2014학년도 수시모집 수학·과학 우수자 전형 수학사고력 평가 (화학) 출제 영역

1. 출제의도 및 문제해설

2014년도 수시모집 특별전형 서술형 평가에서 실시된 자연계열 수학사고력 평가 화학분야 시험에서는 모의 서술형 평가에서 공지된 유형 및 형식을 유지하면서 문항을 출제하였다. 제시문 및 모든 문항은 고등학교 화학 I 교과서 내용을 적극적으로 활용하여 교육과정과의 연관성을 강조하였다. 제시문의 내용, 그림, 수식에 대한 정확한 이해와 분석을 바탕으로 하여 이를 적용하고 논리적 추론을 통하여 정답을 제시할 수 있도록 제시문 및 문항을 구성하였다.

[문항 1]은 화학반응에서 가장 중요한 양적 관계를 기술할 수 있는 몰의 개념을 적용하여 기본적인 화학반응의 양적관계의 이해도를 점검하고 이를 종합적으로 판단하여 1 몰을 나타내는 아보가드로수를 실험적으로 측정하는 문제를 제시하여 개념 및 실험을 통합하여 문제를 해결할 수 있도록 하였다.

[문항 2]는 화학I 교과서의 원자의 전자 배치를 통한 원소의 주기적인 성질을 추론할 수 있도록 문항을 구성하였다. 원자의 전자 배치에 대한 기본적인 이해도를 점검하고 이를 통하여 원소들의 주기적인 성질을 추론하는 문항을 제시하여 화학에서 중요한 전자 배치를 통한 원소의 주기적 성질 변화를 추론할 수 있도록 하였다. 또한 제시된 원소와 연관된 산-염기 반응에 대한 문항을 통하여 기본적인 화학반응에 대한 이해를 평가하고자 하였다.

2. 종합평가 기준

문항	평가영역	평가내용	난이도	배점	출제영역
					교과목	교과서 개념
1-1	그림 분석	화학반응식 계수	하	2	화학I	화학반응식
1-2	자료 해석 및 결과 도출	화학반응식 양적관계	상	6	화학I	화학반응식
1-3	논리 추론	분자 구조 및 인력	중	4	화학I	분자 구조 및 성질
1-4	자료 분석	몰 및 아보가드로수	상	6	화학I	화학반응식
2-1	자료 해석 및 이해	전자배치	하	4	화학I	전자배치 및 이온화에너지
2-2	논리 추론	원소의 주기적 성질	상	6	화학I	원소의 주기성
2-3	자료 해석 및 이해	분자의 모양	중	6	화학I	분자의 모양
2-4	자료 분석 및 논리 추론	산염기 반응	상	6	화학I	중화반응

모 범 답 안

■ 모범답안

1-1>

[eqn: rm 3A(g)```+```B(g)```->```2C(g)]

1-2>

생성된 C의 양: [eqn: rm z over c] (몰)

∴반응한 B의 양: [eqn: rm `z over {2c}`몰``=``rm {b`z} over {2c}](g)

→ 반응 후 남은 기체 B의 질량은 [eqn: rm by over V```-```{b`z} over {2c}``=``{2bcy-bzV} over2cV] (g)

→ 반응 후 전체 기체의 질량은

[eqn: rm (A`기체의```반응``전``질량)```+```(B`기체의```반응``전``질량)```=```ax```+``` {by} over {V} ``=`` {axV+by} over {V}] (g)

1-3>

→ 이유: 스테아르산은 [제시문] (다)에 표현된 것처럼 분자 전체로 보면 대부분 극성이 크지 않는 탄소와 수소로 이루어져 있어 무극성에 가깝다. 하지만 위의 그림처럼 원으로 표현된 분자 한쪽 끝 부분은 탄소 및 수소보다 전기음성도가 큰 산소가 포함된 -COOH이므로 극성이 커, 극성 분자인 물에 대한 인력이 강하다. 따라서 이 끝 부분만 물에 붙게 되고 다른 부분은 무극성 특성을 나타내어 물 표면에서 떨어지려고 한다. 그 결과로 위 그림처럼 스테아르산은 물 표면에 대해 정렬되고 단분자층을 형성하게 된다.

1-4>

접시에 담겨 있는 물 표면 전체의 면적: [eqn: rm 3r^2```=```3 times(0.1)^2```=```3 times10^-2 ``m^2]

물 표면 전체의 단분자층을 형성하고 있는 스테아르산 분자의 수:

[eqn: rm ```=```{3 times 10^-2``m^2} over {0.15`` nm^2 /개}```=```{3 times 10^-2``m^2} over {0.15`` times10^-18 m^2 /개}```=```2 times10^17 개]

∴ 스테아르산 1개의 질량은 [eqn: rm {8 times10^-5 ``g} over {2 times10^17 ``개}```=```4 times10^-22```g/개].

