰이된다. 질량수가 58일때는 몰이된다. [ 화학Ⅰ-ⅱ] 이온화에너지는기체상태의중성원자로부터전자를떼어내는데에필요한에너지이다. 떼어내게될첫번째전자는원자에서가장높은상태의에너지준위를갖는다. 높은상태의에너지준위는불안정한상태를뜻한다. 상태가불안정하기때문에이전자를떼어내는데에필요한에너지는가장작은값이된다. 첫번째전자가원자로부터떼어진이후에 Al 원자는 +1의이온으로서 Al 가된다. 이온이되면서남아있는전자사이의반발력은감소한다. 그러나핵전하는그대로남아있기때문에양전하를띤유효핵전하와남아있는전자사이의인력은강화된다. 인력이강화되었기때문에다음전자를떼어내는데에필요한에너지의값은이전보다더커지게된다. 이러한과정이순차적으로진행되면서이온화에너지의값은점점더강해진다. Al의전자배치는 이다. 제1 이온화에너지로부터제3 이온화에너지까지는 에있는전자들을떼어낸다. 이들은같은전자껍질에있는전자들을떼어내는이온화에너지이다. 같은전자껍질의전자를떼어내는과정은순차적인이온화에너지의증가를가져온다. 그러나전자껍질이더안쪽에있으면, 다른전자껍질의전자를떼어내는과정이된다. 전자껍질이더안 - 31 -
쪽에있게되면, 핵과의거리가가까워지면서전자와핵사이의인력은그전의전자껍질에전자가있을때보다더강해진다. 이에따라이온화에너지는그전의전자껍질에서전자를떼어낼때보다급속하게증가하게된다. Al에서제4 이온화에너지는 에있는전자를떼어내는데에필요한에너지이다. 이것은 전자껍질이아니라그보다안쪽에있는 전자껍질의전자를떼어낸다. 따라서이온화에너지는급속하게증가하는것이다. [ 화학Ⅰ-ⅲ] 적철석 (Fe O ) 에서철은 +3의산화수 ( 철의산화수를, 산소원자의산화수를.. ) 를갖는다. 순수한철 (Fe) 의산화수는 0이다. 적철석으로부터순수한철을얻는과정은철이전자를얻는것이므로환원반응이다. 이를반쪽반응식으로나타내면, Fe O e Fe O (1) 이다. 환원반응이일어나면, 동시에산화반응도일어난다. 산화는전자를잃는반응으로서 Al에서발생한다. 이를반쪽반응식으로나타내면, Al Al e (2) 가된다. (2) 식에 2 를곱하여 (1) 식과더하면전체반응식이완성된다. Fe O Al Fe Al O (3) 철을만들때 108 g의알루미늄가루를사용하였다. 108 g의알루미늄은 (mol) 에해당한다. 이 를 (3) 식에적용하면, 4 mol 의알루미늄을사용하여 4 mol 의순수한철을얻을수있다. 철 mol g 에해당한다. [ 화학Ⅰ-ⅳ] FeO 의무게는 1몰을기준으로 g이다. Fe O 는 1몰의무게가 g이다. Fe O 는 1몰의무게가 g 에해당한다. 산소의산화수는 2이다. -2는 1몰의산소원자를떼어내는데에 2몰의전자가필요함을의미한다. FeO 1몰에서 1몰의산소원자를떼어내어야하기때문에환원반응에서 몰의전자를필요로한다. Fe O 1몰은 3몰의산소원자를떼어내야하기때문에 몰의전자를필요로한다. Fe O 1몰은 몰의전자를필요로한다. 전기에너지저장량은무게당전자의몰수이다. 이를각산화물별로나타내면, FeO =2/72=0.0278몰 /g, 적철석 (Fe O )=6/160=0.0375몰/g, 자철석 (Fe O )=8/232=0.0345몰/g으로계산된다. 따라서저장량이높은순서대로나열하면, Fe O >Fe O >FeO 가된다. 7) < 논의전개과정 > [ 화학 Ⅰ-ⅰ] ( 가 ) 1단계에서구리황화물인 CuS을산소 (O ) 기체와고온에서반응시키면생성물로액체상태의 Cu S와기체상태의 SO 가얻어진다. 이를반응식으로나타내면, CuS O Cu S SO 가된다. 2 단계반응에서 Cu S 를산소기체와반응시켜액체상태의 Cu 와기체상태의 SO 가얻어진다. 이를 반응식으로나타내면, Cu S O Cu SO 가된다. - 32 -
