[화학Ⅰ]

1	②	2	⑤	3	②	4	①	5	④
6	③	7	③	8	②	9	②	10	⑤
11	⑤	12	④	13	⑤	14	②	15	④
16	④	17	⑤	18	①	19	⑤	20	③

1. [출제의도] 인류의 문명 발달에 영향을 준 물질 알아보기

현재 인류가 가장 많이 사용하는 금속은 철이다. 철은 반응성이 커서 자연 상태에서 주로 산소와 결합한 산화철의 형태로 존재한다. 산화철에 코크스를 섞고 가열하여 철을 얻는 기술이 개발되면서 본격적으로 철이 사용되기 시작하였다. 또한 하버와 보슈에 의해 수소 기체와 질소 기체의 반응으로 암모니아를 공업적으로 합성하는 방법이 개발되었다. 이를 통해 질소 비료의 대량 생산이 가능해지면서 농업 생산력은 비약적으로 발전하였고 인류의 식량 문제를 해결하게 되었다.

2. [출제의도] 분자의 종류 구분하기

헬륨([eqn: rmHe])은 단원자 분자, 수소([eqn: rmH_2])는 2원자 분자, 물([eqn: rm H _{2} O])과 이산화 탄소([eqn: rmCO _{2}])는 3원자 분자이다. [eqn: rmHe]과 [eqn: rmH_2]는 한 종류의 원소로 이루어진 홑원소 물질(원소)이고, [eqn: rm H _{2} O]과 [eqn: rmCO _{2}]는 2가지 종류의 원소로 이루어진 화합물이다. [eqn: rmHe], [eqn: rmH_2], [eqn: rmCO _{2}]는 무극성 분자이고 [eqn: rm H _{2} O]은 극성 분자이다.

3. [출제의도] 원소 카드를 이용하여 주기율표에 원소  배치하기

주기율표는 원자 번호 순으로 원소를 배열한 표이다.  [eqn: rm He](헬륨)은 원자 번호가 2번으로 1주기 18족인 (가)에, 양성자 수가 12인 원소는 원자 번호가 12번인 [eqn: rmMg](마그네슘)으로 3주기 2족인 (라)에 배치된다. 또한 원자 번호가 9번인 [eqn: rmF](플루오린)은 2주기 17족인 (다)에, [eqn: rmP](인)은 원자 번호가 15번으로 3주기 15족인 (마)에 배치된다.

4. [출제의도] 불꽃 색을 나타내는 원소 찾기

불꽃 반응 실험으로 화합물에 포함된 금속 원소를 확인할 수 있다. 이 실험의 결과에서 빨간색은 염화 리튬([eqn: rm LiCl])과 브로민화 리튬([eqn: rm LiBr])에 공통적으로 포함된 원소인 리튬([eqn: rm Li])에 의해 나타난다. 노란색은 염화 나트륨([eqn: rm NaCl])과 브로민화 나트륨([eqn: rm NaBr])에 공통적으로 포함된 원소인 나트륨([eqn: rm Na])에 의해 나타난다. 따라서 불꽃 색을 나타낸 원소는 리튬([eqn: rm Li])과 나트륨([eqn: rm Na])이다.

5. [출제의도] 다이아몬드와 풀러렌의 구조 이해하기

탄소로만 구성된 다이아몬드와 풀러렌은 동소체이다. ㄱ. 다이아몬드는 정사면체 구조를 가지며 밀집된 상태를 이루지만, 풀러렌은 가운데 빈 공간이 있는 축구공 모양으로 배열된 구조이다. 따라서 다이아몬드의 밀도는 풀러렌보다 크다. ㄴ. 각 물질 1몰에 포함된 탄소 원자 수가 다이아몬드는 1몰(6.02×[eqn: 10 ^{23}]개), 풀러렌은 60몰(60×6.02 ×[eqn: 10 ^{23}]개)이다. 따라서 물질 1몰의 질량은 풀러렌이 다이아몬드의 60배이다. ㄷ. 탄소 원자 1개당 공유 결합한 원자 수가 다이아몬드는 4개, 풀러렌은 3개이다.

