2014학년도 부산대학교 수시모집 수학‧과학우수자 전형

수 학 사 고 력 평 가 문 제 지 (화 학)

감독관확인

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지원학과(학부)

수험번호

성명

【유의사항】

1. 시험시간은 수학과 과학 선택과목 시간을 합하여 100분입니다.

2. 답안은 답안지의 해당 문항 번호에 흑색이나 청색 볼펜으로 작성하시오.

3. 문항 번호를 기술하고, 답과 풀이과정을 작성하시오.

4. 학교명, 성명 등 자신의 신상에 관련된 사항을 답안에는 드러내지 마시오.

5. 답안 연습은 연습지를 활용하시오.

6. 답안지, 연습지 및 문제지에 필요한 인적사항을 기입하였는지 확인하시오.

【제시문】

(가) 원자, 분자 등과 같은 아주 작은 입자들을 다루는 화학에서는 질량 및 개수를 나타내기 위해서 어떤 원자의 질량을 기준으로 한 다른 원자의 질량을 상대적으로 나타낸다. 이를 원자량이라고 한다. 현재는 탄소 원자([eqn: rm ^{12} rm C])를 기준으로 그 질량을 12.00으로 정하고 있다. 원자 및 분자와 같은 입자들의 질량은 매우 작기 때문에 상대적인 질량과 묶음 단위를 사용하여 양적 관계를 표현한다. 이 단위를 몰(mole)이라고 하고 아보가드로수(Avogadro's number)만큼의 입자의 집단을 의미한다. 이러한 아보가드로수는 [eqn: rm ^{12} rm C] 원자 12.00 g안에 들어있는 [eqn: rm ^{12} rm C] 원자 개수로 정의된다.

(나) 화학 반응이 일어날 때 관여하는 원자의 종류와 개수는 일정하게 유지된다. 이를 이용하여 화학반응식의 계수를 알아낼 수 있다. 화학반응식에서 각 물질의 계수의 비는 반응에 관여한 물질의 분자수의 비와 몰수비 및 기체의 부피비를 의미한다. 이때 몰과 입자수, 몰과 질량 및 몰과 기체의 부피비를 이용하면 화학 반응이 일어날 때 반응물과 생성물의 질량, 부피, 몰수를 구할 수 있다.

(다) 고추의 매운 맛을 나타내는 성분은 캡사이신(아래 분자 구조)이다. 대부분의 매운 양념은 물에 대한 용해도 작다. 매운 양념의 주성분은 전기음성도가 크지 않은 탄소 및 수소 원자가 대부분을 차지하고 있기 때문이다. 입 속의 매운 맛을 없애려면 물보다는 우유를 마시는 것이 효과적인데, 이는 매운 맛을 내는 물질의 분자 구조와 밀접한 관련이 있다. 화학에서는 ‘유유상종’의 원리가 통하는데 극성 분자는 극성 분자끼리, 무극성 분자는 무극성 분자끼리 잘 섞이게 되는 원리이다. 매운 맛을 내는 성분은 분자 구조로 보아 무극성에 가까우므로 물과 같은 수용액에는 거의 녹지 않지만, 우유 속의 지방 성분에는 잘 녹게 된다. 따라서 지방을 포함한 음료를 마시면 매운 맛을 쉽게 없앨 수 있다.

(뒷 면에 계속)

(라) 현대의 원자모형은 전자의 확률 분포를 나타내는 오비탈에 전자가 점유되는 전자구름 모형이다. 오비탈의 에너지와 전자 스핀을 이용하여 원자 내의 오비탈 전자 배치를 예측할 수 있다. 예를 들면 원자번호가 10인 Ne의 전자 배치는 아래와 같이 나타낼 수 있다.

원자의 전자 배치는 원소들의 주기적인 성질과 밀접한 관련이 있다. 원자 모형에서 전자 배치는 주기율표의 같은 주기에서 원자 번호가 증가할수록 가장 바깥 전자껍질에 들어 있는 전자가 1개씩 증가하며, 같은 족에서 원자 번호가 증가할수록 전자껍질이 1개씩 증가하는 경향이 있다. 이러한 전자배치의 주기성을 통해 원소의 주기적 성질인 원자 반지름, 이온화 에너지, 전기음성도 및 전자 친화도의 경향성을 설명할 수 있다.

(마) 원자에 에너지를 가하면 가장 바깥 전자껍질에 배치되어 있는 원자가 전자가 원자핵으로부터 떨어져 나오게 된다. 기체 상태의 중성 원자 1몰로부터 전자 1몰을 떼어내어 이온으로 만드는데 필요한 최소한의 에너지를 이온화 에너지라고 한다. 또한 중성 원자에서 전자를 순차적으로 떼어 낼 때 필요한 에너지를 순차적 이온화 에너지라고 한다. 아래 반응식은 Mg의 순차적 이온화 에너지를 나타낸다.

