과학탐구 영역

화학 I 정답

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

화학 I 해설

1. [출제의도] 원자 모형 구분하기

러더퍼드 원자 모형은 전자와 [eqn: alpha] 입자 산란 실험 결과로 발견된 원자핵으로 구성되어 있으며, 수소 원자의 선 스펙트럼을 설명할 수 없다.

2. [출제의도] 원소와 화합물, 분자 분류하기

[eqn: rm Fe]은 원소로 Ⅰ영역에 속한다. ㉠은 [eqn: rm CO _{2}]이며, Ⅱ영역은 화합물이면서 분자인 [eqn: rm CO], [eqn: rm CO _{2}]가 해당된다. Ⅲ영역은 화합물이지만 분자가 아닌 [eqn: rm Fe _{2} O _{3}]이 해당된다.

3. [출제의도] 산화수 구하기

[eqn: rm H _{2} O _{2}]에서 [eqn: rmH]는 ＋1, [eqn: rmO]는 －1이다. [eqn: rmHClO]에서 [eqn: rmH]는 ＋1, [eqn: rmO]는 －2, [eqn: rmCl]는 ＋1이다. [eqn: rmLiH]에서 [eqn: rmLi]은 ＋1, [eqn: rmH]는 －1이다.

4. [출제의도] 원자핵과 중성 원자의 생성 과정 이해하기

(가)는 중수소 원자핵, (나)는 삼중수소 원자핵, (다)는 헬륨 원자핵으로, [eqn: a]와 [eqn: b]는 중성자, [eqn: c]는 양성자이다. (가)와 (나)는 양성자가 1개이므로 핵전하량은 같다. (나)의 상대적 핵전하량은 ＋1 이고 (다)는 ＋2이므로 중성 원자가 될 때 (나)는 1개, (다)는 2개의 전자가 필요하다.

5. [출제의도] 탄소 동소체의 특징 비교하기

(가), (나), (다)는 탄소 동소체로 모두 각 탄소 원자에 결합한 다른 원자의 수는 3개이며 공유 결합 물질이다. (나)에는 탄소-탄소 결합이 90개 있다.

6. [출제의도] 수소 원자의 선 스펙트럼 탐구 수행하기

수소 원자의 선 스펙트럼은 전자가 가질 수 있는 에너지가 불연속적임을 의미한다. 에너지는 [eqn: b] [eqn: >`][eqn: c] 이므로 [eqn: lambda _{1} <` lambda _{2}] 이다. [eqn: |E _{d} □=□`E _{3} `-`E _{2} `□`=` {5} over {36} k]이라면 [eqn: □`E _{a} `-`E _{d} `□=□E _{6} -E _{3} □= {3} over {36} k], [eqn: □E _{d} □>□`E _{a} `-`E _{d} `□] 이다.

7. [출제의도] 탄화수소 분류하기

탄화수소의 분자식은 순서대로 [eqn: rm C _{2} H _{4}], [eqn: rm C _{3} H _{8}], [eqn: rm C _{6} H _{6}], [eqn: rm C _{6} H _{10}], [eqn: rm C _{6} H _{12}]이다. 실험식이 [eqn: rmCH]인 것은 [eqn: rm C _{6} H _{6}]이고, 포화 탄화수소는 [eqn: rm C _{3} H _{8}]과 [eqn: rm C _{6} H _{12}]이다. 모든 원자가 동일 평면에 있는 것은 [eqn: rm C _{2} H _{4}]과 [eqn: rm C _{6} H _{6}]이다.

8. [출제의도] 생명 현상과 관련된 물질 비교하기

(가)는 아미노산이고, (나)는 DNA의 염기이다. (나)의 -[eqn: rm NH _{2}]가 비공유 전자쌍을 가지므로 루이스 염기이다. 비공유 전자쌍은 (가), (나) 모두 7개이다.

9. [출제의도] 화학 결합의 종류와 특성 이해하기

[eqn: rm AB _{4} ^{+}]는 [eqn: rmNH _{4} ^{+}]이고, [eqn: rm C ^{-}]는 [eqn: rm Cl ^{-}]이다. [eqn: rm A]는 15족 원소이다. [eqn: rm AB _{4} ^{+}]는 4개의 공유 전자쌍을 가지므로 정사면체 구조이다. [eqn: rm AC _{3}]는 [eqn: rm A]와 [eqn: rm C]의 전자를 공유하여 만들어진다.