6. [출제의도] 원자를 구성하는 입자 이해하기

원자에서 원자 번호 = 양성자 수 = 전자 수이다. ㄱ. [eqn: rm A]는 원자 번호가 6번으로 양성자 수가 6개이므로 중성자 수와 같다. ㄴ. [eqn: rm B]와 [eqn: rm C]는 원자 번호가 같으므로 전자 수는 같다. 또한 [eqn: rm B]와 [eqn: rm C]는 양성자 수가 같지만 중성자 수는 다르므로 동위 원소이다. ㄷ. [eqn: rm C]와 [eqn: rm D]는 원자 번호가 서로 다르므로 동위 원소가 아니다.

7. [출제의도] 산과 염기의 성질 이해하기

ㄱ. 무색의 페놀프탈레인 용액이 붉은색으로 변한 수용액 [eqn: rm X]의 액성은 염기성이다. ㄴ. 염기성인 수용액 [eqn: rm X]의 [eqn: rmpH]는 산성인 수용액 [eqn: rmY]보다 크다. ㄷ. 금속 마그네슘([eqn: rmMg])과 산의 반응으로 생성된 기체에 성냥불을 가까이 가져갈 때 ‘펑’ 소리를 내며 연소하였으므로 발생한 기체는 수소([eqn: rmH _{2}])이다.

8. [출제의도] 원자와 이온의 전자 배치 비교하기

원자 [eqn: rmX]와 [eqn: rmY]의 안정한 이온은 [eqn: rm X ^{2-}]와 [eqn: rm Y ^{3+}]이다. ㄱ. [eqn: rmX]가 [eqn: rm X ^{2-}]가 될 때 핵 전하량은 동일하나 전자 수가 늘어나 전자 사이에 반발력이 커지므로 반지름은 증가한다. [eqn: rmY]가 [eqn: rm Y ^{3+}]가 될 때 전자 껍질 수가 감소하므로 반지름은 감소한다. ㄴ. 원자 [eqn: rmX]와 [eqn: rmY]의 바닥 상태 전자 배치에서 홀전자 수는 각각 2개, 1개이지만 [eqn: rm X ^{2-}]와 [eqn: rm Y ^{3+}]에서 홀전자는 모두 없으므로 공통적으로 감소한다. ㄷ. 원자 [eqn: rmX]와 [eqn: rmY]의 전자 껍질 수는 각각 2개, 3개이지만 [eqn: rm X ^{2-}]와 [eqn: rm Y ^{3+}]의 전자 껍질 수는 모두 2개이므로 [eqn: rmX]는 변화 없고, [eqn: rmY]는 감소한다.

9. [출제의도] 루이스 전자점식을 통해 물질의 구조와 성질 이해하기

[eqn: rmA]∼[eqn: rmD]의 수소 화합물 [eqn: rmAH_4], [eqn: rmBH_3], [eqn: rmCH_2], [eqn: rmDH]는 각각 4쌍, 3쌍, 2쌍, 1쌍의 공유 전자쌍이 있다. ① [eqn: rmAH_4]에서 원자 [eqn: rmA]와 [eqn: rmH]는 서로 다른 원소로 전기 음성도가 다르므로 극성 공유 결합을 한다. ② [eqn: rmCH_2]는 2쌍의 비공유 전자쌍이 있어 굽은형의 구조를 갖는다. ③ [eqn: rmDH]는 극성 공유 결합을 하는 이원자 분자이므로 쌍극자 모멘트는 0이 아니다. ④ [eqn: rmAH_4]는 정사면체형 구조의 무극성 분자이다. [eqn: rmBH_3]은 1쌍의 비공유 전자쌍이 있어 삼각뿔형 구조를 가지므로 극성 분자이다. 따라서 극성인 물에 대한 용해도는 [eqn: rmBH_3]이 [eqn: rmAH_4]보다 크다. ⑤ [eqn: rmBH_3]의 중심 원자 [eqn: rm B]는 1쌍의 비공유 전자쌍과 3쌍의 공유 전자쌍을, [eqn: rmCH_2]의 중심 원자 [eqn: rm C]는 2쌍의 비공유 전자쌍과 2쌍의 공유 전자쌍을 갖는다.  전자쌍 반발 이론에 따라 비공유 전자쌍과 비공유 전자쌍 사이의 반발력이 비공유 전자쌍과 공유 전자쌍 사이의 반발력보다 크므로 중심 원자와 수소 원자 사이의 결합각은 [eqn: rmBH_3]이 [eqn: rmCH_2]보다 크다.

