통합 화학 논술- 통합 화학으로 씨줄 넣기(상위권 도약을 위한 화학Ⅰ+Ⅱ 통합논술) -

2016학년도 대입 수시 논술 전형 대비

CHAPTER 0CHAPTER 0 화학논술 따라잡기 화학논술 따라잡기 05

CHAPTER 1CHAPTER 1 기체분자운동론과 기체법칙 기체분자운동론과 기체법칙 21

CHAPTER 2CHAPTER 2 분자간 상호작용 분자간 상호작용 25

CHAPTER 3CHAPTER 3 고체와 액체의 성질 고체와 액체의 성질 28

CHAPTER 4CHAPTER 4 상태 변화와 상전이곡선 상태 변화와 상전이곡선 31

CHAPTER 5CHAPTER 5 용액의 총괄성 용액의 총괄성 33

CHAPTER 6CHAPTER 6 화학열역학(1) 화학열역학(1) 36

CHAPTER 7CHAPTER 7 화학열역학(2) 화학열역학(2) 38

CHAPTER 8CHAPTER 8 화학반응속도론 화학반응속도론 40

CHAPTER 9CHAPTER 9 화학평형 화학평형 42

CHAPTER 10CHAPTER 10 화학반응의 자발성 화학반응의 자발성 46

CHAPTER 11CHAPTER 11 산과 염기 산과 염기 51

CHAPTER 12CHAPTER 12 산-염기 반응과 완충작용 산-염기 반응과 완충작용 54

CHAPTER 13CHAPTER 13 산화와 환원 산화와 환원 56

CHAPTER 14CHAPTER 14 산화-환원 반응과 화학전지 산화-환원 반응과 화학전지 58

CHAPTER 15CHAPTER 15 무기유기 화학 무기유기 화학 61

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2016학년도 대입 수시 논술 대비 통합 화학 논술 - 통합 화학으로 씨줄 넣기(상위권 도약을 위한 화학Ⅰ+Ⅱ 통합논술) -

CONTENTSCONTENTS

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1 2016학년도 대학별 수시 논술전형 주요사항

학 전형반영비율() 수능최저학력기준 주)

(자연계 일반학과 기준)논술유형

논술 학생부 서류가톨릭 논술우수자전형 50 50 국수영탐(2) 중 1개 3등급 수리+과학

건국 (서울) KU논술우수자전형 60 40 최저 없음 수리과학경북 논술전형(AAT) 80 20 국A수B영과(2) 중 3개 합 9등급 수리과학경희 논술우수자 70 30 국A수B영과(1) 중 2개 합 5등급 수리과학

고려 (서울) 일반전형 60 40 국A수B영과(2) 중 2개 각 2등급 수리과학광운 논술우수자 60 40 최저 없음 수리

단국 (죽전) 논술우수자 60 40 최저 없음 수리과학동국 (서울) 논술우수자 60 40 국A수B영과(1) 중 2개 합 5등급 수리과학

부산 논술전형 80 20 국A수B영과(2) 중 2개 합 5등급 수리서강 논술전형 60 40 국A수B영과(1) 중 2개 각 2등급 수리

서울과기 일반전형(논술) 70 30 최저 없음 수리

서울시립 논술전형단계별 전형

100(50) (50)

최저 없음 수리

서울여 논술우수자전형 70 30 국수영탐(2) 중 2개 합 7등급 과학일반자료해석

성균관과학인재 60 40 최저 없음 수리과학논술우수 60 40 　 국A수B영과ⅠⅡ 중 3개 합 6등급 수리과학

세종 논술우수자 50 50 국A수B영과(2) 중 2개 합 6등급 수리숙명여 논술우수자 60 40 국A수B영과(2) 중 2개 합 4등급 언어수(+과) 통합숭실 논술우수자전형 60 40 국A수B영과(2) 중 2개 합 6등급 수리과학아주 일반전형1(논술) 50 50 국A수B영과(2) 중 2개 합 7등급 수리

연세 (원주) 일반논술전형 70 30 국A수B영과(2) 중 2개 합 6등급 수리연세 (서울) 일반전형(수시) 70 30 국A수B영과(1) 중 4개 합 7등급 수리과학

울산 일반전형(의예과) 50 50 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리의학이화여 일반전형_논술 70 30 국A수B영과(2) 중 2개 합 4등급 수리인하 논술-일반 70 30 국A수B영과(1) 중 1개 2등급 수리

중앙 (안성) 논술전형 60 40 국A수B영과(1) 중 2개 합 6등급 수리과학중앙 (서울) 논술전형 60 40 　 국A수B영과(1) 중 2개 합 4등급 수리과학한국항공 일반학생 전형 60 40 최저 없음 수리과학언어

한양 (서울) 논술 50 50 최저 없음 수리

한양 (에리카)논술 60 40 국A수B영과(2) 중 2개 합 6등급 수리

사회기여자 60 40 국A수B영과(2) 중 2개 합 6등급 수리홍익 (서울) 논술전형 60 40 국A수B영과(2) 중 1개 2등급 수리(+과학)

[표1 2016학년도 수시 자연계 논술전형 주요사항 요약]

주) 학별 수능최저학력기준 lsquo과(2)rsquo는 과탐 2개 과목 평균등급 lsquo과(1)rsquo은 과탐 1개 과목 등급을 반영함을 의미하며 lsquo국A수B영과(2)rsquo 와 같이 밑줄이 표기된 경우는 lsquo수학B 또는 과탐(2과목 평균)을 반드시 포함rsquo해야 함을 의미한다

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 0 화학논술 따라잡기

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학교명 전형명 모집단위 학생부 논술 수능최저학력기준 논술유형

가톨릭 논술우수자전형 의예과 50 50 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리+과학의학

경북 논술전형(AAT)의예과 20 80

국A수B영과(1) 4개 합 5등급 수리과학치의예과 20 80

경희 논술우수자

의예과 30 70

국A수B영과(2) 중 3개 합 4등급 수리과학치의예과 30 70

한의예과 30 70

고려 (서울) 일반전형 의과 학 40 60 국A수B영과(2) 중 3개 합 4등급 수리과학

부산 논술전형의예과 20 80 국A수B영과(2) 중

수B 포함 3개 합 4등급수리의학

치의학부 20 80

성균관과학인재 의예과 서류40 60 최저 없음 수리과학

논술우수 의예과 40 60 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리과학

연세 (서울) 일반전형의예과 30 70

국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리과학치의예과 30 70

연세 (원주) 일반논술전형 의예과 30 70 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리과학

울산 일반전형 의예과 50 50 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리의학

이화여 일반전형_논술 의예과 30 70 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리

인하 논술-일반 의예과 30 70 국A수B영과(2) 중 3개 합 3등급 수리

중앙 논술전형 의학부 40 60 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리과학

[표2 2016학년도 수시 의학계열 논술전형 주요사항 요약]

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3 2016학년도 대학별 수시 논술고사 유형

논술유형 해당 학

수리

비선택 일반형 과학 단국 동국 숭실

선택 교과형 과학

건국 물화생 3개 중 택1 모집단위별 과목 지정 유의경북 물화생지 4개 중 택2경희 물화생 3개 중 택1고려 물화생지 2 or 3개 중 택1 모집단위별 과목 지정 유의성균관 물화생 ⅠⅡ 6개 중 택2성균관 _과학인재 물화생 3개 중 택1연세 물화생지 4개 중 택1연세 (원주) 의예 물화생지 4개 중 택1중앙 물화생 3개 중 택1

인문 숙명여 (과학 지문 포함) 한국항공 (이학)

의학 울산 의예(의학논술 영어지문 포함 可)

(+과학) 의학 가톨릭 의예(수리과학통합 보건의료과학)

자료해석형 과학 서울여

수리+과학 통합 가톨릭 한국항공 (공학) 홍익

수리(단독형)광운 덕성여 부산 서강 서울과기 서울시립 세종 아주 연세 (원주) 이화여 인하 한양

[표3 2016학년도 학별 논술고사의 유형별 분류]

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4 과학논술의 해결전략 (단계별 접근법)

논술은 비판적 사고와 창의적 문제해결능력을 기반으로 한 논리적 글쓰기(서술하기)이다 최근의 학별 논술고사는 본연의 목적과 취지를 거스르며 교과과정을 벗어난 범위에서 출제하거나 혹은 풀이 과정과 정답이 어느 정도 정해져 있는 본고사 형식의 답안을 요구하는 문항으로 일정 부분 변질된 것이 사실이다 그럼에도 불구하고 정형화 된 틀을 갖춘 학들은 여전히 수리ㆍ과학적 개념 및 원리 그 자체가 아닌 그를 활용한 문제해결능력을 평가하는데 주안점을 두고 있으며 나아가 논거의 적합성이나 추론과정의 타당성을 평가하는데 무게를 싣고 있다 그렇다면 논술문항을 도 체 어떻게 비판적으로 읽고 창의적으로 문제를 해결하며 논리적으로 서술할 것인가 물론 어렵다 그러나 답은 의외로 간단할 지도 모른다 거꾸로 추정해보자

보통 논술 문제를 어렵게 여기는 이유는 다음 세 가지 중 하나 이상이 잘 안 될 경우이다

그 첫 번째는 논제 분석이 안 되는 경우이다 이 경우는 논제와 제시문에 한 독해력이 떨어져 논점이나 요구사항 그리고 힌트로 주어진 제시자료를 정확히 구별하지 못한다거나 몇몇 지시어의 개념이나 의미를 이해하지 못하여 벌어진 결과이다

두 번째는 교과 배경지식의 부족에 의한 것인데 문제를 해결하기 위해 필요한 지식의 개념이 없거나 모호하여 답안으로 이끌어내지 못하는 경우이다 이러한 경우 제시문과 논제의 핵심용어나 내용을 이해하지 못할 수 있으며 이해되더라도 답안을 구상하는 데 있어 지식의 한계를 느끼게 된다

끝으로 추론 능력의 부족을 지적할 수 있다 개개의 과목별 수업을 통해 공부해온 우리 학생들은 교과별로 배운 내용을 통합하는 능력이 매우 취약하다 더불어 결과만을 강조하는 암기된 지식만을 취함에 따라 특정 주제를 다양한 관점에서 해석하여 연관 짓는 능력이나 결론을 이끌어 내는 논리적 추론(증명 등의) 능력이 결여되어 있는 것이 사실이다

이 같은 한계를 극복할 수 있는 가장 기초적인 방법은 문제 해결을 위한 체계적 방법을 고안하여 부단히 연습하는 것이라 할 수 있다

아래에 과학논술 문제 해결을 위한 단계별 접근법을 간략히 제안해 놓았는데 이를 토 로 여러분도 자신만의 해결전략을 터득하여 실전에 적용해 볼 수 있도록 하자

(1) 논제의 분석 문제에 한 정확한 이해를 위해서는 논제에 한 철저한 분석이 필요하다 논제에는 답안으로 작성해야 할 내용(논점)과 요구사항 및 조건이 제시되어 있는데 이는 채점요소에도 반영되므로 매우 중요한 과정이라 할 수 있다 특히 지칭된 과학 용어들은 추상적이며 함축적이므로 이에 한 이해 정도는 결국 논제에 숨어있는 의미(즉 출제의도)를 얼마나 정확하게 파악할 수 있느냐를 결정할 수도 있음에 유의해야 한다

(2) 제시문의 분석 제시문은 논제와 관련 있는 내용의 자료를 제시함으로써 출제 취지 및 문제해결을 위한 실마리(근거)를 파악할 수 있도록 해준다 즉 논제와 아울러 출제자의 정확한 의도를 파악할 수 있는 힌트를 제공해 준다고 여기면 될 것이다 따라서 논제와 직간접적으로 연관된 내용을 찾아 요약정리를 하고 관련 수식 및 그림 그래프 도표 등을 재해석 할 수 있는 분석력이 요구된다

(3) 해결 전략의 구상 논술은 논리적 서술이 중요하다 논리적 서술은 근거를 통해 주장의 정당성을 확보하는 과정이다 따라서 자

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신의 답안을 객관적으로 증명하기 위한 근거의 확보가 중요하다 근거는 제시문의 내용이나 자신의 배경지식을 종합하여 마련할 수 있다 아울러 올바른 추론의 과정을 통해 근거와 주장을 매끈하게 연결하는 과정도 필요하다

① 논점의 수와 그 내용이 무엇인지 확인하자(논제의 분석)② 논점에 따른 조건을 파악하자(문제 풀이에 필요한 내용 파악)③ 제시문에서 제공하는 자료나 핵심어를 확보하자(문제 풀이를 위한 힌트를 찾아라)④ 논점에 따른 자신의 답안을 한 문장으로 만들어보자(주장(또는 결론) 만들기)⑤ 주장이나 결론을 뒷받침할 만한 가능한 근거를 만들자(근거 확보)⑥ 근거와 주장을 연결하는 설명을 하자(해결 전략의 완성)

(4) 답안의 개요작성 구상한 해결 전략을 설계하는 과정 또는 추론의 과정을 개략적으로 작성하는 것이 개요작성이다 간단히 정리하면 먼저 논점의 내용과 수를 확인하고 그 간의 유기적 연계성을 고려하여 순서를 정한 후 자신이 구상한 해법(근거와 주장)을 논점별로 정리하는 것이다

(5) 답안 쓰기 및 퇴고 개요에 따라서 답안을 쓰고 최종적으로 답안을 수정하는 과정이다

자 그러면 위의 해결전략을 참조하여 수능 화학과 연관성이 깊은 논술 예시문제를 풀어보도록 하자

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5 수능 화학으로 화학논술 따라잡기

(1) 수능 문항으로 감(感) 잡기 ldquo열화학 반응식과 자유에너지 변화rdquo

다음은 반응 (가)~(다)의 열화학 반응식이다가 NOg rarr NOg kJ나 Ng Hg rarr NHg kJ다 SOg Og rarr SOg kJ

그림은 온도()에 따른 반응 (가)~(다)의 자유 에너지 변화()를 나타낸 것이다

이에 한 설명으로 옳은 것만을 lt보기gt에서 있는 로 고르시오 (2014학년도 수능 화학Ⅱ 18번)

보 기ㄱ A는 (나)에 해당한다ㄴ B에서 ≻일 때 ≻ 이다ㄷ (가)에서 ≻ 이다

① ㄱ ② ㄴ ③ ㄱ ㄴ ④ ㄱ ㄷ ⑤ ㄴ ㄷ

[정답] ④[해설](가)에서 계≻이고 (나)는 계≺ (다)도 계≺이다ㄱ (나)와 (다)는 온도 상승에 따라 가 증가하는 반응이므로 (가)와 C를 짝지을 수 있다 A와 B는 연장선이 축과 만나는 점에서 이므로 (나)와 A (다)와 B를 짝지을 수 있다ㄴ B에서 ≻일 때 ≻ 이므로 ≻이다 그런데 와 모두 음의 값이므로 ≺ 이다ㄷ (가)는 C이므로 연장선과 축이 만나는 점의 ≻ 이다

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(2) 논술 문항 따라잡기

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오 (2013학년도 고려 기출 응용)

lt가gt 엔트로피()는 계(system)의 무질서도와 밀접한 관계를 가지며 무질서도가 증가하는 계의 엔트로피의 변화()는 양의 값을 갖는다 오존(O)이 산소분자(O)와 산소라디칼(O )로 분해되는 반응은 엔트로피가 증가하는 전형적인 예이다 또한 일반적으로 같은 몰수의 고체 액체 기체 순으로 물질의 엔트로피 값이 증가한다

lt나gt 엔탈피()는 분자 내에서 원자 간에 작용하는 결합력과 밀접한 관계가 있다 원자간 결합력이 약한 분자들이 원자간 결합력이 강한 분자들로 변하는 화학반응을 발열반응이라 부르며 발열반응의 엔탈피 변화()는 음의 값을 가진다

lt다gt 화학 반응의 자발성은 반응의 자유에너지 변화()의 부호로 판단할 수 있다 자유에너지의 변화()는 엔탈피의 변화() 엔트로피의 변화() 온도()에 의하여 결정되며 그 관계는 로 표현된다 일반적으로 와 는 온도의 변화에 큰 영향을 받지 않으므로 임의의 온도 에서 값을 구할 때 표준상태( 1기압)에서 측정한 와 로 체해서 사용하면 된다 자발적인 반응은 음의 값을 가지며 계의 자유에너지가 최솟값을 가지게 되면 () 그 계는 정반응의 속도와 역반응의 속도가 동일한 화학평형 상태에 도달하게 된다

상온에서 철이 녹스는 과정(Fe O rarr FeO)은 자발적인

발열반응이다 그러나 아주 고온에서는 이 반응의 역반응이 일어나게 되어 제철소의 용광로에서 산화철로부터 순수한 철을 얻을 수 있다 이 반응의 자유에너지의 변화를 아래 그래프에 표시하였다

lt라gt 화학평형의 정반응과 역반응간의 상 적인 우세는 화학평형상수()에 의해 결정되며 가 1보다 월등히 크면 정반응이 우세하고 그 반 의 경우 역반응이 우세하다 표준상태( 1기압)의 화학평형상수는 ln의 관계식에 의해 얻을 수 있다(은 표준상태에서 측정한 수치 은 양의 값을 가지는 기체상수)

[논 제] 다음의 화학반응식에서 질소와 수소가 반응하여 암모니아를 형성하는 반응은 발열반응이고 상온에서의 화학평형상수 값은 1보다 아주 큰 값을 갖는다

Ng Hg NHg 제시문을 이용하여 이 반응의 와 온도()의 관계를 오른쪽 그래프의 형태를 이용하여 도시하고 도시 과정을 설명하시오 또한 반응온도 K의 화학평형상수 과 반응온도 K에서의 화학평형상수 를 과 을 이용하여 표현하고 과 의 상 적인 크기에

해 비교 설명하시오

[그림 1]

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(3) 예시답안으로 확인하기

주어진 암모니아 합성 반응은 발열반응이다 따라서 엔탈피 변화는 이다 또한 기체의 몰수가 감소하는 반응이므로 엔트로피의 변화는 가 된다 따라서 제시문에 주어진 식 에서 온도가 특정 온도보다 낮을 경우 일 것이고 온도가 특정 온도보다 높을 경우 가 될 것이다 또한 와 는 온도의 변화에 큰 영향을 받지 않는다 했으므로 상수로 취급하면 그래프는 아래와 같은 1차 함수의 형태를 이룰 것이다

위 그래프에서 평형이 되는 온도는 일 때의 온도이므로 에서 평형온도 이

된다 한편 그래프에서 는 절편에 해당하고(에서 일 때의 값) ( )는 기울기가 된다

한편 ln 에서 ln

이고

이다따라서

이다또한

ln ln ln

≺ ∵≺

이므로 이다 그 이유는 암모니아 합성반응이 발열반응이므로 온도가 증가할 경우 역반응(흡열반응)이 정반응에 비해 우세해지기 때문이다

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6 수능 비문학 지문으로 화학논술 따라잡기

(1) 수능 문항으로 감(感) 잡기

[16～18] 다음 글을 읽고 물음에 답하시오 (2014학년도 수능 국어A)

19세기 중반 화학자 분젠은 불꽃 반응에서 나타나는 물질 고유의 불꽃색에 한 연구를 진행하고 있었다 그는 버너 불꽃의 색을 제거한 개선된 버너를 고안함으로써 물질의 불꽃색을 더 잘 구별할 수 있도록 하였다 하지만 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질의 불꽃은 색깔이 겹쳐서 분간이 어려웠다 이에 물리학자 키르히호프는 프리즘을 통한 분석을 제안했고 둘은 협력하여 불꽃의 색을 분리시키는 분광 분석법을 창안했다 이것은 과학사에 길이 남을 업적으로 이어졌다

그들은 불꽃 반응에서 나오는 빛을 프리즘에 통과시켜 띠 모양으로 분산시킨 후 망원경을 통해 이를 들여다보는 방식으로 실험을 진행하였다 빛이 띠 모양으로 분산되는 것은 빛이 파장이 짧을수록 굴절하는 각이 커지기 때문이다 이 방법을 통해 그들은 알칼리 금속과 알칼리 토금속의 스펙트럼을 체계적으로 조사하여 그것들을 함유한 화합물들을 찾아내었다 이 과정에서 그들은 특정한 금속의 스펙트럼에서 띄엄띄엄 떨어진 밝은 선의 위치는 그 금속이 홑원소로 존재하든 다른 원소와 결합하여 존재하든 불꽃의 온도에 상관없이 항상 같다는 결론에 도달하였다 이로써 화학 반응을 이용하는 전통적인 분석 화학의 방법에 의존하지 않고도 정확하게 화합물의 원소를 판별해 내는 분광 분석법이 탄생하였다 이 방법의 유효성은 그들이 새로운 금속 원소인 세슘과 루비듐을 발견함으로써 입증되었다

1859년 키르히호프는 이 방법을 천문학 분야로까지 확장하였다 그는 불꽃 반응 실험에서 관찰한 나트륨 스펙트럼의 두 개의 인접한 밝은 선과 1810년 프라운호퍼가 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼에서 발견한 검은 선들을 비교하는 과정에서 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 나타나는 원인을 설명할 수 있었다 그는 태양빛의 스펙트럼의 검은 선들 중에서 프라운호퍼의 D선이 나트륨 고유의 밝은 선들과 같은 파장에서 겹쳐지는 것을 확인하고 D선은 태양에서 비교적 차가운 부분인 태양 기 중에 존재하는 나트륨 때문에 생긴다고 해석했다 이것은 태양 기 중의 나트륨이 태양의 더 뜨거운 부분에서 나오는 빛 가운데 D선에 해당하는 파장의 빛들을 흡수하기 때문이다 태양빛의 스펙트럼을 보면 D선 이외에도 차가운 태양 기 중의 특정 원소에 의해 흡수된 빛의 파장 위치에 검은 선들이 나타난다 이 검은 선들은 그 특정 원소가 불꽃 반응에서 나타내는 스펙트럼 상의 밝은 선들과 나타나는 위치가 동일하다

이후 이러한 원리의 적용을 통해 철과 헬륨 같은 다른 원소들도 태양 기 중에 존재함을 밝혀졌으며 다른 항성을 연구하는 데도 같은 원리가 적용되었다 이를 두고 동료 과학자들은 물리학 화학 천문학에 모두 적용될 수 있는 분광 분석법이 천체 기의 화학적 조성을 밝혀냄으로써 우주의 통일성을 드러내었고 우주의 모든 곳에 존재하는 자연의 원리를 인식하게 하는 데 공헌했다고 평가했다

16 윗글을 바탕으로 할 때 의 업적으로 볼 수 있는 것은① 화학 반응을 이용하는 분석 화학 방법을 확립하였다② 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 존재함을 알아내었다③ 물질을 불꽃에 넣으면 독특한 불꽃색이 나타나는 것을 발견하였다④ 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼을 얻는 방법을 창안하였다⑤ 천체에 가지 않고도 그 기에 존재하는 원소에 관한 정보를 얻을 수 있는 길이 열렸다

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[핵심 정보의 파악] ⑤의 키르히호프는 분광 분석법을 통해 태양 기 중에 존재하는 특정 원소의 존재를 파악할 수 있는 길을 열었다(셋째 문단) 이후 이러한 분광 분석법을 동료 과학자들이 적용하여 천체 기의 화학적 조성을 밝히는 데 공헌했다(넷째 문단) 결국 키르히호프의 분광 분석법은 천체에 가지 않고도 그 기에 존재하는 원소에 관한 정보를 얻을 수 있는 길을 열었다고 볼 수 있다[해설]① 키르히호프는 화학 반응을 이용하는 전통적인 분석 화학의 방법에 의존하지 않고도 정확하게 화합물의 원소를 판별해 내는 분광 분석법을 창안했다(둘째 문단)② 프라운호퍼가 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 존재함을 알아내었다(셋째 문단)③ 물질을 불꽃에 넣으면 독특한 불꽃색이 나타나는 불꽃 반응은 키르히호프 이전에 이미 발견되었으며 이에

한 연구가 진행되고 있었다(첫째 문단)④ 프리즘을 통과시켜 태양빛의 스펙트럼을 얻는 방법은 이미 1810년 프라운호퍼가 창안하였다(셋째 문단)

17 윗글을 이해한 내용으로 가장 적절한 것은① 루비듐의 존재는 분광 분석법이 출현하기 전에 확인되었다② 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 빛의 파장이 길수록 굴절하는 각이 커진다③ 금속 원소 스펙트럼의 밝은 선의 위치는 불꽃의 온도를 높여도 변하지 않는다④ 철이 태양 기에 존재한다는 사실은 나트륨이 태양 기에 존재한다는 사실보다 먼저 밝혀졌다⑤ 분젠은 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질에서 나오는 각각의 불꽃색이 겹치는 현상을 막아 주는 버너를 고안하였다

[세부 정보의 확인] ③분젠과 키르히호프의 실험 과정에서 특정한 금속의 스펙트럼에서 밝은 선의 위치는 그 금속이 홑원소로 존재하든 다른 원소와 결합하여 존재하든 불꽃의 온도에 상관없이 항상 같다는 결론에 도달하였다고 제시되어 있다(둘째 문단) 따라서 금속 원소 스펙트럼의 밝은 선의 위치는 불꽃의 온도를 높여도 변하지 않는다고 할 수 있다[해설]① 분젠과 키리히호프가 분광 분석법을 통해서 새로운 금속 원소인 세슘과 루비듐을 발견함으로써 방법의 유효성을 입증했다고 제시되어 있다 결국 루비듐의 존재는 분광 분석법이 출현함으로써 확인되었다고 볼 수 있다(둘째 문단)② 빛 파장이 짧을수록 굴절하는 각이 커지기 때문에 빛이 띠 모양으로 분산된다고 제시되어 있다 역으로 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 빛의 파장이 길수록 굴절하는 각은 작아진다고 할 수 있다(둘째 문단)④ 분광 분석법을 통해 나트륨이 태양 기에 존재한다는 사실이 밝혀진 뒤 이러한 원리의 적용을 통해 철과 헬륨 같은 다른 원소들도 태양 기 중에 존재함이 밝혀졌다고 설명하고 있다(셋째 넷째 문단)⑤ 분젠이 개선된 버너를 고안했지만 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질의 불꽃은 색깔이 겹쳐서 분간이 어려웠다고 제시되어 있다(첫째 문단) 분젠이 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질에서 나오는 각각의 불꽃색이 겹치는 현상을 막아 주는 버너를 고안했다고 이해하는 것은 적절하지 않다

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18 윗글을 바탕으로 lt보기gt를 해석한 내용으로 적절하지 않은 것은 [3점]

lt보 기gt우리 은하의 어떤 항성 α와 β의 별빛 스펙트럼을 살펴보니 많은 검은 선들을 볼 수 있었다 이것들을 나트륨 리

튬의 스펙트럼의 밝은 선들과 비교했을 때 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 β의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 α의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다 리튬 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 α의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 β의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다

① 항성 α는 태양이 아니겠군② 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있겠군③ 항성 β에는 리튬이 존재하지 않겠군④ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 없겠군⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있겠군

[사례에의 적용] ④

태양빛의 스펙트럼의 검은 선들 중에서 프라운호퍼의 D선이 나트륨 고유의 밝은 선들과 같은 파장에서 겹쳐지는 것은 나트륨이 D선에 해당하는 파장의 빛들을 흡수하기 때문이라고 제시되어 있다(셋째 문단) 이를 바탕으로 lt보기gt를 해석하면 lt보기gt에서 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 하였으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 있다고 판단할 수 있다[해설]① 나트륨 스펙트럼이 항성 α의 검은 선들과 겹쳐지지 않았으므로 항성 α에는 태양 기성분인 나트륨이 존재하지 않는다고 판단할 수 있다 따라서 항성 α는 태양이 아니다② 항성 α의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 했으므로 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있을 것으로 판단할 수 있다③ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐지지 않았다고 했으므로 항성 β에는 리튬이 존재하지 않는다 왜냐하면 특정 원소에 의해 흡수된 빛의 파장 위치에 검은 선들은 그 특정 원소가 불꽃 반응에서 나타내는 스펙트럼 상의 밝은 선들과 나타나는 위치가 동일하기 때문이다⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐진다고 했으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛(나트륨)이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있을 것으로 이해할 수 있다

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(2) 논술 문항 따라잡기

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오 (2010학년도 서울 기출문제 응용)

lt가gt 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있다 원자 안에서 전자는 다음의 특성을 갖는다 ① 전자의 에너지 상태는 불연속적인 특정한 값만을 갖는다 이 값들은 각 원소마다 독특하다 ② 낮은 에너지 상태에 있는 전자가 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이 값만큼의 에

너지를 흡수하여야 한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 전자가 낮은 에너지 상태로 내려올 때는 해당 크기의 에너지를 방출한다

백열등처럼 연속 스펙트럼을 가진 빛을 네온 기체에 통과시키면 네온 원자의 전자 에너지 상태에 따라 특정 위치에서 검은 선들이 나타나는 흡수 스펙트럼(그림 1)이 얻어진다

파장(nm)

[그림 1] 네온 기체의 흡수 선 스펙트럼 (nm timesm )

lt나gt 분자는 원자들이 결합하여 만들어진다 분자내의 원자들이 움직이는 진동운동은 다음과 같은 특성을 갖는다 ① 분자의 진동 에너지는 불연속적인 특정한 값들을 갖는다 이 값들은 각 분자마다 독특하다 ② 분자의 진동 운동이 낮은 에너지 상태에서 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이만큼

에너지를 흡수한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 진동 운동은 에너지를 방출하며 낮은 에너지 상태로 내려간다

lt다gt 물질의 열에너지는 입자의 운동 분자의 내부 진동 원자의 전자 에너지 등 다양한 에너지의 합으로 나타낼 수 있다 절 온도 에서 열에너지는 략 만큼의 값을 갖는다(는 볼츠만 상수로 timesJK이다) 분자의 진동 에너지는 100kJmol이하의 값이며 적외선 영역(파장 m이상)에 해당한다 원자 내의 전자 에너지는 이 보다 큰 값을 가지며 가시광선nmsimnm 또는 자외선 영역에 해당하고 원자핵 내 핵자들의 결합에너지는 이 보다 백만 배 이상 크다

lt라gt 천체 망원경 기술의 발전에 힘입어 별 빛의 스펙트럼을 분석하는 분광 분석적 천체관측이 가능하게 되었다 관측 스펙트럼 영역도 가시광선뿐 아니라 자외선 및 적외선 영역까지 확장되었으며 최근에는 지구 기의 영향을 없애기 위해 인공위성에 탑재시킨 천체 망원경을 주로 사용하고 있다 다음의 [그림 2]는 어느 별과 지구 사이에 존재하는 성간 구름 영역을 통과하여 지구에 도달하는 별빛 스펙트럼을 나타낸 것으로 적외선 영역에서 다양한 흡수 봉우리들이 관찰됨을 알 수 있다

[그림 2]

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[논제 1] 제시문 lt라gt의 별빛 스펙트럼(그림 2)에 근거하여 성간 구름에 물 분자가 존재할 가능성에 해 논하시오 참고자료 OH 작용기의 진동 운동에너지에 해당하는 빛의 파장은 다음과 같이 계산된다 여기서 는 빛의 파장 H는 수소원자의 질량timeskg을 의미한다

timesmtimesHkg

[논제 2] 제시문 lt라gt의 별빛의 스펙트럼에는 적외선을 포함하는 연속 스펙트럼 위에 가시광선과 자외선 영역에 해당하는 검은 흡수선들도 발견되었다 만약 별빛이 성간 구름 영역을 거치지 않고 직접 지구로 도달하는 경우에는 [그림 2]와 같은 적외선 영역의 흡수 봉우리들은 관찰되지 않는다고 한다 이로부터 별의 기와 성간 구름에 존재하는 물질들이 어떻게 다른지를 유추하고 그러한 물질 조성의 차이가 나타나는 이유를 두 환경의 온도 효과로 설명하시오

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(3) 예시답안으로 확인하기

[논제 1]

[논제 2]

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기체 법칙의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

이탈리아의 과학자 토리첼리가 수은 기압계를 이용하여 기의 압력을 처음 측정하였다고 알려져 있다 수은을 가득 채운 유리관을 거꾸로 세우면 그림 (1) 과 같이 수은기둥이 내려오다가 유리관 안을 채운 수은이 내리 누르는 무게 (힘) 이 외부의 공기가 내리 누르는 힘 (공기의 압력) 과 같아지는 위치에서 평형을 이루게 된다 이 때 유리관 안의 빈 공간은 진공 상태가 된다 이 실험을 통해 기압은 수은기둥의 높이가 76 cm일 때의 압력과 같다는 것을 알 수 있다

그림 (1) 토리첼리의 수은 기압계

그림 (2) 보일의 J 관

영국의 과학자 보일은 J 자 모양의 유리관을 사용한 실험을 통해 ldquo일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피() 는 기체에 작용하는 압력 () 에 반비례한다rdquo 는 사실을 알아내었는데 이를 보일의 법칙이라고 한다 보일의 법칙을 기체 분자 운동론의 관점에서 생각해보면 일정한 온도를 유지하면서 기체의 부피를 줄이는 경우 일정 시간 동안 단위 면적에 부딪치는 기체 분자의 수가 많아져서 결국 해당 기체의 압력이 높아진다는 것이다 보일의 J 관을 사용하여 기체의 압력을 측정할 때는 기압을 고려해야 한다 예를 들어 어떤 기체가 그림 (2) 와 같이 평형을 이루고 있다면 이 기체의 압력은 2 기압이 된다 왜냐하면 수은기둥 76 cm 에 해당하는 1 기압이 원래 기압 1 기압에 더해져서 유리관 내 기체 압력과 평형을 이루고 있기 때문이다 프랑스의 과학자 샤를은 ldquo일정한 압력에서 기체의 부피는 그 종류에 관계없이 온도가 1 높아질 때마다

0 때 부피의 만큼씩 증가한다rdquo 는 사실을 알아냈다 이것을 샤를의 법칙이라고 한다

이상의 내용을 종합하여 기체의 압력 온도 부피 사이의 상관관계를 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다

(상수) (단 는 섭씨온도())

[논 제] 다음의 그림 (3) 과 그림 (4) 에서 기압은 1기압이고 유리관 내부 기체는 같은 종류이며 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 만족한다 J 관에서 기체의 유출은 없으며 J 관의 단면적은 모든 부분에서 일정하다고 가정하자 아래의 문제 (i) (ii) 에서 기체를 제외한 나머지 부분의 온도 변화 열팽창 및 열전도는 고려하지 않는다

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 1 기체 분자운동론과 법칙

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(i) 그림 (3) 에서 유리관 내부 기체의 온도는 0 이고 압력은 벽면과의 마찰이 없는 피스톤에 의해 외부압력 (기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 온도를 증가시켰을 때 왜 부피가 변하였는지를 기체 분자 운동론의 관점에서 설명하시오 (단 피스톤의 자체 질량은 무시한다)

(ii) 그림 (4) 에서 수은이 채워진 관 내부 기체의 온도는 0 이고 기체가 들어있는 부분의 처음 높이는 76 cm 이다 기체의 압력은 외부압력 ( 기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 (i) 에서 구한 온도와 차이가 있을 경우 그 이유에 해 설명하시오

그림 (3)

그림 (4)

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이상기체 vs 실제기체2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 과학자들은 기체의 물리적인 성질과 기체 분자의 움직임을 설명하기 위하여 기체 분자 운동론을 제시하였다 기체 분자 운동론은 다음의 몇 가지 가정에 기반을 두고 있다

1 기체는 분자의 크기에 비하여 멀리 떨어져 있으며 기체 분자의 부피는 전체 부피에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다 2 기체 분자끼리 또는 기체 분자와 그릇의 벽에 한 충돌은 완전 탄성 충돌이다 완전 탄성 충돌은 에너지의 손실이 없다 3 기체 분자들은 무질서하게 빠른 속도로 끊임없이 직선 운동을 한다 4 기체 분자 사이의 인력이나 반발력은 작용하지 않는다 5 기체 분자의 평균 운동 에너지는 절 온도에 비례한다

기체 분자 운동론은 이상 기체에 한하여 적용될 수 있다 이상 기체는 실제로 존재하지 않으나 부분의 기체는 온도가 높고 압력이 낮으면 거의 이상 기체처럼 행동한다

lt나gt 고체나 액체와 달리 서로 다른 기체는 그들의 화학적 구성과 관계없이 매우 유사한 물리적 거동을 나타낸다 예를 들면 기체 헬륨과 플루오르는 화학적 특성이 매우 다르지만 부분의 물리적 거동은 거의 동일하다 1600년 후반에 많은 관찰을 통해 기체의 물리적 성질을 네 가지 변수 즉 압력() 온도() 부피() 몰수()로 규정할 수 있다고 제시했다 이러한 네 가지 변수 사이의 특정한 관계를 기체 법칙이라 하고 이러한 법칙을 정확히 따르는 기체를 이상 기체라고 한다 이들 기체 법칙에는 보일의 법칙 샤를의 법칙 그리고 아보가드로의 법칙 등이 있고 이 세 법칙을 하나의 식으로 묶어서 다음과 같은 이상 기체 상태 방정식을 얻어낼 수가 있다

(은 상수) 실험에 의하면 모든 기체는 0(=273K) 1기압에서 224L의 부피 중에 1몰의 분자를 포함한다는 것이 알려져 있으므로 이 결과를 이용하면 상수 ≒ Lㆍ기압몰ㆍK의 값을 얻을 수가 있고 이 값을 기체상수라 한다

[논제 1] 보일이 보일의 법칙을 발견한지 백년이 더 지난 18세기말 게이뤼삭은 0에서 100로 온도를 상승시키자 공기 수소 산소 질소 등 기체의 종류에 상관없이 부피가 모두 375 증가함을 관찰하였다 그의 실험 결과로부터 절 온도를 구해보고 오늘날 우리가 사용하는 값과 비교하여 보시오

[논제 2] 일반 마취제로 산소와 함께 사용하는 사이클로프로페인은 고리 모양의 화합물로서 분자식은 CH이다 Ar은 비활성 기체로서 원자량이 사이클로프로페인의 분자량과 유사하다 실온에서 약간 높은 압력 조건 하에 사이클로프로페인과 Ar 중 어느 것이 이상기체의 거동으로부터 더 멀어질지 기체 입자 자체의 부피와 기체 입자간 인력을 고려하여 예측하고 그 이유를 설명하시오

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[논제 3] 질소 기체 분자 사이의 거리와 인력 및 반발력에 따른 에너지 간의 관계는 아래 그래프와 같이 나타난다(단 질소 분자의 평균반경은 약 nm이다) 이를 이용해 0에서 1몰의 질소 기체에 해 (압력)에 따른 의 관계를 아래 주어진 그래프 로 답안지에 옮겨 그려 보고 왜 그렇게 그렸는지 구체적으로 설명하시오

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분자 간 상호작용의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 분자들 사이에 작용하는 힘에는 쌍극자-쌍극자 힘 분산력(반 데르 발스 힘)과 수소 결합이 있다 쌍극자-쌍극자 힘이란 서로 근접한 극성 분자들이 갖고 있는 부분전하 사이에 작용하는 정전기적 인력을 말하며 공유결합 분자들 중 전기 음성도 차이에 의한 쌍극자 모멘트가 있는 극성 분자들 사이에 형성된다 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자의 경우에는 일시적으로 분자 내의 전자가 한쪽으로 쏠리면서 전자 분포가 치우쳐 편극이 되면 순간적으로 쌍극자가 형성될 수 있다 이때 순간 쌍극자는 이웃한 분자의 전자 분포에 영향을 미쳐 또 다른 순간 쌍극자를 유발하게 된다 이 두 순간 쌍극자 사이에 작용하는 정전기적 인력을 분산력(반 데르 발스 힘)이라고 하며 분자량이 클수록 분산력이 커지게 된다 수소 결합이란 전기 음성도가 큰 원자에 결합된 수소 원자와 전기음성도가 큰 다른 원자에 있는 비공유 전자쌍 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨 이루어지는 결합이다

[논제 1] lt그림 1gt은 수소화합물들의 끓는점이 각 원소들의 원자 주기에 따라 차이가 있음을 나타내고 있다 다음의 각 문항에 답하시오

lt그림 1gt 14족과 17족 원소들로 이루어진 수소화합물의 끓는점

(1) 14족과 17족 원소들이 이루는 수소화합물의 끓는점 차이를 논리적으로 설명하시오

(2) 14족 수소화합물들의 끓는점이 주기의 증가에 따라 점차 증가하는 이유를 설명하시오

(3) 17족 수소화합물들의 끓는점이 2주기 수소화합물의 경우가 상 적으로 높은 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 2 분자 간 상호작용

