2018 학년도 1 학기화학 1 기말고사 (2018 년 6 월 14 일 ) 이름 : 3. [10점] 포스젠 (l 2) 의가능한세가지 Lewis 구조를그리시오.( 중심원자는 로서 l과 원자는 와결합한다 ). 또한세구조의각원자에형식전하를표시하고, 가장우세한구조를큰동그라미로표시하시오, 시험시간 : 3:00 PM - 5:30 PM 휴대전화는끌것 지우개, 계산기는서로빌려줄수없음 답은반드시각문제에주어진네모또는밑줄안에적을것. 네모의크기와답의길이는상관관계가없음 답의단위가주어졌을경우반드시단위에맞추어답을적을것 각문항에서빈공간이있는경우는풀이과정을적으라는의미임. 빈공간의크기와풀이의길이는상관관계가없음. 시험에필요한상수나데이터는별지에있음. 문제수 : 19 총점 : 272점 Page 수 : 5 ( 문제 4 + 자료 1) 1.[5+5=10점 ] (a) 원자 [Be,, K, a] 를원자반지름이증가하는순서로나열하시오.( 작은것에서큰것의순서로 ) 가운데것 4. [5점] 다음의 Lewis 구조에서, A, D, E, Q, X, Z는주기율표의 1-2주기의비금속원소들이다. 모든원자의형식전하가 0이되는원소 6개를모두찾아, 원소기호를사용하여다시그리시오.(A, D, E, Q, X, Z 중에는같은것이있을수도있다.) < Be < a < K (b) 원자 [Ne, Na, P, Ar, K] 를 1차이온화에너지가증가하는순서대로나열하시오.( 작은것에서큰것의순서로 ) K < Na < P < Ar < Ne F N 2. [8+10+5=23점] 다음의반응에는 1.96 x 10 4 kj/mol의에너지가필요하다. Li(g) Li 3+ (g) + 3e - Δ = 1.96 x 10 4 kj/mol Li의 1차이온화에너지는 520 kj/mol 이다. 이로부터 Li의 2차이온화에너지는얼마인지구하고자한다. 다음물음에답하시오. (a) 다음의각정의에해당하는화학반응식을쓰시오. 정의화학반응식 Li의 1차 Li(g) Li + (g) + e - 이온화에너지 (IE 1) Li의 2차 Li + (g) Li 2+ (g) + e - 이온화에너지 (IE 2) Li의 3차 Li +2 (g) Li 3+ (g) + e - 이온화에너지 (IE 3) Li의 Li(g) + e - Li - (g) 전자친화도 (EA) (b) Li의 3차이온화에너지는몇 kj/mol 인가?( 힌트 : 수소꼴원자에서 1s 오비탈에있는전자를떼어내는데필요한에너지 ) Li 2+ (g) Li 3+ (g) + e - 과정은 Li 2+ 의 1s에있는전자를 Li 2+ 의영향권에서벗어나게하는과정이다. Li 2+ 의 1s의에너지준위 = -Z 2 R /n 2 = -1312 (Z 2 /n 2 ) kj/mol 5. [5점] 이온화합물 [Nal, Mg, si, ScN] 를격자에너지가증가하는순서로나열하시오.( 작은것에서큰것의순서로 ) si < Nal < Mg < ScN 6. [12점] 다음분자들의 Lewis 구조를그리고입체구조및결합각을예측하시오. 그리고중심원자의혼성궤도함수를적고분자의극성을예측시오. ( 고립전자상은두개의점으로결합전자쌍은실선으로표시하라.) 