10. [출제의도] 수소 원자의 전자 전이와 오비탈의 에너지 준위 이해하기

① 수소 원자의 에너지 준위 [eqn: E _{n} `=`- {1312} over {n ^{2}} rmkJ/mol]이므로 주양자 수 [eqn: n]에 따라 전자는 특정한 에너지 값만을 갖는다. 따라서 수소 원자의 에너지 준위는 불연속적이다. ② 전자 전이 [eqn: rmA]와 [eqn: rmB]는 각각 자외선 영역과 가시광선 영역의 빛을 방출한다. ③ [eqn: rmA]에서 방출되는 빛에너지는 (-[eqn: {1312} over {4 ^{2}}]-(-[eqn: {1312} over {1 ^{2}}]))=[eqn: {15} over {16} ×1312] [eqn: rmkJ/mol]이고, [eqn: rmB]에서 방출되는 빛에너지는 (-[eqn: {1312} over {4 ^{2}}]-(-[eqn: {1312} over {2 ^{2}}]))=[eqn: {3} over {16} ×1312] [eqn: rmkJ/mol]이므로 [eqn: rmA]에서 방출되는 빛에너지는 [eqn: rmB]보다 5배 크다. ④ 각 전자 껍질에 있는 오비탈의 수는 [eqn: rmK] 껍질([eqn: n]=1)에 1개, [eqn: rmL] 껍질([eqn: n]=2)에 4개, [eqn: rmM] 껍질([eqn: n]=3)에 9개, [eqn: rmN] 껍질([eqn: n]=4)에 16개이므로 [eqn: n]번째 전자 껍질에 있는 오비탈 수는 [eqn: n ^{2}]이다. ⑤ 수소 원자에서 [eqn: 2s]와 [eqn: 2p] 오비탈의 에너지 준위가 같으므로 [eqn: 4s]에서 [eqn: 2s]로 전자가 전이될 때 방출되는 빛의 파장은 [eqn: 4s]에서 [eqn: 2p]로 전자가 전이될 때 방출되는 빛의 파장과 같다.

11. [출제의도] 탄화수소 분류하기

제시된 탄화수소는 순서대로 뷰테인([eqn: rm C _{4} H _{10}]), 사이클로펜테인([eqn: rm C _{5} H _{10}]), 사이클로헥센([eqn: rm C _{6} H _{10}]), 벤젠([eqn: rm C _{6} H _{6}])이다. 포화 탄화수소는 [eqn: rm C _{4} H _{10}]과 [eqn: rm C _{5} H _{10}]이고, 불포화 탄화수소는 [eqn: rm C _{6} H _{6}]과 [eqn: rm C _{6} H _{10}]이다. 또한 [eqn: rm C _{4} H _{10}]은 사슬 모양 탄화수소이고, 나머지는 고리 모양 탄화수소이다. [eqn: rm C _{6} H _{6}]은 방향족 탄화수소이다. 따라서 (가)는 [eqn: rm C _{4} H _{10}], (나)는 [eqn: rm C _{5} H _{10}], (다)는 [eqn: rm C _{6} H _{6}], (라)는 [eqn: rm C _{6} H _{10}]이다. ㄱ. [eqn: rm C _{4} H _{10}], [eqn: rm C _{5} H _{10}]은 분자를 구성하는 수소 원자의 수가 10개로 같다. ㄴ. [eqn: rm C _{6} H _{6}]의 실험식은 [eqn: rm CH]이다. ㄷ. [eqn: rm C _{6} H _{10}]은 고리 모양 탄화수소이다.

