2015학년도 대학입학전형 자연계 모의평가 문제지

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지원학과

수험번호

성명

과목

화학

【유의사항】

1. 시험시간은 100분입니다.

2. 답안은 답안지의 해당 문항 번호에 흑색 플러스펜으로 작성하시오.

3. 제목을 쓰지 말고 본문부터 시작하시오.

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) 어떤 미지 화합물을 과량의 건조한 산소를 사용하여 연소 시키면 물과 이산화 탄소가 얻어지고 물 흡수 장치를 통하여 생성된 물의 질량을 얻을 수 있으며 이산화 탄소 흡수 장치를 통하여 생성된 이산화 탄소의 질량을 얻을 수 있다. 생성된 이산화 탄소의 모든 탄소는 시료의 탄소에서 얻어진 것이며 생성된 물의 모든 수소는 시료의 수소에서 얻어진 것이다.

각 원소의 몰수비를 간단한 정수비로 나타낸 화학식을 실험식이라 한다.

분자식은 실험식의 n배(n은 정수)이며, 분자량은 실험식량의 n배(n은 정수)이다.

탄소화합물에서 화학적 특성을 나타내는 원자들의 모임을 작용기라고 하고, 메탄올(CH3OH) 및 프로판올(C3H7OH)의 화학적 특성은 하이드록시기(-OH)라는 작용기에 의해 나타난다.

(뒷 면에 계속)

(나) 공유 결합에 참여하는 두 원자 중에서 전기 음성도가 더 큰 원자로 공유 결합 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때, 원자가 갖는 전하의 수를 산화수라고 한다.

예를 들어서 CCl4에서는 C의 산화수는 +4이고 Cl 각각의 산화수는 -1이다.

전체 분자는 중성이므로, 산화수의 합= +4 + (-1)×4 = 0이다.

H2S에서는 S의 산화수는 -2이며 H 각각의 산화수는 +1이다.

전체 분자는 중성이므로, 산화수의 합 = -2 + (+1)×2 = 0이다.

H2에서는 동등한 원자가 결합 되어 있으므로 H 각각의 산화수는 0이다.

(다) 어떤 반응에서 반응물에 포함된 결합들의 결합 에너지와 생성물에 포함된 결합들의 결합 에너지를 사용하여 그 반응의 엔탈피 변화(ΔH)를 구할 수 있다.

ΔH = 반응물의 결합 에너지 합 - 생성물의 결합 에너지 합

미국의 과학자 깁스는 반응의 자발성을 예측하기 위하여 자유 에너지라는 개념을 도입하였고, 자유 에너지는 G로 표시한다. 일정한 온도와 압력에서 반응의 자유 에너지 변화(ΔG)는 반응의 자발성을 예측 가능하게 한다.

(라) 오비탈은 일정한 에너지를 갖는 전자가 원자핵 주위에서 발견될 확률을 나타내는 함수로 오비탈의 주양자수가 증가하면 전자를 발견할 확률이 0이 되는 표면 (평면 또는 곡면)의 개수가 증가한다.

전자가 2개 이상인 다전자 원자들의 경우에는 주양자수 뿐만 아니라 오비탈의 종류에 따라서도 에너지 준위가 달라진다. 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s···

에너지 준위가 같은 오비탈이 여러 개 있을 때 가능하면 쌍을 이루지 않는 전자(홑전자)수가 많아지도록 전자가 채워진다.

분자 또는 이온에서 중심원자를 둘러싸고 있는 전자쌍들은 모두 (-)전하를 띠고 있으므로 서로 반발하여 가능한 멀리 떨어져 안정해지려고 하는데, 이를 전자쌍 반발 원리라고 한다.

(마) 연료 전지는 연료를 공급하여 산화시켜서 화학 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 장치이다. 산소-수소 연료 전지에서는 (-)극에서 수소가 산화되고, (+)극에서는 산소가 환원되며 전체 반응은 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g) 이다. 이 반응에서 산소 1몰의 환원에 4몰의 전자가 관여한다.