( 나 ) 1단계반응과 2단계반응을합한전체반응식은 CuS l O g Cu l SO s 가된다. 반응식에따르면동일한수의 CuS 분자와 O 분자가반응하여동일한수의 Cu 를생성해낸다. 따라서 0.5몰의 CuS로부터 0.5몰의 Cu 가생성될때, 0.5몰의 O 가필요하다. 모든기체분자는 1몰에서 개에해당한다. 1몰기체는 0, 1기압에서 22.4L의부피를차지한다. 필요한산소가 0.5몰이기때문에 0, 1기압의산소부피는 11.2L이된다. [ 화학 Ⅰ-ⅱ] 분자성화합물을구성하는원자는 C, H, Cl이다. 이를연소시키게되면, 생성물로서 H O, CO, Cl 가만들어질것이다. 염화칼슘은물을잘흡수하는물질이다. 그러므로염화칼슘이채워진관에서늘어난질량은 H O 의질량이다. 수산화나트륨은물과이산화탄소를잘흡수하는물질이다. 수산화나트륨이채워진관의앞에염화칼슘을채운관이설치되었기때문에물은염화칼슘에흡수되고, 남은이산화탄소가수산화나트륨에흡수된다. 수산화나트륨이채워진관에서늘어난질량은 CO 의질량이다. 염화칼슘이채워진관에서흡수된 H O 의질량을통하여분자성화합물을구성하는수소의질량을알수있다. H O 1몰의질량은 18g이다. 따라서 g H O g H g O 의관계이기때문에수소의질량은 2g이다. 수산화나트륨이채워진관에서흡수된 CO 의질량을통하여분자성화합물을구성하는탄소의질량을알수있다. CO 1몰의질량은 44g이다. 136g은 44g의 3배이다. 그러므로 g CO g C g O 의관계가된다. 따라서탄소의질량은 36g이다. 수소와탄소를제외한염소의질량은 g g g g가된다. 실험식은물질을이루는원자나이온의수를가장간단한정수의비로나타낸화학식이다. 탄소, 수소, 염소의질량비를각원자의원자량으로나누어주면, 원자의정수비를알수있다. 정수비는 이성립한다. 그러므로이분자성화합물의실험식은 C H Cl이된다. 실험식에 따른실험식량은 g mol 이된다. 분자식은분자 1 개를구성하는원자의수로화학식을나타낸것이다. 분자성화합물의몰질량이 g mol 이다. 몰질량은 1 몰의분자가나타내는질량으로서분자량에그램의단위를붙인것이다. 이 값이실험식량의 2 배이므로분자내에존재하는개별원자의수는실험식의 2 배가된다. 그러므로분자 식은 C H Cl 이다. [ 화학 Ⅰ-ⅲ] 이분자는 6개의탄소원자를가지고있다. 여기에수소원자 4개와염소원자 2개가존재한다. 수소는 1개의원자가전자를가지고있고염소는 7개의원자가전자를가지고있다. 이들은다른원자로부터 1 개의전자를공유하면안정을이룰수있다. 탄소는 4개의원자가전자를가지고있다. 6개의탄소원자가 4개의수소원자와 2개염소원자에안정을이루면서결합하는방법은벤젠골격을형성하는것이다. 벤젠골격을이룬상태에서만들어지는구조이성질체의수는 3개이다. - 33 -
⓵ ⓶ ⓷ [ 화학 Ⅰ-iv] 물은극성물질이다. 극성용매에는극성의용질이잘용해된다. 분자성화합물을구성하는원자중에서염소는전기음성도가가장크다. 이에반해수소와탄소는염소에비해전기음성도가작고, 둘사이에크기의차이도거의없다. 벤젠골격자체를점으로취급하면, 염소원자와염소원자사이에존재하는각에따라이분자의전체적인쌍극자모멘트의합이결정된다. 염소원자와염소원자사이에존재하는각이클수록쌍극자모멘트합은작아진다. 쌍극자모멘트의합이작아질수록분자는무극성의성질을갖는다. 3개의구조이성질체중에서각이가장작은물질은 ⓵이고, 가장큰물질은 ⓷이다. 그러므로 ⓵이가장큰극성을나타내고, ⓷은무극성의성질을나타낸다. 그러므로물에가장잘용해되는것은 ⓵이고, 잘녹지않는것은 ⓷이된다. 8) < 논의전개과정 > [I-i] 이온화에너지는원자로부터 1 개의전자를떼어내는데에필요한에너지이다. 전자는전자껍질에존 재한다. 전자를잡아당기는핵의인력이강하면이온화에너지가커지고, 핵의인력이약하면이온화에너 지는작아진다. 핵의인력은전자와의거리에의해결정된다. 전자껍질이안쪽에있을수록핵에가까이 있기때문에이온화에너지는강해지고, 바깥쪽에있을수록핵으로부터멀리있기때문에이온화에너지는 작아진다. 