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[논제 2] lt그림 2gt에는 2주기 원소들이 만드는 다양한 수소화합물의 끓는점이 각 원소의 전기음성도에 따라 표기되어 있다 이를 보면 HO의 끓는점은 NH 혹은 HF에 비해 상 적으로 높음을 알 수 있다 그 이유를 제시문을 근거로 설명하시오

lt그림 2gt 2주기 원소로 이루어진 수소화합물의 끓는점

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수소결합의 이해와 적용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 수소 결합은 N(질소) O (산소) F (플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고 융해열과 기화열이 크다 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로 화학결합과는 다르며 다른 종류의 분자 간 인력 보다 훨씬 강해 수소결합 이라고 부르는데 원자들의 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다

[논제 1] 아세트산(CHCOOH)의 분자량은 gmol이다 아세트산의 분자량을 측정하기 위해 벤젠과 같은 무극성 용매에 녹여 분자량을 측정하였더니 예상했던 분자량 60의 2배인 120으로 측정되었다고 한다 그 이유를 제시문에 근거하여 설명하시오

[논제 2] 분자식이 CHO로 동일한 두 화합물 A B는 모두 물에 잘 용해되는데 이 중 하나는 상온에서 기체이고 다른 하나는 상온에서 액체로 존재한다 두 화합물의 구조식을 이용하여 물에 한 용해도가 공통적으로 높은 이유와 끓는점이 서로 다른 이유에 해 각각 논하시오

[논제 3] 멜라민(melamine CNH)은 세 분자의 시안아마이드(CNH)가 결합한 삼중화합체(trimer)이다 2008년에 이 분자가 다량 포함된 분유를 섭취한 유아에게 심각한 부작용이 나타나 세계적인 문제가 된 적이 있다 이 멜라민은 벤젠 화합물과 유사한 형태의 6각 고리형 골격을 기반으로 한 칭성이 좋은 분자이다 이 멜라민은 시아노유릭산(cyanouric acid)과 체내에서 만나 분자 간 결합을 통해 노란색의 멜라민 시아노유레이트(melamine cyanourate) 결정이 된다 이 결정의 형성으로 신장결석이 진행된다 위의 설명을 참고하여 멜라민과 시아노유릭산이 가장 강한 분자 간 결합을 형성한 구조를 제시하여라 멜라민과 시아노유릭산의 분자 간 결합에서 어떤 종류의 분자간 힘이 주로 작용하겠는가 멜라민과 시아노유릭산의 구조는 순서 로 아래와 같다

[멜라민의 구조]

[시아노유릭산의 구조]

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결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

- 50 -

(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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CHAPTER 0CHAPTER 0 화학논술 따라잡기 화학논술 따라잡기 05

CHAPTER 1CHAPTER 1 기체분자운동론과 기체법칙 기체분자운동론과 기체법칙 21

CHAPTER 2CHAPTER 2 분자간 상호작용 분자간 상호작용 25

CHAPTER 3CHAPTER 3 고체와 액체의 성질 고체와 액체의 성질 28

CHAPTER 4CHAPTER 4 상태 변화와 상전이곡선 상태 변화와 상전이곡선 31

CHAPTER 5CHAPTER 5 용액의 총괄성 용액의 총괄성 33

CHAPTER 6CHAPTER 6 화학열역학(1) 화학열역학(1) 36

CHAPTER 7CHAPTER 7 화학열역학(2) 화학열역학(2) 38

CHAPTER 8CHAPTER 8 화학반응속도론 화학반응속도론 40

CHAPTER 9CHAPTER 9 화학평형 화학평형 42

CHAPTER 10CHAPTER 10 화학반응의 자발성 화학반응의 자발성 46

CHAPTER 11CHAPTER 11 산과 염기 산과 염기 51

CHAPTER 12CHAPTER 12 산-염기 반응과 완충작용 산-염기 반응과 완충작용 54

CHAPTER 13CHAPTER 13 산화와 환원 산화와 환원 56

CHAPTER 14CHAPTER 14 산화-환원 반응과 화학전지 산화-환원 반응과 화학전지 58

CHAPTER 15CHAPTER 15 무기유기 화학 무기유기 화학 61

DDo SScipedia

2016학년도 대입 수시 논술 대비 통합 화학 논술 - 통합 화학으로 씨줄 넣기(상위권 도약을 위한 화학Ⅰ+Ⅱ 통합논술) -

CONTENTSCONTENTS

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1 2016학년도 대학별 수시 논술전형 주요사항

학 전형반영비율() 수능최저학력기준 주)

(자연계 일반학과 기준)논술유형

논술 학생부 서류가톨릭 논술우수자전형 50 50 국수영탐(2) 중 1개 3등급 수리+과학

건국 (서울) KU논술우수자전형 60 40 최저 없음 수리과학경북 논술전형(AAT) 80 20 국A수B영과(2) 중 3개 합 9등급 수리과학경희 논술우수자 70 30 국A수B영과(1) 중 2개 합 5등급 수리과학

고려 (서울) 일반전형 60 40 국A수B영과(2) 중 2개 각 2등급 수리과학광운 논술우수자 60 40 최저 없음 수리

단국 (죽전) 논술우수자 60 40 최저 없음 수리과학동국 (서울) 논술우수자 60 40 국A수B영과(1) 중 2개 합 5등급 수리과학

부산 논술전형 80 20 국A수B영과(2) 중 2개 합 5등급 수리서강 논술전형 60 40 국A수B영과(1) 중 2개 각 2등급 수리

서울과기 일반전형(논술) 70 30 최저 없음 수리

서울시립 논술전형단계별 전형

100(50) (50)

최저 없음 수리

서울여 논술우수자전형 70 30 국수영탐(2) 중 2개 합 7등급 과학일반자료해석

성균관과학인재 60 40 최저 없음 수리과학논술우수 60 40 　 국A수B영과ⅠⅡ 중 3개 합 6등급 수리과학

세종 논술우수자 50 50 국A수B영과(2) 중 2개 합 6등급 수리숙명여 논술우수자 60 40 국A수B영과(2) 중 2개 합 4등급 언어수(+과) 통합숭실 논술우수자전형 60 40 국A수B영과(2) 중 2개 합 6등급 수리과학아주 일반전형1(논술) 50 50 국A수B영과(2) 중 2개 합 7등급 수리

연세 (원주) 일반논술전형 70 30 국A수B영과(2) 중 2개 합 6등급 수리연세 (서울) 일반전형(수시) 70 30 국A수B영과(1) 중 4개 합 7등급 수리과학

울산 일반전형(의예과) 50 50 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리의학이화여 일반전형_논술 70 30 국A수B영과(2) 중 2개 합 4등급 수리인하 논술-일반 70 30 국A수B영과(1) 중 1개 2등급 수리

중앙 (안성) 논술전형 60 40 국A수B영과(1) 중 2개 합 6등급 수리과학중앙 (서울) 논술전형 60 40 　 국A수B영과(1) 중 2개 합 4등급 수리과학한국항공 일반학생 전형 60 40 최저 없음 수리과학언어

한양 (서울) 논술 50 50 최저 없음 수리

한양 (에리카)논술 60 40 국A수B영과(2) 중 2개 합 6등급 수리

사회기여자 60 40 국A수B영과(2) 중 2개 합 6등급 수리홍익 (서울) 논술전형 60 40 국A수B영과(2) 중 1개 2등급 수리(+과학)

[표1 2016학년도 수시 자연계 논술전형 주요사항 요약]

주) 학별 수능최저학력기준 lsquo과(2)rsquo는 과탐 2개 과목 평균등급 lsquo과(1)rsquo은 과탐 1개 과목 등급을 반영함을 의미하며 lsquo국A수B영과(2)rsquo 와 같이 밑줄이 표기된 경우는 lsquo수학B 또는 과탐(2과목 평균)을 반드시 포함rsquo해야 함을 의미한다

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 0 화학논술 따라잡기

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학교명 전형명 모집단위 학생부 논술 수능최저학력기준 논술유형

가톨릭 논술우수자전형 의예과 50 50 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리+과학의학

경북 논술전형(AAT)의예과 20 80

국A수B영과(1) 4개 합 5등급 수리과학치의예과 20 80

경희 논술우수자

의예과 30 70

국A수B영과(2) 중 3개 합 4등급 수리과학치의예과 30 70

한의예과 30 70

고려 (서울) 일반전형 의과 학 40 60 국A수B영과(2) 중 3개 합 4등급 수리과학

부산 논술전형의예과 20 80 국A수B영과(2) 중

수B 포함 3개 합 4등급수리의학

치의학부 20 80

성균관과학인재 의예과 서류40 60 최저 없음 수리과학

논술우수 의예과 40 60 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리과학

연세 (서울) 일반전형의예과 30 70

국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리과학치의예과 30 70

연세 (원주) 일반논술전형 의예과 30 70 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리과학

울산 일반전형 의예과 50 50 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리의학

이화여 일반전형_논술 의예과 30 70 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리

인하 논술-일반 의예과 30 70 국A수B영과(2) 중 3개 합 3등급 수리

중앙 논술전형 의학부 40 60 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리과학

[표2 2016학년도 수시 의학계열 논술전형 주요사항 요약]

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3 2016학년도 대학별 수시 논술고사 유형

논술유형 해당 학

수리

비선택 일반형 과학 단국 동국 숭실

선택 교과형 과학

건국 물화생 3개 중 택1 모집단위별 과목 지정 유의경북 물화생지 4개 중 택2경희 물화생 3개 중 택1고려 물화생지 2 or 3개 중 택1 모집단위별 과목 지정 유의성균관 물화생 ⅠⅡ 6개 중 택2성균관 _과학인재 물화생 3개 중 택1연세 물화생지 4개 중 택1연세 (원주) 의예 물화생지 4개 중 택1중앙 물화생 3개 중 택1

인문 숙명여 (과학 지문 포함) 한국항공 (이학)

의학 울산 의예(의학논술 영어지문 포함 可)

(+과학) 의학 가톨릭 의예(수리과학통합 보건의료과학)

자료해석형 과학 서울여

수리+과학 통합 가톨릭 한국항공 (공학) 홍익

수리(단독형)광운 덕성여 부산 서강 서울과기 서울시립 세종 아주 연세 (원주) 이화여 인하 한양

[표3 2016학년도 학별 논술고사의 유형별 분류]

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4 과학논술의 해결전략 (단계별 접근법)

논술은 비판적 사고와 창의적 문제해결능력을 기반으로 한 논리적 글쓰기(서술하기)이다 최근의 학별 논술고사는 본연의 목적과 취지를 거스르며 교과과정을 벗어난 범위에서 출제하거나 혹은 풀이 과정과 정답이 어느 정도 정해져 있는 본고사 형식의 답안을 요구하는 문항으로 일정 부분 변질된 것이 사실이다 그럼에도 불구하고 정형화 된 틀을 갖춘 학들은 여전히 수리ㆍ과학적 개념 및 원리 그 자체가 아닌 그를 활용한 문제해결능력을 평가하는데 주안점을 두고 있으며 나아가 논거의 적합성이나 추론과정의 타당성을 평가하는데 무게를 싣고 있다 그렇다면 논술문항을 도 체 어떻게 비판적으로 읽고 창의적으로 문제를 해결하며 논리적으로 서술할 것인가 물론 어렵다 그러나 답은 의외로 간단할 지도 모른다 거꾸로 추정해보자

보통 논술 문제를 어렵게 여기는 이유는 다음 세 가지 중 하나 이상이 잘 안 될 경우이다

그 첫 번째는 논제 분석이 안 되는 경우이다 이 경우는 논제와 제시문에 한 독해력이 떨어져 논점이나 요구사항 그리고 힌트로 주어진 제시자료를 정확히 구별하지 못한다거나 몇몇 지시어의 개념이나 의미를 이해하지 못하여 벌어진 결과이다

두 번째는 교과 배경지식의 부족에 의한 것인데 문제를 해결하기 위해 필요한 지식의 개념이 없거나 모호하여 답안으로 이끌어내지 못하는 경우이다 이러한 경우 제시문과 논제의 핵심용어나 내용을 이해하지 못할 수 있으며 이해되더라도 답안을 구상하는 데 있어 지식의 한계를 느끼게 된다

끝으로 추론 능력의 부족을 지적할 수 있다 개개의 과목별 수업을 통해 공부해온 우리 학생들은 교과별로 배운 내용을 통합하는 능력이 매우 취약하다 더불어 결과만을 강조하는 암기된 지식만을 취함에 따라 특정 주제를 다양한 관점에서 해석하여 연관 짓는 능력이나 결론을 이끌어 내는 논리적 추론(증명 등의) 능력이 결여되어 있는 것이 사실이다

이 같은 한계를 극복할 수 있는 가장 기초적인 방법은 문제 해결을 위한 체계적 방법을 고안하여 부단히 연습하는 것이라 할 수 있다

아래에 과학논술 문제 해결을 위한 단계별 접근법을 간략히 제안해 놓았는데 이를 토 로 여러분도 자신만의 해결전략을 터득하여 실전에 적용해 볼 수 있도록 하자

(1) 논제의 분석 문제에 한 정확한 이해를 위해서는 논제에 한 철저한 분석이 필요하다 논제에는 답안으로 작성해야 할 내용(논점)과 요구사항 및 조건이 제시되어 있는데 이는 채점요소에도 반영되므로 매우 중요한 과정이라 할 수 있다 특히 지칭된 과학 용어들은 추상적이며 함축적이므로 이에 한 이해 정도는 결국 논제에 숨어있는 의미(즉 출제의도)를 얼마나 정확하게 파악할 수 있느냐를 결정할 수도 있음에 유의해야 한다

(2) 제시문의 분석 제시문은 논제와 관련 있는 내용의 자료를 제시함으로써 출제 취지 및 문제해결을 위한 실마리(근거)를 파악할 수 있도록 해준다 즉 논제와 아울러 출제자의 정확한 의도를 파악할 수 있는 힌트를 제공해 준다고 여기면 될 것이다 따라서 논제와 직간접적으로 연관된 내용을 찾아 요약정리를 하고 관련 수식 및 그림 그래프 도표 등을 재해석 할 수 있는 분석력이 요구된다

(3) 해결 전략의 구상 논술은 논리적 서술이 중요하다 논리적 서술은 근거를 통해 주장의 정당성을 확보하는 과정이다 따라서 자

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신의 답안을 객관적으로 증명하기 위한 근거의 확보가 중요하다 근거는 제시문의 내용이나 자신의 배경지식을 종합하여 마련할 수 있다 아울러 올바른 추론의 과정을 통해 근거와 주장을 매끈하게 연결하는 과정도 필요하다

① 논점의 수와 그 내용이 무엇인지 확인하자(논제의 분석)② 논점에 따른 조건을 파악하자(문제 풀이에 필요한 내용 파악)③ 제시문에서 제공하는 자료나 핵심어를 확보하자(문제 풀이를 위한 힌트를 찾아라)④ 논점에 따른 자신의 답안을 한 문장으로 만들어보자(주장(또는 결론) 만들기)⑤ 주장이나 결론을 뒷받침할 만한 가능한 근거를 만들자(근거 확보)⑥ 근거와 주장을 연결하는 설명을 하자(해결 전략의 완성)

(4) 답안의 개요작성 구상한 해결 전략을 설계하는 과정 또는 추론의 과정을 개략적으로 작성하는 것이 개요작성이다 간단히 정리하면 먼저 논점의 내용과 수를 확인하고 그 간의 유기적 연계성을 고려하여 순서를 정한 후 자신이 구상한 해법(근거와 주장)을 논점별로 정리하는 것이다

(5) 답안 쓰기 및 퇴고 개요에 따라서 답안을 쓰고 최종적으로 답안을 수정하는 과정이다

자 그러면 위의 해결전략을 참조하여 수능 화학과 연관성이 깊은 논술 예시문제를 풀어보도록 하자

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5 수능 화학으로 화학논술 따라잡기

(1) 수능 문항으로 감(感) 잡기 ldquo열화학 반응식과 자유에너지 변화rdquo

다음은 반응 (가)~(다)의 열화학 반응식이다가 NOg rarr NOg kJ나 Ng Hg rarr NHg kJ다 SOg Og rarr SOg kJ

그림은 온도()에 따른 반응 (가)~(다)의 자유 에너지 변화()를 나타낸 것이다

이에 한 설명으로 옳은 것만을 lt보기gt에서 있는 로 고르시오 (2014학년도 수능 화학Ⅱ 18번)

보 기ㄱ A는 (나)에 해당한다ㄴ B에서 ≻일 때 ≻ 이다ㄷ (가)에서 ≻ 이다

① ㄱ ② ㄴ ③ ㄱ ㄴ ④ ㄱ ㄷ ⑤ ㄴ ㄷ

[정답] ④[해설](가)에서 계≻이고 (나)는 계≺ (다)도 계≺이다ㄱ (나)와 (다)는 온도 상승에 따라 가 증가하는 반응이므로 (가)와 C를 짝지을 수 있다 A와 B는 연장선이 축과 만나는 점에서 이므로 (나)와 A (다)와 B를 짝지을 수 있다ㄴ B에서 ≻일 때 ≻ 이므로 ≻이다 그런데 와 모두 음의 값이므로 ≺ 이다ㄷ (가)는 C이므로 연장선과 축이 만나는 점의 ≻ 이다

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(2) 논술 문항 따라잡기

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오 (2013학년도 고려 기출 응용)

lt가gt 엔트로피()는 계(system)의 무질서도와 밀접한 관계를 가지며 무질서도가 증가하는 계의 엔트로피의 변화()는 양의 값을 갖는다 오존(O)이 산소분자(O)와 산소라디칼(O )로 분해되는 반응은 엔트로피가 증가하는 전형적인 예이다 또한 일반적으로 같은 몰수의 고체 액체 기체 순으로 물질의 엔트로피 값이 증가한다

lt나gt 엔탈피()는 분자 내에서 원자 간에 작용하는 결합력과 밀접한 관계가 있다 원자간 결합력이 약한 분자들이 원자간 결합력이 강한 분자들로 변하는 화학반응을 발열반응이라 부르며 발열반응의 엔탈피 변화()는 음의 값을 가진다

lt다gt 화학 반응의 자발성은 반응의 자유에너지 변화()의 부호로 판단할 수 있다 자유에너지의 변화()는 엔탈피의 변화() 엔트로피의 변화() 온도()에 의하여 결정되며 그 관계는 로 표현된다 일반적으로 와 는 온도의 변화에 큰 영향을 받지 않으므로 임의의 온도 에서 값을 구할 때 표준상태( 1기압)에서 측정한 와 로 체해서 사용하면 된다 자발적인 반응은 음의 값을 가지며 계의 자유에너지가 최솟값을 가지게 되면 () 그 계는 정반응의 속도와 역반응의 속도가 동일한 화학평형 상태에 도달하게 된다

상온에서 철이 녹스는 과정(Fe O rarr FeO)은 자발적인

발열반응이다 그러나 아주 고온에서는 이 반응의 역반응이 일어나게 되어 제철소의 용광로에서 산화철로부터 순수한 철을 얻을 수 있다 이 반응의 자유에너지의 변화를 아래 그래프에 표시하였다

lt라gt 화학평형의 정반응과 역반응간의 상 적인 우세는 화학평형상수()에 의해 결정되며 가 1보다 월등히 크면 정반응이 우세하고 그 반 의 경우 역반응이 우세하다 표준상태( 1기압)의 화학평형상수는 ln의 관계식에 의해 얻을 수 있다(은 표준상태에서 측정한 수치 은 양의 값을 가지는 기체상수)

[논 제] 다음의 화학반응식에서 질소와 수소가 반응하여 암모니아를 형성하는 반응은 발열반응이고 상온에서의 화학평형상수 값은 1보다 아주 큰 값을 갖는다

Ng Hg NHg 제시문을 이용하여 이 반응의 와 온도()의 관계를 오른쪽 그래프의 형태를 이용하여 도시하고 도시 과정을 설명하시오 또한 반응온도 K의 화학평형상수 과 반응온도 K에서의 화학평형상수 를 과 을 이용하여 표현하고 과 의 상 적인 크기에

해 비교 설명하시오

[그림 1]

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(3) 예시답안으로 확인하기

주어진 암모니아 합성 반응은 발열반응이다 따라서 엔탈피 변화는 이다 또한 기체의 몰수가 감소하는 반응이므로 엔트로피의 변화는 가 된다 따라서 제시문에 주어진 식 에서 온도가 특정 온도보다 낮을 경우 일 것이고 온도가 특정 온도보다 높을 경우 가 될 것이다 또한 와 는 온도의 변화에 큰 영향을 받지 않는다 했으므로 상수로 취급하면 그래프는 아래와 같은 1차 함수의 형태를 이룰 것이다

위 그래프에서 평형이 되는 온도는 일 때의 온도이므로 에서 평형온도 이

된다 한편 그래프에서 는 절편에 해당하고(에서 일 때의 값) ( )는 기울기가 된다

한편 ln 에서 ln

이고

이다따라서

이다또한

ln ln ln

≺ ∵≺

이므로 이다 그 이유는 암모니아 합성반응이 발열반응이므로 온도가 증가할 경우 역반응(흡열반응)이 정반응에 비해 우세해지기 때문이다

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6 수능 비문학 지문으로 화학논술 따라잡기

(1) 수능 문항으로 감(感) 잡기

[16～18] 다음 글을 읽고 물음에 답하시오 (2014학년도 수능 국어A)

19세기 중반 화학자 분젠은 불꽃 반응에서 나타나는 물질 고유의 불꽃색에 한 연구를 진행하고 있었다 그는 버너 불꽃의 색을 제거한 개선된 버너를 고안함으로써 물질의 불꽃색을 더 잘 구별할 수 있도록 하였다 하지만 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질의 불꽃은 색깔이 겹쳐서 분간이 어려웠다 이에 물리학자 키르히호프는 프리즘을 통한 분석을 제안했고 둘은 협력하여 불꽃의 색을 분리시키는 분광 분석법을 창안했다 이것은 과학사에 길이 남을 업적으로 이어졌다

그들은 불꽃 반응에서 나오는 빛을 프리즘에 통과시켜 띠 모양으로 분산시킨 후 망원경을 통해 이를 들여다보는 방식으로 실험을 진행하였다 빛이 띠 모양으로 분산되는 것은 빛이 파장이 짧을수록 굴절하는 각이 커지기 때문이다 이 방법을 통해 그들은 알칼리 금속과 알칼리 토금속의 스펙트럼을 체계적으로 조사하여 그것들을 함유한 화합물들을 찾아내었다 이 과정에서 그들은 특정한 금속의 스펙트럼에서 띄엄띄엄 떨어진 밝은 선의 위치는 그 금속이 홑원소로 존재하든 다른 원소와 결합하여 존재하든 불꽃의 온도에 상관없이 항상 같다는 결론에 도달하였다 이로써 화학 반응을 이용하는 전통적인 분석 화학의 방법에 의존하지 않고도 정확하게 화합물의 원소를 판별해 내는 분광 분석법이 탄생하였다 이 방법의 유효성은 그들이 새로운 금속 원소인 세슘과 루비듐을 발견함으로써 입증되었다

1859년 키르히호프는 이 방법을 천문학 분야로까지 확장하였다 그는 불꽃 반응 실험에서 관찰한 나트륨 스펙트럼의 두 개의 인접한 밝은 선과 1810년 프라운호퍼가 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼에서 발견한 검은 선들을 비교하는 과정에서 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 나타나는 원인을 설명할 수 있었다 그는 태양빛의 스펙트럼의 검은 선들 중에서 프라운호퍼의 D선이 나트륨 고유의 밝은 선들과 같은 파장에서 겹쳐지는 것을 확인하고 D선은 태양에서 비교적 차가운 부분인 태양 기 중에 존재하는 나트륨 때문에 생긴다고 해석했다 이것은 태양 기 중의 나트륨이 태양의 더 뜨거운 부분에서 나오는 빛 가운데 D선에 해당하는 파장의 빛들을 흡수하기 때문이다 태양빛의 스펙트럼을 보면 D선 이외에도 차가운 태양 기 중의 특정 원소에 의해 흡수된 빛의 파장 위치에 검은 선들이 나타난다 이 검은 선들은 그 특정 원소가 불꽃 반응에서 나타내는 스펙트럼 상의 밝은 선들과 나타나는 위치가 동일하다

이후 이러한 원리의 적용을 통해 철과 헬륨 같은 다른 원소들도 태양 기 중에 존재함을 밝혀졌으며 다른 항성을 연구하는 데도 같은 원리가 적용되었다 이를 두고 동료 과학자들은 물리학 화학 천문학에 모두 적용될 수 있는 분광 분석법이 천체 기의 화학적 조성을 밝혀냄으로써 우주의 통일성을 드러내었고 우주의 모든 곳에 존재하는 자연의 원리를 인식하게 하는 데 공헌했다고 평가했다

16 윗글을 바탕으로 할 때 의 업적으로 볼 수 있는 것은① 화학 반응을 이용하는 분석 화학 방법을 확립하였다② 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 존재함을 알아내었다③ 물질을 불꽃에 넣으면 독특한 불꽃색이 나타나는 것을 발견하였다④ 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼을 얻는 방법을 창안하였다⑤ 천체에 가지 않고도 그 기에 존재하는 원소에 관한 정보를 얻을 수 있는 길이 열렸다

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[핵심 정보의 파악] ⑤의 키르히호프는 분광 분석법을 통해 태양 기 중에 존재하는 특정 원소의 존재를 파악할 수 있는 길을 열었다(셋째 문단) 이후 이러한 분광 분석법을 동료 과학자들이 적용하여 천체 기의 화학적 조성을 밝히는 데 공헌했다(넷째 문단) 결국 키르히호프의 분광 분석법은 천체에 가지 않고도 그 기에 존재하는 원소에 관한 정보를 얻을 수 있는 길을 열었다고 볼 수 있다[해설]① 키르히호프는 화학 반응을 이용하는 전통적인 분석 화학의 방법에 의존하지 않고도 정확하게 화합물의 원소를 판별해 내는 분광 분석법을 창안했다(둘째 문단)② 프라운호퍼가 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 존재함을 알아내었다(셋째 문단)③ 물질을 불꽃에 넣으면 독특한 불꽃색이 나타나는 불꽃 반응은 키르히호프 이전에 이미 발견되었으며 이에

한 연구가 진행되고 있었다(첫째 문단)④ 프리즘을 통과시켜 태양빛의 스펙트럼을 얻는 방법은 이미 1810년 프라운호퍼가 창안하였다(셋째 문단)

17 윗글을 이해한 내용으로 가장 적절한 것은① 루비듐의 존재는 분광 분석법이 출현하기 전에 확인되었다② 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 빛의 파장이 길수록 굴절하는 각이 커진다③ 금속 원소 스펙트럼의 밝은 선의 위치는 불꽃의 온도를 높여도 변하지 않는다④ 철이 태양 기에 존재한다는 사실은 나트륨이 태양 기에 존재한다는 사실보다 먼저 밝혀졌다⑤ 분젠은 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질에서 나오는 각각의 불꽃색이 겹치는 현상을 막아 주는 버너를 고안하였다

[세부 정보의 확인] ③분젠과 키르히호프의 실험 과정에서 특정한 금속의 스펙트럼에서 밝은 선의 위치는 그 금속이 홑원소로 존재하든 다른 원소와 결합하여 존재하든 불꽃의 온도에 상관없이 항상 같다는 결론에 도달하였다고 제시되어 있다(둘째 문단) 따라서 금속 원소 스펙트럼의 밝은 선의 위치는 불꽃의 온도를 높여도 변하지 않는다고 할 수 있다[해설]① 분젠과 키리히호프가 분광 분석법을 통해서 새로운 금속 원소인 세슘과 루비듐을 발견함으로써 방법의 유효성을 입증했다고 제시되어 있다 결국 루비듐의 존재는 분광 분석법이 출현함으로써 확인되었다고 볼 수 있다(둘째 문단)② 빛 파장이 짧을수록 굴절하는 각이 커지기 때문에 빛이 띠 모양으로 분산된다고 제시되어 있다 역으로 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 빛의 파장이 길수록 굴절하는 각은 작아진다고 할 수 있다(둘째 문단)④ 분광 분석법을 통해 나트륨이 태양 기에 존재한다는 사실이 밝혀진 뒤 이러한 원리의 적용을 통해 철과 헬륨 같은 다른 원소들도 태양 기 중에 존재함이 밝혀졌다고 설명하고 있다(셋째 넷째 문단)⑤ 분젠이 개선된 버너를 고안했지만 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질의 불꽃은 색깔이 겹쳐서 분간이 어려웠다고 제시되어 있다(첫째 문단) 분젠이 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질에서 나오는 각각의 불꽃색이 겹치는 현상을 막아 주는 버너를 고안했다고 이해하는 것은 적절하지 않다

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18 윗글을 바탕으로 lt보기gt를 해석한 내용으로 적절하지 않은 것은 [3점]

lt보 기gt우리 은하의 어떤 항성 α와 β의 별빛 스펙트럼을 살펴보니 많은 검은 선들을 볼 수 있었다 이것들을 나트륨 리

튬의 스펙트럼의 밝은 선들과 비교했을 때 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 β의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 α의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다 리튬 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 α의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 β의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다

① 항성 α는 태양이 아니겠군② 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있겠군③ 항성 β에는 리튬이 존재하지 않겠군④ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 없겠군⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있겠군

[사례에의 적용] ④

태양빛의 스펙트럼의 검은 선들 중에서 프라운호퍼의 D선이 나트륨 고유의 밝은 선들과 같은 파장에서 겹쳐지는 것은 나트륨이 D선에 해당하는 파장의 빛들을 흡수하기 때문이라고 제시되어 있다(셋째 문단) 이를 바탕으로 lt보기gt를 해석하면 lt보기gt에서 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 하였으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 있다고 판단할 수 있다[해설]① 나트륨 스펙트럼이 항성 α의 검은 선들과 겹쳐지지 않았으므로 항성 α에는 태양 기성분인 나트륨이 존재하지 않는다고 판단할 수 있다 따라서 항성 α는 태양이 아니다② 항성 α의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 했으므로 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있을 것으로 판단할 수 있다③ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐지지 않았다고 했으므로 항성 β에는 리튬이 존재하지 않는다 왜냐하면 특정 원소에 의해 흡수된 빛의 파장 위치에 검은 선들은 그 특정 원소가 불꽃 반응에서 나타내는 스펙트럼 상의 밝은 선들과 나타나는 위치가 동일하기 때문이다⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐진다고 했으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛(나트륨)이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있을 것으로 이해할 수 있다

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(2) 논술 문항 따라잡기

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오 (2010학년도 서울 기출문제 응용)

lt가gt 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있다 원자 안에서 전자는 다음의 특성을 갖는다 ① 전자의 에너지 상태는 불연속적인 특정한 값만을 갖는다 이 값들은 각 원소마다 독특하다 ② 낮은 에너지 상태에 있는 전자가 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이 값만큼의 에

너지를 흡수하여야 한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 전자가 낮은 에너지 상태로 내려올 때는 해당 크기의 에너지를 방출한다

백열등처럼 연속 스펙트럼을 가진 빛을 네온 기체에 통과시키면 네온 원자의 전자 에너지 상태에 따라 특정 위치에서 검은 선들이 나타나는 흡수 스펙트럼(그림 1)이 얻어진다

파장(nm)

[그림 1] 네온 기체의 흡수 선 스펙트럼 (nm timesm )

lt나gt 분자는 원자들이 결합하여 만들어진다 분자내의 원자들이 움직이는 진동운동은 다음과 같은 특성을 갖는다 ① 분자의 진동 에너지는 불연속적인 특정한 값들을 갖는다 이 값들은 각 분자마다 독특하다 ② 분자의 진동 운동이 낮은 에너지 상태에서 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이만큼

에너지를 흡수한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 진동 운동은 에너지를 방출하며 낮은 에너지 상태로 내려간다

lt다gt 물질의 열에너지는 입자의 운동 분자의 내부 진동 원자의 전자 에너지 등 다양한 에너지의 합으로 나타낼 수 있다 절 온도 에서 열에너지는 략 만큼의 값을 갖는다(는 볼츠만 상수로 timesJK이다) 분자의 진동 에너지는 100kJmol이하의 값이며 적외선 영역(파장 m이상)에 해당한다 원자 내의 전자 에너지는 이 보다 큰 값을 가지며 가시광선nmsimnm 또는 자외선 영역에 해당하고 원자핵 내 핵자들의 결합에너지는 이 보다 백만 배 이상 크다

lt라gt 천체 망원경 기술의 발전에 힘입어 별 빛의 스펙트럼을 분석하는 분광 분석적 천체관측이 가능하게 되었다 관측 스펙트럼 영역도 가시광선뿐 아니라 자외선 및 적외선 영역까지 확장되었으며 최근에는 지구 기의 영향을 없애기 위해 인공위성에 탑재시킨 천체 망원경을 주로 사용하고 있다 다음의 [그림 2]는 어느 별과 지구 사이에 존재하는 성간 구름 영역을 통과하여 지구에 도달하는 별빛 스펙트럼을 나타낸 것으로 적외선 영역에서 다양한 흡수 봉우리들이 관찰됨을 알 수 있다

[그림 2]

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[논제 1] 제시문 lt라gt의 별빛 스펙트럼(그림 2)에 근거하여 성간 구름에 물 분자가 존재할 가능성에 해 논하시오 참고자료 OH 작용기의 진동 운동에너지에 해당하는 빛의 파장은 다음과 같이 계산된다 여기서 는 빛의 파장 H는 수소원자의 질량timeskg을 의미한다

timesmtimesHkg

[논제 2] 제시문 lt라gt의 별빛의 스펙트럼에는 적외선을 포함하는 연속 스펙트럼 위에 가시광선과 자외선 영역에 해당하는 검은 흡수선들도 발견되었다 만약 별빛이 성간 구름 영역을 거치지 않고 직접 지구로 도달하는 경우에는 [그림 2]와 같은 적외선 영역의 흡수 봉우리들은 관찰되지 않는다고 한다 이로부터 별의 기와 성간 구름에 존재하는 물질들이 어떻게 다른지를 유추하고 그러한 물질 조성의 차이가 나타나는 이유를 두 환경의 온도 효과로 설명하시오

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(3) 예시답안으로 확인하기

[논제 1]

[논제 2]

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기체 법칙의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

이탈리아의 과학자 토리첼리가 수은 기압계를 이용하여 기의 압력을 처음 측정하였다고 알려져 있다 수은을 가득 채운 유리관을 거꾸로 세우면 그림 (1) 과 같이 수은기둥이 내려오다가 유리관 안을 채운 수은이 내리 누르는 무게 (힘) 이 외부의 공기가 내리 누르는 힘 (공기의 압력) 과 같아지는 위치에서 평형을 이루게 된다 이 때 유리관 안의 빈 공간은 진공 상태가 된다 이 실험을 통해 기압은 수은기둥의 높이가 76 cm일 때의 압력과 같다는 것을 알 수 있다

그림 (1) 토리첼리의 수은 기압계

그림 (2) 보일의 J 관

영국의 과학자 보일은 J 자 모양의 유리관을 사용한 실험을 통해 ldquo일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피() 는 기체에 작용하는 압력 () 에 반비례한다rdquo 는 사실을 알아내었는데 이를 보일의 법칙이라고 한다 보일의 법칙을 기체 분자 운동론의 관점에서 생각해보면 일정한 온도를 유지하면서 기체의 부피를 줄이는 경우 일정 시간 동안 단위 면적에 부딪치는 기체 분자의 수가 많아져서 결국 해당 기체의 압력이 높아진다는 것이다 보일의 J 관을 사용하여 기체의 압력을 측정할 때는 기압을 고려해야 한다 예를 들어 어떤 기체가 그림 (2) 와 같이 평형을 이루고 있다면 이 기체의 압력은 2 기압이 된다 왜냐하면 수은기둥 76 cm 에 해당하는 1 기압이 원래 기압 1 기압에 더해져서 유리관 내 기체 압력과 평형을 이루고 있기 때문이다 프랑스의 과학자 샤를은 ldquo일정한 압력에서 기체의 부피는 그 종류에 관계없이 온도가 1 높아질 때마다

0 때 부피의 만큼씩 증가한다rdquo 는 사실을 알아냈다 이것을 샤를의 법칙이라고 한다

이상의 내용을 종합하여 기체의 압력 온도 부피 사이의 상관관계를 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다

(상수) (단 는 섭씨온도())

[논 제] 다음의 그림 (3) 과 그림 (4) 에서 기압은 1기압이고 유리관 내부 기체는 같은 종류이며 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 만족한다 J 관에서 기체의 유출은 없으며 J 관의 단면적은 모든 부분에서 일정하다고 가정하자 아래의 문제 (i) (ii) 에서 기체를 제외한 나머지 부분의 온도 변화 열팽창 및 열전도는 고려하지 않는다

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 1 기체 분자운동론과 법칙

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(i) 그림 (3) 에서 유리관 내부 기체의 온도는 0 이고 압력은 벽면과의 마찰이 없는 피스톤에 의해 외부압력 (기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 온도를 증가시켰을 때 왜 부피가 변하였는지를 기체 분자 운동론의 관점에서 설명하시오 (단 피스톤의 자체 질량은 무시한다)

(ii) 그림 (4) 에서 수은이 채워진 관 내부 기체의 온도는 0 이고 기체가 들어있는 부분의 처음 높이는 76 cm 이다 기체의 압력은 외부압력 ( 기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 (i) 에서 구한 온도와 차이가 있을 경우 그 이유에 해 설명하시오

그림 (3)

그림 (4)

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이상기체 vs 실제기체2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 과학자들은 기체의 물리적인 성질과 기체 분자의 움직임을 설명하기 위하여 기체 분자 운동론을 제시하였다 기체 분자 운동론은 다음의 몇 가지 가정에 기반을 두고 있다

1 기체는 분자의 크기에 비하여 멀리 떨어져 있으며 기체 분자의 부피는 전체 부피에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다 2 기체 분자끼리 또는 기체 분자와 그릇의 벽에 한 충돌은 완전 탄성 충돌이다 완전 탄성 충돌은 에너지의 손실이 없다 3 기체 분자들은 무질서하게 빠른 속도로 끊임없이 직선 운동을 한다 4 기체 분자 사이의 인력이나 반발력은 작용하지 않는다 5 기체 분자의 평균 운동 에너지는 절 온도에 비례한다

기체 분자 운동론은 이상 기체에 한하여 적용될 수 있다 이상 기체는 실제로 존재하지 않으나 부분의 기체는 온도가 높고 압력이 낮으면 거의 이상 기체처럼 행동한다

lt나gt 고체나 액체와 달리 서로 다른 기체는 그들의 화학적 구성과 관계없이 매우 유사한 물리적 거동을 나타낸다 예를 들면 기체 헬륨과 플루오르는 화학적 특성이 매우 다르지만 부분의 물리적 거동은 거의 동일하다 1600년 후반에 많은 관찰을 통해 기체의 물리적 성질을 네 가지 변수 즉 압력() 온도() 부피() 몰수()로 규정할 수 있다고 제시했다 이러한 네 가지 변수 사이의 특정한 관계를 기체 법칙이라 하고 이러한 법칙을 정확히 따르는 기체를 이상 기체라고 한다 이들 기체 법칙에는 보일의 법칙 샤를의 법칙 그리고 아보가드로의 법칙 등이 있고 이 세 법칙을 하나의 식으로 묶어서 다음과 같은 이상 기체 상태 방정식을 얻어낼 수가 있다

(은 상수) 실험에 의하면 모든 기체는 0(=273K) 1기압에서 224L의 부피 중에 1몰의 분자를 포함한다는 것이 알려져 있으므로 이 결과를 이용하면 상수 ≒ Lㆍ기압몰ㆍK의 값을 얻을 수가 있고 이 값을 기체상수라 한다

[논제 1] 보일이 보일의 법칙을 발견한지 백년이 더 지난 18세기말 게이뤼삭은 0에서 100로 온도를 상승시키자 공기 수소 산소 질소 등 기체의 종류에 상관없이 부피가 모두 375 증가함을 관찰하였다 그의 실험 결과로부터 절 온도를 구해보고 오늘날 우리가 사용하는 값과 비교하여 보시오

[논제 2] 일반 마취제로 산소와 함께 사용하는 사이클로프로페인은 고리 모양의 화합물로서 분자식은 CH이다 Ar은 비활성 기체로서 원자량이 사이클로프로페인의 분자량과 유사하다 실온에서 약간 높은 압력 조건 하에 사이클로프로페인과 Ar 중 어느 것이 이상기체의 거동으로부터 더 멀어질지 기체 입자 자체의 부피와 기체 입자간 인력을 고려하여 예측하고 그 이유를 설명하시오

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[논제 3] 질소 기체 분자 사이의 거리와 인력 및 반발력에 따른 에너지 간의 관계는 아래 그래프와 같이 나타난다(단 질소 분자의 평균반경은 약 nm이다) 이를 이용해 0에서 1몰의 질소 기체에 해 (압력)에 따른 의 관계를 아래 주어진 그래프 로 답안지에 옮겨 그려 보고 왜 그렇게 그렸는지 구체적으로 설명하시오