혼성분자 Lewis 구조입체구조결합각궤도극성함수 F 2 굽은형 F--F <109.5 o 3 극성 F F ( 평면 B 3 삼각형 ) -B- 120 o 2 무극성 B 정삼각형 Z = 핵전하 = 3, 1s에대해서 n = 1, R = Rydberg 상수 = 1312 kj/mol 이므로 KrF 2 F Kr F 선형 F-Kr-F 180 o d 3 무극성 Li 2+ 의 1s 의에너지준위 = -9R = - 9 x 1312 kj/mol 따라서 IE 3 = 1.1808 x 10 4 kj/mol 7. [10 점 ] 평균결합에너지표를이용하여 물분해반응 2(g) 2(g) + 2(g) 의 Δ 를계산하시오. Li 의 3 차이온화에너지 1.1808 x 10 4 kj/mol (c) Li 의 2 차이온화에너지는몇 kj/mol 인가? Li(g) Li 3+ (g) + 3e - IE 1 + IE 2 + IE 3 = 1.96 x 10 4 kj/mol Δ = 2 D(-) - [D(-) + D(2)] = 2 x 463 - [436 + 495/2] = 242.5 kj IE 2 = 1.96 x 10 4 kj/mol - IE 1 - IE 3 = 1.96 x 10 4 kj/mol - 520 kj/mol - 1.1808 x 10 4 kj/mol = 7272 kj/mol Δ 242.5 kj Li 의 2 차이온화에너지 7272 kj/mol
8. [10+4+6=20점] 다음은어떤화학종의 Lewis 구조이다. (a) 1 이화학종에는동등한다른공명구조가있는가? 있다면그구조를 그리고, 없다면 없음 이라고쓰시오. 2 이화학종은중성분자인가이온인 가? 전하를쓰시오,( 중성분자이면 0, 이온이면이온의전하수 1 공명구조 2 전하 -1 (Lewis 구조에서보면형식전하가탄소, 수소는모두 0, 하나의산소는 0, 다른산소는 1. 형식전하의합 = 화학종의전하수 = -1) (b) 탄소에형성되는혼성오비탈은무엇인가? ( 세탄소원자는모두같은혼성오비탈을갖는다.) 또산소에형성되는혼성오비탈은무엇인가? ( 두산소원자는같은혼성오비탈을갖는다.) 2 2 (c) 1 세탄소에서 p π 오비탈에는모두몇개의전자가있는가? 2 이화학종의 π계에는모두몇개의전자가있는가? (d) N 2 분자를분자오비탈 (M) 이론으로설명하고자한다. 다음은 N 2 분자에서 M의에너지준위도이다. N 원자와 N 2 분자의각오비탈에전자배치를화살표를이용하여표시하시오.( 좌우중맞는에너지준위도를선택하고거기에만전자배치를표시할것 ) 에너지 N 원자 N 2 분자 N 원자 N 원자 N 2 분자 N 원자 (e) (d) 에있는각분자오비탈의모양을그려라.( 위상도정확히표시할것. 두점은각산소원자에서핵의위치를나타낸다.) 분자오비탈그림분자오비탈그림 1 세탄소의 p π 오비탈에있는전자의총수 3 2 화학종의 π 계에있는전자의총수 6 σ π + 9. [8점] 2 이온에대하여다음을결정하시오.( 힌트 : 문제 10(d) 에있는 M 에너지준위도참고 ) 분자오비탈그림분자오비탈그림 홀전자수결합차수 2 와의비교 2 + 부등호 2 1 2.5 결합엔탈피 > 결합엔탈피 결합길이 < 결합길이 π σ σ σ 10. [5+12+10+10+12+3+6=59점] 질소분자 (N 2) 에대하여다음에답하라. (a) Lewis 구조를그리시오. N N (b) 원자결합이론 (VBT) 으로질소분자를설명할때고립전자쌍, σ-결합, π- 결합은각각은몇개있는가? 고립전자쌍은질소원자의어느혼성오비탈에 있는가? σ-결합은두질소원자에있는어느혼성오비탈사이의중첩에의 해형성되는가? π-결합은두질소원자에있는어느오비탈사이의중첩에 의해형성되는가? 개수 오비탈 고립전자쌍 2 σ-결합 1 위그림에서 +, - 부호는서로바뀌어도됨 (f) N 2 분자의 M에서다음에답하시오. 