10. [출제의도] 성분 원소 질량에 따른 화합물의 조성비 분석하기

(가)와 [eqn: rm AB _{3}]에서 같은 질량의 [eqn: rm A]와 결합한 [eqn: rmB]의 질량비가 1:2이므로 (가)는 [eqn: rm A _{2} B _{3}]가 된다. [eqn: rm AB _{3}]에서 [eqn: rm {2.7} over {M _{A}} : {12} over {16} `=`1:3]이므로 [eqn: rm A]원자량은 10.8이다. [eqn: rm rm ^{10} A]의 존재 비율 [eqn: x]는 [eqn: {10x`+`11(100-x)} over {100} =10.8], [eqn: x=20]이므로 [eqn: rm rm it ^{10} A]은 20%, [eqn: rm rm ^{11} A]은 80%이다. 화학식 [eqn: rm A _{2} B _{3}]와 [eqn: rm AB _{3}]에서 [eqn: rmB]원자의 개수가 같으므로 같은 질량에 포함되는 [eqn: rm A]원자의 수는 [eqn: rm A _{2} B _{3}]가 많다.

11. [출제의도] 분자의 구조와 결합각 이해하기

[eqn: alpha < beta]이고 [eqn: rm X～Z]가 옥텟 규칙을 만족하므로 (가)는 [eqn: rm H _{2}O _{ 2}], (나)는 [eqn: rm CO _{2}], (다)는 [eqn: rm HCN]이다. (가)는 극성 분자이고, (나)는 무극성 분자이므로 쌍극자 모멘트는 (가)가 크고, (다)는 [eqn: rm C]와 [eqn: rm N]사이에 삼중결합이 있다.

12. [출제의도] 바닥 상태 전자 배치의 원리 이해하기

(가)는 [eqn: s] 오비탈에, (나)는 [eqn: p] 오비탈에 들어 있는 전자 수의 비율이다. 2, 3주기 원소에서 전자수의 비율이 2:3 인 원소는 [eqn: rm N e], [eqn: rm P]으로 [eqn: rm A]는 [eqn: rm N e]이고, [eqn: rm C]는 [eqn: rm P]이다. 전자 수의 비율이 1:1 인 [eqn: rm B]는 [eqn: rm Mg]이다. 홀전자 수는 [eqn: rmA]가 0, [eqn: rmC]가 3개이며 유효 핵전하는 같은 주기에서 원자 번호가 클수록 증가하므로 [eqn: rm C]가 [eqn: rm B]보다 크다.

13. [출제의도] 전기 음성도와 산화수 관계 이해하기

[eqn: rm A]~[eqn: rm D]의 산화수는 표와 같다.

분자	[eqn: rm BA _{2}]		[eqn: rm CB _{2}]		[eqn: rm D _{2} B]
구성 원소	[eqn: rm A]	[eqn: rm B]	[eqn: rm B]	[eqn: rm C]	[eqn: rm B]	[eqn: rm D]
산화수	-1	+2	-2	+4	-2	+1

[eqn: rm A]는 플루오린([eqn: rmF]), [eqn: rm B]는 산소([eqn: rmO]), [eqn: rm C]는 탄소([eqn: rmC]), [eqn: rmD]는 수소([eqn: rmH])이다. [eqn: rmBA _{2}]는 [eqn: rmOF _{2}]이므로 굽은형이다. [eqn: rm 2D _{2} ``+`B _{2} ``` -> ```2D _{2} B] 반응에서 [eqn: rm B]의 산화수는 0에서 –2로 감소하므로 산화제이다.

14. [출제의도] 브뢴스테드-로우리 산 염기 구분하기

(가)는 [eqn: rm BF _{3}], (나)는 [eqn: rm CH_3 OH], (다)는 [eqn: rmH_2 O]이다. (가)는 루이스 산, (나)는 브뢴스테드-로우리 염기, (다)는 브뢴스테드-로우리 산이다.

15. [출제의도] 산화 환원 반응 이해하기

각 지점에서 이온의 몰수는 다음과 같다.