그리고핵의인력은양성자의수에의해정해진다. 양성자수가클수록이온화에너지는커지고, 양성자수가작을수록이온화에너지는작아진다. 하지만, 질소와산소는같은주기의원소이지만예외에해당한다. 산소의양성자수가질소보다많기때 문에산소의이온화에너지가질소보다커야한다. 그러나실제로는반대가된다. 이유는전자의배치에 있다. 전자의배치에있어서질소 ( ) 는 이고, 산소 ( ) 는 이다. 질소는 오비탈에각 각 1 개씩의홀전자 3 개가배치되어매우안정한상태이다. 그러나산소의경우는 오비탈중한개의 오비탈에 2 개의전자가배치된다. 이전자들사이의반발력이존재하기때문에질소보다상대적으로쉽 게전자를떼어낼수있다. 그러므로질소의이온화에너지가산소의이온화에너지보다큰값이된다. 인과황은같은주기의원소이다. 그리고질소와산소보다더큰주기값을갖는다. 그렇기때문에인과 황의이온화에너지는질소와산소의이온화에너지보다작은값을갖게된다. 그리고최외각전자껍질에서 인은 의전자배치를갖고황은 의전자배치를갖는다. 황의경우는 3p 오비탈중한오비탈 - 34 -
에 2 개의전자가배치되므로전자의반발을겪게된다. 이로인하여인보다작은이온화에너지를갖게 된다. [I-ii] 수소원자를양이온으로만들려면수소원자가가지고있는전자를떼어내어무한히먼곳으로보 로구할수있다. 전자의초기위치에해당 내야한다. 이를위한에너지의값은 나중 초기 하는전자껍질의번호는 이다. 무한히먼전자껍질의번호는 이다. 이를적용하면, 가된다. 여기에서 는 이다. 따라서 가성립한다. 그러므로 가된다. 9) < 논의전개과정 > [ 화학Ⅰ-i] 메탄올과산소의연소반응은 CH OH O CO H O 으로나타난다. 메탄올의분자량은 32 이므로메탄올 8g 는 mol 이다. 산소의분자량은 32 이므로산소기체 36g 는 mol 이다. 이둘을 반응시키면, 이산화탄소 mol 과수증기 mol 이생성된다. 반응물이었던메탄올은사라지고산소는 mol이남는다. 혼합물에서수증기를제거하게되면이산화탄소 mol 과산소 mol이혼합된기 체가된다. 혼합된기체의몰수는 1mol이다. 아보가드로법칙에따라 0, 1기압에서모든기체 1몰의부피는 22.4L이므로이기체의부피도 22.4L이다. 밀도를구하기위해혼합기체의질량을알아야한다. 이산화탄소의분자량은 44이다. 산소의분자량은 32이다. 혼합된기체의질량은 (g) 이다. 따라서기체혼합물의밀도는 (g/l) 이된다. [ 화학 Ⅰ-ⅱ] 수소의산화수는 +1, 산소의산화수는 2 이다. 탄소의산화수를 라하고, 각원소의산화수를메탄올 - 35 -
에적용하여탄소의산화수를구하면, 이므로메탄올에서탄소의산화수는 2가된다. 포름알데하이드에적용하면, 이므로탄소의산화수는 0이된다. 포름산에적용하면 이므로탄소의산화수는 +2가된다. 각반응에서탄소의산화수가증가하였기때문에모두산화반응에해당한다. [ 화학Ⅰ-ⅲ] 포름알데하이드의분자량은 30으로 6g은 1/5몰에해당한다. 1개의포름알데하이드분자는 1개의포름산분자로산화되면서 2개의전자를내놓는다. 2개의 Cu 가 Cu O 로환원될때 2개의전자가필요하다. 이전자를포름알데하이드가제공하는것으로하면, 1/5몰의포름알데하이드는 몰의전자를내놓 을수있다. 몰의 Cu 가 몰의 Cu O 가되므로생성된산화구리의양은 몰이다. 산화구리의화학식량이 144 이므로얻을수있는침전의최대량은 (g) 이다. [ 화학Ⅰ-iv] 메탄올에서 CH O 부분의원자배치는 CH 의정사면체와유사한모형이된다. 탄소를중심으로 4개의공유전자쌍이서로반발하기때문이다. 이경우 ( 가 ) 의결합각은 가될것이다. 메탄올의나머지부분인 COH 는 H O 와유사한굽은형모형이된다. 산소를중심으로 2개의공유전자쌍과 2개의비공유전자쌍이반발하기때문이다. 비공유전자쌍의반발이더크기때문에 ( 나 ) 의결합각은 가될것이다. 