화학 I 정답

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

화학 I 해설

1. [출제의도] 인류 문명과 관련된 화학 반응 이해하기

인류는 화석 연료가 연소될 때 생기는 열을 이용하여 문명을 발전시켰고, 불을 이용하여 광석으로부터 철을 제련하였다. 화석 연료 A의 연소 생성물에 물이 있는 것으로 A에 수소(H)가 포함되어 있음을 알 수 있다. 화석 연료의 연소 반응과 철의 제련 과정에서 발생하는 이산화 탄소는 지구 온난화의 원인이 된다.

2. [출제의도] 탄소 동소체의 구조와 성질 이해하기

다이아몬드와 동소체인 탄소 나노 튜브는 탄소 원자 1개당 3개의 탄소 원자들이 공유 결합을 형성하여 정육각형 모양으로 연결된 원통 모양을 하고 있다. 이 물질에서는 공유 결합에 참여하지 않은 원자가 전자 1개가 자유 전자와 같은 역할을 하므로 전기 전도성을 가지게 된다.

3. [출제의도] 물질의 입자 개념 이해하기

(가)의 [eqn: rmX_2]와 [eqn: rm Y_2]는 모두 원소이다. 부피가 같은 (가)와 (나)에 X와 Y의 원자가 각각 같은 수로 들어 있어 질량이 같으므로 밀도가 같다. 분자 수 비는 몰수 비와 같으므로 (가)와 (나)의 몰수 비는 3 : 2이다.

4. [출제의도] 다전자 원자의 전자 배치에 대한  자료 해석하기

[eqn: rm A]∼[eqn: rmD]의 전자 배치는 바닥상태이다. [eqn: rm A]의 원자가 전자 수는 5개이고, [eqn: rm C]의 원자가 전자 수는 1개이다. [eqn: rm B]와 [eqn: rmD]는 안정한 이온이 될 때, 각각 –1가 음이온, +2가 양이온이 되므로 화합물의 화학식은 [eqn: rm DB _{2}]이다.

5. [출제의도] 원자 반지름과 이온 반지름에 대한 자료 분석하기

[eqn: { 이온~ 반지름} over { 원자~반지름}]이 1보다 작으면 금속 원소, 1보다 크면 비금속 원소이다. [eqn: rm A]의 안정한 이온의 전자 배치는 네온과 같고, [eqn: rm B]와 [eqn: rm C]는 아르곤과 같다. 같은 주기에서 유효 핵전하는 원자 번호가 클수록 크므로 [eqn: rm A] < [eqn: rm B]이다.

6. [출제의도] 화학 반응에서의 양적 관계 탐구 설계하기

[eqn: rm CaCO_3]([eqn: s])과 [eqn: rm HCl]([eqn: aq])의 화학 반응식은 다음과 같다.

[eqn: rm CaCO _{3}(it s) +rm 2HCl(it aq) -> rm CaCl _{2}(it aq) + rm H _{2} O(it l)+ rm CO _{2}(itg)]

[eqn: rm CaCO_3]의 질량이 3.00 g~4.00 g에서 [eqn: rm HCl]이 한계 반응물이 되어 [eqn: rm CO_2]의 생성량은 더 증가하지 않으므로 [eqn: rm CaCO_3] 5.00 g에서 [eqn: x]는 1.44이다. 생성된 기체의 질량은 반응 전 [eqn: rm CaCO_3]의 질량([eqn: w_1])과 반응 전 삼각 플라스크의 질량([eqn: w_2])을 더한 값에서 반응 후 삼각 플라스크의 질량([eqn: w_3])을 뺀 값으로 구할 수 있다([eqn: w_{1}+w_{2}-w_3]). 반응한 [eqn: rm CaCO_3]과 생성된 [eqn: rm CO_2]의 몰수 비는 [eqn: { 1`rm g} over {100`rm g/몰 }]:[eqn: {0.44`rm g} over {44`rm g/몰 }]이므로 1 : 1이다.

7. [출제의도] 원소 분석에 대한 자료 분석하기

(가)의 성분 원소 질량비는 C : H = 4 : 1이므로 원자 수 비가 1 : 3이고 실험식은 [eqn: rm CH _{3}]이다. (나)의 성분 원소 질량비는 C : H = 9 : 1이므로 원자 수 비가 3 : 4이고 실험식은 [eqn: rm C_3 H _4}]이다. (가)와 (나)에서 탄소의 질량 백분율이 8 : 9이므로 물질 1 g에 들어 있는 탄소 원자의 질량비도 8 : 9이다. 완전 연소되면 탄화 수소([eqn: rm C_m H_n]) 1 몰 당 [eqn: rm CO _{2}]와 [eqn: rm H_2 O]이  [eqn: rm m:{ n} over {2 }]의 비율로 생성되므로 실험식이 [eqn: rm C_3 H _4}]인 (나)가 완전 연소되면 생성물의 몰수 비 [eqn: rm CO _{2}] : [eqn: rm H_2 O] =  3 : 2이다.