구분	[eqn: rmA] 이온	[eqn: rmB] 이온	[eqn: rmC] 이온
처음	2몰	2몰	0
㉠	0	2몰	1몰
㉡	0	[eqn: x]	1.6몰

㉠에서 전하량 비는 [eqn: rmA] 이온:[eqn: rmC] 이온 = 1:2이므로 [eqn: rmA]～[eqn: rmC] 이온은 [eqn: rmA ^{ +}], [eqn: rm B ^{3+}], [eqn: rmC ^{ 2+}]이다. [eqn: rm B] 이온과  [eqn: rmC] 이온의 전하량 비가 3:2이므로 반응하는 [eqn: rm B] 이온과 금속  [eqn: rmC]의 몰수 비는 2:3이다.

㉠ ～ ㉡ 구간에서

	[eqn: 2 rm B ^{3+} ````+````````3C`````````` -> ```````````2B`````````+```````3C ^{2+}]
	2몰	0.6몰	0	1몰
반응	-0.4몰	–0.6몰	+0.4몰	+0.6몰
㉡	1.6몰([eqn: =x])	0	0.4몰	1.6몰

㉠에서 전체 양이온의 몰수([eqn: P])는 3, ㉡에서의 [eqn: {rm C``이온``수 it} over {rmB``이온``수}]([eqn: N])은 1이다.

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16. [출제의도] 원소의 주기적 성질 알아보기

[eqn: rm B ^{-}]는 [eqn: rm F ^{-}]이다. 3주기이면서 제2 이온화 에너지가 [eqn: rm F]보다 큰 원소는 [eqn: rm Na]이므로 [eqn: {rm A} it ^{n+}]는 [eqn: rm Na ^{+}]이다. [eqn: rm C]는 16족 원소로 [eqn: rm O]는 [eqn: rm F]보다 제2 이온화 에너지가 크므로 3주기 원소인 [eqn: rm S]이다. 원자 번호는 [eqn: rm S]이 가장 크다.

17. [출제의도] 탄소 화합물의 원소 분석하기

[eqn: rmA], [eqn: rmB]관에서 흡수한 물질은 각각 [eqn: rm H _{2} O]과 [eqn: rm CO _{2}]이다. [eqn: rm H _{2} O]과 [eqn: rm CO _{2}]에 들어 있는 산소([eqn: rm][eqn: rmO])의 질량비는 1:3이므로 생성된 [eqn: rmH _{2} O]과 [eqn: rm CO _{2}]의 몰수 비는 2:3이다. 따라서 탄소 화합물에서 탄소, 수소, 산소의 개수비는 3:4:3이다. [eqn: rm C _{3} H _{4} O _{3} `+ {5} over {2} O _{2} ` -> `2H _{2} O`+`3CO _{2}]이므로 [eqn: 4m=3n]이고 반응한 [eqn: rmO _{2}]의 몰수와 생성 물질의 몰수 합의 비는 [eqn: {5} over {2}]:5=1:2이다. [eqn: rm C _{3} H _{4} O _{3} `]과 [eqn: rm CO _{2}]의 질량비는 88 : 3×44=2:3이므로, [eqn: y]는 1.5[eqn: x]이다.

18. [출제의도] 산 염기 반응에서 이온 수 비교하기

용액에서 양이온과 음이온의 전하량의 합은 0이 된다. (가)에서 혼합 용액이 산성이라면 [eqn: rmH ^{+}], [eqn: rm Na ^{+}], [eqn: rm K ^{+}], [eqn: rm Cl ^{-}]이 존재해야 하므로 [eqn: rm Cl ^{-}]이 50%의 비율을 가질 수 없으므로 [eqn: rm Na ^{+}], [eqn: rm K ^{+}], [eqn: rm Cl ^{-}], [eqn: rm OH ^{-}]이 존재한다. 단위 부피당 이온 수가 [eqn: rm NaOH]이 [eqn: rm KOH] 보다 크기 때문에 다음과 같은 비율을 갖는다.