(바) 반응 속도는 화학 반응이 빠르게 또는 느리게 일어나는 정도를 나타낸 것으로 시간에 따른 생성물의 증가 또는 반응물의 감소로 나타낸다. 예를 들어 H2(g) + I2(g) → 2HI(g) 반응에서 반응속도 (v)는 아래와 같이 나타낸다.

(다음 장에 계속)

반응 속도는 반응물의 농도에 따라 결정되며 물질 A와 B가 반응하는 경우 반응 속도식은 반응물의 농도와 반응속도(v)와의 관계를 나타낸다.

v = k[A]m[B]n (k 는 반응 속도 상수, m과 n은 반응차수)

반응차수는 화학반응식의 반응계수와 관계없이 실험적으로 구한다. 1차 반응은 반응 속도가 반응물의 농도에 비례하며 0차 반응은 반응물의 농도와 관계없이 반응 속도가 일정하다. 반응물의 농도가 반으로 줄어들 때까지 걸리는 시간을 반감기라고 한다. 0차 반응의 반감기는 반응물의 농도에 따라 달라지지만 1차 반응은 반응물의 농도에 관계없이 반감기가 일정하다. 0차 반응과 1차 반응의 시간에 따른 반응물의 농도변화 그래프는 아래 그림과 같다.

(사) 산의 이온화 상수(Ka)는 산 HA가 물에 녹아 이온화 평형을 이룰 때 반응의 평형상수로부터 표현한 식으로,

이다.

몰농도가 C인 산 HA 수용액의 이온화도를 α라고 하면, 평형에 다다른 후에 용액에 존재하는 화합물의 농도는 [HA] = C(1-α), [A-] = [H3O+] = Cα 이므로 이온화 상수는 아래와 같이 적을 수 있다.

이 때 약산의 경우 이온화도(α)는 매우 작으므로 1 – α ≒ 1이어서 Ka = Cα2이다.

(뒷 면에 계속)

【문항 1】[제시문] (가), (나)를 참고하여 다음 물음에 답하시오.

C, H, O로 구성된 미지 시료 46 g을 과량의 건조한 산소를 사용하여 연소 시켰더니 이산화 탄소 88 g과 물 54 g이 생성되었다. (단, 원자량은 C = 12, H = 1, O = 16이다.)

[1-1] 미지 시료의 실험식을 구하라. (풀이 과정을 나타내시오.) (4점)

[1-2] 위 미지 시료의 분자량이 46이고 분자 내에 하이드록시기(-OH) 작용기를 가지고 있을 때, 이 분자의 루이스 구조식을 그리시오. 루이스 구조식에서 공유 전자쌍은 결합선(−)으로 비공유 전자쌍은 1쌍의 점으로 나타내어라. (3점)

[1-3] 이 분자의 산소와 각각의 탄소의 산화수를 구하라. 각각의 탄소는 어떤 탄소를 지칭하는가를 CA, CB 등으로 명확하게 나타내어라. (3점)

【문항 2】[제시문] (다)를 참고하여 다음 물음에 답하시오.

아래는 질소(N2)와 수소(H2)가 반응하여 암모니아(NH3)를 형성하는 반응이다. 반응물과 생성물에 포함된 결합의 결합 에너지가 아래의 표에 주어져 있다. (단 1 기압 상온에서의 반응 조건이다.)

결합	N≡N	H―H	N―H
결합 에너지 (kJ/mol)	950	450	400

[2-1] 위 반응의 엔탈피 변화 (ΔH )를 구하라. (5점)

[2-2] 위 반응의 엔트로피 변화 (ΔS )가 -200 J/K•mol이다. 이 반응이 자발적인 반응이 되려면 반응 온도가 절대 온도로 몇 K 이상 또는 몇 K 이하이어야 하는가? (단 ΔH 와 ΔS 값의 온도에 따른 변화는 무시한다.) (5점)

(다음 장에 계속)

【문항 3】[제시문] (라)를 참고하여 다음 물음에 답하시오.