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분자 간 상호작용의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 분자들 사이에 작용하는 힘에는 쌍극자-쌍극자 힘 분산력(반 데르 발스 힘)과 수소 결합이 있다 쌍극자-쌍극자 힘이란 서로 근접한 극성 분자들이 갖고 있는 부분전하 사이에 작용하는 정전기적 인력을 말하며 공유결합 분자들 중 전기 음성도 차이에 의한 쌍극자 모멘트가 있는 극성 분자들 사이에 형성된다 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자의 경우에는 일시적으로 분자 내의 전자가 한쪽으로 쏠리면서 전자 분포가 치우쳐 편극이 되면 순간적으로 쌍극자가 형성될 수 있다 이때 순간 쌍극자는 이웃한 분자의 전자 분포에 영향을 미쳐 또 다른 순간 쌍극자를 유발하게 된다 이 두 순간 쌍극자 사이에 작용하는 정전기적 인력을 분산력(반 데르 발스 힘)이라고 하며 분자량이 클수록 분산력이 커지게 된다 수소 결합이란 전기 음성도가 큰 원자에 결합된 수소 원자와 전기음성도가 큰 다른 원자에 있는 비공유 전자쌍 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨 이루어지는 결합이다

[논제 1] lt그림 1gt은 수소화합물들의 끓는점이 각 원소들의 원자 주기에 따라 차이가 있음을 나타내고 있다 다음의 각 문항에 답하시오

lt그림 1gt 14족과 17족 원소들로 이루어진 수소화합물의 끓는점

(1) 14족과 17족 원소들이 이루는 수소화합물의 끓는점 차이를 논리적으로 설명하시오

(2) 14족 수소화합물들의 끓는점이 주기의 증가에 따라 점차 증가하는 이유를 설명하시오

(3) 17족 수소화합물들의 끓는점이 2주기 수소화합물의 경우가 상 적으로 높은 이유를 설명하시오

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Chapter 2 분자 간 상호작용

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[논제 2] lt그림 2gt에는 2주기 원소들이 만드는 다양한 수소화합물의 끓는점이 각 원소의 전기음성도에 따라 표기되어 있다 이를 보면 HO의 끓는점은 NH 혹은 HF에 비해 상 적으로 높음을 알 수 있다 그 이유를 제시문을 근거로 설명하시오

lt그림 2gt 2주기 원소로 이루어진 수소화합물의 끓는점

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수소결합의 이해와 적용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 수소 결합은 N(질소) O (산소) F (플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고 융해열과 기화열이 크다 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로 화학결합과는 다르며 다른 종류의 분자 간 인력 보다 훨씬 강해 수소결합 이라고 부르는데 원자들의 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다

[논제 1] 아세트산(CHCOOH)의 분자량은 gmol이다 아세트산의 분자량을 측정하기 위해 벤젠과 같은 무극성 용매에 녹여 분자량을 측정하였더니 예상했던 분자량 60의 2배인 120으로 측정되었다고 한다 그 이유를 제시문에 근거하여 설명하시오

[논제 2] 분자식이 CHO로 동일한 두 화합물 A B는 모두 물에 잘 용해되는데 이 중 하나는 상온에서 기체이고 다른 하나는 상온에서 액체로 존재한다 두 화합물의 구조식을 이용하여 물에 한 용해도가 공통적으로 높은 이유와 끓는점이 서로 다른 이유에 해 각각 논하시오

[논제 3] 멜라민(melamine CNH)은 세 분자의 시안아마이드(CNH)가 결합한 삼중화합체(trimer)이다 2008년에 이 분자가 다량 포함된 분유를 섭취한 유아에게 심각한 부작용이 나타나 세계적인 문제가 된 적이 있다 이 멜라민은 벤젠 화합물과 유사한 형태의 6각 고리형 골격을 기반으로 한 칭성이 좋은 분자이다 이 멜라민은 시아노유릭산(cyanouric acid)과 체내에서 만나 분자 간 결합을 통해 노란색의 멜라민 시아노유레이트(melamine cyanourate) 결정이 된다 이 결정의 형성으로 신장결석이 진행된다 위의 설명을 참고하여 멜라민과 시아노유릭산이 가장 강한 분자 간 결합을 형성한 구조를 제시하여라 멜라민과 시아노유릭산의 분자 간 결합에서 어떤 종류의 분자간 힘이 주로 작용하겠는가 멜라민과 시아노유릭산의 구조는 순서 로 아래와 같다

[멜라민의 구조]

[시아노유릭산의 구조]

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결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

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Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

- 55 -

염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

- 56 -

산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

- 57 -

산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

- 58 -

표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

- 59 -

화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

- 60 -

[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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1 2016학년도 대학별 수시 논술전형 주요사항

학 전형반영비율() 수능최저학력기준 주)

(자연계 일반학과 기준)논술유형

논술 학생부 서류가톨릭 논술우수자전형 50 50 국수영탐(2) 중 1개 3등급 수리+과학

건국 (서울) KU논술우수자전형 60 40 최저 없음 수리과학경북 논술전형(AAT) 80 20 국A수B영과(2) 중 3개 합 9등급 수리과학경희 논술우수자 70 30 국A수B영과(1) 중 2개 합 5등급 수리과학

고려 (서울) 일반전형 60 40 국A수B영과(2) 중 2개 각 2등급 수리과학광운 논술우수자 60 40 최저 없음 수리

단국 (죽전) 논술우수자 60 40 최저 없음 수리과학동국 (서울) 논술우수자 60 40 국A수B영과(1) 중 2개 합 5등급 수리과학

부산 논술전형 80 20 국A수B영과(2) 중 2개 합 5등급 수리서강 논술전형 60 40 국A수B영과(1) 중 2개 각 2등급 수리

서울과기 일반전형(논술) 70 30 최저 없음 수리

서울시립 논술전형단계별 전형

100(50) (50)

최저 없음 수리

서울여 논술우수자전형 70 30 국수영탐(2) 중 2개 합 7등급 과학일반자료해석

성균관과학인재 60 40 최저 없음 수리과학논술우수 60 40 　 국A수B영과ⅠⅡ 중 3개 합 6등급 수리과학

세종 논술우수자 50 50 국A수B영과(2) 중 2개 합 6등급 수리숙명여 논술우수자 60 40 국A수B영과(2) 중 2개 합 4등급 언어수(+과) 통합숭실 논술우수자전형 60 40 국A수B영과(2) 중 2개 합 6등급 수리과학아주 일반전형1(논술) 50 50 국A수B영과(2) 중 2개 합 7등급 수리

연세 (원주) 일반논술전형 70 30 국A수B영과(2) 중 2개 합 6등급 수리연세 (서울) 일반전형(수시) 70 30 국A수B영과(1) 중 4개 합 7등급 수리과학

울산 일반전형(의예과) 50 50 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리의학이화여 일반전형_논술 70 30 국A수B영과(2) 중 2개 합 4등급 수리인하 논술-일반 70 30 국A수B영과(1) 중 1개 2등급 수리

중앙 (안성) 논술전형 60 40 국A수B영과(1) 중 2개 합 6등급 수리과학중앙 (서울) 논술전형 60 40 　 국A수B영과(1) 중 2개 합 4등급 수리과학한국항공 일반학생 전형 60 40 최저 없음 수리과학언어

한양 (서울) 논술 50 50 최저 없음 수리

한양 (에리카)논술 60 40 국A수B영과(2) 중 2개 합 6등급 수리

사회기여자 60 40 국A수B영과(2) 중 2개 합 6등급 수리홍익 (서울) 논술전형 60 40 국A수B영과(2) 중 1개 2등급 수리(+과학)

[표1 2016학년도 수시 자연계 논술전형 주요사항 요약]

주) 학별 수능최저학력기준 lsquo과(2)rsquo는 과탐 2개 과목 평균등급 lsquo과(1)rsquo은 과탐 1개 과목 등급을 반영함을 의미하며 lsquo국A수B영과(2)rsquo 와 같이 밑줄이 표기된 경우는 lsquo수학B 또는 과탐(2과목 평균)을 반드시 포함rsquo해야 함을 의미한다

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 0 화학논술 따라잡기

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학교명 전형명 모집단위 학생부 논술 수능최저학력기준 논술유형

가톨릭 논술우수자전형 의예과 50 50 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리+과학의학

경북 논술전형(AAT)의예과 20 80

국A수B영과(1) 4개 합 5등급 수리과학치의예과 20 80

경희 논술우수자

의예과 30 70

국A수B영과(2) 중 3개 합 4등급 수리과학치의예과 30 70

한의예과 30 70

고려 (서울) 일반전형 의과 학 40 60 국A수B영과(2) 중 3개 합 4등급 수리과학

부산 논술전형의예과 20 80 국A수B영과(2) 중

수B 포함 3개 합 4등급수리의학

치의학부 20 80

성균관과학인재 의예과 서류40 60 최저 없음 수리과학

논술우수 의예과 40 60 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리과학

연세 (서울) 일반전형의예과 30 70

국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리과학치의예과 30 70

연세 (원주) 일반논술전형 의예과 30 70 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리과학

울산 일반전형 의예과 50 50 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리의학

이화여 일반전형_논술 의예과 30 70 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리

인하 논술-일반 의예과 30 70 국A수B영과(2) 중 3개 합 3등급 수리

중앙 논술전형 의학부 40 60 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리과학

[표2 2016학년도 수시 의학계열 논술전형 주요사항 요약]

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3 2016학년도 대학별 수시 논술고사 유형

논술유형 해당 학

수리

비선택 일반형 과학 단국 동국 숭실

선택 교과형 과학

건국 물화생 3개 중 택1 모집단위별 과목 지정 유의경북 물화생지 4개 중 택2경희 물화생 3개 중 택1고려 물화생지 2 or 3개 중 택1 모집단위별 과목 지정 유의성균관 물화생 ⅠⅡ 6개 중 택2성균관 _과학인재 물화생 3개 중 택1연세 물화생지 4개 중 택1연세 (원주) 의예 물화생지 4개 중 택1중앙 물화생 3개 중 택1

인문 숙명여 (과학 지문 포함) 한국항공 (이학)

의학 울산 의예(의학논술 영어지문 포함 可)

(+과학) 의학 가톨릭 의예(수리과학통합 보건의료과학)

자료해석형 과학 서울여

수리+과학 통합 가톨릭 한국항공 (공학) 홍익

수리(단독형)광운 덕성여 부산 서강 서울과기 서울시립 세종 아주 연세 (원주) 이화여 인하 한양

[표3 2016학년도 학별 논술고사의 유형별 분류]

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4 과학논술의 해결전략 (단계별 접근법)

논술은 비판적 사고와 창의적 문제해결능력을 기반으로 한 논리적 글쓰기(서술하기)이다 최근의 학별 논술고사는 본연의 목적과 취지를 거스르며 교과과정을 벗어난 범위에서 출제하거나 혹은 풀이 과정과 정답이 어느 정도 정해져 있는 본고사 형식의 답안을 요구하는 문항으로 일정 부분 변질된 것이 사실이다 그럼에도 불구하고 정형화 된 틀을 갖춘 학들은 여전히 수리ㆍ과학적 개념 및 원리 그 자체가 아닌 그를 활용한 문제해결능력을 평가하는데 주안점을 두고 있으며 나아가 논거의 적합성이나 추론과정의 타당성을 평가하는데 무게를 싣고 있다 그렇다면 논술문항을 도 체 어떻게 비판적으로 읽고 창의적으로 문제를 해결하며 논리적으로 서술할 것인가 물론 어렵다 그러나 답은 의외로 간단할 지도 모른다 거꾸로 추정해보자

보통 논술 문제를 어렵게 여기는 이유는 다음 세 가지 중 하나 이상이 잘 안 될 경우이다

그 첫 번째는 논제 분석이 안 되는 경우이다 이 경우는 논제와 제시문에 한 독해력이 떨어져 논점이나 요구사항 그리고 힌트로 주어진 제시자료를 정확히 구별하지 못한다거나 몇몇 지시어의 개념이나 의미를 이해하지 못하여 벌어진 결과이다

두 번째는 교과 배경지식의 부족에 의한 것인데 문제를 해결하기 위해 필요한 지식의 개념이 없거나 모호하여 답안으로 이끌어내지 못하는 경우이다 이러한 경우 제시문과 논제의 핵심용어나 내용을 이해하지 못할 수 있으며 이해되더라도 답안을 구상하는 데 있어 지식의 한계를 느끼게 된다

끝으로 추론 능력의 부족을 지적할 수 있다 개개의 과목별 수업을 통해 공부해온 우리 학생들은 교과별로 배운 내용을 통합하는 능력이 매우 취약하다 더불어 결과만을 강조하는 암기된 지식만을 취함에 따라 특정 주제를 다양한 관점에서 해석하여 연관 짓는 능력이나 결론을 이끌어 내는 논리적 추론(증명 등의) 능력이 결여되어 있는 것이 사실이다

이 같은 한계를 극복할 수 있는 가장 기초적인 방법은 문제 해결을 위한 체계적 방법을 고안하여 부단히 연습하는 것이라 할 수 있다

아래에 과학논술 문제 해결을 위한 단계별 접근법을 간략히 제안해 놓았는데 이를 토 로 여러분도 자신만의 해결전략을 터득하여 실전에 적용해 볼 수 있도록 하자

(1) 논제의 분석 문제에 한 정확한 이해를 위해서는 논제에 한 철저한 분석이 필요하다 논제에는 답안으로 작성해야 할 내용(논점)과 요구사항 및 조건이 제시되어 있는데 이는 채점요소에도 반영되므로 매우 중요한 과정이라 할 수 있다 특히 지칭된 과학 용어들은 추상적이며 함축적이므로 이에 한 이해 정도는 결국 논제에 숨어있는 의미(즉 출제의도)를 얼마나 정확하게 파악할 수 있느냐를 결정할 수도 있음에 유의해야 한다

(2) 제시문의 분석 제시문은 논제와 관련 있는 내용의 자료를 제시함으로써 출제 취지 및 문제해결을 위한 실마리(근거)를 파악할 수 있도록 해준다 즉 논제와 아울러 출제자의 정확한 의도를 파악할 수 있는 힌트를 제공해 준다고 여기면 될 것이다 따라서 논제와 직간접적으로 연관된 내용을 찾아 요약정리를 하고 관련 수식 및 그림 그래프 도표 등을 재해석 할 수 있는 분석력이 요구된다

(3) 해결 전략의 구상 논술은 논리적 서술이 중요하다 논리적 서술은 근거를 통해 주장의 정당성을 확보하는 과정이다 따라서 자

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신의 답안을 객관적으로 증명하기 위한 근거의 확보가 중요하다 근거는 제시문의 내용이나 자신의 배경지식을 종합하여 마련할 수 있다 아울러 올바른 추론의 과정을 통해 근거와 주장을 매끈하게 연결하는 과정도 필요하다

① 논점의 수와 그 내용이 무엇인지 확인하자(논제의 분석)② 논점에 따른 조건을 파악하자(문제 풀이에 필요한 내용 파악)③ 제시문에서 제공하는 자료나 핵심어를 확보하자(문제 풀이를 위한 힌트를 찾아라)④ 논점에 따른 자신의 답안을 한 문장으로 만들어보자(주장(또는 결론) 만들기)⑤ 주장이나 결론을 뒷받침할 만한 가능한 근거를 만들자(근거 확보)⑥ 근거와 주장을 연결하는 설명을 하자(해결 전략의 완성)

(4) 답안의 개요작성 구상한 해결 전략을 설계하는 과정 또는 추론의 과정을 개략적으로 작성하는 것이 개요작성이다 간단히 정리하면 먼저 논점의 내용과 수를 확인하고 그 간의 유기적 연계성을 고려하여 순서를 정한 후 자신이 구상한 해법(근거와 주장)을 논점별로 정리하는 것이다

(5) 답안 쓰기 및 퇴고 개요에 따라서 답안을 쓰고 최종적으로 답안을 수정하는 과정이다

자 그러면 위의 해결전략을 참조하여 수능 화학과 연관성이 깊은 논술 예시문제를 풀어보도록 하자

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5 수능 화학으로 화학논술 따라잡기

(1) 수능 문항으로 감(感) 잡기 ldquo열화학 반응식과 자유에너지 변화rdquo

다음은 반응 (가)~(다)의 열화학 반응식이다가 NOg rarr NOg kJ나 Ng Hg rarr NHg kJ다 SOg Og rarr SOg kJ

그림은 온도()에 따른 반응 (가)~(다)의 자유 에너지 변화()를 나타낸 것이다

이에 한 설명으로 옳은 것만을 lt보기gt에서 있는 로 고르시오 (2014학년도 수능 화학Ⅱ 18번)

보 기ㄱ A는 (나)에 해당한다ㄴ B에서 ≻일 때 ≻ 이다ㄷ (가)에서 ≻ 이다

① ㄱ ② ㄴ ③ ㄱ ㄴ ④ ㄱ ㄷ ⑤ ㄴ ㄷ

[정답] ④[해설](가)에서 계≻이고 (나)는 계≺ (다)도 계≺이다ㄱ (나)와 (다)는 온도 상승에 따라 가 증가하는 반응이므로 (가)와 C를 짝지을 수 있다 A와 B는 연장선이 축과 만나는 점에서 이므로 (나)와 A (다)와 B를 짝지을 수 있다ㄴ B에서 ≻일 때 ≻ 이므로 ≻이다 그런데 와 모두 음의 값이므로 ≺ 이다ㄷ (가)는 C이므로 연장선과 축이 만나는 점의 ≻ 이다

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(2) 논술 문항 따라잡기

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오 (2013학년도 고려 기출 응용)

lt가gt 엔트로피()는 계(system)의 무질서도와 밀접한 관계를 가지며 무질서도가 증가하는 계의 엔트로피의 변화()는 양의 값을 갖는다 오존(O)이 산소분자(O)와 산소라디칼(O )로 분해되는 반응은 엔트로피가 증가하는 전형적인 예이다 또한 일반적으로 같은 몰수의 고체 액체 기체 순으로 물질의 엔트로피 값이 증가한다

lt나gt 엔탈피()는 분자 내에서 원자 간에 작용하는 결합력과 밀접한 관계가 있다 원자간 결합력이 약한 분자들이 원자간 결합력이 강한 분자들로 변하는 화학반응을 발열반응이라 부르며 발열반응의 엔탈피 변화()는 음의 값을 가진다

lt다gt 화학 반응의 자발성은 반응의 자유에너지 변화()의 부호로 판단할 수 있다 자유에너지의 변화()는 엔탈피의 변화() 엔트로피의 변화() 온도()에 의하여 결정되며 그 관계는 로 표현된다 일반적으로 와 는 온도의 변화에 큰 영향을 받지 않으므로 임의의 온도 에서 값을 구할 때 표준상태( 1기압)에서 측정한 와 로 체해서 사용하면 된다 자발적인 반응은 음의 값을 가지며 계의 자유에너지가 최솟값을 가지게 되면 () 그 계는 정반응의 속도와 역반응의 속도가 동일한 화학평형 상태에 도달하게 된다

상온에서 철이 녹스는 과정(Fe O rarr FeO)은 자발적인

발열반응이다 그러나 아주 고온에서는 이 반응의 역반응이 일어나게 되어 제철소의 용광로에서 산화철로부터 순수한 철을 얻을 수 있다 이 반응의 자유에너지의 변화를 아래 그래프에 표시하였다

lt라gt 화학평형의 정반응과 역반응간의 상 적인 우세는 화학평형상수()에 의해 결정되며 가 1보다 월등히 크면 정반응이 우세하고 그 반 의 경우 역반응이 우세하다 표준상태( 1기압)의 화학평형상수는 ln의 관계식에 의해 얻을 수 있다(은 표준상태에서 측정한 수치 은 양의 값을 가지는 기체상수)

[논 제] 다음의 화학반응식에서 질소와 수소가 반응하여 암모니아를 형성하는 반응은 발열반응이고 상온에서의 화학평형상수 값은 1보다 아주 큰 값을 갖는다

Ng Hg NHg 제시문을 이용하여 이 반응의 와 온도()의 관계를 오른쪽 그래프의 형태를 이용하여 도시하고 도시 과정을 설명하시오 또한 반응온도 K의 화학평형상수 과 반응온도 K에서의 화학평형상수 를 과 을 이용하여 표현하고 과 의 상 적인 크기에

해 비교 설명하시오

[그림 1]

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(3) 예시답안으로 확인하기

주어진 암모니아 합성 반응은 발열반응이다 따라서 엔탈피 변화는 이다 또한 기체의 몰수가 감소하는 반응이므로 엔트로피의 변화는 가 된다 따라서 제시문에 주어진 식 에서 온도가 특정 온도보다 낮을 경우 일 것이고 온도가 특정 온도보다 높을 경우 가 될 것이다 또한 와 는 온도의 변화에 큰 영향을 받지 않는다 했으므로 상수로 취급하면 그래프는 아래와 같은 1차 함수의 형태를 이룰 것이다

위 그래프에서 평형이 되는 온도는 일 때의 온도이므로 에서 평형온도 이

된다 한편 그래프에서 는 절편에 해당하고(에서 일 때의 값) ( )는 기울기가 된다

한편 ln 에서 ln

이고

이다따라서

이다또한

ln ln ln

≺ ∵≺

이므로 이다 그 이유는 암모니아 합성반응이 발열반응이므로 온도가 증가할 경우 역반응(흡열반응)이 정반응에 비해 우세해지기 때문이다

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6 수능 비문학 지문으로 화학논술 따라잡기

(1) 수능 문항으로 감(感) 잡기

[16～18] 다음 글을 읽고 물음에 답하시오 (2014학년도 수능 국어A)

19세기 중반 화학자 분젠은 불꽃 반응에서 나타나는 물질 고유의 불꽃색에 한 연구를 진행하고 있었다 그는 버너 불꽃의 색을 제거한 개선된 버너를 고안함으로써 물질의 불꽃색을 더 잘 구별할 수 있도록 하였다 하지만 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질의 불꽃은 색깔이 겹쳐서 분간이 어려웠다 이에 물리학자 키르히호프는 프리즘을 통한 분석을 제안했고 둘은 협력하여 불꽃의 색을 분리시키는 분광 분석법을 창안했다 이것은 과학사에 길이 남을 업적으로 이어졌다

그들은 불꽃 반응에서 나오는 빛을 프리즘에 통과시켜 띠 모양으로 분산시킨 후 망원경을 통해 이를 들여다보는 방식으로 실험을 진행하였다 빛이 띠 모양으로 분산되는 것은 빛이 파장이 짧을수록 굴절하는 각이 커지기 때문이다 이 방법을 통해 그들은 알칼리 금속과 알칼리 토금속의 스펙트럼을 체계적으로 조사하여 그것들을 함유한 화합물들을 찾아내었다 이 과정에서 그들은 특정한 금속의 스펙트럼에서 띄엄띄엄 떨어진 밝은 선의 위치는 그 금속이 홑원소로 존재하든 다른 원소와 결합하여 존재하든 불꽃의 온도에 상관없이 항상 같다는 결론에 도달하였다 이로써 화학 반응을 이용하는 전통적인 분석 화학의 방법에 의존하지 않고도 정확하게 화합물의 원소를 판별해 내는 분광 분석법이 탄생하였다 이 방법의 유효성은 그들이 새로운 금속 원소인 세슘과 루비듐을 발견함으로써 입증되었다

1859년 키르히호프는 이 방법을 천문학 분야로까지 확장하였다 그는 불꽃 반응 실험에서 관찰한 나트륨 스펙트럼의 두 개의 인접한 밝은 선과 1810년 프라운호퍼가 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼에서 발견한 검은 선들을 비교하는 과정에서 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 나타나는 원인을 설명할 수 있었다 그는 태양빛의 스펙트럼의 검은 선들 중에서 프라운호퍼의 D선이 나트륨 고유의 밝은 선들과 같은 파장에서 겹쳐지는 것을 확인하고 D선은 태양에서 비교적 차가운 부분인 태양 기 중에 존재하는 나트륨 때문에 생긴다고 해석했다 이것은 태양 기 중의 나트륨이 태양의 더 뜨거운 부분에서 나오는 빛 가운데 D선에 해당하는 파장의 빛들을 흡수하기 때문이다 태양빛의 스펙트럼을 보면 D선 이외에도 차가운 태양 기 중의 특정 원소에 의해 흡수된 빛의 파장 위치에 검은 선들이 나타난다 이 검은 선들은 그 특정 원소가 불꽃 반응에서 나타내는 스펙트럼 상의 밝은 선들과 나타나는 위치가 동일하다

이후 이러한 원리의 적용을 통해 철과 헬륨 같은 다른 원소들도 태양 기 중에 존재함을 밝혀졌으며 다른 항성을 연구하는 데도 같은 원리가 적용되었다 이를 두고 동료 과학자들은 물리학 화학 천문학에 모두 적용될 수 있는 분광 분석법이 천체 기의 화학적 조성을 밝혀냄으로써 우주의 통일성을 드러내었고 우주의 모든 곳에 존재하는 자연의 원리를 인식하게 하는 데 공헌했다고 평가했다

16 윗글을 바탕으로 할 때 의 업적으로 볼 수 있는 것은① 화학 반응을 이용하는 분석 화학 방법을 확립하였다② 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 존재함을 알아내었다③ 물질을 불꽃에 넣으면 독특한 불꽃색이 나타나는 것을 발견하였다④ 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼을 얻는 방법을 창안하였다⑤ 천체에 가지 않고도 그 기에 존재하는 원소에 관한 정보를 얻을 수 있는 길이 열렸다

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[핵심 정보의 파악] ⑤의 키르히호프는 분광 분석법을 통해 태양 기 중에 존재하는 특정 원소의 존재를 파악할 수 있는 길을 열었다(셋째 문단) 이후 이러한 분광 분석법을 동료 과학자들이 적용하여 천체 기의 화학적 조성을 밝히는 데 공헌했다(넷째 문단) 결국 키르히호프의 분광 분석법은 천체에 가지 않고도 그 기에 존재하는 원소에 관한 정보를 얻을 수 있는 길을 열었다고 볼 수 있다[해설]① 키르히호프는 화학 반응을 이용하는 전통적인 분석 화학의 방법에 의존하지 않고도 정확하게 화합물의 원소를 판별해 내는 분광 분석법을 창안했다(둘째 문단)② 프라운호퍼가 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 존재함을 알아내었다(셋째 문단)③ 물질을 불꽃에 넣으면 독특한 불꽃색이 나타나는 불꽃 반응은 키르히호프 이전에 이미 발견되었으며 이에

한 연구가 진행되고 있었다(첫째 문단)④ 프리즘을 통과시켜 태양빛의 스펙트럼을 얻는 방법은 이미 1810년 프라운호퍼가 창안하였다(셋째 문단)

17 윗글을 이해한 내용으로 가장 적절한 것은① 루비듐의 존재는 분광 분석법이 출현하기 전에 확인되었다② 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 빛의 파장이 길수록 굴절하는 각이 커진다③ 금속 원소 스펙트럼의 밝은 선의 위치는 불꽃의 온도를 높여도 변하지 않는다④ 철이 태양 기에 존재한다는 사실은 나트륨이 태양 기에 존재한다는 사실보다 먼저 밝혀졌다⑤ 분젠은 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질에서 나오는 각각의 불꽃색이 겹치는 현상을 막아 주는 버너를 고안하였다

[세부 정보의 확인] ③분젠과 키르히호프의 실험 과정에서 특정한 금속의 스펙트럼에서 밝은 선의 위치는 그 금속이 홑원소로 존재하든 다른 원소와 결합하여 존재하든 불꽃의 온도에 상관없이 항상 같다는 결론에 도달하였다고 제시되어 있다(둘째 문단) 따라서 금속 원소 스펙트럼의 밝은 선의 위치는 불꽃의 온도를 높여도 변하지 않는다고 할 수 있다[해설]① 분젠과 키리히호프가 분광 분석법을 통해서 새로운 금속 원소인 세슘과 루비듐을 발견함으로써 방법의 유효성을 입증했다고 제시되어 있다 결국 루비듐의 존재는 분광 분석법이 출현함으로써 확인되었다고 볼 수 있다(둘째 문단)② 빛 파장이 짧을수록 굴절하는 각이 커지기 때문에 빛이 띠 모양으로 분산된다고 제시되어 있다 역으로 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 빛의 파장이 길수록 굴절하는 각은 작아진다고 할 수 있다(둘째 문단)④ 분광 분석법을 통해 나트륨이 태양 기에 존재한다는 사실이 밝혀진 뒤 이러한 원리의 적용을 통해 철과 헬륨 같은 다른 원소들도 태양 기 중에 존재함이 밝혀졌다고 설명하고 있다(셋째 넷째 문단)⑤ 분젠이 개선된 버너를 고안했지만 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질의 불꽃은 색깔이 겹쳐서 분간이 어려웠다고 제시되어 있다(첫째 문단) 분젠이 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질에서 나오는 각각의 불꽃색이 겹치는 현상을 막아 주는 버너를 고안했다고 이해하는 것은 적절하지 않다

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18 윗글을 바탕으로 lt보기gt를 해석한 내용으로 적절하지 않은 것은 [3점]

lt보 기gt우리 은하의 어떤 항성 α와 β의 별빛 스펙트럼을 살펴보니 많은 검은 선들을 볼 수 있었다 이것들을 나트륨 리

튬의 스펙트럼의 밝은 선들과 비교했을 때 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 β의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 α의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다 리튬 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 α의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 β의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다

① 항성 α는 태양이 아니겠군② 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있겠군③ 항성 β에는 리튬이 존재하지 않겠군④ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 없겠군⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있겠군

[사례에의 적용] ④

태양빛의 스펙트럼의 검은 선들 중에서 프라운호퍼의 D선이 나트륨 고유의 밝은 선들과 같은 파장에서 겹쳐지는 것은 나트륨이 D선에 해당하는 파장의 빛들을 흡수하기 때문이라고 제시되어 있다(셋째 문단) 이를 바탕으로 lt보기gt를 해석하면 lt보기gt에서 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 하였으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 있다고 판단할 수 있다[해설]① 나트륨 스펙트럼이 항성 α의 검은 선들과 겹쳐지지 않았으므로 항성 α에는 태양 기성분인 나트륨이 존재하지 않는다고 판단할 수 있다 따라서 항성 α는 태양이 아니다② 항성 α의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 했으므로 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있을 것으로 판단할 수 있다③ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐지지 않았다고 했으므로 항성 β에는 리튬이 존재하지 않는다 왜냐하면 특정 원소에 의해 흡수된 빛의 파장 위치에 검은 선들은 그 특정 원소가 불꽃 반응에서 나타내는 스펙트럼 상의 밝은 선들과 나타나는 위치가 동일하기 때문이다⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐진다고 했으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛(나트륨)이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있을 것으로 이해할 수 있다

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(2) 논술 문항 따라잡기

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오 (2010학년도 서울 기출문제 응용)

lt가gt 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있다 원자 안에서 전자는 다음의 특성을 갖는다 ① 전자의 에너지 상태는 불연속적인 특정한 값만을 갖는다 이 값들은 각 원소마다 독특하다 ② 낮은 에너지 상태에 있는 전자가 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이 값만큼의 에

너지를 흡수하여야 한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 전자가 낮은 에너지 상태로 내려올 때는 해당 크기의 에너지를 방출한다

백열등처럼 연속 스펙트럼을 가진 빛을 네온 기체에 통과시키면 네온 원자의 전자 에너지 상태에 따라 특정 위치에서 검은 선들이 나타나는 흡수 스펙트럼(그림 1)이 얻어진다

파장(nm)

[그림 1] 네온 기체의 흡수 선 스펙트럼 (nm timesm )

lt나gt 분자는 원자들이 결합하여 만들어진다 분자내의 원자들이 움직이는 진동운동은 다음과 같은 특성을 갖는다 ① 분자의 진동 에너지는 불연속적인 특정한 값들을 갖는다 이 값들은 각 분자마다 독특하다 ② 분자의 진동 운동이 낮은 에너지 상태에서 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이만큼

에너지를 흡수한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 진동 운동은 에너지를 방출하며 낮은 에너지 상태로 내려간다

lt다gt 물질의 열에너지는 입자의 운동 분자의 내부 진동 원자의 전자 에너지 등 다양한 에너지의 합으로 나타낼 수 있다 절 온도 에서 열에너지는 략 만큼의 값을 갖는다(는 볼츠만 상수로 timesJK이다) 분자의 진동 에너지는 100kJmol이하의 값이며 적외선 영역(파장 m이상)에 해당한다 원자 내의 전자 에너지는 이 보다 큰 값을 가지며 가시광선nmsimnm 또는 자외선 영역에 해당하고 원자핵 내 핵자들의 결합에너지는 이 보다 백만 배 이상 크다

lt라gt 천체 망원경 기술의 발전에 힘입어 별 빛의 스펙트럼을 분석하는 분광 분석적 천체관측이 가능하게 되었다 관측 스펙트럼 영역도 가시광선뿐 아니라 자외선 및 적외선 영역까지 확장되었으며 최근에는 지구 기의 영향을 없애기 위해 인공위성에 탑재시킨 천체 망원경을 주로 사용하고 있다 다음의 [그림 2]는 어느 별과 지구 사이에 존재하는 성간 구름 영역을 통과하여 지구에 도달하는 별빛 스펙트럼을 나타낸 것으로 적외선 영역에서 다양한 흡수 봉우리들이 관찰됨을 알 수 있다

[그림 2]

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[논제 1] 제시문 lt라gt의 별빛 스펙트럼(그림 2)에 근거하여 성간 구름에 물 분자가 존재할 가능성에 해 논하시오 참고자료 OH 작용기의 진동 운동에너지에 해당하는 빛의 파장은 다음과 같이 계산된다 여기서 는 빛의 파장 H는 수소원자의 질량timeskg을 의미한다

timesmtimesHkg

[논제 2] 제시문 lt라gt의 별빛의 스펙트럼에는 적외선을 포함하는 연속 스펙트럼 위에 가시광선과 자외선 영역에 해당하는 검은 흡수선들도 발견되었다 만약 별빛이 성간 구름 영역을 거치지 않고 직접 지구로 도달하는 경우에는 [그림 2]와 같은 적외선 영역의 흡수 봉우리들은 관찰되지 않는다고 한다 이로부터 별의 기와 성간 구름에 존재하는 물질들이 어떻게 다른지를 유추하고 그러한 물질 조성의 차이가 나타나는 이유를 두 환경의 온도 효과로 설명하시오

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(3) 예시답안으로 확인하기

[논제 1]

[논제 2]

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기체 법칙의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

이탈리아의 과학자 토리첼리가 수은 기압계를 이용하여 기의 압력을 처음 측정하였다고 알려져 있다 수은을 가득 채운 유리관을 거꾸로 세우면 그림 (1) 과 같이 수은기둥이 내려오다가 유리관 안을 채운 수은이 내리 누르는 무게 (힘) 이 외부의 공기가 내리 누르는 힘 (공기의 압력) 과 같아지는 위치에서 평형을 이루게 된다 이 때 유리관 안의 빈 공간은 진공 상태가 된다 이 실험을 통해 기압은 수은기둥의 높이가 76 cm일 때의 압력과 같다는 것을 알 수 있다

그림 (1) 토리첼리의 수은 기압계

그림 (2) 보일의 J 관

영국의 과학자 보일은 J 자 모양의 유리관을 사용한 실험을 통해 ldquo일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피() 는 기체에 작용하는 압력 () 에 반비례한다rdquo 는 사실을 알아내었는데 이를 보일의 법칙이라고 한다 보일의 법칙을 기체 분자 운동론의 관점에서 생각해보면 일정한 온도를 유지하면서 기체의 부피를 줄이는 경우 일정 시간 동안 단위 면적에 부딪치는 기체 분자의 수가 많아져서 결국 해당 기체의 압력이 높아진다는 것이다 보일의 J 관을 사용하여 기체의 압력을 측정할 때는 기압을 고려해야 한다 예를 들어 어떤 기체가 그림 (2) 와 같이 평형을 이루고 있다면 이 기체의 압력은 2 기압이 된다 왜냐하면 수은기둥 76 cm 에 해당하는 1 기압이 원래 기압 1 기압에 더해져서 유리관 내 기체 압력과 평형을 이루고 있기 때문이다 프랑스의 과학자 샤를은 ldquo일정한 압력에서 기체의 부피는 그 종류에 관계없이 온도가 1 높아질 때마다

0 때 부피의 만큼씩 증가한다rdquo 는 사실을 알아냈다 이것을 샤를의 법칙이라고 한다

이상의 내용을 종합하여 기체의 압력 온도 부피 사이의 상관관계를 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다

(상수) (단 는 섭씨온도())

[논 제] 다음의 그림 (3) 과 그림 (4) 에서 기압은 1기압이고 유리관 내부 기체는 같은 종류이며 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 만족한다 J 관에서 기체의 유출은 없으며 J 관의 단면적은 모든 부분에서 일정하다고 가정하자 아래의 문제 (i) (ii) 에서 기체를 제외한 나머지 부분의 온도 변화 열팽창 및 열전도는 고려하지 않는다

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 1 기체 분자운동론과 법칙

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(i) 그림 (3) 에서 유리관 내부 기체의 온도는 0 이고 압력은 벽면과의 마찰이 없는 피스톤에 의해 외부압력 (기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 온도를 증가시켰을 때 왜 부피가 변하였는지를 기체 분자 운동론의 관점에서 설명하시오 (단 피스톤의 자체 질량은 무시한다)

(ii) 그림 (4) 에서 수은이 채워진 관 내부 기체의 온도는 0 이고 기체가 들어있는 부분의 처음 높이는 76 cm 이다 기체의 압력은 외부압력 ( 기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 (i) 에서 구한 온도와 차이가 있을 경우 그 이유에 해 설명하시오

그림 (3)

그림 (4)

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이상기체 vs 실제기체2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 과학자들은 기체의 물리적인 성질과 기체 분자의 움직임을 설명하기 위하여 기체 분자 운동론을 제시하였다 기체 분자 운동론은 다음의 몇 가지 가정에 기반을 두고 있다

1 기체는 분자의 크기에 비하여 멀리 떨어져 있으며 기체 분자의 부피는 전체 부피에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다 2 기체 분자끼리 또는 기체 분자와 그릇의 벽에 한 충돌은 완전 탄성 충돌이다 완전 탄성 충돌은 에너지의 손실이 없다 3 기체 분자들은 무질서하게 빠른 속도로 끊임없이 직선 운동을 한다 4 기체 분자 사이의 인력이나 반발력은 작용하지 않는다 5 기체 분자의 평균 운동 에너지는 절 온도에 비례한다

기체 분자 운동론은 이상 기체에 한하여 적용될 수 있다 이상 기체는 실제로 존재하지 않으나 부분의 기체는 온도가 높고 압력이 낮으면 거의 이상 기체처럼 행동한다

lt나gt 고체나 액체와 달리 서로 다른 기체는 그들의 화학적 구성과 관계없이 매우 유사한 물리적 거동을 나타낸다 예를 들면 기체 헬륨과 플루오르는 화학적 특성이 매우 다르지만 부분의 물리적 거동은 거의 동일하다 1600년 후반에 많은 관찰을 통해 기체의 물리적 성질을 네 가지 변수 즉 압력() 온도() 부피() 몰수()로 규정할 수 있다고 제시했다 이러한 네 가지 변수 사이의 특정한 관계를 기체 법칙이라 하고 이러한 법칙을 정확히 따르는 기체를 이상 기체라고 한다 이들 기체 법칙에는 보일의 법칙 샤를의 법칙 그리고 아보가드로의 법칙 등이 있고 이 세 법칙을 하나의 식으로 묶어서 다음과 같은 이상 기체 상태 방정식을 얻어낼 수가 있다

(은 상수) 실험에 의하면 모든 기체는 0(=273K) 1기압에서 224L의 부피 중에 1몰의 분자를 포함한다는 것이 알려져 있으므로 이 결과를 이용하면 상수 ≒ Lㆍ기압몰ㆍK의 값을 얻을 수가 있고 이 값을 기체상수라 한다

[논제 1] 보일이 보일의 법칙을 발견한지 백년이 더 지난 18세기말 게이뤼삭은 0에서 100로 온도를 상승시키자 공기 수소 산소 질소 등 기체의 종류에 상관없이 부피가 모두 375 증가함을 관찰하였다 그의 실험 결과로부터 절 온도를 구해보고 오늘날 우리가 사용하는 값과 비교하여 보시오

[논제 2] 일반 마취제로 산소와 함께 사용하는 사이클로프로페인은 고리 모양의 화합물로서 분자식은 CH이다 Ar은 비활성 기체로서 원자량이 사이클로프로페인의 분자량과 유사하다 실온에서 약간 높은 압력 조건 하에 사이클로프로페인과 Ar 중 어느 것이 이상기체의 거동으로부터 더 멀어질지 기체 입자 자체의 부피와 기체 입자간 인력을 고려하여 예측하고 그 이유를 설명하시오

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[논제 3] 질소 기체 분자 사이의 거리와 인력 및 반발력에 따른 에너지 간의 관계는 아래 그래프와 같이 나타난다(단 질소 분자의 평균반경은 약 nm이다) 이를 이용해 0에서 1몰의 질소 기체에 해 (압력)에 따른 의 관계를 아래 주어진 그래프 로 답안지에 옮겨 그려 보고 왜 그렇게 그렸는지 구체적으로 설명하시오