12. [출제의도] 수소 원자의 [eqn: bold{s}] 오비탈 특성 이해하기

ㄱ. 각 오비탈의 전자 존재 확률의 합은 100%이다. [eqn: rm a]구간에서 [eqn: 1s] 오비탈은 전자의 존재 확률이 거의 100%에 가깝지만 [eqn: 2s]는 [eqn: rm a]구간 이후에도 전자 존재 확률이 매우 높다. 따라서 [eqn: rm a]구간의 전자 존재 확률은 [eqn: 1s]가 [eqn: 2s] 오비탈보다 더 크다. ㄴ. [eqn: rm a]구간에서 [eqn: 2s] 오비탈은 전자의 존재 확률이 0인 지점이 있다. 또한 전자 구름 모형에서 밝은 부분은 전자가 존재하는 확률이 매우 낮은 곳을 의미한다. ㄷ. [eqn: s] 오비탈은 구형의 대칭 구조이기 때문에 원자핵으로부터 거리가 같으면 전자가 존재할 확률이 같다.

13. [출제의도] 전기 분해를 통해 화학 결합 이해하기

ㄱ. 염화 나트륨([eqn: rmNaCl])은 금속 원소인 나트륨 이온([eqn: rmNa ^{+}])과 비금속 원소인 염화 이온([eqn: rmCl ^{-}])이 전기적 인력으로 결합한 이온 결합 화합물이다. ㄴ. 전기 분해를 통해 물([eqn: rmH _{2} O])을 이루는 원자 사이의 결합이 끊어지는데 이는 전자의 이동에 의한 산화 환원 반응이 일어나는 것이다. 이로부터 물을 이루는 수소 원자와 산소 원자의 공유 결합에는 전자가 관여하고 있음을 알 수 있다. ㄷ. 전기 분해를 통해 [eqn: rmNaCl]은 성분 원소인 나트륨과 염소로, [eqn: rmH _{2} O]은 성분 원소인 수소와 산소로 분해된다.

14. [출제의도] 분자의 모양 구분하기

모든 원자가 한 평면에 있는 분자는 직선형 구조인 [eqn: rm BeCl _{2}]와 [eqn: rm CO _{2}], 굽은형 구조인 [eqn: rm H _{2} S], 평면 삼각형 구조인 [eqn: rm BCl _{3}]이다. 정사면체형 구조인 [eqn: rmCCl_4]는 입체 구조이므로 모든 원자가 한 평면에 있지 않다. 중심 원자가 옥텟 규칙을 만족하는 분자는 공유 전자쌍이 4쌍인 [eqn: rm CO _{2}], [eqn: rm CCl _{4}]와 2쌍의 공유 전자쌍과 2쌍의 비공유 전자쌍을 가진 [eqn: rm H _{2} S]이다. [eqn: rm BeCl _{2}]와 [eqn: rm BCl _{3}]은 비공유 전자쌍이 없고 공유 전자쌍이 각각 2쌍, 3쌍이므로 중심 원자가 옥텟 규칙을 만족하지 않는다. 따라서 두 기준을 동시에 만족하는 분자는 [eqn: rm H _{2} S]와 [eqn: rm CO _{2}] 2개이다.

