2009년도화학2 기말고사 (2009년 11월 25 일) 이름: 학번: 학과: 시험시간 : 6:30 PM - 9:00 PM 휴대전화는끌것. 지우개, 계산기는서로빌려줄수없음. 답은각문제에주어진네모안에적을것. 네모의크기와답의길이는상관관계가없음. 각문항에서빈공간이있는경우는풀이과정을적으라는의미임. 빈공간의길이와풀이과정과는상관관계가없음. 실험에필요한상수나데이터는맨뒤에있음. 문제수 : 15 Page 수: 5 만점: 257 점 1. (10 점) 열역학제2 법칙은 자발적인과정에서우주의엔트로피는항상증가한다. 라고기술하고있다. 즉, 자발적인과정에서 우주 = 계 + 주위 > 0 이다. 이로부터자발적인과정에서계의자유에너지변화량( G = G 계 ) 은음수임을증명하시오. ( 주위 = ) 주위 = 이므로 우주 = = + 주위 = 이다. G= -TS 우주 = 자발적인과정에서 자발적인과정에서 이므로 = 우주 = G <0 이다. >0이고 T는항상양이므로 T= 3000 K (b) 2 (g) 를이용하여Fe 2 3 (s) 를환원시켜 Fe(s) 를얻을수있다. Fe 2 3(s) + 3 2(g) 2Fe(s) + 32(g) 위반응에의하여 Fe(s) 를얻을수있는가장낮은온도는 697 K 이다. 또한 (g) 를이용하여도 Fe 2 3 (s) 를환원시켜 Fe(s) 를얻을수있다. Fe 2 3(s) + 3(g) 2Fe(s) + 32(g) 위반응은모든온도에서자발적임을보이시오. = (3)(-393.51) -(-824.2) -(3)(-110.52) = -24.77 kj = (2)(27.28) + (3)(213.63) -(87.40) - (3)(197.56) = 15.37 J/K <0, >0이므로 G= -TS 는모든온도에서항상음수이다. 따라서위반응은모든온도에서자발적이다. 2. (10 + 10 = 20 점) Fe 2 3 (s, 적철광) 으로부터 Fe(s, 철) 을얻는방법으로는열분해법과환원법을생각해볼수있다. 다음의표를참고하여물음에답하시오, 화합물 f (kj/mol) S (J/K mol) Fe(s) 0 27.28 Fe 2 3(s) -824.2 87.40 2(g) 0 205.03 2(l) -285.83 69.91 2(g) 0 130.57 (s) 0 5.74 (g) -110.52 197.56 2(g) -393.51 213.63 (a) Fe 2 3 (s) 를열분해하면Fe(s) 가얻어진다. 2Fe 2 3(s) 4Fe(s) + 32(g) 3. (10 + 10 + 10 = 30 점) 세포의신호전달과생화학적반응에는 K + 이온이필요하다. 근육세포에서 K + 이온의농도는대략 0.15 M 이고, 혈장에서 K + 이온의농도는약 0.0050 M 이다. 자연스러운상태에서는근육세포에서 K + 이온이혈장으로이동하여두부분에서 K + 이온의농도가같아지려고할것이다. 그러나우리몸에서는 ATP( 아데노신삼인산) 를가수분해하여얻는에너지를이용하여혈장에서근육세포로 K + 이온을강제로이동시켜근육세포에서의높은 K + 이온농도를유지한다. ATP는가수분해되면 ADP( 아데노신이인산) 이되는데, 다시 ADP로부터에너지저장물질인 ATP를만들기위해서필요한에너지는영양소인글루코스를태워서얻는다( 글루코스대사작용). 혈장 ([K + ] =0.0050 M) 근육세포 ([K + ] =0.15 M) Fe 2 3 (s) 를열분해하여Fe(s) 를얻을수있는가장낮은온도는몇K 인가? = -(2)(-824.2) = 1648.4 kj = (4)(27.28) + (3)(205.03) - 2(87.40) = 549.4 J/K 자발적과정에서 G= -TS<0 이므로 T > / = (1648.4 kj)/ (549.4 J/K) = 3000 K ATP(aq) + 2 (l) 6 2 (g) + 6 2 (l) ADP(aq) + 2 P 4- (aq) 6 12 6 (s) + 6 2 (g) -1-