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분자 간 상호작용의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 분자들 사이에 작용하는 힘에는 쌍극자-쌍극자 힘 분산력(반 데르 발스 힘)과 수소 결합이 있다 쌍극자-쌍극자 힘이란 서로 근접한 극성 분자들이 갖고 있는 부분전하 사이에 작용하는 정전기적 인력을 말하며 공유결합 분자들 중 전기 음성도 차이에 의한 쌍극자 모멘트가 있는 극성 분자들 사이에 형성된다 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자의 경우에는 일시적으로 분자 내의 전자가 한쪽으로 쏠리면서 전자 분포가 치우쳐 편극이 되면 순간적으로 쌍극자가 형성될 수 있다 이때 순간 쌍극자는 이웃한 분자의 전자 분포에 영향을 미쳐 또 다른 순간 쌍극자를 유발하게 된다 이 두 순간 쌍극자 사이에 작용하는 정전기적 인력을 분산력(반 데르 발스 힘)이라고 하며 분자량이 클수록 분산력이 커지게 된다 수소 결합이란 전기 음성도가 큰 원자에 결합된 수소 원자와 전기음성도가 큰 다른 원자에 있는 비공유 전자쌍 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨 이루어지는 결합이다

[논제 1] lt그림 1gt은 수소화합물들의 끓는점이 각 원소들의 원자 주기에 따라 차이가 있음을 나타내고 있다 다음의 각 문항에 답하시오

lt그림 1gt 14족과 17족 원소들로 이루어진 수소화합물의 끓는점

(1) 14족과 17족 원소들이 이루는 수소화합물의 끓는점 차이를 논리적으로 설명하시오

(2) 14족 수소화합물들의 끓는점이 주기의 증가에 따라 점차 증가하는 이유를 설명하시오

(3) 17족 수소화합물들의 끓는점이 2주기 수소화합물의 경우가 상 적으로 높은 이유를 설명하시오

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Chapter 2 분자 간 상호작용

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[논제 2] lt그림 2gt에는 2주기 원소들이 만드는 다양한 수소화합물의 끓는점이 각 원소의 전기음성도에 따라 표기되어 있다 이를 보면 HO의 끓는점은 NH 혹은 HF에 비해 상 적으로 높음을 알 수 있다 그 이유를 제시문을 근거로 설명하시오

lt그림 2gt 2주기 원소로 이루어진 수소화합물의 끓는점

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수소결합의 이해와 적용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 수소 결합은 N(질소) O (산소) F (플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고 융해열과 기화열이 크다 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로 화학결합과는 다르며 다른 종류의 분자 간 인력 보다 훨씬 강해 수소결합 이라고 부르는데 원자들의 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다

[논제 1] 아세트산(CHCOOH)의 분자량은 gmol이다 아세트산의 분자량을 측정하기 위해 벤젠과 같은 무극성 용매에 녹여 분자량을 측정하였더니 예상했던 분자량 60의 2배인 120으로 측정되었다고 한다 그 이유를 제시문에 근거하여 설명하시오

[논제 2] 분자식이 CHO로 동일한 두 화합물 A B는 모두 물에 잘 용해되는데 이 중 하나는 상온에서 기체이고 다른 하나는 상온에서 액체로 존재한다 두 화합물의 구조식을 이용하여 물에 한 용해도가 공통적으로 높은 이유와 끓는점이 서로 다른 이유에 해 각각 논하시오

[논제 3] 멜라민(melamine CNH)은 세 분자의 시안아마이드(CNH)가 결합한 삼중화합체(trimer)이다 2008년에 이 분자가 다량 포함된 분유를 섭취한 유아에게 심각한 부작용이 나타나 세계적인 문제가 된 적이 있다 이 멜라민은 벤젠 화합물과 유사한 형태의 6각 고리형 골격을 기반으로 한 칭성이 좋은 분자이다 이 멜라민은 시아노유릭산(cyanouric acid)과 체내에서 만나 분자 간 결합을 통해 노란색의 멜라민 시아노유레이트(melamine cyanourate) 결정이 된다 이 결정의 형성으로 신장결석이 진행된다 위의 설명을 참고하여 멜라민과 시아노유릭산이 가장 강한 분자 간 결합을 형성한 구조를 제시하여라 멜라민과 시아노유릭산의 분자 간 결합에서 어떤 종류의 분자간 힘이 주로 작용하겠는가 멜라민과 시아노유릭산의 구조는 순서 로 아래와 같다

[멜라민의 구조]

[시아노유릭산의 구조]

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결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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학교명 전형명 모집단위 학생부 논술 수능최저학력기준 논술유형

가톨릭 논술우수자전형 의예과 50 50 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리+과학의학

경북 논술전형(AAT)의예과 20 80

국A수B영과(1) 4개 합 5등급 수리과학치의예과 20 80

경희 논술우수자

의예과 30 70

국A수B영과(2) 중 3개 합 4등급 수리과학치의예과 30 70

한의예과 30 70

고려 (서울) 일반전형 의과 학 40 60 국A수B영과(2) 중 3개 합 4등급 수리과학

부산 논술전형의예과 20 80 국A수B영과(2) 중

수B 포함 3개 합 4등급수리의학

치의학부 20 80

성균관과학인재 의예과 서류40 60 최저 없음 수리과학

논술우수 의예과 40 60 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리과학

연세 (서울) 일반전형의예과 30 70

국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리과학치의예과 30 70

연세 (원주) 일반논술전형 의예과 30 70 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리과학

울산 일반전형 의예과 50 50 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리의학

이화여 일반전형_논술 의예과 30 70 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리

인하 논술-일반 의예과 30 70 국A수B영과(2) 중 3개 합 3등급 수리

중앙 논술전형 의학부 40 60 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리과학

[표2 2016학년도 수시 의학계열 논술전형 주요사항 요약]

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3 2016학년도 대학별 수시 논술고사 유형

논술유형 해당 학

수리

비선택 일반형 과학 단국 동국 숭실

선택 교과형 과학

건국 물화생 3개 중 택1 모집단위별 과목 지정 유의경북 물화생지 4개 중 택2경희 물화생 3개 중 택1고려 물화생지 2 or 3개 중 택1 모집단위별 과목 지정 유의성균관 물화생 ⅠⅡ 6개 중 택2성균관 _과학인재 물화생 3개 중 택1연세 물화생지 4개 중 택1연세 (원주) 의예 물화생지 4개 중 택1중앙 물화생 3개 중 택1

인문 숙명여 (과학 지문 포함) 한국항공 (이학)

의학 울산 의예(의학논술 영어지문 포함 可)

(+과학) 의학 가톨릭 의예(수리과학통합 보건의료과학)

자료해석형 과학 서울여

수리+과학 통합 가톨릭 한국항공 (공학) 홍익

수리(단독형)광운 덕성여 부산 서강 서울과기 서울시립 세종 아주 연세 (원주) 이화여 인하 한양

[표3 2016학년도 학별 논술고사의 유형별 분류]

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4 과학논술의 해결전략 (단계별 접근법)

논술은 비판적 사고와 창의적 문제해결능력을 기반으로 한 논리적 글쓰기(서술하기)이다 최근의 학별 논술고사는 본연의 목적과 취지를 거스르며 교과과정을 벗어난 범위에서 출제하거나 혹은 풀이 과정과 정답이 어느 정도 정해져 있는 본고사 형식의 답안을 요구하는 문항으로 일정 부분 변질된 것이 사실이다 그럼에도 불구하고 정형화 된 틀을 갖춘 학들은 여전히 수리ㆍ과학적 개념 및 원리 그 자체가 아닌 그를 활용한 문제해결능력을 평가하는데 주안점을 두고 있으며 나아가 논거의 적합성이나 추론과정의 타당성을 평가하는데 무게를 싣고 있다 그렇다면 논술문항을 도 체 어떻게 비판적으로 읽고 창의적으로 문제를 해결하며 논리적으로 서술할 것인가 물론 어렵다 그러나 답은 의외로 간단할 지도 모른다 거꾸로 추정해보자

보통 논술 문제를 어렵게 여기는 이유는 다음 세 가지 중 하나 이상이 잘 안 될 경우이다

그 첫 번째는 논제 분석이 안 되는 경우이다 이 경우는 논제와 제시문에 한 독해력이 떨어져 논점이나 요구사항 그리고 힌트로 주어진 제시자료를 정확히 구별하지 못한다거나 몇몇 지시어의 개념이나 의미를 이해하지 못하여 벌어진 결과이다

두 번째는 교과 배경지식의 부족에 의한 것인데 문제를 해결하기 위해 필요한 지식의 개념이 없거나 모호하여 답안으로 이끌어내지 못하는 경우이다 이러한 경우 제시문과 논제의 핵심용어나 내용을 이해하지 못할 수 있으며 이해되더라도 답안을 구상하는 데 있어 지식의 한계를 느끼게 된다

끝으로 추론 능력의 부족을 지적할 수 있다 개개의 과목별 수업을 통해 공부해온 우리 학생들은 교과별로 배운 내용을 통합하는 능력이 매우 취약하다 더불어 결과만을 강조하는 암기된 지식만을 취함에 따라 특정 주제를 다양한 관점에서 해석하여 연관 짓는 능력이나 결론을 이끌어 내는 논리적 추론(증명 등의) 능력이 결여되어 있는 것이 사실이다

이 같은 한계를 극복할 수 있는 가장 기초적인 방법은 문제 해결을 위한 체계적 방법을 고안하여 부단히 연습하는 것이라 할 수 있다

아래에 과학논술 문제 해결을 위한 단계별 접근법을 간략히 제안해 놓았는데 이를 토 로 여러분도 자신만의 해결전략을 터득하여 실전에 적용해 볼 수 있도록 하자

(1) 논제의 분석 문제에 한 정확한 이해를 위해서는 논제에 한 철저한 분석이 필요하다 논제에는 답안으로 작성해야 할 내용(논점)과 요구사항 및 조건이 제시되어 있는데 이는 채점요소에도 반영되므로 매우 중요한 과정이라 할 수 있다 특히 지칭된 과학 용어들은 추상적이며 함축적이므로 이에 한 이해 정도는 결국 논제에 숨어있는 의미(즉 출제의도)를 얼마나 정확하게 파악할 수 있느냐를 결정할 수도 있음에 유의해야 한다

(2) 제시문의 분석 제시문은 논제와 관련 있는 내용의 자료를 제시함으로써 출제 취지 및 문제해결을 위한 실마리(근거)를 파악할 수 있도록 해준다 즉 논제와 아울러 출제자의 정확한 의도를 파악할 수 있는 힌트를 제공해 준다고 여기면 될 것이다 따라서 논제와 직간접적으로 연관된 내용을 찾아 요약정리를 하고 관련 수식 및 그림 그래프 도표 등을 재해석 할 수 있는 분석력이 요구된다

(3) 해결 전략의 구상 논술은 논리적 서술이 중요하다 논리적 서술은 근거를 통해 주장의 정당성을 확보하는 과정이다 따라서 자

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신의 답안을 객관적으로 증명하기 위한 근거의 확보가 중요하다 근거는 제시문의 내용이나 자신의 배경지식을 종합하여 마련할 수 있다 아울러 올바른 추론의 과정을 통해 근거와 주장을 매끈하게 연결하는 과정도 필요하다

① 논점의 수와 그 내용이 무엇인지 확인하자(논제의 분석)② 논점에 따른 조건을 파악하자(문제 풀이에 필요한 내용 파악)③ 제시문에서 제공하는 자료나 핵심어를 확보하자(문제 풀이를 위한 힌트를 찾아라)④ 논점에 따른 자신의 답안을 한 문장으로 만들어보자(주장(또는 결론) 만들기)⑤ 주장이나 결론을 뒷받침할 만한 가능한 근거를 만들자(근거 확보)⑥ 근거와 주장을 연결하는 설명을 하자(해결 전략의 완성)

(4) 답안의 개요작성 구상한 해결 전략을 설계하는 과정 또는 추론의 과정을 개략적으로 작성하는 것이 개요작성이다 간단히 정리하면 먼저 논점의 내용과 수를 확인하고 그 간의 유기적 연계성을 고려하여 순서를 정한 후 자신이 구상한 해법(근거와 주장)을 논점별로 정리하는 것이다

(5) 답안 쓰기 및 퇴고 개요에 따라서 답안을 쓰고 최종적으로 답안을 수정하는 과정이다

자 그러면 위의 해결전략을 참조하여 수능 화학과 연관성이 깊은 논술 예시문제를 풀어보도록 하자

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5 수능 화학으로 화학논술 따라잡기

(1) 수능 문항으로 감(感) 잡기 ldquo열화학 반응식과 자유에너지 변화rdquo

다음은 반응 (가)~(다)의 열화학 반응식이다가 NOg rarr NOg kJ나 Ng Hg rarr NHg kJ다 SOg Og rarr SOg kJ

그림은 온도()에 따른 반응 (가)~(다)의 자유 에너지 변화()를 나타낸 것이다

이에 한 설명으로 옳은 것만을 lt보기gt에서 있는 로 고르시오 (2014학년도 수능 화학Ⅱ 18번)

보 기ㄱ A는 (나)에 해당한다ㄴ B에서 ≻일 때 ≻ 이다ㄷ (가)에서 ≻ 이다

① ㄱ ② ㄴ ③ ㄱ ㄴ ④ ㄱ ㄷ ⑤ ㄴ ㄷ

[정답] ④[해설](가)에서 계≻이고 (나)는 계≺ (다)도 계≺이다ㄱ (나)와 (다)는 온도 상승에 따라 가 증가하는 반응이므로 (가)와 C를 짝지을 수 있다 A와 B는 연장선이 축과 만나는 점에서 이므로 (나)와 A (다)와 B를 짝지을 수 있다ㄴ B에서 ≻일 때 ≻ 이므로 ≻이다 그런데 와 모두 음의 값이므로 ≺ 이다ㄷ (가)는 C이므로 연장선과 축이 만나는 점의 ≻ 이다

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(2) 논술 문항 따라잡기

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오 (2013학년도 고려 기출 응용)

lt가gt 엔트로피()는 계(system)의 무질서도와 밀접한 관계를 가지며 무질서도가 증가하는 계의 엔트로피의 변화()는 양의 값을 갖는다 오존(O)이 산소분자(O)와 산소라디칼(O )로 분해되는 반응은 엔트로피가 증가하는 전형적인 예이다 또한 일반적으로 같은 몰수의 고체 액체 기체 순으로 물질의 엔트로피 값이 증가한다

lt나gt 엔탈피()는 분자 내에서 원자 간에 작용하는 결합력과 밀접한 관계가 있다 원자간 결합력이 약한 분자들이 원자간 결합력이 강한 분자들로 변하는 화학반응을 발열반응이라 부르며 발열반응의 엔탈피 변화()는 음의 값을 가진다

lt다gt 화학 반응의 자발성은 반응의 자유에너지 변화()의 부호로 판단할 수 있다 자유에너지의 변화()는 엔탈피의 변화() 엔트로피의 변화() 온도()에 의하여 결정되며 그 관계는 로 표현된다 일반적으로 와 는 온도의 변화에 큰 영향을 받지 않으므로 임의의 온도 에서 값을 구할 때 표준상태( 1기압)에서 측정한 와 로 체해서 사용하면 된다 자발적인 반응은 음의 값을 가지며 계의 자유에너지가 최솟값을 가지게 되면 () 그 계는 정반응의 속도와 역반응의 속도가 동일한 화학평형 상태에 도달하게 된다

상온에서 철이 녹스는 과정(Fe O rarr FeO)은 자발적인

발열반응이다 그러나 아주 고온에서는 이 반응의 역반응이 일어나게 되어 제철소의 용광로에서 산화철로부터 순수한 철을 얻을 수 있다 이 반응의 자유에너지의 변화를 아래 그래프에 표시하였다

lt라gt 화학평형의 정반응과 역반응간의 상 적인 우세는 화학평형상수()에 의해 결정되며 가 1보다 월등히 크면 정반응이 우세하고 그 반 의 경우 역반응이 우세하다 표준상태( 1기압)의 화학평형상수는 ln의 관계식에 의해 얻을 수 있다(은 표준상태에서 측정한 수치 은 양의 값을 가지는 기체상수)

[논 제] 다음의 화학반응식에서 질소와 수소가 반응하여 암모니아를 형성하는 반응은 발열반응이고 상온에서의 화학평형상수 값은 1보다 아주 큰 값을 갖는다

Ng Hg NHg 제시문을 이용하여 이 반응의 와 온도()의 관계를 오른쪽 그래프의 형태를 이용하여 도시하고 도시 과정을 설명하시오 또한 반응온도 K의 화학평형상수 과 반응온도 K에서의 화학평형상수 를 과 을 이용하여 표현하고 과 의 상 적인 크기에

해 비교 설명하시오

[그림 1]

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(3) 예시답안으로 확인하기

주어진 암모니아 합성 반응은 발열반응이다 따라서 엔탈피 변화는 이다 또한 기체의 몰수가 감소하는 반응이므로 엔트로피의 변화는 가 된다 따라서 제시문에 주어진 식 에서 온도가 특정 온도보다 낮을 경우 일 것이고 온도가 특정 온도보다 높을 경우 가 될 것이다 또한 와 는 온도의 변화에 큰 영향을 받지 않는다 했으므로 상수로 취급하면 그래프는 아래와 같은 1차 함수의 형태를 이룰 것이다

위 그래프에서 평형이 되는 온도는 일 때의 온도이므로 에서 평형온도 이

된다 한편 그래프에서 는 절편에 해당하고(에서 일 때의 값) ( )는 기울기가 된다

한편 ln 에서 ln

이고

이다따라서

이다또한

ln ln ln

≺ ∵≺

이므로 이다 그 이유는 암모니아 합성반응이 발열반응이므로 온도가 증가할 경우 역반응(흡열반응)이 정반응에 비해 우세해지기 때문이다

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6 수능 비문학 지문으로 화학논술 따라잡기

(1) 수능 문항으로 감(感) 잡기

[16～18] 다음 글을 읽고 물음에 답하시오 (2014학년도 수능 국어A)

19세기 중반 화학자 분젠은 불꽃 반응에서 나타나는 물질 고유의 불꽃색에 한 연구를 진행하고 있었다 그는 버너 불꽃의 색을 제거한 개선된 버너를 고안함으로써 물질의 불꽃색을 더 잘 구별할 수 있도록 하였다 하지만 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질의 불꽃은 색깔이 겹쳐서 분간이 어려웠다 이에 물리학자 키르히호프는 프리즘을 통한 분석을 제안했고 둘은 협력하여 불꽃의 색을 분리시키는 분광 분석법을 창안했다 이것은 과학사에 길이 남을 업적으로 이어졌다

그들은 불꽃 반응에서 나오는 빛을 프리즘에 통과시켜 띠 모양으로 분산시킨 후 망원경을 통해 이를 들여다보는 방식으로 실험을 진행하였다 빛이 띠 모양으로 분산되는 것은 빛이 파장이 짧을수록 굴절하는 각이 커지기 때문이다 이 방법을 통해 그들은 알칼리 금속과 알칼리 토금속의 스펙트럼을 체계적으로 조사하여 그것들을 함유한 화합물들을 찾아내었다 이 과정에서 그들은 특정한 금속의 스펙트럼에서 띄엄띄엄 떨어진 밝은 선의 위치는 그 금속이 홑원소로 존재하든 다른 원소와 결합하여 존재하든 불꽃의 온도에 상관없이 항상 같다는 결론에 도달하였다 이로써 화학 반응을 이용하는 전통적인 분석 화학의 방법에 의존하지 않고도 정확하게 화합물의 원소를 판별해 내는 분광 분석법이 탄생하였다 이 방법의 유효성은 그들이 새로운 금속 원소인 세슘과 루비듐을 발견함으로써 입증되었다

1859년 키르히호프는 이 방법을 천문학 분야로까지 확장하였다 그는 불꽃 반응 실험에서 관찰한 나트륨 스펙트럼의 두 개의 인접한 밝은 선과 1810년 프라운호퍼가 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼에서 발견한 검은 선들을 비교하는 과정에서 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 나타나는 원인을 설명할 수 있었다 그는 태양빛의 스펙트럼의 검은 선들 중에서 프라운호퍼의 D선이 나트륨 고유의 밝은 선들과 같은 파장에서 겹쳐지는 것을 확인하고 D선은 태양에서 비교적 차가운 부분인 태양 기 중에 존재하는 나트륨 때문에 생긴다고 해석했다 이것은 태양 기 중의 나트륨이 태양의 더 뜨거운 부분에서 나오는 빛 가운데 D선에 해당하는 파장의 빛들을 흡수하기 때문이다 태양빛의 스펙트럼을 보면 D선 이외에도 차가운 태양 기 중의 특정 원소에 의해 흡수된 빛의 파장 위치에 검은 선들이 나타난다 이 검은 선들은 그 특정 원소가 불꽃 반응에서 나타내는 스펙트럼 상의 밝은 선들과 나타나는 위치가 동일하다

이후 이러한 원리의 적용을 통해 철과 헬륨 같은 다른 원소들도 태양 기 중에 존재함을 밝혀졌으며 다른 항성을 연구하는 데도 같은 원리가 적용되었다 이를 두고 동료 과학자들은 물리학 화학 천문학에 모두 적용될 수 있는 분광 분석법이 천체 기의 화학적 조성을 밝혀냄으로써 우주의 통일성을 드러내었고 우주의 모든 곳에 존재하는 자연의 원리를 인식하게 하는 데 공헌했다고 평가했다

16 윗글을 바탕으로 할 때 의 업적으로 볼 수 있는 것은① 화학 반응을 이용하는 분석 화학 방법을 확립하였다② 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 존재함을 알아내었다③ 물질을 불꽃에 넣으면 독특한 불꽃색이 나타나는 것을 발견하였다④ 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼을 얻는 방법을 창안하였다⑤ 천체에 가지 않고도 그 기에 존재하는 원소에 관한 정보를 얻을 수 있는 길이 열렸다

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[핵심 정보의 파악] ⑤의 키르히호프는 분광 분석법을 통해 태양 기 중에 존재하는 특정 원소의 존재를 파악할 수 있는 길을 열었다(셋째 문단) 이후 이러한 분광 분석법을 동료 과학자들이 적용하여 천체 기의 화학적 조성을 밝히는 데 공헌했다(넷째 문단) 결국 키르히호프의 분광 분석법은 천체에 가지 않고도 그 기에 존재하는 원소에 관한 정보를 얻을 수 있는 길을 열었다고 볼 수 있다[해설]① 키르히호프는 화학 반응을 이용하는 전통적인 분석 화학의 방법에 의존하지 않고도 정확하게 화합물의 원소를 판별해 내는 분광 분석법을 창안했다(둘째 문단)② 프라운호퍼가 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 존재함을 알아내었다(셋째 문단)③ 물질을 불꽃에 넣으면 독특한 불꽃색이 나타나는 불꽃 반응은 키르히호프 이전에 이미 발견되었으며 이에

한 연구가 진행되고 있었다(첫째 문단)④ 프리즘을 통과시켜 태양빛의 스펙트럼을 얻는 방법은 이미 1810년 프라운호퍼가 창안하였다(셋째 문단)

17 윗글을 이해한 내용으로 가장 적절한 것은① 루비듐의 존재는 분광 분석법이 출현하기 전에 확인되었다② 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 빛의 파장이 길수록 굴절하는 각이 커진다③ 금속 원소 스펙트럼의 밝은 선의 위치는 불꽃의 온도를 높여도 변하지 않는다④ 철이 태양 기에 존재한다는 사실은 나트륨이 태양 기에 존재한다는 사실보다 먼저 밝혀졌다⑤ 분젠은 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질에서 나오는 각각의 불꽃색이 겹치는 현상을 막아 주는 버너를 고안하였다

[세부 정보의 확인] ③분젠과 키르히호프의 실험 과정에서 특정한 금속의 스펙트럼에서 밝은 선의 위치는 그 금속이 홑원소로 존재하든 다른 원소와 결합하여 존재하든 불꽃의 온도에 상관없이 항상 같다는 결론에 도달하였다고 제시되어 있다(둘째 문단) 따라서 금속 원소 스펙트럼의 밝은 선의 위치는 불꽃의 온도를 높여도 변하지 않는다고 할 수 있다[해설]① 분젠과 키리히호프가 분광 분석법을 통해서 새로운 금속 원소인 세슘과 루비듐을 발견함으로써 방법의 유효성을 입증했다고 제시되어 있다 결국 루비듐의 존재는 분광 분석법이 출현함으로써 확인되었다고 볼 수 있다(둘째 문단)② 빛 파장이 짧을수록 굴절하는 각이 커지기 때문에 빛이 띠 모양으로 분산된다고 제시되어 있다 역으로 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 빛의 파장이 길수록 굴절하는 각은 작아진다고 할 수 있다(둘째 문단)④ 분광 분석법을 통해 나트륨이 태양 기에 존재한다는 사실이 밝혀진 뒤 이러한 원리의 적용을 통해 철과 헬륨 같은 다른 원소들도 태양 기 중에 존재함이 밝혀졌다고 설명하고 있다(셋째 넷째 문단)⑤ 분젠이 개선된 버너를 고안했지만 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질의 불꽃은 색깔이 겹쳐서 분간이 어려웠다고 제시되어 있다(첫째 문단) 분젠이 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질에서 나오는 각각의 불꽃색이 겹치는 현상을 막아 주는 버너를 고안했다고 이해하는 것은 적절하지 않다

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18 윗글을 바탕으로 lt보기gt를 해석한 내용으로 적절하지 않은 것은 [3점]

lt보 기gt우리 은하의 어떤 항성 α와 β의 별빛 스펙트럼을 살펴보니 많은 검은 선들을 볼 수 있었다 이것들을 나트륨 리

튬의 스펙트럼의 밝은 선들과 비교했을 때 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 β의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 α의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다 리튬 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 α의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 β의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다

① 항성 α는 태양이 아니겠군② 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있겠군③ 항성 β에는 리튬이 존재하지 않겠군④ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 없겠군⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있겠군

[사례에의 적용] ④

태양빛의 스펙트럼의 검은 선들 중에서 프라운호퍼의 D선이 나트륨 고유의 밝은 선들과 같은 파장에서 겹쳐지는 것은 나트륨이 D선에 해당하는 파장의 빛들을 흡수하기 때문이라고 제시되어 있다(셋째 문단) 이를 바탕으로 lt보기gt를 해석하면 lt보기gt에서 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 하였으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 있다고 판단할 수 있다[해설]① 나트륨 스펙트럼이 항성 α의 검은 선들과 겹쳐지지 않았으므로 항성 α에는 태양 기성분인 나트륨이 존재하지 않는다고 판단할 수 있다 따라서 항성 α는 태양이 아니다② 항성 α의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 했으므로 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있을 것으로 판단할 수 있다③ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐지지 않았다고 했으므로 항성 β에는 리튬이 존재하지 않는다 왜냐하면 특정 원소에 의해 흡수된 빛의 파장 위치에 검은 선들은 그 특정 원소가 불꽃 반응에서 나타내는 스펙트럼 상의 밝은 선들과 나타나는 위치가 동일하기 때문이다⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐진다고 했으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛(나트륨)이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있을 것으로 이해할 수 있다

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(2) 논술 문항 따라잡기

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오 (2010학년도 서울 기출문제 응용)

lt가gt 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있다 원자 안에서 전자는 다음의 특성을 갖는다 ① 전자의 에너지 상태는 불연속적인 특정한 값만을 갖는다 이 값들은 각 원소마다 독특하다 ② 낮은 에너지 상태에 있는 전자가 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이 값만큼의 에

너지를 흡수하여야 한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 전자가 낮은 에너지 상태로 내려올 때는 해당 크기의 에너지를 방출한다

백열등처럼 연속 스펙트럼을 가진 빛을 네온 기체에 통과시키면 네온 원자의 전자 에너지 상태에 따라 특정 위치에서 검은 선들이 나타나는 흡수 스펙트럼(그림 1)이 얻어진다

파장(nm)

[그림 1] 네온 기체의 흡수 선 스펙트럼 (nm timesm )

lt나gt 분자는 원자들이 결합하여 만들어진다 분자내의 원자들이 움직이는 진동운동은 다음과 같은 특성을 갖는다 ① 분자의 진동 에너지는 불연속적인 특정한 값들을 갖는다 이 값들은 각 분자마다 독특하다 ② 분자의 진동 운동이 낮은 에너지 상태에서 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이만큼

에너지를 흡수한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 진동 운동은 에너지를 방출하며 낮은 에너지 상태로 내려간다

lt다gt 물질의 열에너지는 입자의 운동 분자의 내부 진동 원자의 전자 에너지 등 다양한 에너지의 합으로 나타낼 수 있다 절 온도 에서 열에너지는 략 만큼의 값을 갖는다(는 볼츠만 상수로 timesJK이다) 분자의 진동 에너지는 100kJmol이하의 값이며 적외선 영역(파장 m이상)에 해당한다 원자 내의 전자 에너지는 이 보다 큰 값을 가지며 가시광선nmsimnm 또는 자외선 영역에 해당하고 원자핵 내 핵자들의 결합에너지는 이 보다 백만 배 이상 크다

lt라gt 천체 망원경 기술의 발전에 힘입어 별 빛의 스펙트럼을 분석하는 분광 분석적 천체관측이 가능하게 되었다 관측 스펙트럼 영역도 가시광선뿐 아니라 자외선 및 적외선 영역까지 확장되었으며 최근에는 지구 기의 영향을 없애기 위해 인공위성에 탑재시킨 천체 망원경을 주로 사용하고 있다 다음의 [그림 2]는 어느 별과 지구 사이에 존재하는 성간 구름 영역을 통과하여 지구에 도달하는 별빛 스펙트럼을 나타낸 것으로 적외선 영역에서 다양한 흡수 봉우리들이 관찰됨을 알 수 있다

[그림 2]

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[논제 1] 제시문 lt라gt의 별빛 스펙트럼(그림 2)에 근거하여 성간 구름에 물 분자가 존재할 가능성에 해 논하시오 참고자료 OH 작용기의 진동 운동에너지에 해당하는 빛의 파장은 다음과 같이 계산된다 여기서 는 빛의 파장 H는 수소원자의 질량timeskg을 의미한다

timesmtimesHkg

[논제 2] 제시문 lt라gt의 별빛의 스펙트럼에는 적외선을 포함하는 연속 스펙트럼 위에 가시광선과 자외선 영역에 해당하는 검은 흡수선들도 발견되었다 만약 별빛이 성간 구름 영역을 거치지 않고 직접 지구로 도달하는 경우에는 [그림 2]와 같은 적외선 영역의 흡수 봉우리들은 관찰되지 않는다고 한다 이로부터 별의 기와 성간 구름에 존재하는 물질들이 어떻게 다른지를 유추하고 그러한 물질 조성의 차이가 나타나는 이유를 두 환경의 온도 효과로 설명하시오

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(3) 예시답안으로 확인하기

[논제 1]

[논제 2]

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기체 법칙의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

이탈리아의 과학자 토리첼리가 수은 기압계를 이용하여 기의 압력을 처음 측정하였다고 알려져 있다 수은을 가득 채운 유리관을 거꾸로 세우면 그림 (1) 과 같이 수은기둥이 내려오다가 유리관 안을 채운 수은이 내리 누르는 무게 (힘) 이 외부의 공기가 내리 누르는 힘 (공기의 압력) 과 같아지는 위치에서 평형을 이루게 된다 이 때 유리관 안의 빈 공간은 진공 상태가 된다 이 실험을 통해 기압은 수은기둥의 높이가 76 cm일 때의 압력과 같다는 것을 알 수 있다

그림 (1) 토리첼리의 수은 기압계

그림 (2) 보일의 J 관

영국의 과학자 보일은 J 자 모양의 유리관을 사용한 실험을 통해 ldquo일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피() 는 기체에 작용하는 압력 () 에 반비례한다rdquo 는 사실을 알아내었는데 이를 보일의 법칙이라고 한다 보일의 법칙을 기체 분자 운동론의 관점에서 생각해보면 일정한 온도를 유지하면서 기체의 부피를 줄이는 경우 일정 시간 동안 단위 면적에 부딪치는 기체 분자의 수가 많아져서 결국 해당 기체의 압력이 높아진다는 것이다 보일의 J 관을 사용하여 기체의 압력을 측정할 때는 기압을 고려해야 한다 예를 들어 어떤 기체가 그림 (2) 와 같이 평형을 이루고 있다면 이 기체의 압력은 2 기압이 된다 왜냐하면 수은기둥 76 cm 에 해당하는 1 기압이 원래 기압 1 기압에 더해져서 유리관 내 기체 압력과 평형을 이루고 있기 때문이다 프랑스의 과학자 샤를은 ldquo일정한 압력에서 기체의 부피는 그 종류에 관계없이 온도가 1 높아질 때마다

0 때 부피의 만큼씩 증가한다rdquo 는 사실을 알아냈다 이것을 샤를의 법칙이라고 한다

이상의 내용을 종합하여 기체의 압력 온도 부피 사이의 상관관계를 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다

(상수) (단 는 섭씨온도())

[논 제] 다음의 그림 (3) 과 그림 (4) 에서 기압은 1기압이고 유리관 내부 기체는 같은 종류이며 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 만족한다 J 관에서 기체의 유출은 없으며 J 관의 단면적은 모든 부분에서 일정하다고 가정하자 아래의 문제 (i) (ii) 에서 기체를 제외한 나머지 부분의 온도 변화 열팽창 및 열전도는 고려하지 않는다

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 1 기체 분자운동론과 법칙

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(i) 그림 (3) 에서 유리관 내부 기체의 온도는 0 이고 압력은 벽면과의 마찰이 없는 피스톤에 의해 외부압력 (기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 온도를 증가시켰을 때 왜 부피가 변하였는지를 기체 분자 운동론의 관점에서 설명하시오 (단 피스톤의 자체 질량은 무시한다)

(ii) 그림 (4) 에서 수은이 채워진 관 내부 기체의 온도는 0 이고 기체가 들어있는 부분의 처음 높이는 76 cm 이다 기체의 압력은 외부압력 ( 기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 (i) 에서 구한 온도와 차이가 있을 경우 그 이유에 해 설명하시오

그림 (3)

그림 (4)

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이상기체 vs 실제기체2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 과학자들은 기체의 물리적인 성질과 기체 분자의 움직임을 설명하기 위하여 기체 분자 운동론을 제시하였다 기체 분자 운동론은 다음의 몇 가지 가정에 기반을 두고 있다

1 기체는 분자의 크기에 비하여 멀리 떨어져 있으며 기체 분자의 부피는 전체 부피에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다 2 기체 분자끼리 또는 기체 분자와 그릇의 벽에 한 충돌은 완전 탄성 충돌이다 완전 탄성 충돌은 에너지의 손실이 없다 3 기체 분자들은 무질서하게 빠른 속도로 끊임없이 직선 운동을 한다 4 기체 분자 사이의 인력이나 반발력은 작용하지 않는다 5 기체 분자의 평균 운동 에너지는 절 온도에 비례한다

기체 분자 운동론은 이상 기체에 한하여 적용될 수 있다 이상 기체는 실제로 존재하지 않으나 부분의 기체는 온도가 높고 압력이 낮으면 거의 이상 기체처럼 행동한다

lt나gt 고체나 액체와 달리 서로 다른 기체는 그들의 화학적 구성과 관계없이 매우 유사한 물리적 거동을 나타낸다 예를 들면 기체 헬륨과 플루오르는 화학적 특성이 매우 다르지만 부분의 물리적 거동은 거의 동일하다 1600년 후반에 많은 관찰을 통해 기체의 물리적 성질을 네 가지 변수 즉 압력() 온도() 부피() 몰수()로 규정할 수 있다고 제시했다 이러한 네 가지 변수 사이의 특정한 관계를 기체 법칙이라 하고 이러한 법칙을 정확히 따르는 기체를 이상 기체라고 한다 이들 기체 법칙에는 보일의 법칙 샤를의 법칙 그리고 아보가드로의 법칙 등이 있고 이 세 법칙을 하나의 식으로 묶어서 다음과 같은 이상 기체 상태 방정식을 얻어낼 수가 있다

(은 상수) 실험에 의하면 모든 기체는 0(=273K) 1기압에서 224L의 부피 중에 1몰의 분자를 포함한다는 것이 알려져 있으므로 이 결과를 이용하면 상수 ≒ Lㆍ기압몰ㆍK의 값을 얻을 수가 있고 이 값을 기체상수라 한다

[논제 1] 보일이 보일의 법칙을 발견한지 백년이 더 지난 18세기말 게이뤼삭은 0에서 100로 온도를 상승시키자 공기 수소 산소 질소 등 기체의 종류에 상관없이 부피가 모두 375 증가함을 관찰하였다 그의 실험 결과로부터 절 온도를 구해보고 오늘날 우리가 사용하는 값과 비교하여 보시오

[논제 2] 일반 마취제로 산소와 함께 사용하는 사이클로프로페인은 고리 모양의 화합물로서 분자식은 CH이다 Ar은 비활성 기체로서 원자량이 사이클로프로페인의 분자량과 유사하다 실온에서 약간 높은 압력 조건 하에 사이클로프로페인과 Ar 중 어느 것이 이상기체의 거동으로부터 더 멀어질지 기체 입자 자체의 부피와 기체 입자간 인력을 고려하여 예측하고 그 이유를 설명하시오

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[논제 3] 질소 기체 분자 사이의 거리와 인력 및 반발력에 따른 에너지 간의 관계는 아래 그래프와 같이 나타난다(단 질소 분자의 평균반경은 약 nm이다) 이를 이용해 0에서 1몰의 질소 기체에 해 (압력)에 따른 의 관계를 아래 주어진 그래프 로 답안지에 옮겨 그려 보고 왜 그렇게 그렸는지 구체적으로 설명하시오

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분자 간 상호작용의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 분자들 사이에 작용하는 힘에는 쌍극자-쌍극자 힘 분산력(반 데르 발스 힘)과 수소 결합이 있다 쌍극자-쌍극자 힘이란 서로 근접한 극성 분자들이 갖고 있는 부분전하 사이에 작용하는 정전기적 인력을 말하며 공유결합 분자들 중 전기 음성도 차이에 의한 쌍극자 모멘트가 있는 극성 분자들 사이에 형성된다 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자의 경우에는 일시적으로 분자 내의 전자가 한쪽으로 쏠리면서 전자 분포가 치우쳐 편극이 되면 순간적으로 쌍극자가 형성될 수 있다 이때 순간 쌍극자는 이웃한 분자의 전자 분포에 영향을 미쳐 또 다른 순간 쌍극자를 유발하게 된다 이 두 순간 쌍극자 사이에 작용하는 정전기적 인력을 분산력(반 데르 발스 힘)이라고 하며 분자량이 클수록 분산력이 커지게 된다 수소 결합이란 전기 음성도가 큰 원자에 결합된 수소 원자와 전기음성도가 큰 다른 원자에 있는 비공유 전자쌍 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨 이루어지는 결합이다

[논제 1] lt그림 1gt은 수소화합물들의 끓는점이 각 원소들의 원자 주기에 따라 차이가 있음을 나타내고 있다 다음의 각 문항에 답하시오

lt그림 1gt 14족과 17족 원소들로 이루어진 수소화합물의 끓는점

(1) 14족과 17족 원소들이 이루는 수소화합물의 끓는점 차이를 논리적으로 설명하시오

(2) 14족 수소화합물들의 끓는점이 주기의 증가에 따라 점차 증가하는 이유를 설명하시오

(3) 17족 수소화합물들의 끓는점이 2주기 수소화합물의 경우가 상 적으로 높은 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 2 분자 간 상호작용

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[논제 2] lt그림 2gt에는 2주기 원소들이 만드는 다양한 수소화합물의 끓는점이 각 원소의 전기음성도에 따라 표기되어 있다 이를 보면 HO의 끓는점은 NH 혹은 HF에 비해 상 적으로 높음을 알 수 있다 그 이유를 제시문을 근거로 설명하시오

lt그림 2gt 2주기 원소로 이루어진 수소화합물의 끓는점

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수소결합의 이해와 적용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 수소 결합은 N(질소) O (산소) F (플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고 융해열과 기화열이 크다 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로 화학결합과는 다르며 다른 종류의 분자 간 인력 보다 훨씬 강해 수소결합 이라고 부르는데 원자들의 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다

[논제 1] 아세트산(CHCOOH)의 분자량은 gmol이다 아세트산의 분자량을 측정하기 위해 벤젠과 같은 무극성 용매에 녹여 분자량을 측정하였더니 예상했던 분자량 60의 2배인 120으로 측정되었다고 한다 그 이유를 제시문에 근거하여 설명하시오