15. [출제의도] 원소의 주기적 성질 이해하기

원소 [eqn: rm A]~[eqn: rm D]가 각각 [eqn: rmAr]과 같은 전자 배치를 갖는 이온 반지름의 크기는 [eqn: rm D] > [eqn: rm C] > [eqn: rm B] > [eqn: rm A]이다. 이와 같이 이온 반지름이 다른 것은 전자 수는 같지만 핵 전하량이 다르기 때문이다. 원자 번호가 클수록 핵 전하량이 커지고 핵 전하량이 클수록 이온 반지름은 작아진다. 따라서 원소 [eqn: rm A]는 [eqn: {} _{20} rm Ca], [eqn: rm B]는 [eqn: rm _{19} rm K], [eqn: rm C]는 [eqn: rm _{17} rm Cl], [eqn: rm D]는 [eqn: rm _{16} rm S]이다. ㄱ. 원자가 전자의 유효 핵전하는 같은 주기에서 원자 번호가 클수록 커지므로 [eqn: rm A]가 [eqn: rm B]보다 크다. ㄴ. 원자가 전자 수는 [eqn: rmB]가 1개, [eqn: rmC]가 7개이다. ㄷ. 전기 음성도는 같은 주기에서 원자 번호가 클수록 커지므로 [eqn: rm C]가 [eqn: rmD]보다 크다.

16. [출제의도] 원소 분석법으로 분자식 결정하기

ㄱ. 나프탈렌의 완전 연소 생성물인 이산화 탄소([eqn: rmCO _{2}])와 물([eqn: rmH _{2} O])의 질량 [eqn: w_1], [eqn: w_2]를 이용하여 [eqn: rmCO _{2}]와 [eqn: rmH _{2} O]에 각각 포함된 탄소([eqn: rmC])와 수소([eqn: rmH])의 몰수를 구하면 실험에 사용한 나프탈렌에 포함된 [eqn: rmC]와 [eqn: rmH]의 몰수를 알 수 있다. [eqn: rmH]의 질량 = [eqn: rm H _{2} O의`질량 it] × [eqn: rm {rm H의`원자량 TIMES H의`원자`수 it} over {rm H _{2} O의`분자량 it}] = [eqn: w _{2} TIMES {1 TIMES 2} over {18}]=[eqn: {w _{2}} over {9}][eqn: rmg]이다. 따라서 [eqn: rmH]의 몰수 = [eqn: {rm H의`질량 it} over {rmH의`원자량}] = [eqn: { w_2} over {9 }]몰이다. ㄴ. 실험식은 화합물을 구성하는 원소의 가장 간단한 정수비로 나타내므로 실험식만으로는 나프탈렌 분자를 구성하고 있는 [eqn: rmC]와 [eqn: rmH]의 원자 수를 정확하게 알 수 없다. 따라서 분자식을 결정하기 위해서는 분자량을 알아야 한다. 실험식량과 분자량을 비교하면 정수([eqn: k]) = [eqn: {분자량} over {실험식량}]이고, 분자식은 실험식에 정수([eqn: k])를 곱한 식이므로 ‘분자식 = (실험식)[eqn: {} _{k}]’이다. ㄷ. [eqn: rmC]와 [eqn: rmH]의 몰수 비([eqn: a : b])는 분자를 구성하는 [eqn: rmC]와 [eqn: rmH]의 개수 비([eqn: n : m])와 같다.

17. [출제의도] 원소의 다양한 산화수 구하기

전기 음성도는 [eqn: rm O] > [eqn: rm N] > [eqn: rm H]이고, 산화수는 [eqn: rm H]가 +1, [eqn: rm O]가 -2이다. 이로부터 [eqn: rm N _{2}], [eqn: rm NH _{3}], [eqn: rm NO], [eqn: rm NO _{2}], [eqn: rm HNO _{3}]에서 질소의 산화수는 각각 0, -3, +2, +4, +5이다. 따라서 산화수가 가장 큰 값인 +5와 가장 작은 값인 -3의 차는 +5-(-3) = 8이다.