1 mol의 K + 이온을혈장에서근육세포로이동시키기위해서는몇 mol의글루코스분자를태워야하는지다음의순서로해결하시오, (a) 글루코스( 6 12 6 ) 1 mol 을태울때외부에할수있는( 또는외부에줄수있는) 최대한의일( 또는에너지) 는얼마인가? 6 12 6(s) + 6 2(g) 62(g) + 6 2(l) 화합물 G f (kj/mol) 6 12 6(s) -911 2(l) -237 2(g) -394 o = (6mol)(-237 kj/mol) + (6mol)(-394 kj/mol) -(1mol)(-911kJ)/mol = - 2875 kj 따라서글루코스 ( 6 12 6 ) 1 mol 을태울때외부에할수있는( 또는외부에줄수있는) 최대한의일( 또는에너지) 는 2875 kj 이다. 3.05 x 10-3 mol 4. (15 + 10 = 25 점) 다음의갈바니전지가있다. 물음에답하시오. 2875 kj Pt r ATP(aq) + 2(l) kj/mol 이다. - ADP(aq) + 2P 4 (aq) 반응에대하여 o = -30.5 [Br 2 ] = 0.5 M [Br - ] = 0.1 M 다공성막 [r 3+ ] = 0.2 M (b) K + ( 혈장) K + ( 근육세포) 의변화에서 를구하시오. ( 체온 = 37 o ) = o +RTxln(Q) o =0이므로 =RTxln(Q) =RTxln( ) = 8.314 J/(mol K) x 310. K x ln( =8.77kJ/mol ) (a) 25 o 에서위전지의기전력은얼마인가? 표준환원전위 Br 2 +2e - - 2Br (1) E o =1.09V r 3+ +3e - r (2) E = -0.73 V 따라서표준상태에서일어나는반응과기전력은 (1) x 3 - (2) x 2 = 3Br 2 +2r 6Br - +2r 3+ E o =1.82V ersnst 식으로부터위전지의기전력은 = 8.77 kj/mol E=E o - =1.82V- = 1.88 V log( ) log( ) (c) 1 mol의 K + 이온을혈장에서근육세포로이동시키기위해서는몇 mol의글루코스분자를태워야하는가? 1 mol의 K + 이온을혈장에서근육세포로이동시키기위해서는 8.77 kj의일또는에너지가필요하다 ( ). 1 mol의글루코스분자가타면최대2875 kj 의에너지( 또는일) 을발생시키므로 8.77/2875 mol의클루코스분자를태우면된다. 8.77/2875 = 3.05 x 10-3 (mol) 1.88 V -2-
(b) 위전지에대한다음의기술중맞는것을모두고르시오, a. 위전지는갈바니전지이다. b. 전자는 Pt 전극에서 r 전극으로이동한다. c. 환원은 Pt 전극에서일어난다. d. 위전지는표준상태에있지않다. e. 회로가완성되기위하여, 다공성막을통하여양이온은오른쪽에서왼쪽으로음이온은왼쪽에서오른쪽으로흘러야한다. a, c, d, e (b) 양쪽비커에각각 1 M 의황산( 2S 4 ) 용액 1 L를첨가하였을때일어나는현상을바르게기술한것은?(PbS 4 의K sp =1.3x10-8 ) a. 기전력이감소한다. b. 기전력이증가한다. c. 기전력의변화가없다. d. 알수없다. b 5. (10 점) 금속소듐은용융된염화소듐(al) 을전기분해하여생산한다. 다음그림은이때사용하는 Downs 전지의모식도이다. 산화전극(Anode) 과환원전극(athode) 에서일어나는화학반응을각각적으시오, (al 2 는 al 을녹이는데있어서녹는점을낮추기위하여첨가한다.) 7. ( 2 x 7 = 14 점) 다음원소들의전자배치를써라. V r Mn Fe [Ar]4s 2 3d 3 [Ar]4s 1 3d 5 [Ar]4s 2 3d 5 [Ar]4s 2 3d 6 o i u Zn [Ar]4s 2 3d 7 [Ar]4s 2 3d 8 [Ar]4s 1 3d 10 [Ar]4s 2 3d 10 al 과 al 2 의용융혼합물 8. (5 + 5 + 10 + 10 = 30 점) l - 는 Fe 이온과만나서정사면체구조를가지는 Fel - 4 착이온을형성한다. 다음질문에답하시오. (a) Fel 4 - 의이름을쓰시오. 테트라클로로철(III) 산, tetrachloroferrate(iii) (b) Fe 의산화수는? +3 산화전극 : 2l - l 2 +2e - 환원전극 : a + +e - a 6. (10 + 5 = 15 점) 다음그림과같은갈바니전지가있다. 양쪽비커에있는용액의부피는각각1L 이다. (c) Fel - 4 의구조와결합을원자가결합이론(Valence Bond Theory) 으로설명하시오. 다음그림 1과같이 Fe 3+ 이온에서 4s 오비탈 1 개 4p 오비탈 3 개가혼성하여 sp 3 혼성오비탈 4 개를만든다. 이 4 개의오비탈은그림 2와같이 Fe 를중심으로정사면체배열을한다. 비어있는각 sp 3 혼성오비탈과각 l - 리간드의비공유( 고립) 전자쌍이들어있는오비탈이중첩하고이중첩된 4개의오비탈들에리간드로부터온 4 쌍의비공유전자쌍이들어가게되어정사면체배위구조를가지는 Fel - 4 착이온을형성한다. Fe 3+ 3d 4s 4p Fe 3+ l - Pb [Pb( 3 ) 2 ] = 1.0 M [us 4 ] = 1.0 M u 3d 그림 1 sp 3 hybrids from ligands 그림 2 다공성막 (a) 25 o 에서위전지의기전력은얼마인가? 표준환원전위 Pb 2+ +2e - Pb (1) E = -0.13 V u 2+ +2e - u (2) E =0.34V 따라서표준상태에서일어나는반응과기전력은 (2) - (1) = u 2+ +Pb u+ Pb 2+ E o =0.47V 0.47 V -3-