그림 (가), (나)는 원소 1-3주기 원소의 2차 이온화 에너지와 1s 오비탈에 대해서 거리에 따른 전자 발견 확률을 각각 나타낸 것이다.

(가)                                           (나)

3-1. 원소 A가 중성원자의 바닥상태 전자배치를 가질 때, 원자가전자가 존재하는 오비탈은 무엇인가? 이 오비탈에서 핵으로부터의 거리에 따른 전자 발견 확률을 나타낸 그래프를 그려라. (3점)

3-2. 원소 B와 E는 안정한 화합물을 형성한다. 이 중 B원소를 한 개만 포함하는 화합물의 분자식을 실제원소기호를 사용하여 적어라. 이 화합물의 전자쌍 반발 원리를 고려한 분자 구조를 그리고 분자의 극성 여부를 말하라. (3점)

3-3. 원소 D ~ H가 이온화 되어 비활성 기체의 바닥상태 전자배치를 가질 때 비활성 기체의 원자반지름을 포함한 이온반지름의 상대적인 크기를 나타내는 그래프를 아래 그림을 이용하여 나타내어라. (단, 비활성 기체는 이온화 되지 않는다) 이 비활성 기체가 바닥상태 전자배치를 가질 때, 가장 높은 에너지를 갖는 오비탈의 전자 두 개를 그 다음 높은 에너지를 갖는 오비탈로 옮겼을 때의 가장 안정한 전자배치를 적고 홑전자의 개수를 말하라. (4점)

(뒷 면에 계속)

【문항 4】[제시문] (마) ~ (사)를 참고하여 다음 물음에 답하시오.

25℃에서 2.0 M 강산의 HCl 수용액 100 mL에 금속분말을 넣었더니 수소(H2) 기체가 발생하였다. (단, 온도는 일정하게 유지하였다.)

4-1. Mg-Cu 합금분말 2.16 g을 위 용액에 넣어서 반응이 완결된 후 얻어진 H2 기체를 다 소모하는 수소-산소 연료전지를 구성하였을 때 1930 C의 전하량을 얻었다. 이 합금에 들어 있는 Cu의 몰분율은 얼마인가? (단, 1 F = 96500 C이고 원자량은 Cu = 64, Mg = 24이다.) (풀이과정을 나타내시오.) (3점)

4-2. Mg-Cu 합금분말대신 과량의 Zn 금속분말을 위 용액에 넣고 용액의 pH 변화에 따른 H2 기체의 생성 속도를 측정하였더니 다음과 같이 얻어졌다.

수용액의 pH	0	1	2
H2 기체의 생성속도 (mol/L‧s)	6.93 × 10-2	6.93 × 10-3	6.93 × 10-4

반응을 시작시킨 후 10초 후에 얻어진 H2가 0.05몰이다. 반응 30초 후에 얻어지는 H2와 수용액의 [OH-]는 각각 몇 몰과 몇 M농도인가? (풀이과정을 나타내시오.) (4점)

4-3. 과량의 Zn 금속분말에 대한 반응을 2.0 M 강산 HCl 대신 2.0 M 약산 HA 수용액에 대하여 위 실험을 수행하였더니 H2 기체의 초기생성 속도가 6.93 × 10-5 mol/L‧s였다. 이 약산 HA의 이온화 상수는 얼마인가? 이 약산을 사용했을 때 반응 시작부터 완결 때까지 시간에 따른 수용액상 이온의 개수 변화 그래프를 최종 개수를 포함하여 사실적으로 그려라. (단, 아보가드로수는 6.0 × 1023 이고 약산에 의한 이온의 개수는 무시하자.) (3점)

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