[논제 2] 분자식이 CHO로 동일한 두 화합물 A B는 모두 물에 잘 용해되는데 이 중 하나는 상온에서 기체이고 다른 하나는 상온에서 액체로 존재한다 두 화합물의 구조식을 이용하여 물에 한 용해도가 공통적으로 높은 이유와 끓는점이 서로 다른 이유에 해 각각 논하시오

[논제 3] 멜라민(melamine CNH)은 세 분자의 시안아마이드(CNH)가 결합한 삼중화합체(trimer)이다 2008년에 이 분자가 다량 포함된 분유를 섭취한 유아에게 심각한 부작용이 나타나 세계적인 문제가 된 적이 있다 이 멜라민은 벤젠 화합물과 유사한 형태의 6각 고리형 골격을 기반으로 한 칭성이 좋은 분자이다 이 멜라민은 시아노유릭산(cyanouric acid)과 체내에서 만나 분자 간 결합을 통해 노란색의 멜라민 시아노유레이트(melamine cyanourate) 결정이 된다 이 결정의 형성으로 신장결석이 진행된다 위의 설명을 참고하여 멜라민과 시아노유릭산이 가장 강한 분자 간 결합을 형성한 구조를 제시하여라 멜라민과 시아노유릭산의 분자 간 결합에서 어떤 종류의 분자간 힘이 주로 작용하겠는가 멜라민과 시아노유릭산의 구조는 순서 로 아래와 같다

[멜라민의 구조]

[시아노유릭산의 구조]

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결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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3 2016학년도 대학별 수시 논술고사 유형

논술유형 해당 학

수리

비선택 일반형 과학 단국 동국 숭실

선택 교과형 과학

건국 물화생 3개 중 택1 모집단위별 과목 지정 유의경북 물화생지 4개 중 택2경희 물화생 3개 중 택1고려 물화생지 2 or 3개 중 택1 모집단위별 과목 지정 유의성균관 물화생 ⅠⅡ 6개 중 택2성균관 _과학인재 물화생 3개 중 택1연세 물화생지 4개 중 택1연세 (원주) 의예 물화생지 4개 중 택1중앙 물화생 3개 중 택1

인문 숙명여 (과학 지문 포함) 한국항공 (이학)

의학 울산 의예(의학논술 영어지문 포함 可)

(+과학) 의학 가톨릭 의예(수리과학통합 보건의료과학)

자료해석형 과학 서울여

수리+과학 통합 가톨릭 한국항공 (공학) 홍익

수리(단독형)광운 덕성여 부산 서강 서울과기 서울시립 세종 아주 연세 (원주) 이화여 인하 한양

[표3 2016학년도 학별 논술고사의 유형별 분류]

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4 과학논술의 해결전략 (단계별 접근법)

논술은 비판적 사고와 창의적 문제해결능력을 기반으로 한 논리적 글쓰기(서술하기)이다 최근의 학별 논술고사는 본연의 목적과 취지를 거스르며 교과과정을 벗어난 범위에서 출제하거나 혹은 풀이 과정과 정답이 어느 정도 정해져 있는 본고사 형식의 답안을 요구하는 문항으로 일정 부분 변질된 것이 사실이다 그럼에도 불구하고 정형화 된 틀을 갖춘 학들은 여전히 수리ㆍ과학적 개념 및 원리 그 자체가 아닌 그를 활용한 문제해결능력을 평가하는데 주안점을 두고 있으며 나아가 논거의 적합성이나 추론과정의 타당성을 평가하는데 무게를 싣고 있다 그렇다면 논술문항을 도 체 어떻게 비판적으로 읽고 창의적으로 문제를 해결하며 논리적으로 서술할 것인가 물론 어렵다 그러나 답은 의외로 간단할 지도 모른다 거꾸로 추정해보자

보통 논술 문제를 어렵게 여기는 이유는 다음 세 가지 중 하나 이상이 잘 안 될 경우이다

그 첫 번째는 논제 분석이 안 되는 경우이다 이 경우는 논제와 제시문에 한 독해력이 떨어져 논점이나 요구사항 그리고 힌트로 주어진 제시자료를 정확히 구별하지 못한다거나 몇몇 지시어의 개념이나 의미를 이해하지 못하여 벌어진 결과이다

두 번째는 교과 배경지식의 부족에 의한 것인데 문제를 해결하기 위해 필요한 지식의 개념이 없거나 모호하여 답안으로 이끌어내지 못하는 경우이다 이러한 경우 제시문과 논제의 핵심용어나 내용을 이해하지 못할 수 있으며 이해되더라도 답안을 구상하는 데 있어 지식의 한계를 느끼게 된다

끝으로 추론 능력의 부족을 지적할 수 있다 개개의 과목별 수업을 통해 공부해온 우리 학생들은 교과별로 배운 내용을 통합하는 능력이 매우 취약하다 더불어 결과만을 강조하는 암기된 지식만을 취함에 따라 특정 주제를 다양한 관점에서 해석하여 연관 짓는 능력이나 결론을 이끌어 내는 논리적 추론(증명 등의) 능력이 결여되어 있는 것이 사실이다

이 같은 한계를 극복할 수 있는 가장 기초적인 방법은 문제 해결을 위한 체계적 방법을 고안하여 부단히 연습하는 것이라 할 수 있다

아래에 과학논술 문제 해결을 위한 단계별 접근법을 간략히 제안해 놓았는데 이를 토 로 여러분도 자신만의 해결전략을 터득하여 실전에 적용해 볼 수 있도록 하자

(1) 논제의 분석 문제에 한 정확한 이해를 위해서는 논제에 한 철저한 분석이 필요하다 논제에는 답안으로 작성해야 할 내용(논점)과 요구사항 및 조건이 제시되어 있는데 이는 채점요소에도 반영되므로 매우 중요한 과정이라 할 수 있다 특히 지칭된 과학 용어들은 추상적이며 함축적이므로 이에 한 이해 정도는 결국 논제에 숨어있는 의미(즉 출제의도)를 얼마나 정확하게 파악할 수 있느냐를 결정할 수도 있음에 유의해야 한다

(2) 제시문의 분석 제시문은 논제와 관련 있는 내용의 자료를 제시함으로써 출제 취지 및 문제해결을 위한 실마리(근거)를 파악할 수 있도록 해준다 즉 논제와 아울러 출제자의 정확한 의도를 파악할 수 있는 힌트를 제공해 준다고 여기면 될 것이다 따라서 논제와 직간접적으로 연관된 내용을 찾아 요약정리를 하고 관련 수식 및 그림 그래프 도표 등을 재해석 할 수 있는 분석력이 요구된다

(3) 해결 전략의 구상 논술은 논리적 서술이 중요하다 논리적 서술은 근거를 통해 주장의 정당성을 확보하는 과정이다 따라서 자

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신의 답안을 객관적으로 증명하기 위한 근거의 확보가 중요하다 근거는 제시문의 내용이나 자신의 배경지식을 종합하여 마련할 수 있다 아울러 올바른 추론의 과정을 통해 근거와 주장을 매끈하게 연결하는 과정도 필요하다

① 논점의 수와 그 내용이 무엇인지 확인하자(논제의 분석)② 논점에 따른 조건을 파악하자(문제 풀이에 필요한 내용 파악)③ 제시문에서 제공하는 자료나 핵심어를 확보하자(문제 풀이를 위한 힌트를 찾아라)④ 논점에 따른 자신의 답안을 한 문장으로 만들어보자(주장(또는 결론) 만들기)⑤ 주장이나 결론을 뒷받침할 만한 가능한 근거를 만들자(근거 확보)⑥ 근거와 주장을 연결하는 설명을 하자(해결 전략의 완성)

(4) 답안의 개요작성 구상한 해결 전략을 설계하는 과정 또는 추론의 과정을 개략적으로 작성하는 것이 개요작성이다 간단히 정리하면 먼저 논점의 내용과 수를 확인하고 그 간의 유기적 연계성을 고려하여 순서를 정한 후 자신이 구상한 해법(근거와 주장)을 논점별로 정리하는 것이다

(5) 답안 쓰기 및 퇴고 개요에 따라서 답안을 쓰고 최종적으로 답안을 수정하는 과정이다

자 그러면 위의 해결전략을 참조하여 수능 화학과 연관성이 깊은 논술 예시문제를 풀어보도록 하자

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5 수능 화학으로 화학논술 따라잡기

(1) 수능 문항으로 감(感) 잡기 ldquo열화학 반응식과 자유에너지 변화rdquo

다음은 반응 (가)~(다)의 열화학 반응식이다가 NOg rarr NOg kJ나 Ng Hg rarr NHg kJ다 SOg Og rarr SOg kJ

그림은 온도()에 따른 반응 (가)~(다)의 자유 에너지 변화()를 나타낸 것이다

이에 한 설명으로 옳은 것만을 lt보기gt에서 있는 로 고르시오 (2014학년도 수능 화학Ⅱ 18번)

보 기ㄱ A는 (나)에 해당한다ㄴ B에서 ≻일 때 ≻ 이다ㄷ (가)에서 ≻ 이다

① ㄱ ② ㄴ ③ ㄱ ㄴ ④ ㄱ ㄷ ⑤ ㄴ ㄷ

[정답] ④[해설](가)에서 계≻이고 (나)는 계≺ (다)도 계≺이다ㄱ (나)와 (다)는 온도 상승에 따라 가 증가하는 반응이므로 (가)와 C를 짝지을 수 있다 A와 B는 연장선이 축과 만나는 점에서 이므로 (나)와 A (다)와 B를 짝지을 수 있다ㄴ B에서 ≻일 때 ≻ 이므로 ≻이다 그런데 와 모두 음의 값이므로 ≺ 이다ㄷ (가)는 C이므로 연장선과 축이 만나는 점의 ≻ 이다

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(2) 논술 문항 따라잡기

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오 (2013학년도 고려 기출 응용)

lt가gt 엔트로피()는 계(system)의 무질서도와 밀접한 관계를 가지며 무질서도가 증가하는 계의 엔트로피의 변화()는 양의 값을 갖는다 오존(O)이 산소분자(O)와 산소라디칼(O )로 분해되는 반응은 엔트로피가 증가하는 전형적인 예이다 또한 일반적으로 같은 몰수의 고체 액체 기체 순으로 물질의 엔트로피 값이 증가한다

lt나gt 엔탈피()는 분자 내에서 원자 간에 작용하는 결합력과 밀접한 관계가 있다 원자간 결합력이 약한 분자들이 원자간 결합력이 강한 분자들로 변하는 화학반응을 발열반응이라 부르며 발열반응의 엔탈피 변화()는 음의 값을 가진다

lt다gt 화학 반응의 자발성은 반응의 자유에너지 변화()의 부호로 판단할 수 있다 자유에너지의 변화()는 엔탈피의 변화() 엔트로피의 변화() 온도()에 의하여 결정되며 그 관계는 로 표현된다 일반적으로 와 는 온도의 변화에 큰 영향을 받지 않으므로 임의의 온도 에서 값을 구할 때 표준상태( 1기압)에서 측정한 와 로 체해서 사용하면 된다 자발적인 반응은 음의 값을 가지며 계의 자유에너지가 최솟값을 가지게 되면 () 그 계는 정반응의 속도와 역반응의 속도가 동일한 화학평형 상태에 도달하게 된다

상온에서 철이 녹스는 과정(Fe O rarr FeO)은 자발적인

발열반응이다 그러나 아주 고온에서는 이 반응의 역반응이 일어나게 되어 제철소의 용광로에서 산화철로부터 순수한 철을 얻을 수 있다 이 반응의 자유에너지의 변화를 아래 그래프에 표시하였다

lt라gt 화학평형의 정반응과 역반응간의 상 적인 우세는 화학평형상수()에 의해 결정되며 가 1보다 월등히 크면 정반응이 우세하고 그 반 의 경우 역반응이 우세하다 표준상태( 1기압)의 화학평형상수는 ln의 관계식에 의해 얻을 수 있다(은 표준상태에서 측정한 수치 은 양의 값을 가지는 기체상수)

[논 제] 다음의 화학반응식에서 질소와 수소가 반응하여 암모니아를 형성하는 반응은 발열반응이고 상온에서의 화학평형상수 값은 1보다 아주 큰 값을 갖는다

Ng Hg NHg 제시문을 이용하여 이 반응의 와 온도()의 관계를 오른쪽 그래프의 형태를 이용하여 도시하고 도시 과정을 설명하시오 또한 반응온도 K의 화학평형상수 과 반응온도 K에서의 화학평형상수 를 과 을 이용하여 표현하고 과 의 상 적인 크기에

해 비교 설명하시오

[그림 1]

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(3) 예시답안으로 확인하기

주어진 암모니아 합성 반응은 발열반응이다 따라서 엔탈피 변화는 이다 또한 기체의 몰수가 감소하는 반응이므로 엔트로피의 변화는 가 된다 따라서 제시문에 주어진 식 에서 온도가 특정 온도보다 낮을 경우 일 것이고 온도가 특정 온도보다 높을 경우 가 될 것이다 또한 와 는 온도의 변화에 큰 영향을 받지 않는다 했으므로 상수로 취급하면 그래프는 아래와 같은 1차 함수의 형태를 이룰 것이다

위 그래프에서 평형이 되는 온도는 일 때의 온도이므로 에서 평형온도 이

된다 한편 그래프에서 는 절편에 해당하고(에서 일 때의 값) ( )는 기울기가 된다

한편 ln 에서 ln

이고

이다따라서

이다또한

ln ln ln

≺ ∵≺

이므로 이다 그 이유는 암모니아 합성반응이 발열반응이므로 온도가 증가할 경우 역반응(흡열반응)이 정반응에 비해 우세해지기 때문이다

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6 수능 비문학 지문으로 화학논술 따라잡기

(1) 수능 문항으로 감(感) 잡기

[16～18] 다음 글을 읽고 물음에 답하시오 (2014학년도 수능 국어A)

19세기 중반 화학자 분젠은 불꽃 반응에서 나타나는 물질 고유의 불꽃색에 한 연구를 진행하고 있었다 그는 버너 불꽃의 색을 제거한 개선된 버너를 고안함으로써 물질의 불꽃색을 더 잘 구별할 수 있도록 하였다 하지만 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질의 불꽃은 색깔이 겹쳐서 분간이 어려웠다 이에 물리학자 키르히호프는 프리즘을 통한 분석을 제안했고 둘은 협력하여 불꽃의 색을 분리시키는 분광 분석법을 창안했다 이것은 과학사에 길이 남을 업적으로 이어졌다

그들은 불꽃 반응에서 나오는 빛을 프리즘에 통과시켜 띠 모양으로 분산시킨 후 망원경을 통해 이를 들여다보는 방식으로 실험을 진행하였다 빛이 띠 모양으로 분산되는 것은 빛이 파장이 짧을수록 굴절하는 각이 커지기 때문이다 이 방법을 통해 그들은 알칼리 금속과 알칼리 토금속의 스펙트럼을 체계적으로 조사하여 그것들을 함유한 화합물들을 찾아내었다 이 과정에서 그들은 특정한 금속의 스펙트럼에서 띄엄띄엄 떨어진 밝은 선의 위치는 그 금속이 홑원소로 존재하든 다른 원소와 결합하여 존재하든 불꽃의 온도에 상관없이 항상 같다는 결론에 도달하였다 이로써 화학 반응을 이용하는 전통적인 분석 화학의 방법에 의존하지 않고도 정확하게 화합물의 원소를 판별해 내는 분광 분석법이 탄생하였다 이 방법의 유효성은 그들이 새로운 금속 원소인 세슘과 루비듐을 발견함으로써 입증되었다

1859년 키르히호프는 이 방법을 천문학 분야로까지 확장하였다 그는 불꽃 반응 실험에서 관찰한 나트륨 스펙트럼의 두 개의 인접한 밝은 선과 1810년 프라운호퍼가 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼에서 발견한 검은 선들을 비교하는 과정에서 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 나타나는 원인을 설명할 수 있었다 그는 태양빛의 스펙트럼의 검은 선들 중에서 프라운호퍼의 D선이 나트륨 고유의 밝은 선들과 같은 파장에서 겹쳐지는 것을 확인하고 D선은 태양에서 비교적 차가운 부분인 태양 기 중에 존재하는 나트륨 때문에 생긴다고 해석했다 이것은 태양 기 중의 나트륨이 태양의 더 뜨거운 부분에서 나오는 빛 가운데 D선에 해당하는 파장의 빛들을 흡수하기 때문이다 태양빛의 스펙트럼을 보면 D선 이외에도 차가운 태양 기 중의 특정 원소에 의해 흡수된 빛의 파장 위치에 검은 선들이 나타난다 이 검은 선들은 그 특정 원소가 불꽃 반응에서 나타내는 스펙트럼 상의 밝은 선들과 나타나는 위치가 동일하다

이후 이러한 원리의 적용을 통해 철과 헬륨 같은 다른 원소들도 태양 기 중에 존재함을 밝혀졌으며 다른 항성을 연구하는 데도 같은 원리가 적용되었다 이를 두고 동료 과학자들은 물리학 화학 천문학에 모두 적용될 수 있는 분광 분석법이 천체 기의 화학적 조성을 밝혀냄으로써 우주의 통일성을 드러내었고 우주의 모든 곳에 존재하는 자연의 원리를 인식하게 하는 데 공헌했다고 평가했다

16 윗글을 바탕으로 할 때 의 업적으로 볼 수 있는 것은① 화학 반응을 이용하는 분석 화학 방법을 확립하였다② 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 존재함을 알아내었다③ 물질을 불꽃에 넣으면 독특한 불꽃색이 나타나는 것을 발견하였다④ 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼을 얻는 방법을 창안하였다⑤ 천체에 가지 않고도 그 기에 존재하는 원소에 관한 정보를 얻을 수 있는 길이 열렸다

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[핵심 정보의 파악] ⑤의 키르히호프는 분광 분석법을 통해 태양 기 중에 존재하는 특정 원소의 존재를 파악할 수 있는 길을 열었다(셋째 문단) 이후 이러한 분광 분석법을 동료 과학자들이 적용하여 천체 기의 화학적 조성을 밝히는 데 공헌했다(넷째 문단) 결국 키르히호프의 분광 분석법은 천체에 가지 않고도 그 기에 존재하는 원소에 관한 정보를 얻을 수 있는 길을 열었다고 볼 수 있다[해설]① 키르히호프는 화학 반응을 이용하는 전통적인 분석 화학의 방법에 의존하지 않고도 정확하게 화합물의 원소를 판별해 내는 분광 분석법을 창안했다(둘째 문단)② 프라운호퍼가 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 존재함을 알아내었다(셋째 문단)③ 물질을 불꽃에 넣으면 독특한 불꽃색이 나타나는 불꽃 반응은 키르히호프 이전에 이미 발견되었으며 이에

한 연구가 진행되고 있었다(첫째 문단)④ 프리즘을 통과시켜 태양빛의 스펙트럼을 얻는 방법은 이미 1810년 프라운호퍼가 창안하였다(셋째 문단)

17 윗글을 이해한 내용으로 가장 적절한 것은① 루비듐의 존재는 분광 분석법이 출현하기 전에 확인되었다② 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 빛의 파장이 길수록 굴절하는 각이 커진다③ 금속 원소 스펙트럼의 밝은 선의 위치는 불꽃의 온도를 높여도 변하지 않는다④ 철이 태양 기에 존재한다는 사실은 나트륨이 태양 기에 존재한다는 사실보다 먼저 밝혀졌다⑤ 분젠은 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질에서 나오는 각각의 불꽃색이 겹치는 현상을 막아 주는 버너를 고안하였다

[세부 정보의 확인] ③분젠과 키르히호프의 실험 과정에서 특정한 금속의 스펙트럼에서 밝은 선의 위치는 그 금속이 홑원소로 존재하든 다른 원소와 결합하여 존재하든 불꽃의 온도에 상관없이 항상 같다는 결론에 도달하였다고 제시되어 있다(둘째 문단) 따라서 금속 원소 스펙트럼의 밝은 선의 위치는 불꽃의 온도를 높여도 변하지 않는다고 할 수 있다[해설]① 분젠과 키리히호프가 분광 분석법을 통해서 새로운 금속 원소인 세슘과 루비듐을 발견함으로써 방법의 유효성을 입증했다고 제시되어 있다 결국 루비듐의 존재는 분광 분석법이 출현함으로써 확인되었다고 볼 수 있다(둘째 문단)② 빛 파장이 짧을수록 굴절하는 각이 커지기 때문에 빛이 띠 모양으로 분산된다고 제시되어 있다 역으로 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 빛의 파장이 길수록 굴절하는 각은 작아진다고 할 수 있다(둘째 문단)④ 분광 분석법을 통해 나트륨이 태양 기에 존재한다는 사실이 밝혀진 뒤 이러한 원리의 적용을 통해 철과 헬륨 같은 다른 원소들도 태양 기 중에 존재함이 밝혀졌다고 설명하고 있다(셋째 넷째 문단)⑤ 분젠이 개선된 버너를 고안했지만 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질의 불꽃은 색깔이 겹쳐서 분간이 어려웠다고 제시되어 있다(첫째 문단) 분젠이 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질에서 나오는 각각의 불꽃색이 겹치는 현상을 막아 주는 버너를 고안했다고 이해하는 것은 적절하지 않다

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18 윗글을 바탕으로 lt보기gt를 해석한 내용으로 적절하지 않은 것은 [3점]

lt보 기gt우리 은하의 어떤 항성 α와 β의 별빛 스펙트럼을 살펴보니 많은 검은 선들을 볼 수 있었다 이것들을 나트륨 리

튬의 스펙트럼의 밝은 선들과 비교했을 때 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 β의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 α의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다 리튬 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 α의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 β의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다

① 항성 α는 태양이 아니겠군② 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있겠군③ 항성 β에는 리튬이 존재하지 않겠군④ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 없겠군⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있겠군

[사례에의 적용] ④

태양빛의 스펙트럼의 검은 선들 중에서 프라운호퍼의 D선이 나트륨 고유의 밝은 선들과 같은 파장에서 겹쳐지는 것은 나트륨이 D선에 해당하는 파장의 빛들을 흡수하기 때문이라고 제시되어 있다(셋째 문단) 이를 바탕으로 lt보기gt를 해석하면 lt보기gt에서 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 하였으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 있다고 판단할 수 있다[해설]① 나트륨 스펙트럼이 항성 α의 검은 선들과 겹쳐지지 않았으므로 항성 α에는 태양 기성분인 나트륨이 존재하지 않는다고 판단할 수 있다 따라서 항성 α는 태양이 아니다② 항성 α의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 했으므로 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있을 것으로 판단할 수 있다③ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐지지 않았다고 했으므로 항성 β에는 리튬이 존재하지 않는다 왜냐하면 특정 원소에 의해 흡수된 빛의 파장 위치에 검은 선들은 그 특정 원소가 불꽃 반응에서 나타내는 스펙트럼 상의 밝은 선들과 나타나는 위치가 동일하기 때문이다⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐진다고 했으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛(나트륨)이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있을 것으로 이해할 수 있다

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(2) 논술 문항 따라잡기

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오 (2010학년도 서울 기출문제 응용)

lt가gt 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있다 원자 안에서 전자는 다음의 특성을 갖는다 ① 전자의 에너지 상태는 불연속적인 특정한 값만을 갖는다 이 값들은 각 원소마다 독특하다 ② 낮은 에너지 상태에 있는 전자가 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이 값만큼의 에

너지를 흡수하여야 한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 전자가 낮은 에너지 상태로 내려올 때는 해당 크기의 에너지를 방출한다

백열등처럼 연속 스펙트럼을 가진 빛을 네온 기체에 통과시키면 네온 원자의 전자 에너지 상태에 따라 특정 위치에서 검은 선들이 나타나는 흡수 스펙트럼(그림 1)이 얻어진다

파장(nm)

[그림 1] 네온 기체의 흡수 선 스펙트럼 (nm timesm )

lt나gt 분자는 원자들이 결합하여 만들어진다 분자내의 원자들이 움직이는 진동운동은 다음과 같은 특성을 갖는다 ① 분자의 진동 에너지는 불연속적인 특정한 값들을 갖는다 이 값들은 각 분자마다 독특하다 ② 분자의 진동 운동이 낮은 에너지 상태에서 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이만큼

에너지를 흡수한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 진동 운동은 에너지를 방출하며 낮은 에너지 상태로 내려간다

lt다gt 물질의 열에너지는 입자의 운동 분자의 내부 진동 원자의 전자 에너지 등 다양한 에너지의 합으로 나타낼 수 있다 절 온도 에서 열에너지는 략 만큼의 값을 갖는다(는 볼츠만 상수로 timesJK이다) 분자의 진동 에너지는 100kJmol이하의 값이며 적외선 영역(파장 m이상)에 해당한다 원자 내의 전자 에너지는 이 보다 큰 값을 가지며 가시광선nmsimnm 또는 자외선 영역에 해당하고 원자핵 내 핵자들의 결합에너지는 이 보다 백만 배 이상 크다

lt라gt 천체 망원경 기술의 발전에 힘입어 별 빛의 스펙트럼을 분석하는 분광 분석적 천체관측이 가능하게 되었다 관측 스펙트럼 영역도 가시광선뿐 아니라 자외선 및 적외선 영역까지 확장되었으며 최근에는 지구 기의 영향을 없애기 위해 인공위성에 탑재시킨 천체 망원경을 주로 사용하고 있다 다음의 [그림 2]는 어느 별과 지구 사이에 존재하는 성간 구름 영역을 통과하여 지구에 도달하는 별빛 스펙트럼을 나타낸 것으로 적외선 영역에서 다양한 흡수 봉우리들이 관찰됨을 알 수 있다

[그림 2]

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[논제 1] 제시문 lt라gt의 별빛 스펙트럼(그림 2)에 근거하여 성간 구름에 물 분자가 존재할 가능성에 해 논하시오 참고자료 OH 작용기의 진동 운동에너지에 해당하는 빛의 파장은 다음과 같이 계산된다 여기서 는 빛의 파장 H는 수소원자의 질량timeskg을 의미한다

timesmtimesHkg

[논제 2] 제시문 lt라gt의 별빛의 스펙트럼에는 적외선을 포함하는 연속 스펙트럼 위에 가시광선과 자외선 영역에 해당하는 검은 흡수선들도 발견되었다 만약 별빛이 성간 구름 영역을 거치지 않고 직접 지구로 도달하는 경우에는 [그림 2]와 같은 적외선 영역의 흡수 봉우리들은 관찰되지 않는다고 한다 이로부터 별의 기와 성간 구름에 존재하는 물질들이 어떻게 다른지를 유추하고 그러한 물질 조성의 차이가 나타나는 이유를 두 환경의 온도 효과로 설명하시오

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(3) 예시답안으로 확인하기

[논제 1]

[논제 2]

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기체 법칙의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

이탈리아의 과학자 토리첼리가 수은 기압계를 이용하여 기의 압력을 처음 측정하였다고 알려져 있다 수은을 가득 채운 유리관을 거꾸로 세우면 그림 (1) 과 같이 수은기둥이 내려오다가 유리관 안을 채운 수은이 내리 누르는 무게 (힘) 이 외부의 공기가 내리 누르는 힘 (공기의 압력) 과 같아지는 위치에서 평형을 이루게 된다 이 때 유리관 안의 빈 공간은 진공 상태가 된다 이 실험을 통해 기압은 수은기둥의 높이가 76 cm일 때의 압력과 같다는 것을 알 수 있다

그림 (1) 토리첼리의 수은 기압계

그림 (2) 보일의 J 관

영국의 과학자 보일은 J 자 모양의 유리관을 사용한 실험을 통해 ldquo일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피() 는 기체에 작용하는 압력 () 에 반비례한다rdquo 는 사실을 알아내었는데 이를 보일의 법칙이라고 한다 보일의 법칙을 기체 분자 운동론의 관점에서 생각해보면 일정한 온도를 유지하면서 기체의 부피를 줄이는 경우 일정 시간 동안 단위 면적에 부딪치는 기체 분자의 수가 많아져서 결국 해당 기체의 압력이 높아진다는 것이다 보일의 J 관을 사용하여 기체의 압력을 측정할 때는 기압을 고려해야 한다 예를 들어 어떤 기체가 그림 (2) 와 같이 평형을 이루고 있다면 이 기체의 압력은 2 기압이 된다 왜냐하면 수은기둥 76 cm 에 해당하는 1 기압이 원래 기압 1 기압에 더해져서 유리관 내 기체 압력과 평형을 이루고 있기 때문이다 프랑스의 과학자 샤를은 ldquo일정한 압력에서 기체의 부피는 그 종류에 관계없이 온도가 1 높아질 때마다

0 때 부피의 만큼씩 증가한다rdquo 는 사실을 알아냈다 이것을 샤를의 법칙이라고 한다

이상의 내용을 종합하여 기체의 압력 온도 부피 사이의 상관관계를 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다

(상수) (단 는 섭씨온도())

[논 제] 다음의 그림 (3) 과 그림 (4) 에서 기압은 1기압이고 유리관 내부 기체는 같은 종류이며 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 만족한다 J 관에서 기체의 유출은 없으며 J 관의 단면적은 모든 부분에서 일정하다고 가정하자 아래의 문제 (i) (ii) 에서 기체를 제외한 나머지 부분의 온도 변화 열팽창 및 열전도는 고려하지 않는다

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 1 기체 분자운동론과 법칙

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(i) 그림 (3) 에서 유리관 내부 기체의 온도는 0 이고 압력은 벽면과의 마찰이 없는 피스톤에 의해 외부압력 (기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 온도를 증가시켰을 때 왜 부피가 변하였는지를 기체 분자 운동론의 관점에서 설명하시오 (단 피스톤의 자체 질량은 무시한다)

(ii) 그림 (4) 에서 수은이 채워진 관 내부 기체의 온도는 0 이고 기체가 들어있는 부분의 처음 높이는 76 cm 이다 기체의 압력은 외부압력 ( 기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 (i) 에서 구한 온도와 차이가 있을 경우 그 이유에 해 설명하시오

그림 (3)

그림 (4)

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이상기체 vs 실제기체2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 과학자들은 기체의 물리적인 성질과 기체 분자의 움직임을 설명하기 위하여 기체 분자 운동론을 제시하였다 기체 분자 운동론은 다음의 몇 가지 가정에 기반을 두고 있다

1 기체는 분자의 크기에 비하여 멀리 떨어져 있으며 기체 분자의 부피는 전체 부피에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다 2 기체 분자끼리 또는 기체 분자와 그릇의 벽에 한 충돌은 완전 탄성 충돌이다 완전 탄성 충돌은 에너지의 손실이 없다 3 기체 분자들은 무질서하게 빠른 속도로 끊임없이 직선 운동을 한다 4 기체 분자 사이의 인력이나 반발력은 작용하지 않는다 5 기체 분자의 평균 운동 에너지는 절 온도에 비례한다

기체 분자 운동론은 이상 기체에 한하여 적용될 수 있다 이상 기체는 실제로 존재하지 않으나 부분의 기체는 온도가 높고 압력이 낮으면 거의 이상 기체처럼 행동한다

lt나gt 고체나 액체와 달리 서로 다른 기체는 그들의 화학적 구성과 관계없이 매우 유사한 물리적 거동을 나타낸다 예를 들면 기체 헬륨과 플루오르는 화학적 특성이 매우 다르지만 부분의 물리적 거동은 거의 동일하다 1600년 후반에 많은 관찰을 통해 기체의 물리적 성질을 네 가지 변수 즉 압력() 온도() 부피() 몰수()로 규정할 수 있다고 제시했다 이러한 네 가지 변수 사이의 특정한 관계를 기체 법칙이라 하고 이러한 법칙을 정확히 따르는 기체를 이상 기체라고 한다 이들 기체 법칙에는 보일의 법칙 샤를의 법칙 그리고 아보가드로의 법칙 등이 있고 이 세 법칙을 하나의 식으로 묶어서 다음과 같은 이상 기체 상태 방정식을 얻어낼 수가 있다

(은 상수) 실험에 의하면 모든 기체는 0(=273K) 1기압에서 224L의 부피 중에 1몰의 분자를 포함한다는 것이 알려져 있으므로 이 결과를 이용하면 상수 ≒ Lㆍ기압몰ㆍK의 값을 얻을 수가 있고 이 값을 기체상수라 한다

[논제 1] 보일이 보일의 법칙을 발견한지 백년이 더 지난 18세기말 게이뤼삭은 0에서 100로 온도를 상승시키자 공기 수소 산소 질소 등 기체의 종류에 상관없이 부피가 모두 375 증가함을 관찰하였다 그의 실험 결과로부터 절 온도를 구해보고 오늘날 우리가 사용하는 값과 비교하여 보시오

[논제 2] 일반 마취제로 산소와 함께 사용하는 사이클로프로페인은 고리 모양의 화합물로서 분자식은 CH이다 Ar은 비활성 기체로서 원자량이 사이클로프로페인의 분자량과 유사하다 실온에서 약간 높은 압력 조건 하에 사이클로프로페인과 Ar 중 어느 것이 이상기체의 거동으로부터 더 멀어질지 기체 입자 자체의 부피와 기체 입자간 인력을 고려하여 예측하고 그 이유를 설명하시오

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[논제 3] 질소 기체 분자 사이의 거리와 인력 및 반발력에 따른 에너지 간의 관계는 아래 그래프와 같이 나타난다(단 질소 분자의 평균반경은 약 nm이다) 이를 이용해 0에서 1몰의 질소 기체에 해 (압력)에 따른 의 관계를 아래 주어진 그래프 로 답안지에 옮겨 그려 보고 왜 그렇게 그렸는지 구체적으로 설명하시오

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분자 간 상호작용의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 분자들 사이에 작용하는 힘에는 쌍극자-쌍극자 힘 분산력(반 데르 발스 힘)과 수소 결합이 있다 쌍극자-쌍극자 힘이란 서로 근접한 극성 분자들이 갖고 있는 부분전하 사이에 작용하는 정전기적 인력을 말하며 공유결합 분자들 중 전기 음성도 차이에 의한 쌍극자 모멘트가 있는 극성 분자들 사이에 형성된다 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자의 경우에는 일시적으로 분자 내의 전자가 한쪽으로 쏠리면서 전자 분포가 치우쳐 편극이 되면 순간적으로 쌍극자가 형성될 수 있다 이때 순간 쌍극자는 이웃한 분자의 전자 분포에 영향을 미쳐 또 다른 순간 쌍극자를 유발하게 된다 이 두 순간 쌍극자 사이에 작용하는 정전기적 인력을 분산력(반 데르 발스 힘)이라고 하며 분자량이 클수록 분산력이 커지게 된다 수소 결합이란 전기 음성도가 큰 원자에 결합된 수소 원자와 전기음성도가 큰 다른 원자에 있는 비공유 전자쌍 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨 이루어지는 결합이다

[논제 1] lt그림 1gt은 수소화합물들의 끓는점이 각 원소들의 원자 주기에 따라 차이가 있음을 나타내고 있다 다음의 각 문항에 답하시오

lt그림 1gt 14족과 17족 원소들로 이루어진 수소화합물의 끓는점

(1) 14족과 17족 원소들이 이루는 수소화합물의 끓는점 차이를 논리적으로 설명하시오

(2) 14족 수소화합물들의 끓는점이 주기의 증가에 따라 점차 증가하는 이유를 설명하시오

(3) 17족 수소화합물들의 끓는점이 2주기 수소화합물의 경우가 상 적으로 높은 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 2 분자 간 상호작용

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[논제 2] lt그림 2gt에는 2주기 원소들이 만드는 다양한 수소화합물의 끓는점이 각 원소의 전기음성도에 따라 표기되어 있다 이를 보면 HO의 끓는점은 NH 혹은 HF에 비해 상 적으로 높음을 알 수 있다 그 이유를 제시문을 근거로 설명하시오

lt그림 2gt 2주기 원소로 이루어진 수소화합물의 끓는점

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수소결합의 이해와 적용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 수소 결합은 N(질소) O (산소) F (플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고 융해열과 기화열이 크다 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로 화학결합과는 다르며 다른 종류의 분자 간 인력 보다 훨씬 강해 수소결합 이라고 부르는데 원자들의 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다

[논제 1] 아세트산(CHCOOH)의 분자량은 gmol이다 아세트산의 분자량을 측정하기 위해 벤젠과 같은 무극성 용매에 녹여 분자량을 측정하였더니 예상했던 분자량 60의 2배인 120으로 측정되었다고 한다 그 이유를 제시문에 근거하여 설명하시오

[논제 2] 분자식이 CHO로 동일한 두 화합물 A B는 모두 물에 잘 용해되는데 이 중 하나는 상온에서 기체이고 다른 하나는 상온에서 액체로 존재한다 두 화합물의 구조식을 이용하여 물에 한 용해도가 공통적으로 높은 이유와 끓는점이 서로 다른 이유에 해 각각 논하시오

[논제 3] 멜라민(melamine CNH)은 세 분자의 시안아마이드(CNH)가 결합한 삼중화합체(trimer)이다 2008년에 이 분자가 다량 포함된 분유를 섭취한 유아에게 심각한 부작용이 나타나 세계적인 문제가 된 적이 있다 이 멜라민은 벤젠 화합물과 유사한 형태의 6각 고리형 골격을 기반으로 한 칭성이 좋은 분자이다 이 멜라민은 시아노유릭산(cyanouric acid)과 체내에서 만나 분자 간 결합을 통해 노란색의 멜라민 시아노유레이트(melamine cyanourate) 결정이 된다 이 결정의 형성으로 신장결석이 진행된다 위의 설명을 참고하여 멜라민과 시아노유릭산이 가장 강한 분자 간 결합을 형성한 구조를 제시하여라 멜라민과 시아노유릭산의 분자 간 결합에서 어떤 종류의 분자간 힘이 주로 작용하겠는가 멜라민과 시아노유릭산의 구조는 순서 로 아래와 같다

[멜라민의 구조]

[시아노유릭산의 구조]

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결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

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Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

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Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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4 과학논술의 해결전략 (단계별 접근법)

논술은 비판적 사고와 창의적 문제해결능력을 기반으로 한 논리적 글쓰기(서술하기)이다 최근의 학별 논술고사는 본연의 목적과 취지를 거스르며 교과과정을 벗어난 범위에서 출제하거나 혹은 풀이 과정과 정답이 어느 정도 정해져 있는 본고사 형식의 답안을 요구하는 문항으로 일정 부분 변질된 것이 사실이다 그럼에도 불구하고 정형화 된 틀을 갖춘 학들은 여전히 수리ㆍ과학적 개념 및 원리 그 자체가 아닌 그를 활용한 문제해결능력을 평가하는데 주안점을 두고 있으며 나아가 논거의 적합성이나 추론과정의 타당성을 평가하는데 무게를 싣고 있다 그렇다면 논술문항을 도 체 어떻게 비판적으로 읽고 창의적으로 문제를 해결하며 논리적으로 서술할 것인가 물론 어렵다 그러나 답은 의외로 간단할 지도 모른다 거꾸로 추정해보자

보통 논술 문제를 어렵게 여기는 이유는 다음 세 가지 중 하나 이상이 잘 안 될 경우이다

그 첫 번째는 논제 분석이 안 되는 경우이다 이 경우는 논제와 제시문에 한 독해력이 떨어져 논점이나 요구사항 그리고 힌트로 주어진 제시자료를 정확히 구별하지 못한다거나 몇몇 지시어의 개념이나 의미를 이해하지 못하여 벌어진 결과이다

두 번째는 교과 배경지식의 부족에 의한 것인데 문제를 해결하기 위해 필요한 지식의 개념이 없거나 모호하여 답안으로 이끌어내지 못하는 경우이다 이러한 경우 제시문과 논제의 핵심용어나 내용을 이해하지 못할 수 있으며 이해되더라도 답안을 구상하는 데 있어 지식의 한계를 느끼게 된다

끝으로 추론 능력의 부족을 지적할 수 있다 개개의 과목별 수업을 통해 공부해온 우리 학생들은 교과별로 배운 내용을 통합하는 능력이 매우 취약하다 더불어 결과만을 강조하는 암기된 지식만을 취함에 따라 특정 주제를 다양한 관점에서 해석하여 연관 짓는 능력이나 결론을 이끌어 내는 논리적 추론(증명 등의) 능력이 결여되어 있는 것이 사실이다

이 같은 한계를 극복할 수 있는 가장 기초적인 방법은 문제 해결을 위한 체계적 방법을 고안하여 부단히 연습하는 것이라 할 수 있다

아래에 과학논술 문제 해결을 위한 단계별 접근법을 간략히 제안해 놓았는데 이를 토 로 여러분도 자신만의 해결전략을 터득하여 실전에 적용해 볼 수 있도록 하자

(1) 논제의 분석 문제에 한 정확한 이해를 위해서는 논제에 한 철저한 분석이 필요하다 논제에는 답안으로 작성해야 할 내용(논점)과 요구사항 및 조건이 제시되어 있는데 이는 채점요소에도 반영되므로 매우 중요한 과정이라 할 수 있다 특히 지칭된 과학 용어들은 추상적이며 함축적이므로 이에 한 이해 정도는 결국 논제에 숨어있는 의미(즉 출제의도)를 얼마나 정확하게 파악할 수 있느냐를 결정할 수도 있음에 유의해야 한다