8. [출제의도] 화학 반응의 양적 관계 적용하기

[eqn: rm C_6 H_12 O_6](포도당) + [eqn: 6` rm O _{2}] → [eqn: 6` rm CO _{2}] + [eqn: rm 6H _{2} O]

화학 반응식에서 ([eqn: a]+[eqn: b])의 값은 12이다. 720 g의 포도당의 몰수는 [eqn: {720`rm g} over{180`rm g/몰}= 4]몰이다. 포도당 1 몰은 6 몰의 [eqn: rm CO _{2}]를 생성하므로 4몰의 포도당은 24 몰의 [eqn: rm CO _{2}]를 생성하고, 이는 1056 g이다. 포도당의 분자식은 실험식 [eqn: rm CH_2 O]의 6 배이며, 분자량은 실험식량의 6 배이므로 실험식량은 30이다. 포도당에서 탄소의 산화수는 –1, 0, +1의 3가지이며, 이산화 탄소에서 탄소의 산화수는 +4이므로 산화수는 증가한다.

9. [출제의도] 이온 결합 물질의 용융액과 수용액의 성질 비교하기

[eqn: rm NaCl]의 용융액과 수용액에는 모두 [eqn: rm Na ^{+}], [eqn: rm Cl ^{-}]이 존재한다. [eqn: rm NaCl] 용융액을 전기 분해하면 [eqn: (+)]극에서는 [eqn: rm Cl _{2}]가 생성되고, [eqn: (-)]극에서는 금속 [eqn: rm Na]이 생성된다. 용융액 또는 수용액이 되는 과정에서 [eqn: rm NaCl]을 구성하는 입자들의 배열이 바뀌고 전자는 이동하지 않는다.

10. [출제의도] 산화 환원 반응 이해하기

(가)에서 모든 원소의 산화수 변화는 없다. (나)에서 [eqn: rm NO]는 공기 중의 [eqn: rm O _{2}]와 반응하여 [eqn: rm NO _{2}]를 생성하며, [eqn: rm NO]와 [eqn: rm NO _{2}]에서 [eqn: rm N]의 산화수는 각각 +2, +4이므로 산화수는 증가한다. (다)에서 [eqn: rm H _{2} O]은 산화수가 변하지 않으므로 산화 환원 반응에 참여하지 않는다. [eqn: rm NO], [eqn: rm NO _{2}], [eqn: rm HNO _{3}]에서 [eqn: rm N]의 산화수는 각각 +2, +4, +5이다.

11. [출제의도] 탄소 화합물의 구조 이해하기

(가)는 에타인([eqn: rm C _{2} H _{2}]), (나)는 벤젠([eqn: rm C _{6} H _{6}]), (다)는 에텐([eqn: rm C _{2} H _{4}])으로 불포화 탄화 수소이고, (라)는 사이클로헥세인([eqn: rm C _{6} H _{12}])으로 포화 탄화 수소이다. 결합각([eqn: rm ANGLE HCC])은 (가)는 180°, (나)는 120°, (다)는 약 120°, (라)는 109.5°이다. 벤젠은 공명 구조로 단일 결합과 이중 결합의 중간적인 결합을 하고 있다. 탄소 원자 간 결합 길이는 삼중 결합 < 이중 결합 < 벤젠 < 단일 결합의 순이다.

12. [출제의도] 공유 결합과 루이스 산 염기 개념 이해하기

[eqn: rm BF _{3}]는 중심 원자의 결합각이 120°인 평면 삼각형으로 분자 내 모든 원자가 같은 평면에 존재한다. (가)는 [eqn: rm NH _{3}]로 중심 원자의 결합각이 107°인 삼각뿔형 구조이며, [eqn: rm BF _{3}]와 결합할 때 비공유 전자쌍을 제공하므로 루이스 염기이다. [eqn: rm BF _{3}][eqn: rm NH _{3}]은 입체 구조이다.