18. [출제의도] 반응 전후의 분자 수 비교를 통한 화학 반응 이해하기

ㄱ. 반응 전 실린더 속에는 [eqn: rm A]분자 5개와 [eqn: rm B]분자 9개가 존재하였으나, 반응 후 실린더 속에는 [eqn: rm A]분자 2개가 반응하지 않고 남았으며 생성물로 [eqn: rm C]분자 6개가 생성되었다. 즉, [eqn: rmA]분자 3개와 [eqn: rmB]분자 9개가 반응하여 [eqn: rmC]분자 6개가 생성되므로 화학 반응식은 [eqn: rm A] + 3[eqn: rm B]  → 2[eqn: rm C]이다. ㄴ. [eqn: rm A]분자 1개와 [eqn: rm B]분자 3개의 질량의 합은 [eqn: rmC]분자 2개의 질량과 같으므로 [eqn: rm C]의 분자량은 [eqn: {rm A의`분자량+3` TIMES `B의`분자량 it} over {2}]이다. ㄷ. 질량 보존의 법칙에 의해 반응 전후 실린더 속 혼합 기체의 질량은 일정하다. 그러나 반응 후 실린더 부피가 감소하므로 기체의 밀도(=[eqn: rm {질량} over {부피}])는 증가한다.

19. [출제의도] 아보가드로 법칙 이해하기

ㄱ. 20℃, 1기압에서 기체 1몰의 부피가 24[eqn: rmL]이므로 (가)에서 [eqn: rmX_2] 12[eqn: rmL]는 0.5몰에 해당한다. ㄴ. (나)에서 실린더의 부피가 6[eqn: rmL]이므로 용기의 부피도 6L이다. 기체 6[eqn: rmL]에 해당하는 몰수는 0.25몰이고 [eqn: rmX_2] 0.5몰의 질량이 16g이므로 [eqn: rmX_2] 0.25몰의 질량은 8g이다. ㄷ. [eqn: rmX_2] 1몰의 질량은 32[eqn: rmg]이므로 [eqn: rm X _{2}]의 분자량은 32이고, X의 원자량은 16이다.

20. [출제의도] 원소의 주기적 성질 비교하기

제1 이온화 에너지([eqn: E _{1}])는 같은 주기에서 원자 번호가 커질수록 커지므로 [eqn: rm N`e] > [eqn: rm F]이고,  [eqn: rm Mg] > [eqn: rm Na]이다. 또한 같은 족에서는 원자 번호가 커질수록 작아지는 경향이 있으므로 [eqn: rm F]의 [eqn: E _{1}]는 [eqn: rm Cl]보다 크고, 같은 주기인 [eqn: rm Cl]의 [eqn: E _{1}]는 [eqn: rm Mg]보다 크므로 주어진 원소의 [eqn: E _{1}]는 [eqn: rm N`e] > [eqn: rm F] > [eqn: rm Mg] > [eqn: rm Na]이다. 따라서 [eqn: rmA]는 [eqn: rm Na], [eqn: rmB]는 [eqn: rm Mg], [eqn: rmC]는 [eqn: rm F], [eqn: rmD]는 [eqn: rm N`e]이다. ㄱ. 원자 반지름은 같은 주기에서 원자 번호가 클수록 작아지므로 [eqn: rmA]의 원자 반지름은 [eqn: rmB]보다 크다. ㄴ. 제3 이온화 에너지는 3번째 전자를 떼어낼 때 필요한 에너지이다. [eqn: rm B]의 경우 원자가 전자 2개를 모두 떼어 내고 옥텟 규칙이 만족된 상태에서 3번째 전자를 떼어 내야 하므로 [eqn: E _{2}]에 비해 [eqn: E _{3}]가 급격히 증가한다. 따라서 [eqn: rmA]∼[eqn: rmD] 중 [eqn: {E _{3}} over {E _{2}}]은 [eqn: rmB]가 가장 크다. ㄷ. [eqn: rm B]와 [eqn: rmD]는 바닥 상태의 전자 배치가 각각 [eqn: 1s ^{2} 2s ^{2} 2p ^{6} 3s ^{2}], [eqn: 1s ^{2} 2s ^{2} 2p ^{6}]으로 모든 전자들이 쌍을 이루고 있어 홀전자가 없다.