[eqn: # rm Mg(g)```+```735`kJ/mol````` -> `````Mg ^{+} (g)```+```e ^{-} ~~~~~~~~~`제1``이온화``에너지=735`kJ/mol# rm Mg ^{+} (g)```+```1445`kJ/mol````` -> `````Mg ^{2+} (g)```+```e ^{-}~~~~~~제2``이온화``에너지=1445`kJ/mol#]

이온화 에너지는 원자에 대한 성질이다. 하지만 대부분의 물질은 분자를 형성하고 있으므로, 분자 내의 전자쌍이 어느 원자 쪽으로 치우쳐 있는지 아는 것이 중요하다. 예를 들면 염화수소([eqn: rm HCl])는 서로 다른 원자로 구성되어 있는데 전자쌍은 염소 원자 쪽으로 치우쳐져 있다. 이것은 원자에 따라 전자쌍을 끌어당기는 능력이 다르기 때문인데, 이러한 능력을 수치로 나타낸 것을 전기음성도라고 한다.

(바) 공유 결합으로 형성된 분자에서 중심 원자를 둘러싸고 있는 전자쌍들은 그들 사이의 반발력 때문에 가능한 한 멀리 떨어져 있으려고 한다. 이러한 원리를 전자쌍 반발 원리라고 하는데 이 원리를 이용하면 공유 결합으로 형성된 분자의 모양을 예측할 수 있다. 분자의 모양은 중심 원자에 존재하는 공유 전자쌍 및 비공유 전자쌍의 개수에 의해 결정되는데, 비공유 전자쌍은 공유 전자쌍과는 달리 하나의 핵이 끌어당기고 있어서 공유 전자쌍보다는 더 넓은 공간을 차지하게 된다. 따라서 비공유 전자쌍 사이의 반발력은 공유 전자쌍 사이의 반발력보다 커진다. 그 결과로 중심 원자에 비공유 전자쌍이 존재하는 경우는 결합각이 달라져서, 공유 전자쌍만 존재하는 경우와 분자 모양이 다르다.

(사) 우리는 속이 쓰릴 때 수산화마그네슘 성분의 제산제를 먹는다. 위에서 분비된 위액이 강한 산성을 띠고 있어 염기성인 제산제를 먹으면 속 쓰림이 완화되는 것이다. 이는 산성을 띠는 위산과 염기성을 띠는 제산제가 반응하여 물이 생성되면서 각각의 성질이 사라지기 때문이다. 이처럼 산의 [eqn: rm H^+]과 염기의 [eqn: rm OH^-]이 만나 물이 생성되는 반응을 중화반응이라고 한다. 이때 완벽하게 중화가 이루어진 지점을 중화점이라고 하는데 이 경우 “[eqn: rm H^+ 의``수```=```OH^- 의``수``]” 조건을 만족하여야 한다. 중화 반응에서 발생하는 열을 중화열이라고 하는데, 반응하는 [eqn: rm H^+]과 [eqn: rm OH^-]의 수가 많을수록 발생하는 열량이 크다. 일반적으로 전기전도도는 물질에서 전류가 흐르는 정도를 나타낸 값이다. 용액에서는 이온들의 특성에 따라서 전기전도도의 경향이 다르지만, 일반적으로 같은 부피의 용액일 때 이온의 수가 증가하면 전기전도도가 증가하는 경향이 있다.

(다음 장에 계속)

【문항 1】다음은 몰의 개념 및 화학반응식에 대한 문제이다.

1-1. 오른쪽 그림은 기체 A와 B가 반응하여 기체 C가 생성될 때 시간에 따른 A, B, C의 몰 수를 나타낸 것이다. 이 반응에 대한 화학반응식을 [제시문] (나)를 참고하여 작성하시오. (2점)

1-2. 아래의 표는 0℃, 1기압의 밀폐된 용기에서 (문제 1-1)의 화학반응이 일어나 기체 A와 B가 반응하여 C가 생성될 때 양적 관계에 대한 자료이다. 반응 후에 용기에 남아 있는 기체 B의 질량 및 전체 기체 질량의 합을 각각 구하시오. [제시문] (나)의 화학반응의 양적관계를 참조하고 풀이과정을 답과 함께 작성하시오. (단, 기체 A, B, C의 분자량은 [eqn: rm A``=`a`], [eqn: rm B``=`b`], [eqn: rm C``=`c`]이며 0℃, 1기압에서 기체 1몰의 부피는  V (L)이다.) (6점)

기체	A	B	C
반응 전 물질의 양	x (몰)	y (L)	0 (g)
반응 후 물질의 양			z (g)