13. [출제의도] 전자쌍 반발 이론으로 분자 구조 예측하기

[eqn: rm BD _{2}]는 [eqn: rm CO _{2}]로 탄소 원자와 산소 원자 사이에 2개의 이중 결합이 있으므로 결합각이 180°인 (가)의 배열을 한다. [eqn: rm CE _{3}]는 [eqn: rm NF _{3}]로 중심 원자 [eqn: rm N]에 공유 전자쌍 3개와 비공유 전자쌍 1개가 존재하여 (다)의 배열을 하고, 비대칭 구조이므로 쌍극자 모멘트의 합은 0이 아니다. [eqn: rm A _{2} D]는 [eqn: rm H _{2} O]이고, [eqn: rm DE _{2}]는 [eqn: rm OF _{2}]이다. [eqn: rm O]의 산화수는 [eqn: rm H _{2} O]에서 -2, [eqn: rm OF _{2}]에서는 ＋2이다.

14. [출제의도] 금속의 반응성으로 산화 환원 반응 이해하기

실험Ⅰ에서 수소 기체 발생량을 비교하면 금속의 반응성은 [eqn: rm A>C>B]이다. 실험Ⅱ에서  [eqn: rm C ^{2+}]  수용액에 금속 A를 넣은 비커에서는 A가 환원제로 작용하여 [eqn: rm C^2+]이 환원되는 반응이 일어나지만, 금속 B를 넣은 비커에서는 반응이 일어나지 않는다. 반응 후 금속 A가 담겨있던 비커의 질량이 증가한 것은 녹아 들어간 [eqn: rm A^2+]의 질량이 석출된 [eqn: rm C^2+]의 질량보다 크기 때문이므로 원자량은 A>C이다. 금속 C에 반응성이 더 작은 금속 B를 도선으로 연결하면 C의 부식이 촉진된다.

15. [출제의도] 중화 반응을 모형으로 이해하기

중화 반응에서 혼합 용액의 온도가 최대가 되는 지점인 [eqn: b]가 중화점이다. 중화점 [eqn: b]에서는 구경꾼 이온만 존재하므로 ◦는 염기의 양이온이고, • 는 산의 음이온이다. 수용액의 전하량의 총합은 0이 되므로 ◦는 +1가, • 는 –2가 이온이다.

구분	산 10mL	염기 10 mL	[eqn: b]
[eqn: rm H ^{+}] (□)	4N	0	0
산의 음이온 (•)	2N	0	2N
염기 양이온 (◦)	0	4N	4N
[eqn: rm OH ^{-}] (￭)	0	4N	0

염기 5 mL를 첨가한 [eqn: a]에서 ◦와 ￭ 가 2N개씩 첨가되므로, 중화 반응 후 남은 이온의 개수 비는 □ : • :◦ = 2N : 2N : 2N이 된다.

16. [출제의도] 수소의 전자 전이와 선 스펙트럼자료 분석하기

가시광선 영역의 선 스펙트럼에서 ㉠ 은 두 번째로 긴 파장이므로 4 → 2의 전자 전이에 해당한다. [eqn: a]와 [eqn: d]의 에너지의 합은 [eqn: c]와 같으나, 파장은 에너지에 반비례하므로 [eqn: a]와 [eqn: d]의 파장의 역수의 합이 [eqn: c]의 파장의 역수와 같다.

방출하는 에너지가 가장 큰 것은 [eqn: c]이고

[eqn: TRIANGLE E`` PROPTO `-( {1} over {3 ^{2}} - {1} over {1 ^{2}} )= {8} over {9}]

흡수하는 에너지가 가장 큰 것은 [eqn: b]이므로

[eqn: TRIANGLE E`` PROPTO `-( {1} over {2 ^{2}} - {1} over {3 ^{2}} )=``- {5} over {36}]

[eqn: b]와 [eqn: c]의 [eqn: TRIANGLE E] 크기 비는 [eqn: LEFT | {8} over {9} RIGHT | : LEFT | - {5} over {36} RIGHT | `=`32:5]이다.

17. [출제의도] 원소의 순차적 이온화 에너지 자료 분석하기

[eqn: rm B]와 [eqn: rm D]는 [eqn: E _{2}]에서 에너지가 급격하게 증가하므로 1족 원소이고 [eqn: rm A]와 [eqn: rm C]는 [eqn: E _{3}]에서 에너지가 급격하게 증가하므로 2족 원소이다. [eqn: rm D]의 순차적 이온화 에너지는 [eqn: rm B]보다 크므로 [eqn: rm D]는 3주기, [eqn: rm B]는 4주기 원소이다. [eqn: rm C]의 순차적 이온화 에너지는 [eqn: rm A]보다 크므로 [eqn: rm C]는 3주기, [eqn: rm A]는 4주기 원소이다. 따라서 [eqn: rm`A]는 [eqn: rm`Ca], [eqn: rm B]는 [eqn: rm`K], [eqn: rm`C]는 [eqn: rm`Mg], [eqn: rm`D]는 [eqn: rm`Na]이다. [eqn: rm`C] 이온([eqn: rm Mg ^{2+}])과 [eqn: rm D] 이온([eqn: rm Na^+])의 전자 수는 같고 유효 핵전하는 [eqn: rm`C] 이온이 더 크므로 안정한 이온의 반지름은 [eqn: rm D]>[eqn: rm`C]이다.