포름산에서 HCO O 부분의원자배치는삼각형모형이된다. 탄소를중심으로 3개의공유전자쌍이반발하기때문이다. 반발이동등하면, 결합각은 가되지만, 이중결합과 2개의단일결합이반발하기때문에정삼각형의모형이되지는않는다. 이중결합의전자쌍밀도가높으므로 ( 다 ) 결합각이 ( 라 ) 결합각보다큰값을갖게될것이다. 결합각이큰것부터나열하면, 다 > 라 > 가 > 나의순서가된다. 10) < 논의전개과정 > [ 화학 Ⅰ-ⅰ] 나트륨 (Na) 23 g 은 1 몰이다. 온도 C 압력 1 기압에서산소 (O ) 22.4 L 는 1 몰이다. 그러 L 므로산소 (O ) 44.8 L는 L 몰이다. 나트륨을고체이기때문에실린더내부의부피에관여하몰 지못한다. 산소가기체이므로산소의부피가실린더의부피이다. 따라서반응전실린더의부피는 44.8 L 이다. 나트륨이 1 몰이고산소가 2 몰이므로어느한반응물이완전히소모된상태는나트륨 1 몰이완전히소모 된상태를의미한다. 나트륨 1 몰이완전히소모되어산화나트륨 (Na O) 이생성된것이다. 이를화학식으 로나타내면, Na s O g Na O s 가된다. 나트륨 1 몰에대해산소는 0.25 몰이반응을하였다. 그러므로실린더내에는 2-0.25 = 1.75( 몰 ) 의산소 가남게된다. 남은산소에의해실린더의부피가결정된다. 따라서실린더의부피는 몰 몰 이된다. [ 화학 Ⅰ-ⅱ] 산화나트륨 (Na O) 을물에녹이면, 물 (H O) 와반응하여수산화나트륨 (NaOH) 가생성된다. Na O H O NaOH 수산화나트륨은물속에서이온화된다. - 36 -
NaOH Na aq OH aq [ 화학 I-i] 에서얻은산화나트륨이 0.5mol 이었다. 그러므로생성된 NaOH 는 1mol 이고, NaOH 로부터생 성된 OH 는 1mol이다. 물의양이 10L이므로몰농도로나타내면, OH mol L M이된다. H O OH 이다. OH 을적용하면, H O 이된다. ph log H O 를 적용하면, ph 을얻을수있다. [ 화학Ⅰ-ⅲ] 염산을더하면염산의 H 와 [ 화학I-ⅱ] 에서얻어진용액에존재하는 OH 사이에서중화반응이일어난다. 중화반응으로인하여혼합용액의온도가상승하여최대온도에서완전한중화가이루어진다. 염산의몰농도가 1 M이므로염산 는 의염산을갖게된다. 수용액에있는 OH 의양은 1mol이다. 이를중화시키는데에필요한염산의양도 1mol이다. 따라서필요한염산수용액의부피는 1L이다. [ 화학Ⅰ-ⅳ] 산화나트륨의생성반응식은 Na s O g Na O s 이다. 부반응인과산화나트륨의생성반응식은 Na s O g Na O s 이다. 전체나트륨의 80% 는 0.8mol이다. 0.8mol의나트륨이산화나트륨을생성하였다. 이반응에서소모된산소는 0.2mol이다. 과산화나트륨은 20% 인 0.2mol의나트륨에의해생성되었다. 이반응에서소모된산소는 0.1mol이다. 전체반응에서소모된산소는 0.3mol 이다. 반응하지않고남아있는산소는 이다. 1.7mol의산소는 이다. 11) (I-i) 삼플루오린화붕소의붕소는 3 개의플루오린과공유결합을한다. 이에따라삼플루오린화붕소에 는 3 개의공유전자쌍이존재한다. 3 개의전자쌍들의정전기적반발력이최소가되도록가능한멀리떨 어지려는방향으로배치되기위해평면의삼각형구조를형성한다. 평면삼각형에서결합각은 120 도이 다. 암모니아와배위결합을하게되면, 암모니아의질소가가지고있는비공유전자쌍이붕소에주어진다. 암모니아의질소로부터받은전자쌍으로인하여삼플루오린화붕소의붕소도 4 개의전자쌍을갖게된다. 4 개의전자쌍이멀리떨어지려는방향으로배치되면, 붕소를중심으로정사면체의구조가이루어진다. 따라서결합각은 109.5 도이다. (I-ii) 그림그리기 - 37 -
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