(2) 제시문의 분석 제시문은 논제와 관련 있는 내용의 자료를 제시함으로써 출제 취지 및 문제해결을 위한 실마리(근거)를 파악할 수 있도록 해준다 즉 논제와 아울러 출제자의 정확한 의도를 파악할 수 있는 힌트를 제공해 준다고 여기면 될 것이다 따라서 논제와 직간접적으로 연관된 내용을 찾아 요약정리를 하고 관련 수식 및 그림 그래프 도표 등을 재해석 할 수 있는 분석력이 요구된다

(3) 해결 전략의 구상 논술은 논리적 서술이 중요하다 논리적 서술은 근거를 통해 주장의 정당성을 확보하는 과정이다 따라서 자

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신의 답안을 객관적으로 증명하기 위한 근거의 확보가 중요하다 근거는 제시문의 내용이나 자신의 배경지식을 종합하여 마련할 수 있다 아울러 올바른 추론의 과정을 통해 근거와 주장을 매끈하게 연결하는 과정도 필요하다

① 논점의 수와 그 내용이 무엇인지 확인하자(논제의 분석)② 논점에 따른 조건을 파악하자(문제 풀이에 필요한 내용 파악)③ 제시문에서 제공하는 자료나 핵심어를 확보하자(문제 풀이를 위한 힌트를 찾아라)④ 논점에 따른 자신의 답안을 한 문장으로 만들어보자(주장(또는 결론) 만들기)⑤ 주장이나 결론을 뒷받침할 만한 가능한 근거를 만들자(근거 확보)⑥ 근거와 주장을 연결하는 설명을 하자(해결 전략의 완성)

(4) 답안의 개요작성 구상한 해결 전략을 설계하는 과정 또는 추론의 과정을 개략적으로 작성하는 것이 개요작성이다 간단히 정리하면 먼저 논점의 내용과 수를 확인하고 그 간의 유기적 연계성을 고려하여 순서를 정한 후 자신이 구상한 해법(근거와 주장)을 논점별로 정리하는 것이다

(5) 답안 쓰기 및 퇴고 개요에 따라서 답안을 쓰고 최종적으로 답안을 수정하는 과정이다

자 그러면 위의 해결전략을 참조하여 수능 화학과 연관성이 깊은 논술 예시문제를 풀어보도록 하자

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5 수능 화학으로 화학논술 따라잡기

(1) 수능 문항으로 감(感) 잡기 ldquo열화학 반응식과 자유에너지 변화rdquo

다음은 반응 (가)~(다)의 열화학 반응식이다가 NOg rarr NOg kJ나 Ng Hg rarr NHg kJ다 SOg Og rarr SOg kJ

그림은 온도()에 따른 반응 (가)~(다)의 자유 에너지 변화()를 나타낸 것이다

이에 한 설명으로 옳은 것만을 lt보기gt에서 있는 로 고르시오 (2014학년도 수능 화학Ⅱ 18번)

보 기ㄱ A는 (나)에 해당한다ㄴ B에서 ≻일 때 ≻ 이다ㄷ (가)에서 ≻ 이다

① ㄱ ② ㄴ ③ ㄱ ㄴ ④ ㄱ ㄷ ⑤ ㄴ ㄷ

[정답] ④[해설](가)에서 계≻이고 (나)는 계≺ (다)도 계≺이다ㄱ (나)와 (다)는 온도 상승에 따라 가 증가하는 반응이므로 (가)와 C를 짝지을 수 있다 A와 B는 연장선이 축과 만나는 점에서 이므로 (나)와 A (다)와 B를 짝지을 수 있다ㄴ B에서 ≻일 때 ≻ 이므로 ≻이다 그런데 와 모두 음의 값이므로 ≺ 이다ㄷ (가)는 C이므로 연장선과 축이 만나는 점의 ≻ 이다

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(2) 논술 문항 따라잡기

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오 (2013학년도 고려 기출 응용)

lt가gt 엔트로피()는 계(system)의 무질서도와 밀접한 관계를 가지며 무질서도가 증가하는 계의 엔트로피의 변화()는 양의 값을 갖는다 오존(O)이 산소분자(O)와 산소라디칼(O )로 분해되는 반응은 엔트로피가 증가하는 전형적인 예이다 또한 일반적으로 같은 몰수의 고체 액체 기체 순으로 물질의 엔트로피 값이 증가한다

lt나gt 엔탈피()는 분자 내에서 원자 간에 작용하는 결합력과 밀접한 관계가 있다 원자간 결합력이 약한 분자들이 원자간 결합력이 강한 분자들로 변하는 화학반응을 발열반응이라 부르며 발열반응의 엔탈피 변화()는 음의 값을 가진다

lt다gt 화학 반응의 자발성은 반응의 자유에너지 변화()의 부호로 판단할 수 있다 자유에너지의 변화()는 엔탈피의 변화() 엔트로피의 변화() 온도()에 의하여 결정되며 그 관계는 로 표현된다 일반적으로 와 는 온도의 변화에 큰 영향을 받지 않으므로 임의의 온도 에서 값을 구할 때 표준상태( 1기압)에서 측정한 와 로 체해서 사용하면 된다 자발적인 반응은 음의 값을 가지며 계의 자유에너지가 최솟값을 가지게 되면 () 그 계는 정반응의 속도와 역반응의 속도가 동일한 화학평형 상태에 도달하게 된다

상온에서 철이 녹스는 과정(Fe O rarr FeO)은 자발적인

발열반응이다 그러나 아주 고온에서는 이 반응의 역반응이 일어나게 되어 제철소의 용광로에서 산화철로부터 순수한 철을 얻을 수 있다 이 반응의 자유에너지의 변화를 아래 그래프에 표시하였다

lt라gt 화학평형의 정반응과 역반응간의 상 적인 우세는 화학평형상수()에 의해 결정되며 가 1보다 월등히 크면 정반응이 우세하고 그 반 의 경우 역반응이 우세하다 표준상태( 1기압)의 화학평형상수는 ln의 관계식에 의해 얻을 수 있다(은 표준상태에서 측정한 수치 은 양의 값을 가지는 기체상수)

[논 제] 다음의 화학반응식에서 질소와 수소가 반응하여 암모니아를 형성하는 반응은 발열반응이고 상온에서의 화학평형상수 값은 1보다 아주 큰 값을 갖는다

Ng Hg NHg 제시문을 이용하여 이 반응의 와 온도()의 관계를 오른쪽 그래프의 형태를 이용하여 도시하고 도시 과정을 설명하시오 또한 반응온도 K의 화학평형상수 과 반응온도 K에서의 화학평형상수 를 과 을 이용하여 표현하고 과 의 상 적인 크기에

해 비교 설명하시오

[그림 1]

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(3) 예시답안으로 확인하기

주어진 암모니아 합성 반응은 발열반응이다 따라서 엔탈피 변화는 이다 또한 기체의 몰수가 감소하는 반응이므로 엔트로피의 변화는 가 된다 따라서 제시문에 주어진 식 에서 온도가 특정 온도보다 낮을 경우 일 것이고 온도가 특정 온도보다 높을 경우 가 될 것이다 또한 와 는 온도의 변화에 큰 영향을 받지 않는다 했으므로 상수로 취급하면 그래프는 아래와 같은 1차 함수의 형태를 이룰 것이다

위 그래프에서 평형이 되는 온도는 일 때의 온도이므로 에서 평형온도 이

된다 한편 그래프에서 는 절편에 해당하고(에서 일 때의 값) ( )는 기울기가 된다

한편 ln 에서 ln

이고

이다따라서

이다또한

ln ln ln

≺ ∵≺

이므로 이다 그 이유는 암모니아 합성반응이 발열반응이므로 온도가 증가할 경우 역반응(흡열반응)이 정반응에 비해 우세해지기 때문이다

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6 수능 비문학 지문으로 화학논술 따라잡기

(1) 수능 문항으로 감(感) 잡기

[16～18] 다음 글을 읽고 물음에 답하시오 (2014학년도 수능 국어A)

19세기 중반 화학자 분젠은 불꽃 반응에서 나타나는 물질 고유의 불꽃색에 한 연구를 진행하고 있었다 그는 버너 불꽃의 색을 제거한 개선된 버너를 고안함으로써 물질의 불꽃색을 더 잘 구별할 수 있도록 하였다 하지만 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질의 불꽃은 색깔이 겹쳐서 분간이 어려웠다 이에 물리학자 키르히호프는 프리즘을 통한 분석을 제안했고 둘은 협력하여 불꽃의 색을 분리시키는 분광 분석법을 창안했다 이것은 과학사에 길이 남을 업적으로 이어졌다

그들은 불꽃 반응에서 나오는 빛을 프리즘에 통과시켜 띠 모양으로 분산시킨 후 망원경을 통해 이를 들여다보는 방식으로 실험을 진행하였다 빛이 띠 모양으로 분산되는 것은 빛이 파장이 짧을수록 굴절하는 각이 커지기 때문이다 이 방법을 통해 그들은 알칼리 금속과 알칼리 토금속의 스펙트럼을 체계적으로 조사하여 그것들을 함유한 화합물들을 찾아내었다 이 과정에서 그들은 특정한 금속의 스펙트럼에서 띄엄띄엄 떨어진 밝은 선의 위치는 그 금속이 홑원소로 존재하든 다른 원소와 결합하여 존재하든 불꽃의 온도에 상관없이 항상 같다는 결론에 도달하였다 이로써 화학 반응을 이용하는 전통적인 분석 화학의 방법에 의존하지 않고도 정확하게 화합물의 원소를 판별해 내는 분광 분석법이 탄생하였다 이 방법의 유효성은 그들이 새로운 금속 원소인 세슘과 루비듐을 발견함으로써 입증되었다

1859년 키르히호프는 이 방법을 천문학 분야로까지 확장하였다 그는 불꽃 반응 실험에서 관찰한 나트륨 스펙트럼의 두 개의 인접한 밝은 선과 1810년 프라운호퍼가 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼에서 발견한 검은 선들을 비교하는 과정에서 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 나타나는 원인을 설명할 수 있었다 그는 태양빛의 스펙트럼의 검은 선들 중에서 프라운호퍼의 D선이 나트륨 고유의 밝은 선들과 같은 파장에서 겹쳐지는 것을 확인하고 D선은 태양에서 비교적 차가운 부분인 태양 기 중에 존재하는 나트륨 때문에 생긴다고 해석했다 이것은 태양 기 중의 나트륨이 태양의 더 뜨거운 부분에서 나오는 빛 가운데 D선에 해당하는 파장의 빛들을 흡수하기 때문이다 태양빛의 스펙트럼을 보면 D선 이외에도 차가운 태양 기 중의 특정 원소에 의해 흡수된 빛의 파장 위치에 검은 선들이 나타난다 이 검은 선들은 그 특정 원소가 불꽃 반응에서 나타내는 스펙트럼 상의 밝은 선들과 나타나는 위치가 동일하다

이후 이러한 원리의 적용을 통해 철과 헬륨 같은 다른 원소들도 태양 기 중에 존재함을 밝혀졌으며 다른 항성을 연구하는 데도 같은 원리가 적용되었다 이를 두고 동료 과학자들은 물리학 화학 천문학에 모두 적용될 수 있는 분광 분석법이 천체 기의 화학적 조성을 밝혀냄으로써 우주의 통일성을 드러내었고 우주의 모든 곳에 존재하는 자연의 원리를 인식하게 하는 데 공헌했다고 평가했다

16 윗글을 바탕으로 할 때 의 업적으로 볼 수 있는 것은① 화학 반응을 이용하는 분석 화학 방법을 확립하였다② 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 존재함을 알아내었다③ 물질을 불꽃에 넣으면 독특한 불꽃색이 나타나는 것을 발견하였다④ 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼을 얻는 방법을 창안하였다⑤ 천체에 가지 않고도 그 기에 존재하는 원소에 관한 정보를 얻을 수 있는 길이 열렸다

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[핵심 정보의 파악] ⑤의 키르히호프는 분광 분석법을 통해 태양 기 중에 존재하는 특정 원소의 존재를 파악할 수 있는 길을 열었다(셋째 문단) 이후 이러한 분광 분석법을 동료 과학자들이 적용하여 천체 기의 화학적 조성을 밝히는 데 공헌했다(넷째 문단) 결국 키르히호프의 분광 분석법은 천체에 가지 않고도 그 기에 존재하는 원소에 관한 정보를 얻을 수 있는 길을 열었다고 볼 수 있다[해설]① 키르히호프는 화학 반응을 이용하는 전통적인 분석 화학의 방법에 의존하지 않고도 정확하게 화합물의 원소를 판별해 내는 분광 분석법을 창안했다(둘째 문단)② 프라운호퍼가 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 존재함을 알아내었다(셋째 문단)③ 물질을 불꽃에 넣으면 독특한 불꽃색이 나타나는 불꽃 반응은 키르히호프 이전에 이미 발견되었으며 이에

한 연구가 진행되고 있었다(첫째 문단)④ 프리즘을 통과시켜 태양빛의 스펙트럼을 얻는 방법은 이미 1810년 프라운호퍼가 창안하였다(셋째 문단)

17 윗글을 이해한 내용으로 가장 적절한 것은① 루비듐의 존재는 분광 분석법이 출현하기 전에 확인되었다② 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 빛의 파장이 길수록 굴절하는 각이 커진다③ 금속 원소 스펙트럼의 밝은 선의 위치는 불꽃의 온도를 높여도 변하지 않는다④ 철이 태양 기에 존재한다는 사실은 나트륨이 태양 기에 존재한다는 사실보다 먼저 밝혀졌다⑤ 분젠은 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질에서 나오는 각각의 불꽃색이 겹치는 현상을 막아 주는 버너를 고안하였다

[세부 정보의 확인] ③분젠과 키르히호프의 실험 과정에서 특정한 금속의 스펙트럼에서 밝은 선의 위치는 그 금속이 홑원소로 존재하든 다른 원소와 결합하여 존재하든 불꽃의 온도에 상관없이 항상 같다는 결론에 도달하였다고 제시되어 있다(둘째 문단) 따라서 금속 원소 스펙트럼의 밝은 선의 위치는 불꽃의 온도를 높여도 변하지 않는다고 할 수 있다[해설]① 분젠과 키리히호프가 분광 분석법을 통해서 새로운 금속 원소인 세슘과 루비듐을 발견함으로써 방법의 유효성을 입증했다고 제시되어 있다 결국 루비듐의 존재는 분광 분석법이 출현함으로써 확인되었다고 볼 수 있다(둘째 문단)② 빛 파장이 짧을수록 굴절하는 각이 커지기 때문에 빛이 띠 모양으로 분산된다고 제시되어 있다 역으로 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 빛의 파장이 길수록 굴절하는 각은 작아진다고 할 수 있다(둘째 문단)④ 분광 분석법을 통해 나트륨이 태양 기에 존재한다는 사실이 밝혀진 뒤 이러한 원리의 적용을 통해 철과 헬륨 같은 다른 원소들도 태양 기 중에 존재함이 밝혀졌다고 설명하고 있다(셋째 넷째 문단)⑤ 분젠이 개선된 버너를 고안했지만 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질의 불꽃은 색깔이 겹쳐서 분간이 어려웠다고 제시되어 있다(첫째 문단) 분젠이 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질에서 나오는 각각의 불꽃색이 겹치는 현상을 막아 주는 버너를 고안했다고 이해하는 것은 적절하지 않다

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18 윗글을 바탕으로 lt보기gt를 해석한 내용으로 적절하지 않은 것은 [3점]

lt보 기gt우리 은하의 어떤 항성 α와 β의 별빛 스펙트럼을 살펴보니 많은 검은 선들을 볼 수 있었다 이것들을 나트륨 리

튬의 스펙트럼의 밝은 선들과 비교했을 때 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 β의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 α의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다 리튬 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 α의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 β의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다

① 항성 α는 태양이 아니겠군② 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있겠군③ 항성 β에는 리튬이 존재하지 않겠군④ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 없겠군⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있겠군

[사례에의 적용] ④

태양빛의 스펙트럼의 검은 선들 중에서 프라운호퍼의 D선이 나트륨 고유의 밝은 선들과 같은 파장에서 겹쳐지는 것은 나트륨이 D선에 해당하는 파장의 빛들을 흡수하기 때문이라고 제시되어 있다(셋째 문단) 이를 바탕으로 lt보기gt를 해석하면 lt보기gt에서 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 하였으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 있다고 판단할 수 있다[해설]① 나트륨 스펙트럼이 항성 α의 검은 선들과 겹쳐지지 않았으므로 항성 α에는 태양 기성분인 나트륨이 존재하지 않는다고 판단할 수 있다 따라서 항성 α는 태양이 아니다② 항성 α의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 했으므로 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있을 것으로 판단할 수 있다③ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐지지 않았다고 했으므로 항성 β에는 리튬이 존재하지 않는다 왜냐하면 특정 원소에 의해 흡수된 빛의 파장 위치에 검은 선들은 그 특정 원소가 불꽃 반응에서 나타내는 스펙트럼 상의 밝은 선들과 나타나는 위치가 동일하기 때문이다⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐진다고 했으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛(나트륨)이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있을 것으로 이해할 수 있다

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(2) 논술 문항 따라잡기

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오 (2010학년도 서울 기출문제 응용)

lt가gt 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있다 원자 안에서 전자는 다음의 특성을 갖는다 ① 전자의 에너지 상태는 불연속적인 특정한 값만을 갖는다 이 값들은 각 원소마다 독특하다 ② 낮은 에너지 상태에 있는 전자가 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이 값만큼의 에

너지를 흡수하여야 한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 전자가 낮은 에너지 상태로 내려올 때는 해당 크기의 에너지를 방출한다

백열등처럼 연속 스펙트럼을 가진 빛을 네온 기체에 통과시키면 네온 원자의 전자 에너지 상태에 따라 특정 위치에서 검은 선들이 나타나는 흡수 스펙트럼(그림 1)이 얻어진다

파장(nm)

[그림 1] 네온 기체의 흡수 선 스펙트럼 (nm timesm )

lt나gt 분자는 원자들이 결합하여 만들어진다 분자내의 원자들이 움직이는 진동운동은 다음과 같은 특성을 갖는다 ① 분자의 진동 에너지는 불연속적인 특정한 값들을 갖는다 이 값들은 각 분자마다 독특하다 ② 분자의 진동 운동이 낮은 에너지 상태에서 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이만큼

에너지를 흡수한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 진동 운동은 에너지를 방출하며 낮은 에너지 상태로 내려간다

lt다gt 물질의 열에너지는 입자의 운동 분자의 내부 진동 원자의 전자 에너지 등 다양한 에너지의 합으로 나타낼 수 있다 절 온도 에서 열에너지는 략 만큼의 값을 갖는다(는 볼츠만 상수로 timesJK이다) 분자의 진동 에너지는 100kJmol이하의 값이며 적외선 영역(파장 m이상)에 해당한다 원자 내의 전자 에너지는 이 보다 큰 값을 가지며 가시광선nmsimnm 또는 자외선 영역에 해당하고 원자핵 내 핵자들의 결합에너지는 이 보다 백만 배 이상 크다

lt라gt 천체 망원경 기술의 발전에 힘입어 별 빛의 스펙트럼을 분석하는 분광 분석적 천체관측이 가능하게 되었다 관측 스펙트럼 영역도 가시광선뿐 아니라 자외선 및 적외선 영역까지 확장되었으며 최근에는 지구 기의 영향을 없애기 위해 인공위성에 탑재시킨 천체 망원경을 주로 사용하고 있다 다음의 [그림 2]는 어느 별과 지구 사이에 존재하는 성간 구름 영역을 통과하여 지구에 도달하는 별빛 스펙트럼을 나타낸 것으로 적외선 영역에서 다양한 흡수 봉우리들이 관찰됨을 알 수 있다

[그림 2]

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[논제 1] 제시문 lt라gt의 별빛 스펙트럼(그림 2)에 근거하여 성간 구름에 물 분자가 존재할 가능성에 해 논하시오 참고자료 OH 작용기의 진동 운동에너지에 해당하는 빛의 파장은 다음과 같이 계산된다 여기서 는 빛의 파장 H는 수소원자의 질량timeskg을 의미한다

timesmtimesHkg

[논제 2] 제시문 lt라gt의 별빛의 스펙트럼에는 적외선을 포함하는 연속 스펙트럼 위에 가시광선과 자외선 영역에 해당하는 검은 흡수선들도 발견되었다 만약 별빛이 성간 구름 영역을 거치지 않고 직접 지구로 도달하는 경우에는 [그림 2]와 같은 적외선 영역의 흡수 봉우리들은 관찰되지 않는다고 한다 이로부터 별의 기와 성간 구름에 존재하는 물질들이 어떻게 다른지를 유추하고 그러한 물질 조성의 차이가 나타나는 이유를 두 환경의 온도 효과로 설명하시오

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(3) 예시답안으로 확인하기

[논제 1]

[논제 2]

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기체 법칙의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

이탈리아의 과학자 토리첼리가 수은 기압계를 이용하여 기의 압력을 처음 측정하였다고 알려져 있다 수은을 가득 채운 유리관을 거꾸로 세우면 그림 (1) 과 같이 수은기둥이 내려오다가 유리관 안을 채운 수은이 내리 누르는 무게 (힘) 이 외부의 공기가 내리 누르는 힘 (공기의 압력) 과 같아지는 위치에서 평형을 이루게 된다 이 때 유리관 안의 빈 공간은 진공 상태가 된다 이 실험을 통해 기압은 수은기둥의 높이가 76 cm일 때의 압력과 같다는 것을 알 수 있다

그림 (1) 토리첼리의 수은 기압계

그림 (2) 보일의 J 관

영국의 과학자 보일은 J 자 모양의 유리관을 사용한 실험을 통해 ldquo일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피() 는 기체에 작용하는 압력 () 에 반비례한다rdquo 는 사실을 알아내었는데 이를 보일의 법칙이라고 한다 보일의 법칙을 기체 분자 운동론의 관점에서 생각해보면 일정한 온도를 유지하면서 기체의 부피를 줄이는 경우 일정 시간 동안 단위 면적에 부딪치는 기체 분자의 수가 많아져서 결국 해당 기체의 압력이 높아진다는 것이다 보일의 J 관을 사용하여 기체의 압력을 측정할 때는 기압을 고려해야 한다 예를 들어 어떤 기체가 그림 (2) 와 같이 평형을 이루고 있다면 이 기체의 압력은 2 기압이 된다 왜냐하면 수은기둥 76 cm 에 해당하는 1 기압이 원래 기압 1 기압에 더해져서 유리관 내 기체 압력과 평형을 이루고 있기 때문이다 프랑스의 과학자 샤를은 ldquo일정한 압력에서 기체의 부피는 그 종류에 관계없이 온도가 1 높아질 때마다

0 때 부피의 만큼씩 증가한다rdquo 는 사실을 알아냈다 이것을 샤를의 법칙이라고 한다

이상의 내용을 종합하여 기체의 압력 온도 부피 사이의 상관관계를 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다

(상수) (단 는 섭씨온도())

[논 제] 다음의 그림 (3) 과 그림 (4) 에서 기압은 1기압이고 유리관 내부 기체는 같은 종류이며 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 만족한다 J 관에서 기체의 유출은 없으며 J 관의 단면적은 모든 부분에서 일정하다고 가정하자 아래의 문제 (i) (ii) 에서 기체를 제외한 나머지 부분의 온도 변화 열팽창 및 열전도는 고려하지 않는다

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 1 기체 분자운동론과 법칙

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(i) 그림 (3) 에서 유리관 내부 기체의 온도는 0 이고 압력은 벽면과의 마찰이 없는 피스톤에 의해 외부압력 (기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 온도를 증가시켰을 때 왜 부피가 변하였는지를 기체 분자 운동론의 관점에서 설명하시오 (단 피스톤의 자체 질량은 무시한다)

(ii) 그림 (4) 에서 수은이 채워진 관 내부 기체의 온도는 0 이고 기체가 들어있는 부분의 처음 높이는 76 cm 이다 기체의 압력은 외부압력 ( 기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 (i) 에서 구한 온도와 차이가 있을 경우 그 이유에 해 설명하시오

그림 (3)

그림 (4)

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이상기체 vs 실제기체2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 과학자들은 기체의 물리적인 성질과 기체 분자의 움직임을 설명하기 위하여 기체 분자 운동론을 제시하였다 기체 분자 운동론은 다음의 몇 가지 가정에 기반을 두고 있다

1 기체는 분자의 크기에 비하여 멀리 떨어져 있으며 기체 분자의 부피는 전체 부피에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다 2 기체 분자끼리 또는 기체 분자와 그릇의 벽에 한 충돌은 완전 탄성 충돌이다 완전 탄성 충돌은 에너지의 손실이 없다 3 기체 분자들은 무질서하게 빠른 속도로 끊임없이 직선 운동을 한다 4 기체 분자 사이의 인력이나 반발력은 작용하지 않는다 5 기체 분자의 평균 운동 에너지는 절 온도에 비례한다

기체 분자 운동론은 이상 기체에 한하여 적용될 수 있다 이상 기체는 실제로 존재하지 않으나 부분의 기체는 온도가 높고 압력이 낮으면 거의 이상 기체처럼 행동한다

lt나gt 고체나 액체와 달리 서로 다른 기체는 그들의 화학적 구성과 관계없이 매우 유사한 물리적 거동을 나타낸다 예를 들면 기체 헬륨과 플루오르는 화학적 특성이 매우 다르지만 부분의 물리적 거동은 거의 동일하다 1600년 후반에 많은 관찰을 통해 기체의 물리적 성질을 네 가지 변수 즉 압력() 온도() 부피() 몰수()로 규정할 수 있다고 제시했다 이러한 네 가지 변수 사이의 특정한 관계를 기체 법칙이라 하고 이러한 법칙을 정확히 따르는 기체를 이상 기체라고 한다 이들 기체 법칙에는 보일의 법칙 샤를의 법칙 그리고 아보가드로의 법칙 등이 있고 이 세 법칙을 하나의 식으로 묶어서 다음과 같은 이상 기체 상태 방정식을 얻어낼 수가 있다

(은 상수) 실험에 의하면 모든 기체는 0(=273K) 1기압에서 224L의 부피 중에 1몰의 분자를 포함한다는 것이 알려져 있으므로 이 결과를 이용하면 상수 ≒ Lㆍ기압몰ㆍK의 값을 얻을 수가 있고 이 값을 기체상수라 한다

[논제 1] 보일이 보일의 법칙을 발견한지 백년이 더 지난 18세기말 게이뤼삭은 0에서 100로 온도를 상승시키자 공기 수소 산소 질소 등 기체의 종류에 상관없이 부피가 모두 375 증가함을 관찰하였다 그의 실험 결과로부터 절 온도를 구해보고 오늘날 우리가 사용하는 값과 비교하여 보시오

[논제 2] 일반 마취제로 산소와 함께 사용하는 사이클로프로페인은 고리 모양의 화합물로서 분자식은 CH이다 Ar은 비활성 기체로서 원자량이 사이클로프로페인의 분자량과 유사하다 실온에서 약간 높은 압력 조건 하에 사이클로프로페인과 Ar 중 어느 것이 이상기체의 거동으로부터 더 멀어질지 기체 입자 자체의 부피와 기체 입자간 인력을 고려하여 예측하고 그 이유를 설명하시오

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[논제 3] 질소 기체 분자 사이의 거리와 인력 및 반발력에 따른 에너지 간의 관계는 아래 그래프와 같이 나타난다(단 질소 분자의 평균반경은 약 nm이다) 이를 이용해 0에서 1몰의 질소 기체에 해 (압력)에 따른 의 관계를 아래 주어진 그래프 로 답안지에 옮겨 그려 보고 왜 그렇게 그렸는지 구체적으로 설명하시오

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분자 간 상호작용의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 분자들 사이에 작용하는 힘에는 쌍극자-쌍극자 힘 분산력(반 데르 발스 힘)과 수소 결합이 있다 쌍극자-쌍극자 힘이란 서로 근접한 극성 분자들이 갖고 있는 부분전하 사이에 작용하는 정전기적 인력을 말하며 공유결합 분자들 중 전기 음성도 차이에 의한 쌍극자 모멘트가 있는 극성 분자들 사이에 형성된다 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자의 경우에는 일시적으로 분자 내의 전자가 한쪽으로 쏠리면서 전자 분포가 치우쳐 편극이 되면 순간적으로 쌍극자가 형성될 수 있다 이때 순간 쌍극자는 이웃한 분자의 전자 분포에 영향을 미쳐 또 다른 순간 쌍극자를 유발하게 된다 이 두 순간 쌍극자 사이에 작용하는 정전기적 인력을 분산력(반 데르 발스 힘)이라고 하며 분자량이 클수록 분산력이 커지게 된다 수소 결합이란 전기 음성도가 큰 원자에 결합된 수소 원자와 전기음성도가 큰 다른 원자에 있는 비공유 전자쌍 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨 이루어지는 결합이다

[논제 1] lt그림 1gt은 수소화합물들의 끓는점이 각 원소들의 원자 주기에 따라 차이가 있음을 나타내고 있다 다음의 각 문항에 답하시오

lt그림 1gt 14족과 17족 원소들로 이루어진 수소화합물의 끓는점

(1) 14족과 17족 원소들이 이루는 수소화합물의 끓는점 차이를 논리적으로 설명하시오

(2) 14족 수소화합물들의 끓는점이 주기의 증가에 따라 점차 증가하는 이유를 설명하시오

(3) 17족 수소화합물들의 끓는점이 2주기 수소화합물의 경우가 상 적으로 높은 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 2 분자 간 상호작용

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[논제 2] lt그림 2gt에는 2주기 원소들이 만드는 다양한 수소화합물의 끓는점이 각 원소의 전기음성도에 따라 표기되어 있다 이를 보면 HO의 끓는점은 NH 혹은 HF에 비해 상 적으로 높음을 알 수 있다 그 이유를 제시문을 근거로 설명하시오

lt그림 2gt 2주기 원소로 이루어진 수소화합물의 끓는점

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수소결합의 이해와 적용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 수소 결합은 N(질소) O (산소) F (플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고 융해열과 기화열이 크다 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로 화학결합과는 다르며 다른 종류의 분자 간 인력 보다 훨씬 강해 수소결합 이라고 부르는데 원자들의 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다

[논제 1] 아세트산(CHCOOH)의 분자량은 gmol이다 아세트산의 분자량을 측정하기 위해 벤젠과 같은 무극성 용매에 녹여 분자량을 측정하였더니 예상했던 분자량 60의 2배인 120으로 측정되었다고 한다 그 이유를 제시문에 근거하여 설명하시오

[논제 2] 분자식이 CHO로 동일한 두 화합물 A B는 모두 물에 잘 용해되는데 이 중 하나는 상온에서 기체이고 다른 하나는 상온에서 액체로 존재한다 두 화합물의 구조식을 이용하여 물에 한 용해도가 공통적으로 높은 이유와 끓는점이 서로 다른 이유에 해 각각 논하시오

[논제 3] 멜라민(melamine CNH)은 세 분자의 시안아마이드(CNH)가 결합한 삼중화합체(trimer)이다 2008년에 이 분자가 다량 포함된 분유를 섭취한 유아에게 심각한 부작용이 나타나 세계적인 문제가 된 적이 있다 이 멜라민은 벤젠 화합물과 유사한 형태의 6각 고리형 골격을 기반으로 한 칭성이 좋은 분자이다 이 멜라민은 시아노유릭산(cyanouric acid)과 체내에서 만나 분자 간 결합을 통해 노란색의 멜라민 시아노유레이트(melamine cyanourate) 결정이 된다 이 결정의 형성으로 신장결석이 진행된다 위의 설명을 참고하여 멜라민과 시아노유릭산이 가장 강한 분자 간 결합을 형성한 구조를 제시하여라 멜라민과 시아노유릭산의 분자 간 결합에서 어떤 종류의 분자간 힘이 주로 작용하겠는가 멜라민과 시아노유릭산의 구조는 순서 로 아래와 같다

[멜라민의 구조]

[시아노유릭산의 구조]

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결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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신의 답안을 객관적으로 증명하기 위한 근거의 확보가 중요하다 근거는 제시문의 내용이나 자신의 배경지식을 종합하여 마련할 수 있다 아울러 올바른 추론의 과정을 통해 근거와 주장을 매끈하게 연결하는 과정도 필요하다

① 논점의 수와 그 내용이 무엇인지 확인하자(논제의 분석)② 논점에 따른 조건을 파악하자(문제 풀이에 필요한 내용 파악)③ 제시문에서 제공하는 자료나 핵심어를 확보하자(문제 풀이를 위한 힌트를 찾아라)④ 논점에 따른 자신의 답안을 한 문장으로 만들어보자(주장(또는 결론) 만들기)⑤ 주장이나 결론을 뒷받침할 만한 가능한 근거를 만들자(근거 확보)⑥ 근거와 주장을 연결하는 설명을 하자(해결 전략의 완성)

(4) 답안의 개요작성 구상한 해결 전략을 설계하는 과정 또는 추론의 과정을 개략적으로 작성하는 것이 개요작성이다 간단히 정리하면 먼저 논점의 내용과 수를 확인하고 그 간의 유기적 연계성을 고려하여 순서를 정한 후 자신이 구상한 해법(근거와 주장)을 논점별로 정리하는 것이다

(5) 답안 쓰기 및 퇴고 개요에 따라서 답안을 쓰고 최종적으로 답안을 수정하는 과정이다

자 그러면 위의 해결전략을 참조하여 수능 화학과 연관성이 깊은 논술 예시문제를 풀어보도록 하자

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5 수능 화학으로 화학논술 따라잡기

(1) 수능 문항으로 감(感) 잡기 ldquo열화학 반응식과 자유에너지 변화rdquo

다음은 반응 (가)~(다)의 열화학 반응식이다가 NOg rarr NOg kJ나 Ng Hg rarr NHg kJ다 SOg Og rarr SOg kJ

그림은 온도()에 따른 반응 (가)~(다)의 자유 에너지 변화()를 나타낸 것이다

이에 한 설명으로 옳은 것만을 lt보기gt에서 있는 로 고르시오 (2014학년도 수능 화학Ⅱ 18번)

보 기ㄱ A는 (나)에 해당한다ㄴ B에서 ≻일 때 ≻ 이다ㄷ (가)에서 ≻ 이다

① ㄱ ② ㄴ ③ ㄱ ㄴ ④ ㄱ ㄷ ⑤ ㄴ ㄷ

[정답] ④[해설](가)에서 계≻이고 (나)는 계≺ (다)도 계≺이다ㄱ (나)와 (다)는 온도 상승에 따라 가 증가하는 반응이므로 (가)와 C를 짝지을 수 있다 A와 B는 연장선이 축과 만나는 점에서 이므로 (나)와 A (다)와 B를 짝지을 수 있다ㄴ B에서 ≻일 때 ≻ 이므로 ≻이다 그런데 와 모두 음의 값이므로 ≺ 이다ㄷ (가)는 C이므로 연장선과 축이 만나는 점의 ≻ 이다

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(2) 논술 문항 따라잡기

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오 (2013학년도 고려 기출 응용)

lt가gt 엔트로피()는 계(system)의 무질서도와 밀접한 관계를 가지며 무질서도가 증가하는 계의 엔트로피의 변화()는 양의 값을 갖는다 오존(O)이 산소분자(O)와 산소라디칼(O )로 분해되는 반응은 엔트로피가 증가하는 전형적인 예이다 또한 일반적으로 같은 몰수의 고체 액체 기체 순으로 물질의 엔트로피 값이 증가한다

lt나gt 엔탈피()는 분자 내에서 원자 간에 작용하는 결합력과 밀접한 관계가 있다 원자간 결합력이 약한 분자들이 원자간 결합력이 강한 분자들로 변하는 화학반응을 발열반응이라 부르며 발열반응의 엔탈피 변화()는 음의 값을 가진다

lt다gt 화학 반응의 자발성은 반응의 자유에너지 변화()의 부호로 판단할 수 있다 자유에너지의 변화()는 엔탈피의 변화() 엔트로피의 변화() 온도()에 의하여 결정되며 그 관계는 로 표현된다 일반적으로 와 는 온도의 변화에 큰 영향을 받지 않으므로 임의의 온도 에서 값을 구할 때 표준상태( 1기압)에서 측정한 와 로 체해서 사용하면 된다 자발적인 반응은 음의 값을 가지며 계의 자유에너지가 최솟값을 가지게 되면 () 그 계는 정반응의 속도와 역반응의 속도가 동일한 화학평형 상태에 도달하게 된다

상온에서 철이 녹스는 과정(Fe O rarr FeO)은 자발적인

발열반응이다 그러나 아주 고온에서는 이 반응의 역반응이 일어나게 되어 제철소의 용광로에서 산화철로부터 순수한 철을 얻을 수 있다 이 반응의 자유에너지의 변화를 아래 그래프에 표시하였다

lt라gt 화학평형의 정반응과 역반응간의 상 적인 우세는 화학평형상수()에 의해 결정되며 가 1보다 월등히 크면 정반응이 우세하고 그 반 의 경우 역반응이 우세하다 표준상태( 1기압)의 화학평형상수는 ln의 관계식에 의해 얻을 수 있다(은 표준상태에서 측정한 수치 은 양의 값을 가지는 기체상수)

[논 제] 다음의 화학반응식에서 질소와 수소가 반응하여 암모니아를 형성하는 반응은 발열반응이고 상온에서의 화학평형상수 값은 1보다 아주 큰 값을 갖는다

Ng Hg NHg 제시문을 이용하여 이 반응의 와 온도()의 관계를 오른쪽 그래프의 형태를 이용하여 도시하고 도시 과정을 설명하시오 또한 반응온도 K의 화학평형상수 과 반응온도 K에서의 화학평형상수 를 과 을 이용하여 표현하고 과 의 상 적인 크기에

해 비교 설명하시오

[그림 1]

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(3) 예시답안으로 확인하기

주어진 암모니아 합성 반응은 발열반응이다 따라서 엔탈피 변화는 이다 또한 기체의 몰수가 감소하는 반응이므로 엔트로피의 변화는 가 된다 따라서 제시문에 주어진 식 에서 온도가 특정 온도보다 낮을 경우 일 것이고 온도가 특정 온도보다 높을 경우 가 될 것이다 또한 와 는 온도의 변화에 큰 영향을 받지 않는다 했으므로 상수로 취급하면 그래프는 아래와 같은 1차 함수의 형태를 이룰 것이다

위 그래프에서 평형이 되는 온도는 일 때의 온도이므로 에서 평형온도 이

된다 한편 그래프에서 는 절편에 해당하고(에서 일 때의 값) ( )는 기울기가 된다

한편 ln 에서 ln

이고

이다따라서

이다또한

ln ln ln

≺ ∵≺

이므로 이다 그 이유는 암모니아 합성반응이 발열반응이므로 온도가 증가할 경우 역반응(흡열반응)이 정반응에 비해 우세해지기 때문이다

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6 수능 비문학 지문으로 화학논술 따라잡기

(1) 수능 문항으로 감(感) 잡기

[16～18] 다음 글을 읽고 물음에 답하시오 (2014학년도 수능 국어A)

19세기 중반 화학자 분젠은 불꽃 반응에서 나타나는 물질 고유의 불꽃색에 한 연구를 진행하고 있었다 그는 버너 불꽃의 색을 제거한 개선된 버너를 고안함으로써 물질의 불꽃색을 더 잘 구별할 수 있도록 하였다 하지만 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질의 불꽃은 색깔이 겹쳐서 분간이 어려웠다 이에 물리학자 키르히호프는 프리즘을 통한 분석을 제안했고 둘은 협력하여 불꽃의 색을 분리시키는 분광 분석법을 창안했다 이것은 과학사에 길이 남을 업적으로 이어졌다

그들은 불꽃 반응에서 나오는 빛을 프리즘에 통과시켜 띠 모양으로 분산시킨 후 망원경을 통해 이를 들여다보는 방식으로 실험을 진행하였다 빛이 띠 모양으로 분산되는 것은 빛이 파장이 짧을수록 굴절하는 각이 커지기 때문이다 이 방법을 통해 그들은 알칼리 금속과 알칼리 토금속의 스펙트럼을 체계적으로 조사하여 그것들을 함유한 화합물들을 찾아내었다 이 과정에서 그들은 특정한 금속의 스펙트럼에서 띄엄띄엄 떨어진 밝은 선의 위치는 그 금속이 홑원소로 존재하든 다른 원소와 결합하여 존재하든 불꽃의 온도에 상관없이 항상 같다는 결론에 도달하였다 이로써 화학 반응을 이용하는 전통적인 분석 화학의 방법에 의존하지 않고도 정확하게 화합물의 원소를 판별해 내는 분광 분석법이 탄생하였다 이 방법의 유효성은 그들이 새로운 금속 원소인 세슘과 루비듐을 발견함으로써 입증되었다