반결합오비탈에있는전자의개수 2 결합오비탈에있는전자의개수 8 결합차수 3 (g) 1 N 2 분자는반자기성분자인가상자기성분자인가? 또그이유를설명하시오. 2 매우낮은온도에서액체의 N 2 분자를아래그림 (A) 의시료튜브에넣은후, 자석을그림과같이장치하고정밀하게관찰하였다. 시료튜브의움직임은어떠하겠는가? (A) 움직이지않는다. (B) 내려간다. () 올라간다. π- 결합 2 p (c) (b) 를바탕으로 N 2 분자를설명하는그림 ( 오비탈의위치와모양, 전자배치 ) 을자세히그리시오. - 결합 반자기성? 상자기성? 반자기성 1 이유 상자기성은물질이홀전자 (unpaired electron) 를가지고있을때나타나는성질이다. N 2 분자의 M 그림에서보면외톨이전자가없다. 따라서 N 2 P - 결합 2 분자는반자기성이다. ()
11. [10점] 어느날, 실험실기압계가대기압이 764.7 torr임을나타내고있다. 기체시료를플라스크에채우고한족끝이열린수은압력계에부착하였다 ( 그림 ). 미터단위의자를사용하여 U자관의두팔의수은높이를측정하니그림과같았다. 기체의압력은몇 atm 인가? ( 답은유효숫자네자리로정확히맞아야함 ) = 0.00354 mol = 3.54 x 10-3 mol 소비된 Zn(s) 의몰수 = 생성된 2(g) 의몰수 = 3.54 x 10-3 mol 소비된 Zn(s) 의질량 = 3.54 x 10-3 mol x 65.37 g/mol = 0.231 g P gas + 103.8 = 764.7 + 136.4 (mmg) P gas = 797.3 mmg = 797.3 mmg x (1atm/760mmg) = 1.049 atm 소비된 Zn(s) 의질량 0.231 g 14. [10 점 ] 다음은벤젠 ( 6 6) 의자료이다. P gas 1.049 atm 온도 T 1 T 2 증기압 P 1 P 2 기화엔탈피 Δ vap 12. [12점] 다음의행위가대상에어떤영향을미치는지 증가, 감소, 영 향없음 중하나를골라쓰시오. 행위 대상 영향 일정량의물의표면적을증가시킬때 증기압력 영향없음 온도를높일때 증기압력 증가 대기압이높아질수록 물의끓는점 증가 대기압이높아질수록 물의어는점 감소 일정온도에서분자량이기체의커질수록평균운동에너지 영향없음 일정온도에서분자량이커질수록 기체의분출속도 감소 P 2 를 T 1, T 2, P 1, Δ vap, R( 기체상수 ) 를이용하여나타내시오. lausius-lapeyron 식에서 ln ln ln ln ln 13. [10+10=20점] 아연과황산은반응하여수소기체 ( 2(g)) 를만든다. 그림과같은장치에서 2(g) 를수상포집하였다. P 2 = 15. [12점] 물-프로판올 ( 2 2 2) 의몇가지조성이다른용액의증기압을측정하여 45 o 에서다음의자료를얻었다. (a) 2(g) 의부분압력 [P 2(g)] 은몇 torr인가? 또 2(g) 의몰분율 [χ 2(g)] 은얼마인가? 물의증기압곡선으로부터 60 o 에서 P 2(g) = 150 torr P total = P 2(g) + P 2(g) = P 2(g) + 150 torr = 738 torr P 2(g) = 738-150 torr = 588 torr 2 ( 물의몰분율 ) 증기압 (torr) 0 74.0 0.15 77.3 0.37 80.2 0.54 81.6 0.69 80.6 0.83 78.2 1.00 71.9 45 o 에서물음에답하시오. χ 2(g) = 588/738 = 0.797 (a) 순수한물의증기압은? 