1-3. [제시문] (가)의 아보가드로수를 구하기 위해서 여러 가지 실험적인 방법들이 사용된다. 그 중 어느 정도 오차가 있지만 간단하고 효과적인 방법이 스테아르산(steric acid, C18H36O2)을 이용한 실험이다. 스테아르산의 분자 구조는 아래 그림처럼 간단히 나타낼 수 있다. 아주 소량의 스테아르산을 물에 부으면 물 표면에 스테아르산 분자가 모여서 단분자층(층의 두께가 분자 하나에 해당하는)을 만든다. 단분자층을 형성할 때 물 표면에서 존재하는 스테아르산 분자 배열에 대한 모식도를 아래 그림을 이용하여 나타내고 그 이유를 [제시문] (다)에 있는 분자 구조에 대한 원리를 이용하여 설명하시오. (4점)

1-4. 스테아르산을 이용한 아보가드로수를 측정하는 실험을 하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 지름 [eqn: rm 20``cm]인 원 모양 접시에 담긴 물의 전체 표면을 스테아르산의 단분자층으로 덮기 위해서는 스테아르산 [eqn: rm 8.0 times10^-5```g]이 필요하였고, 단분자층을 형성한 스테아르산 분자 1개가 물 표면과 접촉하고 있는 단면적은 [eqn: rm 0.15``nm^2]이었다. 스테아르산 1몰의 질량이 [eqn: rm 284```g]일 때 실험 결과를 이용하여 아보가드로수를 구하여라. 풀이과정을 답과 함께 작성하시오. (단 [eqn: rm 1`nm```=```10^-9 m]이며 반지름이 [eqn: rm r]인 원의 면적은 [eqn: rm 3r^2]이라고 가정한다.) (6점)

【문항 2】다음은 원소의 주기적인 성질에 대한 문제이다.

2-1. 오른쪽 그림은 원자 번호가 연속인 3주기 원소 A∼G의 이온화 에너지를 나타낸 것이다. 원소 E와 F에 대해서 [제시문] (라)에 나타난 것과 같이 전자 배치를 나타내고 일반적으로 같은 주기에서 나타나는 이온화 에너지 경향과 반대되는 이유를 설명하시오. (4점)

(뒷 면에 계속)

2-2. [제시문] (라)∼(마)에 나타난 것처럼 같은 주기의 원소들은 원자 번호가 증가할수록 원자 반지름, 순차적 이온화 에너지 및 전기음성도 등에 주기적인 성질 변화가 일어난다. [문제 2-1]의 원소 A, B, C에 대해서 제2 이온화 에너지 및 전기음성도의 변화에 대한 경향성을 아래 그림을 이용하여 나타내고 그 이유를 간단히 설명하시오. (6점)

2-3. [문제 2-1]의 원소 E와 F는 원소 G와 반응하여 안정한 화합물 EG3 및 FG2를 형성한다.

1) EG3 및 FG2 화합물에 대해서 루이스 전자점식을 완성하시오. (2점)

2) EG3 및 FG2 화합물의 분자 모양을 예측하라. (2점)

3) E, F와 같은 족에 속하는 2주기 원소들이 수소와 공유 결합하여 각 경우에 가장 안정한 두 중성 분자들을 만들었다. 이 분자 구조들에서 나타나는 결합각을 각각 [eqn: rm alpha``,``beta``]라고 할 때, 이 결합각의 크기를 비교하고 그 이유를 설명하시오. (2점)

2-4. [문제 2-1]의 원소 A와 G는 대표적인 염기성 및 산성 물질을 만든다. 같은 온도에서 단위 부피당 입자의 수가 동일한, 즉 같은 농도를 가지는 [eqn: rm AOH] 수용액과 [eqn: rm H G] 수용액을 다음의 표와 같은 몇 가지 비율로 혼합하였다. [제시문] (나) 및 (사)의 내용을 참고하여 다음 물음에 답하여라.

실험	(가)	(나)	(다)	(라)	(마)
[eqn: rm AOH] 수용액의 부피 (mL)	50	40	30	20	10
[eqn: rm HG] 수용액의 부피 (mL)	10	20	30	40	50

실험 (가)∼(마)의 용액에 대해서 최고 온도, 전기전도도, [eqn: rm A^+]와 [eqn: rm G ^-] 이온수의 합에 대해서 상대적인 값을 실험 (다)의 값을 기준으로 아래 그림을 이용하여 나타내시오. 또한 상대적인 값 변화가 나타나는 이유를 각 항목에 대해서 설명하시오. (단, 이온의 특성에 따른 전기전도도의 차이는 없다고 가정하고 반응이 일어날 때 생성되는 물의 부피는 무시한다.) (6점)

* 주의사항 : 문제지, 연습지, 답안지에 필요한 인적사항을 기입하였는지 확인하시오.