1859년 키르히호프는 이 방법을 천문학 분야로까지 확장하였다 그는 불꽃 반응 실험에서 관찰한 나트륨 스펙트럼의 두 개의 인접한 밝은 선과 1810년 프라운호퍼가 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼에서 발견한 검은 선들을 비교하는 과정에서 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 나타나는 원인을 설명할 수 있었다 그는 태양빛의 스펙트럼의 검은 선들 중에서 프라운호퍼의 D선이 나트륨 고유의 밝은 선들과 같은 파장에서 겹쳐지는 것을 확인하고 D선은 태양에서 비교적 차가운 부분인 태양 기 중에 존재하는 나트륨 때문에 생긴다고 해석했다 이것은 태양 기 중의 나트륨이 태양의 더 뜨거운 부분에서 나오는 빛 가운데 D선에 해당하는 파장의 빛들을 흡수하기 때문이다 태양빛의 스펙트럼을 보면 D선 이외에도 차가운 태양 기 중의 특정 원소에 의해 흡수된 빛의 파장 위치에 검은 선들이 나타난다 이 검은 선들은 그 특정 원소가 불꽃 반응에서 나타내는 스펙트럼 상의 밝은 선들과 나타나는 위치가 동일하다

이후 이러한 원리의 적용을 통해 철과 헬륨 같은 다른 원소들도 태양 기 중에 존재함을 밝혀졌으며 다른 항성을 연구하는 데도 같은 원리가 적용되었다 이를 두고 동료 과학자들은 물리학 화학 천문학에 모두 적용될 수 있는 분광 분석법이 천체 기의 화학적 조성을 밝혀냄으로써 우주의 통일성을 드러내었고 우주의 모든 곳에 존재하는 자연의 원리를 인식하게 하는 데 공헌했다고 평가했다

16 윗글을 바탕으로 할 때 의 업적으로 볼 수 있는 것은① 화학 반응을 이용하는 분석 화학 방법을 확립하였다② 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 존재함을 알아내었다③ 물질을 불꽃에 넣으면 독특한 불꽃색이 나타나는 것을 발견하였다④ 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼을 얻는 방법을 창안하였다⑤ 천체에 가지 않고도 그 기에 존재하는 원소에 관한 정보를 얻을 수 있는 길이 열렸다

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[핵심 정보의 파악] ⑤의 키르히호프는 분광 분석법을 통해 태양 기 중에 존재하는 특정 원소의 존재를 파악할 수 있는 길을 열었다(셋째 문단) 이후 이러한 분광 분석법을 동료 과학자들이 적용하여 천체 기의 화학적 조성을 밝히는 데 공헌했다(넷째 문단) 결국 키르히호프의 분광 분석법은 천체에 가지 않고도 그 기에 존재하는 원소에 관한 정보를 얻을 수 있는 길을 열었다고 볼 수 있다[해설]① 키르히호프는 화학 반응을 이용하는 전통적인 분석 화학의 방법에 의존하지 않고도 정확하게 화합물의 원소를 판별해 내는 분광 분석법을 창안했다(둘째 문단)② 프라운호퍼가 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 존재함을 알아내었다(셋째 문단)③ 물질을 불꽃에 넣으면 독특한 불꽃색이 나타나는 불꽃 반응은 키르히호프 이전에 이미 발견되었으며 이에

한 연구가 진행되고 있었다(첫째 문단)④ 프리즘을 통과시켜 태양빛의 스펙트럼을 얻는 방법은 이미 1810년 프라운호퍼가 창안하였다(셋째 문단)

17 윗글을 이해한 내용으로 가장 적절한 것은① 루비듐의 존재는 분광 분석법이 출현하기 전에 확인되었다② 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 빛의 파장이 길수록 굴절하는 각이 커진다③ 금속 원소 스펙트럼의 밝은 선의 위치는 불꽃의 온도를 높여도 변하지 않는다④ 철이 태양 기에 존재한다는 사실은 나트륨이 태양 기에 존재한다는 사실보다 먼저 밝혀졌다⑤ 분젠은 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질에서 나오는 각각의 불꽃색이 겹치는 현상을 막아 주는 버너를 고안하였다

[세부 정보의 확인] ③분젠과 키르히호프의 실험 과정에서 특정한 금속의 스펙트럼에서 밝은 선의 위치는 그 금속이 홑원소로 존재하든 다른 원소와 결합하여 존재하든 불꽃의 온도에 상관없이 항상 같다는 결론에 도달하였다고 제시되어 있다(둘째 문단) 따라서 금속 원소 스펙트럼의 밝은 선의 위치는 불꽃의 온도를 높여도 변하지 않는다고 할 수 있다[해설]① 분젠과 키리히호프가 분광 분석법을 통해서 새로운 금속 원소인 세슘과 루비듐을 발견함으로써 방법의 유효성을 입증했다고 제시되어 있다 결국 루비듐의 존재는 분광 분석법이 출현함으로써 확인되었다고 볼 수 있다(둘째 문단)② 빛 파장이 짧을수록 굴절하는 각이 커지기 때문에 빛이 띠 모양으로 분산된다고 제시되어 있다 역으로 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 빛의 파장이 길수록 굴절하는 각은 작아진다고 할 수 있다(둘째 문단)④ 분광 분석법을 통해 나트륨이 태양 기에 존재한다는 사실이 밝혀진 뒤 이러한 원리의 적용을 통해 철과 헬륨 같은 다른 원소들도 태양 기 중에 존재함이 밝혀졌다고 설명하고 있다(셋째 넷째 문단)⑤ 분젠이 개선된 버너를 고안했지만 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질의 불꽃은 색깔이 겹쳐서 분간이 어려웠다고 제시되어 있다(첫째 문단) 분젠이 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질에서 나오는 각각의 불꽃색이 겹치는 현상을 막아 주는 버너를 고안했다고 이해하는 것은 적절하지 않다

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18 윗글을 바탕으로 lt보기gt를 해석한 내용으로 적절하지 않은 것은 [3점]

lt보 기gt우리 은하의 어떤 항성 α와 β의 별빛 스펙트럼을 살펴보니 많은 검은 선들을 볼 수 있었다 이것들을 나트륨 리

튬의 스펙트럼의 밝은 선들과 비교했을 때 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 β의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 α의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다 리튬 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 α의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 β의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다

① 항성 α는 태양이 아니겠군② 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있겠군③ 항성 β에는 리튬이 존재하지 않겠군④ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 없겠군⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있겠군

[사례에의 적용] ④

태양빛의 스펙트럼의 검은 선들 중에서 프라운호퍼의 D선이 나트륨 고유의 밝은 선들과 같은 파장에서 겹쳐지는 것은 나트륨이 D선에 해당하는 파장의 빛들을 흡수하기 때문이라고 제시되어 있다(셋째 문단) 이를 바탕으로 lt보기gt를 해석하면 lt보기gt에서 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 하였으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 있다고 판단할 수 있다[해설]① 나트륨 스펙트럼이 항성 α의 검은 선들과 겹쳐지지 않았으므로 항성 α에는 태양 기성분인 나트륨이 존재하지 않는다고 판단할 수 있다 따라서 항성 α는 태양이 아니다② 항성 α의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 했으므로 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있을 것으로 판단할 수 있다③ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐지지 않았다고 했으므로 항성 β에는 리튬이 존재하지 않는다 왜냐하면 특정 원소에 의해 흡수된 빛의 파장 위치에 검은 선들은 그 특정 원소가 불꽃 반응에서 나타내는 스펙트럼 상의 밝은 선들과 나타나는 위치가 동일하기 때문이다⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐진다고 했으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛(나트륨)이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있을 것으로 이해할 수 있다

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(2) 논술 문항 따라잡기

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오 (2010학년도 서울 기출문제 응용)

lt가gt 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있다 원자 안에서 전자는 다음의 특성을 갖는다 ① 전자의 에너지 상태는 불연속적인 특정한 값만을 갖는다 이 값들은 각 원소마다 독특하다 ② 낮은 에너지 상태에 있는 전자가 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이 값만큼의 에

너지를 흡수하여야 한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 전자가 낮은 에너지 상태로 내려올 때는 해당 크기의 에너지를 방출한다

백열등처럼 연속 스펙트럼을 가진 빛을 네온 기체에 통과시키면 네온 원자의 전자 에너지 상태에 따라 특정 위치에서 검은 선들이 나타나는 흡수 스펙트럼(그림 1)이 얻어진다

파장(nm)

[그림 1] 네온 기체의 흡수 선 스펙트럼 (nm timesm )

lt나gt 분자는 원자들이 결합하여 만들어진다 분자내의 원자들이 움직이는 진동운동은 다음과 같은 특성을 갖는다 ① 분자의 진동 에너지는 불연속적인 특정한 값들을 갖는다 이 값들은 각 분자마다 독특하다 ② 분자의 진동 운동이 낮은 에너지 상태에서 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이만큼

에너지를 흡수한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 진동 운동은 에너지를 방출하며 낮은 에너지 상태로 내려간다

lt다gt 물질의 열에너지는 입자의 운동 분자의 내부 진동 원자의 전자 에너지 등 다양한 에너지의 합으로 나타낼 수 있다 절 온도 에서 열에너지는 략 만큼의 값을 갖는다(는 볼츠만 상수로 timesJK이다) 분자의 진동 에너지는 100kJmol이하의 값이며 적외선 영역(파장 m이상)에 해당한다 원자 내의 전자 에너지는 이 보다 큰 값을 가지며 가시광선nmsimnm 또는 자외선 영역에 해당하고 원자핵 내 핵자들의 결합에너지는 이 보다 백만 배 이상 크다

lt라gt 천체 망원경 기술의 발전에 힘입어 별 빛의 스펙트럼을 분석하는 분광 분석적 천체관측이 가능하게 되었다 관측 스펙트럼 영역도 가시광선뿐 아니라 자외선 및 적외선 영역까지 확장되었으며 최근에는 지구 기의 영향을 없애기 위해 인공위성에 탑재시킨 천체 망원경을 주로 사용하고 있다 다음의 [그림 2]는 어느 별과 지구 사이에 존재하는 성간 구름 영역을 통과하여 지구에 도달하는 별빛 스펙트럼을 나타낸 것으로 적외선 영역에서 다양한 흡수 봉우리들이 관찰됨을 알 수 있다

[그림 2]

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[논제 1] 제시문 lt라gt의 별빛 스펙트럼(그림 2)에 근거하여 성간 구름에 물 분자가 존재할 가능성에 해 논하시오 참고자료 OH 작용기의 진동 운동에너지에 해당하는 빛의 파장은 다음과 같이 계산된다 여기서 는 빛의 파장 H는 수소원자의 질량timeskg을 의미한다

timesmtimesHkg

[논제 2] 제시문 lt라gt의 별빛의 스펙트럼에는 적외선을 포함하는 연속 스펙트럼 위에 가시광선과 자외선 영역에 해당하는 검은 흡수선들도 발견되었다 만약 별빛이 성간 구름 영역을 거치지 않고 직접 지구로 도달하는 경우에는 [그림 2]와 같은 적외선 영역의 흡수 봉우리들은 관찰되지 않는다고 한다 이로부터 별의 기와 성간 구름에 존재하는 물질들이 어떻게 다른지를 유추하고 그러한 물질 조성의 차이가 나타나는 이유를 두 환경의 온도 효과로 설명하시오

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(3) 예시답안으로 확인하기

[논제 1]

[논제 2]

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기체 법칙의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

이탈리아의 과학자 토리첼리가 수은 기압계를 이용하여 기의 압력을 처음 측정하였다고 알려져 있다 수은을 가득 채운 유리관을 거꾸로 세우면 그림 (1) 과 같이 수은기둥이 내려오다가 유리관 안을 채운 수은이 내리 누르는 무게 (힘) 이 외부의 공기가 내리 누르는 힘 (공기의 압력) 과 같아지는 위치에서 평형을 이루게 된다 이 때 유리관 안의 빈 공간은 진공 상태가 된다 이 실험을 통해 기압은 수은기둥의 높이가 76 cm일 때의 압력과 같다는 것을 알 수 있다

그림 (1) 토리첼리의 수은 기압계

그림 (2) 보일의 J 관

영국의 과학자 보일은 J 자 모양의 유리관을 사용한 실험을 통해 ldquo일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피() 는 기체에 작용하는 압력 () 에 반비례한다rdquo 는 사실을 알아내었는데 이를 보일의 법칙이라고 한다 보일의 법칙을 기체 분자 운동론의 관점에서 생각해보면 일정한 온도를 유지하면서 기체의 부피를 줄이는 경우 일정 시간 동안 단위 면적에 부딪치는 기체 분자의 수가 많아져서 결국 해당 기체의 압력이 높아진다는 것이다 보일의 J 관을 사용하여 기체의 압력을 측정할 때는 기압을 고려해야 한다 예를 들어 어떤 기체가 그림 (2) 와 같이 평형을 이루고 있다면 이 기체의 압력은 2 기압이 된다 왜냐하면 수은기둥 76 cm 에 해당하는 1 기압이 원래 기압 1 기압에 더해져서 유리관 내 기체 압력과 평형을 이루고 있기 때문이다 프랑스의 과학자 샤를은 ldquo일정한 압력에서 기체의 부피는 그 종류에 관계없이 온도가 1 높아질 때마다

0 때 부피의 만큼씩 증가한다rdquo 는 사실을 알아냈다 이것을 샤를의 법칙이라고 한다

이상의 내용을 종합하여 기체의 압력 온도 부피 사이의 상관관계를 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다

(상수) (단 는 섭씨온도())

[논 제] 다음의 그림 (3) 과 그림 (4) 에서 기압은 1기압이고 유리관 내부 기체는 같은 종류이며 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 만족한다 J 관에서 기체의 유출은 없으며 J 관의 단면적은 모든 부분에서 일정하다고 가정하자 아래의 문제 (i) (ii) 에서 기체를 제외한 나머지 부분의 온도 변화 열팽창 및 열전도는 고려하지 않는다

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 1 기체 분자운동론과 법칙

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(i) 그림 (3) 에서 유리관 내부 기체의 온도는 0 이고 압력은 벽면과의 마찰이 없는 피스톤에 의해 외부압력 (기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 온도를 증가시켰을 때 왜 부피가 변하였는지를 기체 분자 운동론의 관점에서 설명하시오 (단 피스톤의 자체 질량은 무시한다)

(ii) 그림 (4) 에서 수은이 채워진 관 내부 기체의 온도는 0 이고 기체가 들어있는 부분의 처음 높이는 76 cm 이다 기체의 압력은 외부압력 ( 기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 (i) 에서 구한 온도와 차이가 있을 경우 그 이유에 해 설명하시오

그림 (3)

그림 (4)

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이상기체 vs 실제기체2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 과학자들은 기체의 물리적인 성질과 기체 분자의 움직임을 설명하기 위하여 기체 분자 운동론을 제시하였다 기체 분자 운동론은 다음의 몇 가지 가정에 기반을 두고 있다

1 기체는 분자의 크기에 비하여 멀리 떨어져 있으며 기체 분자의 부피는 전체 부피에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다 2 기체 분자끼리 또는 기체 분자와 그릇의 벽에 한 충돌은 완전 탄성 충돌이다 완전 탄성 충돌은 에너지의 손실이 없다 3 기체 분자들은 무질서하게 빠른 속도로 끊임없이 직선 운동을 한다 4 기체 분자 사이의 인력이나 반발력은 작용하지 않는다 5 기체 분자의 평균 운동 에너지는 절 온도에 비례한다

기체 분자 운동론은 이상 기체에 한하여 적용될 수 있다 이상 기체는 실제로 존재하지 않으나 부분의 기체는 온도가 높고 압력이 낮으면 거의 이상 기체처럼 행동한다

lt나gt 고체나 액체와 달리 서로 다른 기체는 그들의 화학적 구성과 관계없이 매우 유사한 물리적 거동을 나타낸다 예를 들면 기체 헬륨과 플루오르는 화학적 특성이 매우 다르지만 부분의 물리적 거동은 거의 동일하다 1600년 후반에 많은 관찰을 통해 기체의 물리적 성질을 네 가지 변수 즉 압력() 온도() 부피() 몰수()로 규정할 수 있다고 제시했다 이러한 네 가지 변수 사이의 특정한 관계를 기체 법칙이라 하고 이러한 법칙을 정확히 따르는 기체를 이상 기체라고 한다 이들 기체 법칙에는 보일의 법칙 샤를의 법칙 그리고 아보가드로의 법칙 등이 있고 이 세 법칙을 하나의 식으로 묶어서 다음과 같은 이상 기체 상태 방정식을 얻어낼 수가 있다

(은 상수) 실험에 의하면 모든 기체는 0(=273K) 1기압에서 224L의 부피 중에 1몰의 분자를 포함한다는 것이 알려져 있으므로 이 결과를 이용하면 상수 ≒ Lㆍ기압몰ㆍK의 값을 얻을 수가 있고 이 값을 기체상수라 한다

[논제 1] 보일이 보일의 법칙을 발견한지 백년이 더 지난 18세기말 게이뤼삭은 0에서 100로 온도를 상승시키자 공기 수소 산소 질소 등 기체의 종류에 상관없이 부피가 모두 375 증가함을 관찰하였다 그의 실험 결과로부터 절 온도를 구해보고 오늘날 우리가 사용하는 값과 비교하여 보시오

[논제 2] 일반 마취제로 산소와 함께 사용하는 사이클로프로페인은 고리 모양의 화합물로서 분자식은 CH이다 Ar은 비활성 기체로서 원자량이 사이클로프로페인의 분자량과 유사하다 실온에서 약간 높은 압력 조건 하에 사이클로프로페인과 Ar 중 어느 것이 이상기체의 거동으로부터 더 멀어질지 기체 입자 자체의 부피와 기체 입자간 인력을 고려하여 예측하고 그 이유를 설명하시오

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[논제 3] 질소 기체 분자 사이의 거리와 인력 및 반발력에 따른 에너지 간의 관계는 아래 그래프와 같이 나타난다(단 질소 분자의 평균반경은 약 nm이다) 이를 이용해 0에서 1몰의 질소 기체에 해 (압력)에 따른 의 관계를 아래 주어진 그래프 로 답안지에 옮겨 그려 보고 왜 그렇게 그렸는지 구체적으로 설명하시오

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분자 간 상호작용의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 분자들 사이에 작용하는 힘에는 쌍극자-쌍극자 힘 분산력(반 데르 발스 힘)과 수소 결합이 있다 쌍극자-쌍극자 힘이란 서로 근접한 극성 분자들이 갖고 있는 부분전하 사이에 작용하는 정전기적 인력을 말하며 공유결합 분자들 중 전기 음성도 차이에 의한 쌍극자 모멘트가 있는 극성 분자들 사이에 형성된다 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자의 경우에는 일시적으로 분자 내의 전자가 한쪽으로 쏠리면서 전자 분포가 치우쳐 편극이 되면 순간적으로 쌍극자가 형성될 수 있다 이때 순간 쌍극자는 이웃한 분자의 전자 분포에 영향을 미쳐 또 다른 순간 쌍극자를 유발하게 된다 이 두 순간 쌍극자 사이에 작용하는 정전기적 인력을 분산력(반 데르 발스 힘)이라고 하며 분자량이 클수록 분산력이 커지게 된다 수소 결합이란 전기 음성도가 큰 원자에 결합된 수소 원자와 전기음성도가 큰 다른 원자에 있는 비공유 전자쌍 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨 이루어지는 결합이다

[논제 1] lt그림 1gt은 수소화합물들의 끓는점이 각 원소들의 원자 주기에 따라 차이가 있음을 나타내고 있다 다음의 각 문항에 답하시오

lt그림 1gt 14족과 17족 원소들로 이루어진 수소화합물의 끓는점

(1) 14족과 17족 원소들이 이루는 수소화합물의 끓는점 차이를 논리적으로 설명하시오

(2) 14족 수소화합물들의 끓는점이 주기의 증가에 따라 점차 증가하는 이유를 설명하시오

(3) 17족 수소화합물들의 끓는점이 2주기 수소화합물의 경우가 상 적으로 높은 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 2 분자 간 상호작용

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[논제 2] lt그림 2gt에는 2주기 원소들이 만드는 다양한 수소화합물의 끓는점이 각 원소의 전기음성도에 따라 표기되어 있다 이를 보면 HO의 끓는점은 NH 혹은 HF에 비해 상 적으로 높음을 알 수 있다 그 이유를 제시문을 근거로 설명하시오

lt그림 2gt 2주기 원소로 이루어진 수소화합물의 끓는점

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수소결합의 이해와 적용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 수소 결합은 N(질소) O (산소) F (플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고 융해열과 기화열이 크다 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로 화학결합과는 다르며 다른 종류의 분자 간 인력 보다 훨씬 강해 수소결합 이라고 부르는데 원자들의 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다

[논제 1] 아세트산(CHCOOH)의 분자량은 gmol이다 아세트산의 분자량을 측정하기 위해 벤젠과 같은 무극성 용매에 녹여 분자량을 측정하였더니 예상했던 분자량 60의 2배인 120으로 측정되었다고 한다 그 이유를 제시문에 근거하여 설명하시오

[논제 2] 분자식이 CHO로 동일한 두 화합물 A B는 모두 물에 잘 용해되는데 이 중 하나는 상온에서 기체이고 다른 하나는 상온에서 액체로 존재한다 두 화합물의 구조식을 이용하여 물에 한 용해도가 공통적으로 높은 이유와 끓는점이 서로 다른 이유에 해 각각 논하시오

[논제 3] 멜라민(melamine CNH)은 세 분자의 시안아마이드(CNH)가 결합한 삼중화합체(trimer)이다 2008년에 이 분자가 다량 포함된 분유를 섭취한 유아에게 심각한 부작용이 나타나 세계적인 문제가 된 적이 있다 이 멜라민은 벤젠 화합물과 유사한 형태의 6각 고리형 골격을 기반으로 한 칭성이 좋은 분자이다 이 멜라민은 시아노유릭산(cyanouric acid)과 체내에서 만나 분자 간 결합을 통해 노란색의 멜라민 시아노유레이트(melamine cyanourate) 결정이 된다 이 결정의 형성으로 신장결석이 진행된다 위의 설명을 참고하여 멜라민과 시아노유릭산이 가장 강한 분자 간 결합을 형성한 구조를 제시하여라 멜라민과 시아노유릭산의 분자 간 결합에서 어떤 종류의 분자간 힘이 주로 작용하겠는가 멜라민과 시아노유릭산의 구조는 순서 로 아래와 같다

[멜라민의 구조]

[시아노유릭산의 구조]

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결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

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Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

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Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

- 57 -

산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

- 58 -

표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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5 수능 화학으로 화학논술 따라잡기

(1) 수능 문항으로 감(感) 잡기 ldquo열화학 반응식과 자유에너지 변화rdquo

다음은 반응 (가)~(다)의 열화학 반응식이다가 NOg rarr NOg kJ나 Ng Hg rarr NHg kJ다 SOg Og rarr SOg kJ

그림은 온도()에 따른 반응 (가)~(다)의 자유 에너지 변화()를 나타낸 것이다

이에 한 설명으로 옳은 것만을 lt보기gt에서 있는 로 고르시오 (2014학년도 수능 화학Ⅱ 18번)

보 기ㄱ A는 (나)에 해당한다ㄴ B에서 ≻일 때 ≻ 이다ㄷ (가)에서 ≻ 이다

① ㄱ ② ㄴ ③ ㄱ ㄴ ④ ㄱ ㄷ ⑤ ㄴ ㄷ

[정답] ④[해설](가)에서 계≻이고 (나)는 계≺ (다)도 계≺이다ㄱ (나)와 (다)는 온도 상승에 따라 가 증가하는 반응이므로 (가)와 C를 짝지을 수 있다 A와 B는 연장선이 축과 만나는 점에서 이므로 (나)와 A (다)와 B를 짝지을 수 있다ㄴ B에서 ≻일 때 ≻ 이므로 ≻이다 그런데 와 모두 음의 값이므로 ≺ 이다ㄷ (가)는 C이므로 연장선과 축이 만나는 점의 ≻ 이다

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(2) 논술 문항 따라잡기

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오 (2013학년도 고려 기출 응용)

lt가gt 엔트로피()는 계(system)의 무질서도와 밀접한 관계를 가지며 무질서도가 증가하는 계의 엔트로피의 변화()는 양의 값을 갖는다 오존(O)이 산소분자(O)와 산소라디칼(O )로 분해되는 반응은 엔트로피가 증가하는 전형적인 예이다 또한 일반적으로 같은 몰수의 고체 액체 기체 순으로 물질의 엔트로피 값이 증가한다

lt나gt 엔탈피()는 분자 내에서 원자 간에 작용하는 결합력과 밀접한 관계가 있다 원자간 결합력이 약한 분자들이 원자간 결합력이 강한 분자들로 변하는 화학반응을 발열반응이라 부르며 발열반응의 엔탈피 변화()는 음의 값을 가진다

lt다gt 화학 반응의 자발성은 반응의 자유에너지 변화()의 부호로 판단할 수 있다 자유에너지의 변화()는 엔탈피의 변화() 엔트로피의 변화() 온도()에 의하여 결정되며 그 관계는 로 표현된다 일반적으로 와 는 온도의 변화에 큰 영향을 받지 않으므로 임의의 온도 에서 값을 구할 때 표준상태( 1기압)에서 측정한 와 로 체해서 사용하면 된다 자발적인 반응은 음의 값을 가지며 계의 자유에너지가 최솟값을 가지게 되면 () 그 계는 정반응의 속도와 역반응의 속도가 동일한 화학평형 상태에 도달하게 된다

상온에서 철이 녹스는 과정(Fe O rarr FeO)은 자발적인

발열반응이다 그러나 아주 고온에서는 이 반응의 역반응이 일어나게 되어 제철소의 용광로에서 산화철로부터 순수한 철을 얻을 수 있다 이 반응의 자유에너지의 변화를 아래 그래프에 표시하였다

lt라gt 화학평형의 정반응과 역반응간의 상 적인 우세는 화학평형상수()에 의해 결정되며 가 1보다 월등히 크면 정반응이 우세하고 그 반 의 경우 역반응이 우세하다 표준상태( 1기압)의 화학평형상수는 ln의 관계식에 의해 얻을 수 있다(은 표준상태에서 측정한 수치 은 양의 값을 가지는 기체상수)

[논 제] 다음의 화학반응식에서 질소와 수소가 반응하여 암모니아를 형성하는 반응은 발열반응이고 상온에서의 화학평형상수 값은 1보다 아주 큰 값을 갖는다

Ng Hg NHg 제시문을 이용하여 이 반응의 와 온도()의 관계를 오른쪽 그래프의 형태를 이용하여 도시하고 도시 과정을 설명하시오 또한 반응온도 K의 화학평형상수 과 반응온도 K에서의 화학평형상수 를 과 을 이용하여 표현하고 과 의 상 적인 크기에

해 비교 설명하시오

[그림 1]

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(3) 예시답안으로 확인하기

주어진 암모니아 합성 반응은 발열반응이다 따라서 엔탈피 변화는 이다 또한 기체의 몰수가 감소하는 반응이므로 엔트로피의 변화는 가 된다 따라서 제시문에 주어진 식 에서 온도가 특정 온도보다 낮을 경우 일 것이고 온도가 특정 온도보다 높을 경우 가 될 것이다 또한 와 는 온도의 변화에 큰 영향을 받지 않는다 했으므로 상수로 취급하면 그래프는 아래와 같은 1차 함수의 형태를 이룰 것이다

위 그래프에서 평형이 되는 온도는 일 때의 온도이므로 에서 평형온도 이

된다 한편 그래프에서 는 절편에 해당하고(에서 일 때의 값) ( )는 기울기가 된다

한편 ln 에서 ln

이고

이다따라서

이다또한

ln ln ln

≺ ∵≺

이므로 이다 그 이유는 암모니아 합성반응이 발열반응이므로 온도가 증가할 경우 역반응(흡열반응)이 정반응에 비해 우세해지기 때문이다

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6 수능 비문학 지문으로 화학논술 따라잡기

(1) 수능 문항으로 감(感) 잡기

[16～18] 다음 글을 읽고 물음에 답하시오 (2014학년도 수능 국어A)

19세기 중반 화학자 분젠은 불꽃 반응에서 나타나는 물질 고유의 불꽃색에 한 연구를 진행하고 있었다 그는 버너 불꽃의 색을 제거한 개선된 버너를 고안함으로써 물질의 불꽃색을 더 잘 구별할 수 있도록 하였다 하지만 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질의 불꽃은 색깔이 겹쳐서 분간이 어려웠다 이에 물리학자 키르히호프는 프리즘을 통한 분석을 제안했고 둘은 협력하여 불꽃의 색을 분리시키는 분광 분석법을 창안했다 이것은 과학사에 길이 남을 업적으로 이어졌다

그들은 불꽃 반응에서 나오는 빛을 프리즘에 통과시켜 띠 모양으로 분산시킨 후 망원경을 통해 이를 들여다보는 방식으로 실험을 진행하였다 빛이 띠 모양으로 분산되는 것은 빛이 파장이 짧을수록 굴절하는 각이 커지기 때문이다 이 방법을 통해 그들은 알칼리 금속과 알칼리 토금속의 스펙트럼을 체계적으로 조사하여 그것들을 함유한 화합물들을 찾아내었다 이 과정에서 그들은 특정한 금속의 스펙트럼에서 띄엄띄엄 떨어진 밝은 선의 위치는 그 금속이 홑원소로 존재하든 다른 원소와 결합하여 존재하든 불꽃의 온도에 상관없이 항상 같다는 결론에 도달하였다 이로써 화학 반응을 이용하는 전통적인 분석 화학의 방법에 의존하지 않고도 정확하게 화합물의 원소를 판별해 내는 분광 분석법이 탄생하였다 이 방법의 유효성은 그들이 새로운 금속 원소인 세슘과 루비듐을 발견함으로써 입증되었다

1859년 키르히호프는 이 방법을 천문학 분야로까지 확장하였다 그는 불꽃 반응 실험에서 관찰한 나트륨 스펙트럼의 두 개의 인접한 밝은 선과 1810년 프라운호퍼가 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼에서 발견한 검은 선들을 비교하는 과정에서 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 나타나는 원인을 설명할 수 있었다 그는 태양빛의 스펙트럼의 검은 선들 중에서 프라운호퍼의 D선이 나트륨 고유의 밝은 선들과 같은 파장에서 겹쳐지는 것을 확인하고 D선은 태양에서 비교적 차가운 부분인 태양 기 중에 존재하는 나트륨 때문에 생긴다고 해석했다 이것은 태양 기 중의 나트륨이 태양의 더 뜨거운 부분에서 나오는 빛 가운데 D선에 해당하는 파장의 빛들을 흡수하기 때문이다 태양빛의 스펙트럼을 보면 D선 이외에도 차가운 태양 기 중의 특정 원소에 의해 흡수된 빛의 파장 위치에 검은 선들이 나타난다 이 검은 선들은 그 특정 원소가 불꽃 반응에서 나타내는 스펙트럼 상의 밝은 선들과 나타나는 위치가 동일하다

이후 이러한 원리의 적용을 통해 철과 헬륨 같은 다른 원소들도 태양 기 중에 존재함을 밝혀졌으며 다른 항성을 연구하는 데도 같은 원리가 적용되었다 이를 두고 동료 과학자들은 물리학 화학 천문학에 모두 적용될 수 있는 분광 분석법이 천체 기의 화학적 조성을 밝혀냄으로써 우주의 통일성을 드러내었고 우주의 모든 곳에 존재하는 자연의 원리를 인식하게 하는 데 공헌했다고 평가했다

16 윗글을 바탕으로 할 때 의 업적으로 볼 수 있는 것은① 화학 반응을 이용하는 분석 화학 방법을 확립하였다② 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 존재함을 알아내었다③ 물질을 불꽃에 넣으면 독특한 불꽃색이 나타나는 것을 발견하였다④ 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼을 얻는 방법을 창안하였다⑤ 천체에 가지 않고도 그 기에 존재하는 원소에 관한 정보를 얻을 수 있는 길이 열렸다

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[핵심 정보의 파악] ⑤의 키르히호프는 분광 분석법을 통해 태양 기 중에 존재하는 특정 원소의 존재를 파악할 수 있는 길을 열었다(셋째 문단) 이후 이러한 분광 분석법을 동료 과학자들이 적용하여 천체 기의 화학적 조성을 밝히는 데 공헌했다(넷째 문단) 결국 키르히호프의 분광 분석법은 천체에 가지 않고도 그 기에 존재하는 원소에 관한 정보를 얻을 수 있는 길을 열었다고 볼 수 있다[해설]① 키르히호프는 화학 반응을 이용하는 전통적인 분석 화학의 방법에 의존하지 않고도 정확하게 화합물의 원소를 판별해 내는 분광 분석법을 창안했다(둘째 문단)② 프라운호퍼가 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 존재함을 알아내었다(셋째 문단)③ 물질을 불꽃에 넣으면 독특한 불꽃색이 나타나는 불꽃 반응은 키르히호프 이전에 이미 발견되었으며 이에

한 연구가 진행되고 있었다(첫째 문단)④ 프리즘을 통과시켜 태양빛의 스펙트럼을 얻는 방법은 이미 1810년 프라운호퍼가 창안하였다(셋째 문단)

17 윗글을 이해한 내용으로 가장 적절한 것은① 루비듐의 존재는 분광 분석법이 출현하기 전에 확인되었다② 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 빛의 파장이 길수록 굴절하는 각이 커진다③ 금속 원소 스펙트럼의 밝은 선의 위치는 불꽃의 온도를 높여도 변하지 않는다④ 철이 태양 기에 존재한다는 사실은 나트륨이 태양 기에 존재한다는 사실보다 먼저 밝혀졌다⑤ 분젠은 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질에서 나오는 각각의 불꽃색이 겹치는 현상을 막아 주는 버너를 고안하였다

[세부 정보의 확인] ③분젠과 키르히호프의 실험 과정에서 특정한 금속의 스펙트럼에서 밝은 선의 위치는 그 금속이 홑원소로 존재하든 다른 원소와 결합하여 존재하든 불꽃의 온도에 상관없이 항상 같다는 결론에 도달하였다고 제시되어 있다(둘째 문단) 따라서 금속 원소 스펙트럼의 밝은 선의 위치는 불꽃의 온도를 높여도 변하지 않는다고 할 수 있다[해설]① 분젠과 키리히호프가 분광 분석법을 통해서 새로운 금속 원소인 세슘과 루비듐을 발견함으로써 방법의 유효성을 입증했다고 제시되어 있다 결국 루비듐의 존재는 분광 분석법이 출현함으로써 확인되었다고 볼 수 있다(둘째 문단)② 빛 파장이 짧을수록 굴절하는 각이 커지기 때문에 빛이 띠 모양으로 분산된다고 제시되어 있다 역으로 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 빛의 파장이 길수록 굴절하는 각은 작아진다고 할 수 있다(둘째 문단)④ 분광 분석법을 통해 나트륨이 태양 기에 존재한다는 사실이 밝혀진 뒤 이러한 원리의 적용을 통해 철과 헬륨 같은 다른 원소들도 태양 기 중에 존재함이 밝혀졌다고 설명하고 있다(셋째 넷째 문단)⑤ 분젠이 개선된 버너를 고안했지만 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질의 불꽃은 색깔이 겹쳐서 분간이 어려웠다고 제시되어 있다(첫째 문단) 분젠이 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질에서 나오는 각각의 불꽃색이 겹치는 현상을 막아 주는 버너를 고안했다고 이해하는 것은 적절하지 않다

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18 윗글을 바탕으로 lt보기gt를 해석한 내용으로 적절하지 않은 것은 [3점]

lt보 기gt우리 은하의 어떤 항성 α와 β의 별빛 스펙트럼을 살펴보니 많은 검은 선들을 볼 수 있었다 이것들을 나트륨 리

튬의 스펙트럼의 밝은 선들과 비교했을 때 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 β의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 α의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다 리튬 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 α의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 β의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다

① 항성 α는 태양이 아니겠군② 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있겠군③ 항성 β에는 리튬이 존재하지 않겠군④ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 없겠군⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있겠군

[사례에의 적용] ④

태양빛의 스펙트럼의 검은 선들 중에서 프라운호퍼의 D선이 나트륨 고유의 밝은 선들과 같은 파장에서 겹쳐지는 것은 나트륨이 D선에 해당하는 파장의 빛들을 흡수하기 때문이라고 제시되어 있다(셋째 문단) 이를 바탕으로 lt보기gt를 해석하면 lt보기gt에서 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 하였으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 있다고 판단할 수 있다[해설]① 나트륨 스펙트럼이 항성 α의 검은 선들과 겹쳐지지 않았으므로 항성 α에는 태양 기성분인 나트륨이 존재하지 않는다고 판단할 수 있다 따라서 항성 α는 태양이 아니다② 항성 α의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 했으므로 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있을 것으로 판단할 수 있다③ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐지지 않았다고 했으므로 항성 β에는 리튬이 존재하지 않는다 왜냐하면 특정 원소에 의해 흡수된 빛의 파장 위치에 검은 선들은 그 특정 원소가 불꽃 반응에서 나타내는 스펙트럼 상의 밝은 선들과 나타나는 위치가 동일하기 때문이다⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐진다고 했으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛(나트륨)이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있을 것으로 이해할 수 있다

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(2) 논술 문항 따라잡기

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오 (2010학년도 서울 기출문제 응용)

lt가gt 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있다 원자 안에서 전자는 다음의 특성을 갖는다 ① 전자의 에너지 상태는 불연속적인 특정한 값만을 갖는다 이 값들은 각 원소마다 독특하다 ② 낮은 에너지 상태에 있는 전자가 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이 값만큼의 에

너지를 흡수하여야 한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 전자가 낮은 에너지 상태로 내려올 때는 해당 크기의 에너지를 방출한다

백열등처럼 연속 스펙트럼을 가진 빛을 네온 기체에 통과시키면 네온 원자의 전자 에너지 상태에 따라 특정 위치에서 검은 선들이 나타나는 흡수 스펙트럼(그림 1)이 얻어진다

파장(nm)

[그림 1] 네온 기체의 흡수 선 스펙트럼 (nm timesm )

lt나gt 분자는 원자들이 결합하여 만들어진다 분자내의 원자들이 움직이는 진동운동은 다음과 같은 특성을 갖는다 ① 분자의 진동 에너지는 불연속적인 특정한 값들을 갖는다 이 값들은 각 분자마다 독특하다 ② 분자의 진동 운동이 낮은 에너지 상태에서 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이만큼

에너지를 흡수한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 진동 운동은 에너지를 방출하며 낮은 에너지 상태로 내려간다

lt다gt 물질의 열에너지는 입자의 운동 분자의 내부 진동 원자의 전자 에너지 등 다양한 에너지의 합으로 나타낼 수 있다 절 온도 에서 열에너지는 략 만큼의 값을 갖는다(는 볼츠만 상수로 timesJK이다) 분자의 진동 에너지는 100kJmol이하의 값이며 적외선 영역(파장 m이상)에 해당한다 원자 내의 전자 에너지는 이 보다 큰 값을 가지며 가시광선nmsimnm 또는 자외선 영역에 해당하고 원자핵 내 핵자들의 결합에너지는 이 보다 백만 배 이상 크다

lt라gt 천체 망원경 기술의 발전에 힘입어 별 빛의 스펙트럼을 분석하는 분광 분석적 천체관측이 가능하게 되었다 관측 스펙트럼 영역도 가시광선뿐 아니라 자외선 및 적외선 영역까지 확장되었으며 최근에는 지구 기의 영향을 없애기 위해 인공위성에 탑재시킨 천체 망원경을 주로 사용하고 있다 다음의 [그림 2]는 어느 별과 지구 사이에 존재하는 성간 구름 영역을 통과하여 지구에 도달하는 별빛 스펙트럼을 나타낸 것으로 적외선 영역에서 다양한 흡수 봉우리들이 관찰됨을 알 수 있다

[그림 2]

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[논제 1] 제시문 lt라gt의 별빛 스펙트럼(그림 2)에 근거하여 성간 구름에 물 분자가 존재할 가능성에 해 논하시오 참고자료 OH 작용기의 진동 운동에너지에 해당하는 빛의 파장은 다음과 같이 계산된다 여기서 는 빛의 파장 H는 수소원자의 질량timeskg을 의미한다

timesmtimesHkg

[논제 2] 제시문 lt라gt의 별빛의 스펙트럼에는 적외선을 포함하는 연속 스펙트럼 위에 가시광선과 자외선 영역에 해당하는 검은 흡수선들도 발견되었다 만약 별빛이 성간 구름 영역을 거치지 않고 직접 지구로 도달하는 경우에는 [그림 2]와 같은 적외선 영역의 흡수 봉우리들은 관찰되지 않는다고 한다 이로부터 별의 기와 성간 구름에 존재하는 물질들이 어떻게 다른지를 유추하고 그러한 물질 조성의 차이가 나타나는 이유를 두 환경의 온도 효과로 설명하시오