→ [eqn: rm 아보가드로수``=``{284``g/몰} over {4 times 10^-22 ``g/개}``=7.1 times10^23``개/몰]이다.

2-1>

전자배치

[eqn: rm E`````:`````1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^3]

[eqn: rm F`````:`````1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^4]

→ 일반적인 이온화 에너지 경향과 반대되는 이유: F 원자에서 전자가 1개 제거 될 때 같은 오비탈에 점유되어 있는 전자-전자 사이의 반발력이 사라지므로 상대적으로 E 원자보다 전자를 제거하기가 쉽기 때문.

2-2>

→ 원소 A-C에 대한 제2 이온화 에너지 및 전기 음성도의 경향성 그림

제2 이온화 에너지 경향의 이유: A는 원자가전자가 1개이므로 두 번째 전자를 제거할 때는 전자껍질이 줄어들게 되어 유효핵전하가 B와 C에 비해서 크게 증가하게 된다. 따라서 A의 제2 이온화 에너지는 B와 C에 비해서 매우 크다. B와 C의 경우에는 두 번째 전자가 같은 전자 껍질에서 제거되므로 원자 번호가 커지면 핵이 전자를 잡아당기는 힘이 증가하게 된다. (또는 유효핵전하가 증가하게 된다) 따라서 B보다 C의 제2 이온화 에너지가 더 크다.

전기음성도는 같은 주기에서 원자 번호가 증가할수록 핵이 전자를 잡아당기는 힘(또는 유효핵전하)이 증가하므로 커지게 된다. 따라서 전기음성도의 크기는 [eqn: rm A ``<``B``<``C]의 경향성을 가진다.

2-3>

1) 원자가 전자수를 고려하여 EG3 및 FG2의 루이스 구조식은 다음과 같다.

2) EG3에는 중심원자에 3개의 공유전자쌍, 1개의 비공유전자쌍이 있으므로 삼각뿔 구조를 가지고 FG2는 2개의 공유전자쌍, 2개의 비공유전자쌍을 가지므로 굽은형이다.

3) E, F와 같은 족의 2주기 원소는 각각 질소와 산소이고 이들은 산소와 결합하여 안정한 NH3와 H2O 중성 분자를 만든다. (H는 문제 2-1의 원소 H가 아니라 수소 원자를 의미) 위의 경우와 같이 NH3는 3개의 공유전자쌍, 1개의 비공유전자쌍을 가진 삼각뿔 구조이고 H2O는 2개의 공유전자쌍, 2개의 비공유전자쌍을 가지는 굽은 형 구조이다. 따라서 [eqn: rm alpha```>```beta]이다.

2-4>

(가)-(마)의 실험에서 중화 반응하는 산·염기의 부피는 차례대로 10, 20, 30, 20, 10 mL이다. 용액의 총 부피는 (가)-(마) 실험에서 동일하므로 중화 반응하는 산·염기의 부피가 커질수록 혼합 용액의 최고 온도는 증가하게 된다. 따라서 위 그림과 같은 (가)에서 (다)까지는 최고 온도가 증가하고 (다)에서 (마)까지는 최고 온도는 감소한다.

전기전도도 및 [eqn: rm G^-] 및 [eqn: rm A^+] 이온수의 총합을 구하기 위해서 10 mL에 10개의 AOH(또는 HG)가 존재한다고 가정하자. 그러면 (가)-(마)의 조건에서 존재하는 모든 이온의 수는 다음 표와 같다.

구분	(가)	(나)	(다)	(라)	(마)
[eqn: rm A^+ 의 수]	50	40	30	20	10
[eqn: rm OH^- 의 수]	40	20	0	0	0
[eqn: rm H^+ 의 수]	0	0	0	20	40
[eqn: rm G^- 의 수]	10	20	30	40	50
이온의 총수	100	80	60	80	100

→ 표에서 나타난 것처럼 이온의 총수는 감소하다가 (다)에서 최소값을 가지고 다시 증가하는 경향을 보인다. 문제에서 전기 전도도는 이온의 특성과 관계없이 전체 이온수에만 비례한다고 가정했으므로 (가)-(마) 용액에 대한 전기전도도의 변화는 위 그림과 같다.

→ 표에 나타난 [eqn: rm G^-]와 [eqn: rm A^+] 이온수의 합을 보면 모든 용액에서 일정하다는 것을 알 수 있다. 따라서 [eqn: rm G^-]와 [eqn: rm A^+] 이온수의 합은 위 그림처럼 일정하다.