이온	[eqn: rm Na ^{+}]	[eqn: rm K ^{+}]	[eqn: rm Cl ^{-}]	[eqn: rm OH ^{-}]
비율	[eqn: {3} over {8}]	[eqn: {1} over {8}]	[eqn: {2} over {8}]	[eqn: {2} over {8}]

(가)에서 [eqn: rmHCl] 20 mL에 2N, [eqn: rm NaOH] 20 mL에 3N, [eqn: rm KOH] 10 mL에 N개이다. (나)에서도 혼합 용액에 3가지의 이온이 50%를 넘지 못하기 때문에 [eqn: rm Na ^{+}], [eqn: rm K ^{+}], [eqn: rm Cl ^{-}], [eqn: rm OH ^{-}]이 존재하는 것이다. 따라서 용액의 액성은 염기성이며 다음과 같은 이온의 비율을 갖는다.

이온	[eqn: rm Na ^{+}]	[eqn: rm K ^{+}]	[eqn: rm Cl ^{-}]	[eqn: rm OH ^{-}]
비율	[eqn: {3} over {8}]	[eqn: {1} over {8}]	[eqn: {3} over {8}]	[eqn: {1} over {8}]

(나)의 비율이 되기 위해서는 [eqn: rm HCl] 10 mL가 첨가되어야 하고, 혼합 전 단위 부피당 이온 수는 [eqn: rm Na ^{+}]이 [eqn: rm K ^{+}]의 1.5배이다.

19. [출제의도] 화학식과 성분 원소의 질량비 분석하기

같은 질량 [eqn: w] g에 기체 [eqn: rmA]와 [eqn: rmB]의 부피 비가 4:3이므로 몰수 비는 4:3이고, 분자량 비는 3:4이다. 분자량이 45보다 작은 탄화수소 중 실험식과 분자식이 같은 것은 [eqn: rm CH _{4}], [eqn: rm C _{3} H _{4}], [eqn: rm C _{3} H _{8}]이며, 분자량 비가 3:4인 것은 [eqn: rm C _{2} H _{6}]와 [eqn: rm C _{3} H _{4}] 뿐이다. 그러므로 [eqn: rmA]는 [eqn: rm C _{2} H _{6}], [eqn: rm B]는 [eqn: rm C _{3} H _{4}]이다. [eqn: rmH]의 질량 백분율은 [eqn: rmA]:[eqn: rmB]=[eqn: {6} over {30}]:[eqn: {4} over {40}]=2:1이다. 질량 [eqn: w] g일 때 [eqn: rmA]와 [eqn: rmB]의 몰수 비는 [eqn: {w} over {30}]:[eqn: {w} over {40}]=4:3이고, 1몰에 포함된 C의 개수는 2:3이므로 [eqn: rm C _{2} H _{6}]와 [eqn: rmC _{3} H _{4}]의 탄소 수의 비는 8:9이다.

20. [출제의도] 화학 반응의 양적 관계 이해하기

실험 Ⅰ에서 기체 1몰의 부피가 24 L이므로 반응 전 기체의 총 몰수는 0.6이다. 기체의 부피 비는 몰수 비와 같기 때문에 반응 후의 몰수는 0.45이고, 다음과 같은 식을 사용할 수 있다.

[eqn: rm 2A```````````+``````````````B````````` -> `````````2C]

반응 전	[eqn: 2x]	[eqn: 0.6-2x]	[eqn: 0]
반응	[eqn: -2x]	[eqn: -x]	[eqn: +2x]
반응 후	[eqn: 0]	[eqn: 0.6-3x]	[eqn: 2x]

반응 후 남아 있는 기체의 전체 몰수는 0.6-[eqn: x]=0.45 이므로 [eqn: x]는 0.15몰이다. 반응 전 A와 B의 몰수는 0.3몰이고, A와 B의 분자량은 각각 30과 32이다. 반응 후 남은 B의 질량은 0.15몰×32g/몰=4.8g이고, C의 분자량은 46이다.

실험 Ⅱ에서는 다음과 같은 식을 사용할 수 있다.

[eqn: rm 2A```````````+``````````````B````````` -> `````````2C]

반응 전	[eqn: 0.2]	[eqn: 0.7]	[eqn: 0]
반응	-[eqn: 0.2]	[eqn: -0.1]	[eqn: +0.2]
반응 후	[eqn: 0]	[eqn: 0.6]	[eqn: 0.2]

반응 전과 후의 몰수 비가 9:8이므로 [eqn: x]:[eqn: y]=9:8이다.