71.9 torr P 2(g) 588 torr χ 2(g) 0.797 (b) 몇그램의 Zn(s) 이소비되었는가? P 2(g) = 588 torr = 588/760 atm (= 0.774 atm) 생성된 2(g) 의몰수 = (b) 순수한프로판올의증기압은? (c) 물-프로판올용액이이상용액이라고하면프로판올의몰분율이 0.400일때용액의증기압은? (d) 물과프로판올사이의인력은순수한물사이또는순수한프로판올사이의인력보다큰가, 작은가, 같은가? (e) 물-프로판올용액의용해열 (Δ soln) 은음, 양, 0 중어느것인가? (f) 1 물-프로판올 (50:50) 용액, 2 물, 3 프로판올의끓는점을낮은것에서높은것의순서로쓰시오.( 오른쪽부등호에번호로표시 ) 74.0 torr 72.7 torr 작다양 1 < 3 < 2
16. [9점] (a) p-type semiconductor를만들기위하여도핑된것을있는대로모두고르시오? ( 주원자 : 도핑원자 ) 1 Ge:P 2 Si:Ge 3 Si:Al 4 Ge:S 5 Si:N 6 Ga:As 7 Si:B (b) 아래그림은고체의전자띠 (band) 에너지준위도로, 짙은색은전자가차있는부분을나타낸것이다. 전도체의띠구조를있는대로모두고르시오. 이온 배위수 배위구조 Ti 6 정팔면체 (d) 다음각이온의산화수는?((a) 의실험식과주기율표참조 ) 이온 산화수 Sr +2-2 Ti +4 19. [10 점 ] 체심입방격자의쌓음효율을게산하시오. (c) 위 (b) 그림에서 p-type semiconductor의띠구조를있는대로모두고 르시오. (a) (b) (c) 3, 7 2, 3 5 17. [5+3=8점] (a) 다음의중합체 A 를제조하기위하여필요한단위체 B 의구조를그리시오. 3 3 3 2 2 n 3 2 (b) 중합체 A는단위체 B을 중합반응하여만든다. 밑줄에들어갈단어는? 첨가 구의반지름을 r, 단위세포한변의길이를 L 이라하자. 정육면체의대각선의길이를 d 라고하면 d = 4r. (4r) 2 = 3L 2 단위세포안에있는구의개수 = 8x(1/8) + 1 = 2 18. [5+5+4+6=20점] Tausonite는 Sr( 스트론튬 ), ( 산소 ), Ti( 타이타늄 ) 으로이루어진광물 ( 이온화합물 ) 이다, 아래그림에 Tausonite의단위세포 ( 입방 ) 와단위세포에서각이온의위치를나타내었다. 입방단위세포에서 Sr은꼭지점에, 산소는각면의중앙에, Ti는입방체의중앙에위치한다. (Sr: 양이온, : 음이온, Ti: 양이온 ) 쌓음효율 = (a) 이광물의실험식은무엇인가? Sr 3Ti (b) Sr의배위수는얼마인가? ( 양이온의배위수는양이온과가장근접한음이온의개수를말한다.) 12 쌓음효율 68 % (c) Ti 배위수와배위구조는? ( 양이온의배위수는양이온과가장근접한음이온의개수를말한다. 이때양이온의배위구조는가장근접한음이온으로만들어지는기하학적모양이다.)
< 상수 > 기체상수 (R) 0.08206 L atm/(k mol) = 8.314 J/(K mol) Avogadro의수 (N A) 6.022x10 23 /mol < 단위변환 > 1 atm 760 mmg = 760 torr = 1.01325x10 5 Pa = 1.01325 x 10 5 N/m 2 K 273.15 + o <( 방정 ) 식 > 수소꼴원자에서의전자오비탈에너지준위빛의속도빛의에너지이상기체상태방정식 lausius-lapeyron 식 ln (: 상수 )