18. [출제의도] 원소의 주기적 성질 이해하기

바닥상태의 전자 배치에서 홀전자 수는 질소([eqn: rmN])가 3개, 산소([eqn: rm O])와 황([eqn: rm S])은 2개, 플루오린([eqn: rmF])과 염소([eqn: rm Cl])는 1개이다. [eqn: b]=[eqn: e]=2의 조건을 만족시키는 경우는 없으므로 [eqn: b]=[eqn: e]=1이다. [eqn: a]-[eqn: c]=1이므로 [eqn: a]=3, [eqn: c]=2이고, [eqn: d]-[eqn: b]=1이므로 [eqn: d]=2이다. 따라서 ([eqn: b]+[eqn: d]+[eqn: e])는 4이다. [eqn: rmA]는 질소이고, [eqn: rmB]와 [eqn: rmE]는 플루오린 또는 염소, [eqn: rm C]와 [eqn: rm D]는 산소 또는 황이다. 원자 반지름이 [eqn: rmB]>[eqn: rmE]이므로 [eqn: rmB]는 염소, [eqn: rmE]는 플루오린이다. 원자 반지름이 [eqn: rm C]>[eqn: rm D]이므로 [eqn: rm C]는 황, [eqn: rm D]는 산소이다. 전기 음성도는 [eqn: rm F]>[eqn: rm Cl]이고, 이온화 에너지는 [eqn: rm N]>[eqn: rm O]>[eqn: rm S]이다.

19. [출제의도] 생명 속의 화합물로 산 염기 개념 이해하기

산성 용액에서 아미노산의 [eqn: rm -NH _{2}]는 [eqn: rm H ^{+}]을 받아서 [eqn: rm -NH _{3} ^{+}]가 된다. ㉠ 의 [eqn: rm][eqn: rm -COO ^{-}]와 ㉣의 [eqn: rm -NH _{2}]는 [eqn: rm H ^{+}]을 받을 수 있는 브뢴스테드-로우리 염기이다. ㉢의 중심 원자인 [eqn: rm P]은 5개의 전자쌍을 가지므로 [eqn: 3d] 오비탈에 전자가 채워지는 확장된 옥텟 규칙으로 결합 구조를 설명할 수 있다.

20. [출제의도] 산 염기 중화 반응 적용하기

[eqn: rm H _{2} A(it aq)]과 [eqn: rm B(OH) _{2} (it aq)]의 반응에서 앙금은 생성되지 않으므로 구경꾼 이온인 [eqn: rm A ^{ 2-}]는 개수가 변하지 않는다.

[eqn: rm B(OH) _{2} (it aq)] 20 mL를 첨가한 혼합 용액 (가)가 산성이므로 [eqn: rm H ^{+}], [eqn: rm A ^{ 2-}], [eqn: rm B ^{2+}] 3가지 이온이 존재하고, 이온 수의 비율을 만족하기 위해서는 단위 부피당 이온 수는 [eqn: rm H _{2} A(it aq)]이 [eqn: rm B(OH) _{2} (it aq)]의 2배가 되어야 한다.

혼합 용액 (가)		[eqn: rm H ^{+}]	[eqn: rm A ^{ 2-}]	[eqn: rm B ^{2+}]	[eqn: rm OH ^{-}]
이온 수	반응 전	4N	2N	N	2N
	반응	2N	-	-	2N
	반응 후	2N	2N	N	0
이온 수의 비율(%)		40	40	20	0

혼합 용액 (나)가 염기성이므로 [eqn: rm OH ^{-}], [eqn: rm A ^{ 2-}], [eqn: rm B ^{2+}] 3가지 이온이 존재하고, 이온 수의 비율을 만족하기 위해서는 [eqn: rm B(OH) _{2}]가 3N개 첨가되어야 하므로 [eqn: x]=60이다.

혼합 용액 (나)		[eqn: rm H ^{+}]	[eqn: rm A ^{ 2-}]	[eqn: rm B ^{2+}]	[eqn: rm OH ^{-}]
[eqn: rm B(OH) _{2} (it aq)] 첨가		0	0	3N	6N
이온 수	반응 전	2N	2N	N	0
	반응	2N	-	-	2N
	반응 후	0	2N	4N	4N
이온 수의 비율(%)		0	20	40	40

혼합 용액 (가)의 양이온 수는 3N이고, 혼합 용액 (나)의 양이온 수는 4N이므로 (가) : (나) = 3 : 4 이다.