- (d) 결정장이론(rystal Field Model) 에근거하여 Fel 4 착이온에서의 3d 궤도함수에너지의분리를그림으로표시하고그림위에 d-전자의배치를화 2 살표로표시하라. 홀전자(unpaired electron) 는몇개인가? 스핀양자수 (S) 3 는얼마인가?( 오비탈의이름도그림위에쓰시오.) 3 그림 2 2 (b) 위의펩타이드를구성하는아미노산의이름을 1 번부터순서대로써라. d xy, d yz, d zx t 2 Gln-Gly-Lys-is-Trp-Val Glutamine-Glycine-Lysine-istidine-Tryptophane-Valine 글루타민-글리신-라이신-히스티딘-트립토판-발린 d z2, d x2-y2 e 11. (5 점) 단백질에열을가하면단백질의 2차구조에있는수소결합이끊어져서변성(denaturation) 이일어난다. 변성의과정에서 Δ와 ΔS의부호로맞는것은? Δ ΔS (a) 양 양 (b) 양 음 (c) 음 양 (d) 음음 홀전자의수 5 (e) 알수없음 스핀양자수 (S) 5/2 답 : (a) 9.(5+5+5+10=25 점) 다음의리간드가있다. -, - 2, 3, 2 2,l -, 2, S - 12. (5 + 5 + 10 = 20 점) (a) 시스-2- 헥센(cis-2-hexene) 의구조를그리시오. (a) 위의리간드중금속과결합할때결합이성질체(linkage isomer) 를만들수있는것을모두고르시오. 3 2 -,S - 3 2 (b) 위의리간드중킬레이트(chelate) 리간드는어느것인가? 2 2 (c) (b) 의킬레이트리간드두개와 2 두개가 Fe(II) 이온과결합하면팔면체배위구조를가지는착화합물을만든다. 가능한이성질체는모두몇개인가?( 구조, 입체( 기하, 광학) 모두포함) 3 (b) 시스-2- 헥센(cis-2-hexene) 의분자식은 6 x 이다.x는어떤자연수인가? 12 (c) 시스-2- 헥센(cis-2-hexene) 과같은분자식을가지나모든탄소가 sp 3 혼성오비탈만을가지는탄화수소가있다. 이탄화수소의이름과두가지가능한이성질체의그림을그려라. 이름사이클로헥세인(cyclohexane) 등 (d) (c) 의이성질체중에서광학이성질체가없는착화합물의이름을쓰고구 구조 1 그림 조의그림을그리시오.( 각리간드에서어느원자가금속에결합하는지정확히그릴것 ) 이름 트랜스- 다이아쿠아비스( 에틸렌다이아민) 철(II) trans-diaquabis(ethylenediamine)iron(ii) 그림 구조 2 그림 2 Fe 2+ 중 2개의이름과그림 13. (10 점) 다음반응에서생성되는화합물의구조를네모안에그리고, 이름 2 을쓰시오. 2 + 3 2 S 4 + 2 10. (5 + 18 = 23 점) (a) 다음은몇개의아미노산이연결된펩타이드인가? 6 개 이름 : 나이트로벤젠, nitrobenzene -4-
14. (10 점) 다음은바닐린의구조이다. 바닐린에존재하는작용기의이름을모두밝히시오, 3 (a) 프로펜(propene) + Br 3 + Br Br 3 3 major 2 3 2 minor major 또는minor product 둘중하나만맞게그리면K (b) 2,3- 다이메틸펜탄알(2,3-dimethylpentanal) 의산화 Br 알코올(-), 에테르(--), 알데하이드(-) alcohol(-), ether(--), aldehyde(-) -에대하여히드록실기도 K 3 3 3 3 3 3 15. (5 + 5 = 10 점) l, Br은탄소-탄소이중결합을가지고있는탄화수소와반응하여첨가반응을일으킨다. 또한카복실산은알데하이드를산화시켜얻는다. 다음반응의생성물의구조를그리시오. - 상수 - R ( 기체상수) = 0.08206 L atm/(mol K) = 8.314 J/(mol K) F ( 파라데이상수) = 96,485 /mol -5-