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(3) 예시답안으로 확인하기

[논제 1]

[논제 2]

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기체 법칙의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

이탈리아의 과학자 토리첼리가 수은 기압계를 이용하여 기의 압력을 처음 측정하였다고 알려져 있다 수은을 가득 채운 유리관을 거꾸로 세우면 그림 (1) 과 같이 수은기둥이 내려오다가 유리관 안을 채운 수은이 내리 누르는 무게 (힘) 이 외부의 공기가 내리 누르는 힘 (공기의 압력) 과 같아지는 위치에서 평형을 이루게 된다 이 때 유리관 안의 빈 공간은 진공 상태가 된다 이 실험을 통해 기압은 수은기둥의 높이가 76 cm일 때의 압력과 같다는 것을 알 수 있다

그림 (1) 토리첼리의 수은 기압계

그림 (2) 보일의 J 관

영국의 과학자 보일은 J 자 모양의 유리관을 사용한 실험을 통해 ldquo일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피() 는 기체에 작용하는 압력 () 에 반비례한다rdquo 는 사실을 알아내었는데 이를 보일의 법칙이라고 한다 보일의 법칙을 기체 분자 운동론의 관점에서 생각해보면 일정한 온도를 유지하면서 기체의 부피를 줄이는 경우 일정 시간 동안 단위 면적에 부딪치는 기체 분자의 수가 많아져서 결국 해당 기체의 압력이 높아진다는 것이다 보일의 J 관을 사용하여 기체의 압력을 측정할 때는 기압을 고려해야 한다 예를 들어 어떤 기체가 그림 (2) 와 같이 평형을 이루고 있다면 이 기체의 압력은 2 기압이 된다 왜냐하면 수은기둥 76 cm 에 해당하는 1 기압이 원래 기압 1 기압에 더해져서 유리관 내 기체 압력과 평형을 이루고 있기 때문이다 프랑스의 과학자 샤를은 ldquo일정한 압력에서 기체의 부피는 그 종류에 관계없이 온도가 1 높아질 때마다

0 때 부피의 만큼씩 증가한다rdquo 는 사실을 알아냈다 이것을 샤를의 법칙이라고 한다

이상의 내용을 종합하여 기체의 압력 온도 부피 사이의 상관관계를 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다

(상수) (단 는 섭씨온도())

[논 제] 다음의 그림 (3) 과 그림 (4) 에서 기압은 1기압이고 유리관 내부 기체는 같은 종류이며 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 만족한다 J 관에서 기체의 유출은 없으며 J 관의 단면적은 모든 부분에서 일정하다고 가정하자 아래의 문제 (i) (ii) 에서 기체를 제외한 나머지 부분의 온도 변화 열팽창 및 열전도는 고려하지 않는다

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 1 기체 분자운동론과 법칙

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(i) 그림 (3) 에서 유리관 내부 기체의 온도는 0 이고 압력은 벽면과의 마찰이 없는 피스톤에 의해 외부압력 (기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 온도를 증가시켰을 때 왜 부피가 변하였는지를 기체 분자 운동론의 관점에서 설명하시오 (단 피스톤의 자체 질량은 무시한다)

(ii) 그림 (4) 에서 수은이 채워진 관 내부 기체의 온도는 0 이고 기체가 들어있는 부분의 처음 높이는 76 cm 이다 기체의 압력은 외부압력 ( 기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 (i) 에서 구한 온도와 차이가 있을 경우 그 이유에 해 설명하시오

그림 (3)

그림 (4)

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이상기체 vs 실제기체2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 과학자들은 기체의 물리적인 성질과 기체 분자의 움직임을 설명하기 위하여 기체 분자 운동론을 제시하였다 기체 분자 운동론은 다음의 몇 가지 가정에 기반을 두고 있다

1 기체는 분자의 크기에 비하여 멀리 떨어져 있으며 기체 분자의 부피는 전체 부피에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다 2 기체 분자끼리 또는 기체 분자와 그릇의 벽에 한 충돌은 완전 탄성 충돌이다 완전 탄성 충돌은 에너지의 손실이 없다 3 기체 분자들은 무질서하게 빠른 속도로 끊임없이 직선 운동을 한다 4 기체 분자 사이의 인력이나 반발력은 작용하지 않는다 5 기체 분자의 평균 운동 에너지는 절 온도에 비례한다

기체 분자 운동론은 이상 기체에 한하여 적용될 수 있다 이상 기체는 실제로 존재하지 않으나 부분의 기체는 온도가 높고 압력이 낮으면 거의 이상 기체처럼 행동한다

lt나gt 고체나 액체와 달리 서로 다른 기체는 그들의 화학적 구성과 관계없이 매우 유사한 물리적 거동을 나타낸다 예를 들면 기체 헬륨과 플루오르는 화학적 특성이 매우 다르지만 부분의 물리적 거동은 거의 동일하다 1600년 후반에 많은 관찰을 통해 기체의 물리적 성질을 네 가지 변수 즉 압력() 온도() 부피() 몰수()로 규정할 수 있다고 제시했다 이러한 네 가지 변수 사이의 특정한 관계를 기체 법칙이라 하고 이러한 법칙을 정확히 따르는 기체를 이상 기체라고 한다 이들 기체 법칙에는 보일의 법칙 샤를의 법칙 그리고 아보가드로의 법칙 등이 있고 이 세 법칙을 하나의 식으로 묶어서 다음과 같은 이상 기체 상태 방정식을 얻어낼 수가 있다

(은 상수) 실험에 의하면 모든 기체는 0(=273K) 1기압에서 224L의 부피 중에 1몰의 분자를 포함한다는 것이 알려져 있으므로 이 결과를 이용하면 상수 ≒ Lㆍ기압몰ㆍK의 값을 얻을 수가 있고 이 값을 기체상수라 한다

[논제 1] 보일이 보일의 법칙을 발견한지 백년이 더 지난 18세기말 게이뤼삭은 0에서 100로 온도를 상승시키자 공기 수소 산소 질소 등 기체의 종류에 상관없이 부피가 모두 375 증가함을 관찰하였다 그의 실험 결과로부터 절 온도를 구해보고 오늘날 우리가 사용하는 값과 비교하여 보시오

[논제 2] 일반 마취제로 산소와 함께 사용하는 사이클로프로페인은 고리 모양의 화합물로서 분자식은 CH이다 Ar은 비활성 기체로서 원자량이 사이클로프로페인의 분자량과 유사하다 실온에서 약간 높은 압력 조건 하에 사이클로프로페인과 Ar 중 어느 것이 이상기체의 거동으로부터 더 멀어질지 기체 입자 자체의 부피와 기체 입자간 인력을 고려하여 예측하고 그 이유를 설명하시오

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[논제 3] 질소 기체 분자 사이의 거리와 인력 및 반발력에 따른 에너지 간의 관계는 아래 그래프와 같이 나타난다(단 질소 분자의 평균반경은 약 nm이다) 이를 이용해 0에서 1몰의 질소 기체에 해 (압력)에 따른 의 관계를 아래 주어진 그래프 로 답안지에 옮겨 그려 보고 왜 그렇게 그렸는지 구체적으로 설명하시오

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분자 간 상호작용의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 분자들 사이에 작용하는 힘에는 쌍극자-쌍극자 힘 분산력(반 데르 발스 힘)과 수소 결합이 있다 쌍극자-쌍극자 힘이란 서로 근접한 극성 분자들이 갖고 있는 부분전하 사이에 작용하는 정전기적 인력을 말하며 공유결합 분자들 중 전기 음성도 차이에 의한 쌍극자 모멘트가 있는 극성 분자들 사이에 형성된다 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자의 경우에는 일시적으로 분자 내의 전자가 한쪽으로 쏠리면서 전자 분포가 치우쳐 편극이 되면 순간적으로 쌍극자가 형성될 수 있다 이때 순간 쌍극자는 이웃한 분자의 전자 분포에 영향을 미쳐 또 다른 순간 쌍극자를 유발하게 된다 이 두 순간 쌍극자 사이에 작용하는 정전기적 인력을 분산력(반 데르 발스 힘)이라고 하며 분자량이 클수록 분산력이 커지게 된다 수소 결합이란 전기 음성도가 큰 원자에 결합된 수소 원자와 전기음성도가 큰 다른 원자에 있는 비공유 전자쌍 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨 이루어지는 결합이다

[논제 1] lt그림 1gt은 수소화합물들의 끓는점이 각 원소들의 원자 주기에 따라 차이가 있음을 나타내고 있다 다음의 각 문항에 답하시오

lt그림 1gt 14족과 17족 원소들로 이루어진 수소화합물의 끓는점

(1) 14족과 17족 원소들이 이루는 수소화합물의 끓는점 차이를 논리적으로 설명하시오

(2) 14족 수소화합물들의 끓는점이 주기의 증가에 따라 점차 증가하는 이유를 설명하시오

(3) 17족 수소화합물들의 끓는점이 2주기 수소화합물의 경우가 상 적으로 높은 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 2 분자 간 상호작용

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[논제 2] lt그림 2gt에는 2주기 원소들이 만드는 다양한 수소화합물의 끓는점이 각 원소의 전기음성도에 따라 표기되어 있다 이를 보면 HO의 끓는점은 NH 혹은 HF에 비해 상 적으로 높음을 알 수 있다 그 이유를 제시문을 근거로 설명하시오

lt그림 2gt 2주기 원소로 이루어진 수소화합물의 끓는점

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수소결합의 이해와 적용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 수소 결합은 N(질소) O (산소) F (플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고 융해열과 기화열이 크다 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로 화학결합과는 다르며 다른 종류의 분자 간 인력 보다 훨씬 강해 수소결합 이라고 부르는데 원자들의 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다

[논제 1] 아세트산(CHCOOH)의 분자량은 gmol이다 아세트산의 분자량을 측정하기 위해 벤젠과 같은 무극성 용매에 녹여 분자량을 측정하였더니 예상했던 분자량 60의 2배인 120으로 측정되었다고 한다 그 이유를 제시문에 근거하여 설명하시오

[논제 2] 분자식이 CHO로 동일한 두 화합물 A B는 모두 물에 잘 용해되는데 이 중 하나는 상온에서 기체이고 다른 하나는 상온에서 액체로 존재한다 두 화합물의 구조식을 이용하여 물에 한 용해도가 공통적으로 높은 이유와 끓는점이 서로 다른 이유에 해 각각 논하시오

[논제 3] 멜라민(melamine CNH)은 세 분자의 시안아마이드(CNH)가 결합한 삼중화합체(trimer)이다 2008년에 이 분자가 다량 포함된 분유를 섭취한 유아에게 심각한 부작용이 나타나 세계적인 문제가 된 적이 있다 이 멜라민은 벤젠 화합물과 유사한 형태의 6각 고리형 골격을 기반으로 한 칭성이 좋은 분자이다 이 멜라민은 시아노유릭산(cyanouric acid)과 체내에서 만나 분자 간 결합을 통해 노란색의 멜라민 시아노유레이트(melamine cyanourate) 결정이 된다 이 결정의 형성으로 신장결석이 진행된다 위의 설명을 참고하여 멜라민과 시아노유릭산이 가장 강한 분자 간 결합을 형성한 구조를 제시하여라 멜라민과 시아노유릭산의 분자 간 결합에서 어떤 종류의 분자간 힘이 주로 작용하겠는가 멜라민과 시아노유릭산의 구조는 순서 로 아래와 같다

[멜라민의 구조]

[시아노유릭산의 구조]

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결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

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Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

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Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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(2) 논술 문항 따라잡기

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오 (2013학년도 고려 기출 응용)

lt가gt 엔트로피()는 계(system)의 무질서도와 밀접한 관계를 가지며 무질서도가 증가하는 계의 엔트로피의 변화()는 양의 값을 갖는다 오존(O)이 산소분자(O)와 산소라디칼(O )로 분해되는 반응은 엔트로피가 증가하는 전형적인 예이다 또한 일반적으로 같은 몰수의 고체 액체 기체 순으로 물질의 엔트로피 값이 증가한다

lt나gt 엔탈피()는 분자 내에서 원자 간에 작용하는 결합력과 밀접한 관계가 있다 원자간 결합력이 약한 분자들이 원자간 결합력이 강한 분자들로 변하는 화학반응을 발열반응이라 부르며 발열반응의 엔탈피 변화()는 음의 값을 가진다

lt다gt 화학 반응의 자발성은 반응의 자유에너지 변화()의 부호로 판단할 수 있다 자유에너지의 변화()는 엔탈피의 변화() 엔트로피의 변화() 온도()에 의하여 결정되며 그 관계는 로 표현된다 일반적으로 와 는 온도의 변화에 큰 영향을 받지 않으므로 임의의 온도 에서 값을 구할 때 표준상태( 1기압)에서 측정한 와 로 체해서 사용하면 된다 자발적인 반응은 음의 값을 가지며 계의 자유에너지가 최솟값을 가지게 되면 () 그 계는 정반응의 속도와 역반응의 속도가 동일한 화학평형 상태에 도달하게 된다

상온에서 철이 녹스는 과정(Fe O rarr FeO)은 자발적인

발열반응이다 그러나 아주 고온에서는 이 반응의 역반응이 일어나게 되어 제철소의 용광로에서 산화철로부터 순수한 철을 얻을 수 있다 이 반응의 자유에너지의 변화를 아래 그래프에 표시하였다

lt라gt 화학평형의 정반응과 역반응간의 상 적인 우세는 화학평형상수()에 의해 결정되며 가 1보다 월등히 크면 정반응이 우세하고 그 반 의 경우 역반응이 우세하다 표준상태( 1기압)의 화학평형상수는 ln의 관계식에 의해 얻을 수 있다(은 표준상태에서 측정한 수치 은 양의 값을 가지는 기체상수)

[논 제] 다음의 화학반응식에서 질소와 수소가 반응하여 암모니아를 형성하는 반응은 발열반응이고 상온에서의 화학평형상수 값은 1보다 아주 큰 값을 갖는다

Ng Hg NHg 제시문을 이용하여 이 반응의 와 온도()의 관계를 오른쪽 그래프의 형태를 이용하여 도시하고 도시 과정을 설명하시오 또한 반응온도 K의 화학평형상수 과 반응온도 K에서의 화학평형상수 를 과 을 이용하여 표현하고 과 의 상 적인 크기에

해 비교 설명하시오

[그림 1]

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(3) 예시답안으로 확인하기

주어진 암모니아 합성 반응은 발열반응이다 따라서 엔탈피 변화는 이다 또한 기체의 몰수가 감소하는 반응이므로 엔트로피의 변화는 가 된다 따라서 제시문에 주어진 식 에서 온도가 특정 온도보다 낮을 경우 일 것이고 온도가 특정 온도보다 높을 경우 가 될 것이다 또한 와 는 온도의 변화에 큰 영향을 받지 않는다 했으므로 상수로 취급하면 그래프는 아래와 같은 1차 함수의 형태를 이룰 것이다

위 그래프에서 평형이 되는 온도는 일 때의 온도이므로 에서 평형온도 이

된다 한편 그래프에서 는 절편에 해당하고(에서 일 때의 값) ( )는 기울기가 된다

한편 ln 에서 ln

이고

이다따라서

이다또한

ln ln ln

≺ ∵≺

이므로 이다 그 이유는 암모니아 합성반응이 발열반응이므로 온도가 증가할 경우 역반응(흡열반응)이 정반응에 비해 우세해지기 때문이다

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6 수능 비문학 지문으로 화학논술 따라잡기

(1) 수능 문항으로 감(感) 잡기

[16～18] 다음 글을 읽고 물음에 답하시오 (2014학년도 수능 국어A)

19세기 중반 화학자 분젠은 불꽃 반응에서 나타나는 물질 고유의 불꽃색에 한 연구를 진행하고 있었다 그는 버너 불꽃의 색을 제거한 개선된 버너를 고안함으로써 물질의 불꽃색을 더 잘 구별할 수 있도록 하였다 하지만 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질의 불꽃은 색깔이 겹쳐서 분간이 어려웠다 이에 물리학자 키르히호프는 프리즘을 통한 분석을 제안했고 둘은 협력하여 불꽃의 색을 분리시키는 분광 분석법을 창안했다 이것은 과학사에 길이 남을 업적으로 이어졌다

그들은 불꽃 반응에서 나오는 빛을 프리즘에 통과시켜 띠 모양으로 분산시킨 후 망원경을 통해 이를 들여다보는 방식으로 실험을 진행하였다 빛이 띠 모양으로 분산되는 것은 빛이 파장이 짧을수록 굴절하는 각이 커지기 때문이다 이 방법을 통해 그들은 알칼리 금속과 알칼리 토금속의 스펙트럼을 체계적으로 조사하여 그것들을 함유한 화합물들을 찾아내었다 이 과정에서 그들은 특정한 금속의 스펙트럼에서 띄엄띄엄 떨어진 밝은 선의 위치는 그 금속이 홑원소로 존재하든 다른 원소와 결합하여 존재하든 불꽃의 온도에 상관없이 항상 같다는 결론에 도달하였다 이로써 화학 반응을 이용하는 전통적인 분석 화학의 방법에 의존하지 않고도 정확하게 화합물의 원소를 판별해 내는 분광 분석법이 탄생하였다 이 방법의 유효성은 그들이 새로운 금속 원소인 세슘과 루비듐을 발견함으로써 입증되었다

1859년 키르히호프는 이 방법을 천문학 분야로까지 확장하였다 그는 불꽃 반응 실험에서 관찰한 나트륨 스펙트럼의 두 개의 인접한 밝은 선과 1810년 프라운호퍼가 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼에서 발견한 검은 선들을 비교하는 과정에서 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 나타나는 원인을 설명할 수 있었다 그는 태양빛의 스펙트럼의 검은 선들 중에서 프라운호퍼의 D선이 나트륨 고유의 밝은 선들과 같은 파장에서 겹쳐지는 것을 확인하고 D선은 태양에서 비교적 차가운 부분인 태양 기 중에 존재하는 나트륨 때문에 생긴다고 해석했다 이것은 태양 기 중의 나트륨이 태양의 더 뜨거운 부분에서 나오는 빛 가운데 D선에 해당하는 파장의 빛들을 흡수하기 때문이다 태양빛의 스펙트럼을 보면 D선 이외에도 차가운 태양 기 중의 특정 원소에 의해 흡수된 빛의 파장 위치에 검은 선들이 나타난다 이 검은 선들은 그 특정 원소가 불꽃 반응에서 나타내는 스펙트럼 상의 밝은 선들과 나타나는 위치가 동일하다

이후 이러한 원리의 적용을 통해 철과 헬륨 같은 다른 원소들도 태양 기 중에 존재함을 밝혀졌으며 다른 항성을 연구하는 데도 같은 원리가 적용되었다 이를 두고 동료 과학자들은 물리학 화학 천문학에 모두 적용될 수 있는 분광 분석법이 천체 기의 화학적 조성을 밝혀냄으로써 우주의 통일성을 드러내었고 우주의 모든 곳에 존재하는 자연의 원리를 인식하게 하는 데 공헌했다고 평가했다

16 윗글을 바탕으로 할 때 의 업적으로 볼 수 있는 것은① 화학 반응을 이용하는 분석 화학 방법을 확립하였다② 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 존재함을 알아내었다③ 물질을 불꽃에 넣으면 독특한 불꽃색이 나타나는 것을 발견하였다④ 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼을 얻는 방법을 창안하였다⑤ 천체에 가지 않고도 그 기에 존재하는 원소에 관한 정보를 얻을 수 있는 길이 열렸다

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[핵심 정보의 파악] ⑤의 키르히호프는 분광 분석법을 통해 태양 기 중에 존재하는 특정 원소의 존재를 파악할 수 있는 길을 열었다(셋째 문단) 이후 이러한 분광 분석법을 동료 과학자들이 적용하여 천체 기의 화학적 조성을 밝히는 데 공헌했다(넷째 문단) 결국 키르히호프의 분광 분석법은 천체에 가지 않고도 그 기에 존재하는 원소에 관한 정보를 얻을 수 있는 길을 열었다고 볼 수 있다[해설]① 키르히호프는 화학 반응을 이용하는 전통적인 분석 화학의 방법에 의존하지 않고도 정확하게 화합물의 원소를 판별해 내는 분광 분석법을 창안했다(둘째 문단)② 프라운호퍼가 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 존재함을 알아내었다(셋째 문단)③ 물질을 불꽃에 넣으면 독특한 불꽃색이 나타나는 불꽃 반응은 키르히호프 이전에 이미 발견되었으며 이에

한 연구가 진행되고 있었다(첫째 문단)④ 프리즘을 통과시켜 태양빛의 스펙트럼을 얻는 방법은 이미 1810년 프라운호퍼가 창안하였다(셋째 문단)

17 윗글을 이해한 내용으로 가장 적절한 것은① 루비듐의 존재는 분광 분석법이 출현하기 전에 확인되었다② 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 빛의 파장이 길수록 굴절하는 각이 커진다③ 금속 원소 스펙트럼의 밝은 선의 위치는 불꽃의 온도를 높여도 변하지 않는다④ 철이 태양 기에 존재한다는 사실은 나트륨이 태양 기에 존재한다는 사실보다 먼저 밝혀졌다⑤ 분젠은 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질에서 나오는 각각의 불꽃색이 겹치는 현상을 막아 주는 버너를 고안하였다

[세부 정보의 확인] ③분젠과 키르히호프의 실험 과정에서 특정한 금속의 스펙트럼에서 밝은 선의 위치는 그 금속이 홑원소로 존재하든 다른 원소와 결합하여 존재하든 불꽃의 온도에 상관없이 항상 같다는 결론에 도달하였다고 제시되어 있다(둘째 문단) 따라서 금속 원소 스펙트럼의 밝은 선의 위치는 불꽃의 온도를 높여도 변하지 않는다고 할 수 있다[해설]① 분젠과 키리히호프가 분광 분석법을 통해서 새로운 금속 원소인 세슘과 루비듐을 발견함으로써 방법의 유효성을 입증했다고 제시되어 있다 결국 루비듐의 존재는 분광 분석법이 출현함으로써 확인되었다고 볼 수 있다(둘째 문단)② 빛 파장이 짧을수록 굴절하는 각이 커지기 때문에 빛이 띠 모양으로 분산된다고 제시되어 있다 역으로 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 빛의 파장이 길수록 굴절하는 각은 작아진다고 할 수 있다(둘째 문단)④ 분광 분석법을 통해 나트륨이 태양 기에 존재한다는 사실이 밝혀진 뒤 이러한 원리의 적용을 통해 철과 헬륨 같은 다른 원소들도 태양 기 중에 존재함이 밝혀졌다고 설명하고 있다(셋째 넷째 문단)⑤ 분젠이 개선된 버너를 고안했지만 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질의 불꽃은 색깔이 겹쳐서 분간이 어려웠다고 제시되어 있다(첫째 문단) 분젠이 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질에서 나오는 각각의 불꽃색이 겹치는 현상을 막아 주는 버너를 고안했다고 이해하는 것은 적절하지 않다

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18 윗글을 바탕으로 lt보기gt를 해석한 내용으로 적절하지 않은 것은 [3점]

lt보 기gt우리 은하의 어떤 항성 α와 β의 별빛 스펙트럼을 살펴보니 많은 검은 선들을 볼 수 있었다 이것들을 나트륨 리

튬의 스펙트럼의 밝은 선들과 비교했을 때 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 β의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 α의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다 리튬 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 α의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 β의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다

① 항성 α는 태양이 아니겠군② 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있겠군③ 항성 β에는 리튬이 존재하지 않겠군④ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 없겠군⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있겠군

[사례에의 적용] ④

태양빛의 스펙트럼의 검은 선들 중에서 프라운호퍼의 D선이 나트륨 고유의 밝은 선들과 같은 파장에서 겹쳐지는 것은 나트륨이 D선에 해당하는 파장의 빛들을 흡수하기 때문이라고 제시되어 있다(셋째 문단) 이를 바탕으로 lt보기gt를 해석하면 lt보기gt에서 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 하였으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 있다고 판단할 수 있다[해설]① 나트륨 스펙트럼이 항성 α의 검은 선들과 겹쳐지지 않았으므로 항성 α에는 태양 기성분인 나트륨이 존재하지 않는다고 판단할 수 있다 따라서 항성 α는 태양이 아니다② 항성 α의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 했으므로 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있을 것으로 판단할 수 있다③ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐지지 않았다고 했으므로 항성 β에는 리튬이 존재하지 않는다 왜냐하면 특정 원소에 의해 흡수된 빛의 파장 위치에 검은 선들은 그 특정 원소가 불꽃 반응에서 나타내는 스펙트럼 상의 밝은 선들과 나타나는 위치가 동일하기 때문이다⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐진다고 했으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛(나트륨)이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있을 것으로 이해할 수 있다

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(2) 논술 문항 따라잡기

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오 (2010학년도 서울 기출문제 응용)

lt가gt 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있다 원자 안에서 전자는 다음의 특성을 갖는다 ① 전자의 에너지 상태는 불연속적인 특정한 값만을 갖는다 이 값들은 각 원소마다 독특하다 ② 낮은 에너지 상태에 있는 전자가 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이 값만큼의 에

너지를 흡수하여야 한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 전자가 낮은 에너지 상태로 내려올 때는 해당 크기의 에너지를 방출한다

백열등처럼 연속 스펙트럼을 가진 빛을 네온 기체에 통과시키면 네온 원자의 전자 에너지 상태에 따라 특정 위치에서 검은 선들이 나타나는 흡수 스펙트럼(그림 1)이 얻어진다

파장(nm)

[그림 1] 네온 기체의 흡수 선 스펙트럼 (nm timesm )

lt나gt 분자는 원자들이 결합하여 만들어진다 분자내의 원자들이 움직이는 진동운동은 다음과 같은 특성을 갖는다 ① 분자의 진동 에너지는 불연속적인 특정한 값들을 갖는다 이 값들은 각 분자마다 독특하다 ② 분자의 진동 운동이 낮은 에너지 상태에서 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이만큼

에너지를 흡수한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 진동 운동은 에너지를 방출하며 낮은 에너지 상태로 내려간다

lt다gt 물질의 열에너지는 입자의 운동 분자의 내부 진동 원자의 전자 에너지 등 다양한 에너지의 합으로 나타낼 수 있다 절 온도 에서 열에너지는 략 만큼의 값을 갖는다(는 볼츠만 상수로 timesJK이다) 분자의 진동 에너지는 100kJmol이하의 값이며 적외선 영역(파장 m이상)에 해당한다 원자 내의 전자 에너지는 이 보다 큰 값을 가지며 가시광선nmsimnm 또는 자외선 영역에 해당하고 원자핵 내 핵자들의 결합에너지는 이 보다 백만 배 이상 크다

lt라gt 천체 망원경 기술의 발전에 힘입어 별 빛의 스펙트럼을 분석하는 분광 분석적 천체관측이 가능하게 되었다 관측 스펙트럼 영역도 가시광선뿐 아니라 자외선 및 적외선 영역까지 확장되었으며 최근에는 지구 기의 영향을 없애기 위해 인공위성에 탑재시킨 천체 망원경을 주로 사용하고 있다 다음의 [그림 2]는 어느 별과 지구 사이에 존재하는 성간 구름 영역을 통과하여 지구에 도달하는 별빛 스펙트럼을 나타낸 것으로 적외선 영역에서 다양한 흡수 봉우리들이 관찰됨을 알 수 있다

[그림 2]

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[논제 1] 제시문 lt라gt의 별빛 스펙트럼(그림 2)에 근거하여 성간 구름에 물 분자가 존재할 가능성에 해 논하시오 참고자료 OH 작용기의 진동 운동에너지에 해당하는 빛의 파장은 다음과 같이 계산된다 여기서 는 빛의 파장 H는 수소원자의 질량timeskg을 의미한다

timesmtimesHkg

[논제 2] 제시문 lt라gt의 별빛의 스펙트럼에는 적외선을 포함하는 연속 스펙트럼 위에 가시광선과 자외선 영역에 해당하는 검은 흡수선들도 발견되었다 만약 별빛이 성간 구름 영역을 거치지 않고 직접 지구로 도달하는 경우에는 [그림 2]와 같은 적외선 영역의 흡수 봉우리들은 관찰되지 않는다고 한다 이로부터 별의 기와 성간 구름에 존재하는 물질들이 어떻게 다른지를 유추하고 그러한 물질 조성의 차이가 나타나는 이유를 두 환경의 온도 효과로 설명하시오

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(3) 예시답안으로 확인하기

[논제 1]

[논제 2]

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기체 법칙의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

이탈리아의 과학자 토리첼리가 수은 기압계를 이용하여 기의 압력을 처음 측정하였다고 알려져 있다 수은을 가득 채운 유리관을 거꾸로 세우면 그림 (1) 과 같이 수은기둥이 내려오다가 유리관 안을 채운 수은이 내리 누르는 무게 (힘) 이 외부의 공기가 내리 누르는 힘 (공기의 압력) 과 같아지는 위치에서 평형을 이루게 된다 이 때 유리관 안의 빈 공간은 진공 상태가 된다 이 실험을 통해 기압은 수은기둥의 높이가 76 cm일 때의 압력과 같다는 것을 알 수 있다

그림 (1) 토리첼리의 수은 기압계

그림 (2) 보일의 J 관

영국의 과학자 보일은 J 자 모양의 유리관을 사용한 실험을 통해 ldquo일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피() 는 기체에 작용하는 압력 () 에 반비례한다rdquo 는 사실을 알아내었는데 이를 보일의 법칙이라고 한다 보일의 법칙을 기체 분자 운동론의 관점에서 생각해보면 일정한 온도를 유지하면서 기체의 부피를 줄이는 경우 일정 시간 동안 단위 면적에 부딪치는 기체 분자의 수가 많아져서 결국 해당 기체의 압력이 높아진다는 것이다 보일의 J 관을 사용하여 기체의 압력을 측정할 때는 기압을 고려해야 한다 예를 들어 어떤 기체가 그림 (2) 와 같이 평형을 이루고 있다면 이 기체의 압력은 2 기압이 된다 왜냐하면 수은기둥 76 cm 에 해당하는 1 기압이 원래 기압 1 기압에 더해져서 유리관 내 기체 압력과 평형을 이루고 있기 때문이다 프랑스의 과학자 샤를은 ldquo일정한 압력에서 기체의 부피는 그 종류에 관계없이 온도가 1 높아질 때마다

0 때 부피의 만큼씩 증가한다rdquo 는 사실을 알아냈다 이것을 샤를의 법칙이라고 한다

이상의 내용을 종합하여 기체의 압력 온도 부피 사이의 상관관계를 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다

(상수) (단 는 섭씨온도())

[논 제] 다음의 그림 (3) 과 그림 (4) 에서 기압은 1기압이고 유리관 내부 기체는 같은 종류이며 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 만족한다 J 관에서 기체의 유출은 없으며 J 관의 단면적은 모든 부분에서 일정하다고 가정하자 아래의 문제 (i) (ii) 에서 기체를 제외한 나머지 부분의 온도 변화 열팽창 및 열전도는 고려하지 않는다

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 1 기체 분자운동론과 법칙

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(i) 그림 (3) 에서 유리관 내부 기체의 온도는 0 이고 압력은 벽면과의 마찰이 없는 피스톤에 의해 외부압력 (기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 온도를 증가시켰을 때 왜 부피가 변하였는지를 기체 분자 운동론의 관점에서 설명하시오 (단 피스톤의 자체 질량은 무시한다)

(ii) 그림 (4) 에서 수은이 채워진 관 내부 기체의 온도는 0 이고 기체가 들어있는 부분의 처음 높이는 76 cm 이다 기체의 압력은 외부압력 ( 기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 (i) 에서 구한 온도와 차이가 있을 경우 그 이유에 해 설명하시오

그림 (3)

그림 (4)

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이상기체 vs 실제기체2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 과학자들은 기체의 물리적인 성질과 기체 분자의 움직임을 설명하기 위하여 기체 분자 운동론을 제시하였다 기체 분자 운동론은 다음의 몇 가지 가정에 기반을 두고 있다

1 기체는 분자의 크기에 비하여 멀리 떨어져 있으며 기체 분자의 부피는 전체 부피에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다 2 기체 분자끼리 또는 기체 분자와 그릇의 벽에 한 충돌은 완전 탄성 충돌이다 완전 탄성 충돌은 에너지의 손실이 없다 3 기체 분자들은 무질서하게 빠른 속도로 끊임없이 직선 운동을 한다 4 기체 분자 사이의 인력이나 반발력은 작용하지 않는다 5 기체 분자의 평균 운동 에너지는 절 온도에 비례한다

기체 분자 운동론은 이상 기체에 한하여 적용될 수 있다 이상 기체는 실제로 존재하지 않으나 부분의 기체는 온도가 높고 압력이 낮으면 거의 이상 기체처럼 행동한다

lt나gt 고체나 액체와 달리 서로 다른 기체는 그들의 화학적 구성과 관계없이 매우 유사한 물리적 거동을 나타낸다 예를 들면 기체 헬륨과 플루오르는 화학적 특성이 매우 다르지만 부분의 물리적 거동은 거의 동일하다 1600년 후반에 많은 관찰을 통해 기체의 물리적 성질을 네 가지 변수 즉 압력() 온도() 부피() 몰수()로 규정할 수 있다고 제시했다 이러한 네 가지 변수 사이의 특정한 관계를 기체 법칙이라 하고 이러한 법칙을 정확히 따르는 기체를 이상 기체라고 한다 이들 기체 법칙에는 보일의 법칙 샤를의 법칙 그리고 아보가드로의 법칙 등이 있고 이 세 법칙을 하나의 식으로 묶어서 다음과 같은 이상 기체 상태 방정식을 얻어낼 수가 있다

(은 상수) 실험에 의하면 모든 기체는 0(=273K) 1기압에서 224L의 부피 중에 1몰의 분자를 포함한다는 것이 알려져 있으므로 이 결과를 이용하면 상수 ≒ Lㆍ기압몰ㆍK의 값을 얻을 수가 있고 이 값을 기체상수라 한다

[논제 1] 보일이 보일의 법칙을 발견한지 백년이 더 지난 18세기말 게이뤼삭은 0에서 100로 온도를 상승시키자 공기 수소 산소 질소 등 기체의 종류에 상관없이 부피가 모두 375 증가함을 관찰하였다 그의 실험 결과로부터 절 온도를 구해보고 오늘날 우리가 사용하는 값과 비교하여 보시오

[논제 2] 일반 마취제로 산소와 함께 사용하는 사이클로프로페인은 고리 모양의 화합물로서 분자식은 CH이다 Ar은 비활성 기체로서 원자량이 사이클로프로페인의 분자량과 유사하다 실온에서 약간 높은 압력 조건 하에 사이클로프로페인과 Ar 중 어느 것이 이상기체의 거동으로부터 더 멀어질지 기체 입자 자체의 부피와 기체 입자간 인력을 고려하여 예측하고 그 이유를 설명하시오

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[논제 3] 질소 기체 분자 사이의 거리와 인력 및 반발력에 따른 에너지 간의 관계는 아래 그래프와 같이 나타난다(단 질소 분자의 평균반경은 약 nm이다) 이를 이용해 0에서 1몰의 질소 기체에 해 (압력)에 따른 의 관계를 아래 주어진 그래프 로 답안지에 옮겨 그려 보고 왜 그렇게 그렸는지 구체적으로 설명하시오

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분자 간 상호작용의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 분자들 사이에 작용하는 힘에는 쌍극자-쌍극자 힘 분산력(반 데르 발스 힘)과 수소 결합이 있다 쌍극자-쌍극자 힘이란 서로 근접한 극성 분자들이 갖고 있는 부분전하 사이에 작용하는 정전기적 인력을 말하며 공유결합 분자들 중 전기 음성도 차이에 의한 쌍극자 모멘트가 있는 극성 분자들 사이에 형성된다 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자의 경우에는 일시적으로 분자 내의 전자가 한쪽으로 쏠리면서 전자 분포가 치우쳐 편극이 되면 순간적으로 쌍극자가 형성될 수 있다 이때 순간 쌍극자는 이웃한 분자의 전자 분포에 영향을 미쳐 또 다른 순간 쌍극자를 유발하게 된다 이 두 순간 쌍극자 사이에 작용하는 정전기적 인력을 분산력(반 데르 발스 힘)이라고 하며 분자량이 클수록 분산력이 커지게 된다 수소 결합이란 전기 음성도가 큰 원자에 결합된 수소 원자와 전기음성도가 큰 다른 원자에 있는 비공유 전자쌍 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨 이루어지는 결합이다

[논제 1] lt그림 1gt은 수소화합물들의 끓는점이 각 원소들의 원자 주기에 따라 차이가 있음을 나타내고 있다 다음의 각 문항에 답하시오

lt그림 1gt 14족과 17족 원소들로 이루어진 수소화합물의 끓는점

(1) 14족과 17족 원소들이 이루는 수소화합물의 끓는점 차이를 논리적으로 설명하시오

(2) 14족 수소화합물들의 끓는점이 주기의 증가에 따라 점차 증가하는 이유를 설명하시오

(3) 17족 수소화합물들의 끓는점이 2주기 수소화합물의 경우가 상 적으로 높은 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 2 분자 간 상호작용

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[논제 2] lt그림 2gt에는 2주기 원소들이 만드는 다양한 수소화합물의 끓는점이 각 원소의 전기음성도에 따라 표기되어 있다 이를 보면 HO의 끓는점은 NH 혹은 HF에 비해 상 적으로 높음을 알 수 있다 그 이유를 제시문을 근거로 설명하시오

lt그림 2gt 2주기 원소로 이루어진 수소화합물의 끓는점

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수소결합의 이해와 적용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 수소 결합은 N(질소) O (산소) F (플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고 융해열과 기화열이 크다 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로 화학결합과는 다르며 다른 종류의 분자 간 인력 보다 훨씬 강해 수소결합 이라고 부르는데 원자들의 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다

[논제 1] 아세트산(CHCOOH)의 분자량은 gmol이다 아세트산의 분자량을 측정하기 위해 벤젠과 같은 무극성 용매에 녹여 분자량을 측정하였더니 예상했던 분자량 60의 2배인 120으로 측정되었다고 한다 그 이유를 제시문에 근거하여 설명하시오

[논제 2] 분자식이 CHO로 동일한 두 화합물 A B는 모두 물에 잘 용해되는데 이 중 하나는 상온에서 기체이고 다른 하나는 상온에서 액체로 존재한다 두 화합물의 구조식을 이용하여 물에 한 용해도가 공통적으로 높은 이유와 끓는점이 서로 다른 이유에 해 각각 논하시오

[논제 3] 멜라민(melamine CNH)은 세 분자의 시안아마이드(CNH)가 결합한 삼중화합체(trimer)이다 2008년에 이 분자가 다량 포함된 분유를 섭취한 유아에게 심각한 부작용이 나타나 세계적인 문제가 된 적이 있다 이 멜라민은 벤젠 화합물과 유사한 형태의 6각 고리형 골격을 기반으로 한 칭성이 좋은 분자이다 이 멜라민은 시아노유릭산(cyanouric acid)과 체내에서 만나 분자 간 결합을 통해 노란색의 멜라민 시아노유레이트(melamine cyanourate) 결정이 된다 이 결정의 형성으로 신장결석이 진행된다 위의 설명을 참고하여 멜라민과 시아노유릭산이 가장 강한 분자 간 결합을 형성한 구조를 제시하여라 멜라민과 시아노유릭산의 분자 간 결합에서 어떤 종류의 분자간 힘이 주로 작용하겠는가 멜라민과 시아노유릭산의 구조는 순서 로 아래와 같다

[멜라민의 구조]

[시아노유릭산의 구조]

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결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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(3) 예시답안으로 확인하기

주어진 암모니아 합성 반응은 발열반응이다 따라서 엔탈피 변화는 이다 또한 기체의 몰수가 감소하는 반응이므로 엔트로피의 변화는 가 된다 따라서 제시문에 주어진 식 에서 온도가 특정 온도보다 낮을 경우 일 것이고 온도가 특정 온도보다 높을 경우 가 될 것이다 또한 와 는 온도의 변화에 큰 영향을 받지 않는다 했으므로 상수로 취급하면 그래프는 아래와 같은 1차 함수의 형태를 이룰 것이다

위 그래프에서 평형이 되는 온도는 일 때의 온도이므로 에서 평형온도 이

된다 한편 그래프에서 는 절편에 해당하고(에서 일 때의 값) ( )는 기울기가 된다

한편 ln 에서 ln

이고

이다따라서

이다또한

ln ln ln

≺ ∵≺

이므로 이다 그 이유는 암모니아 합성반응이 발열반응이므로 온도가 증가할 경우 역반응(흡열반응)이 정반응에 비해 우세해지기 때문이다

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6 수능 비문학 지문으로 화학논술 따라잡기

(1) 수능 문항으로 감(感) 잡기

[16～18] 다음 글을 읽고 물음에 답하시오 (2014학년도 수능 국어A)

19세기 중반 화학자 분젠은 불꽃 반응에서 나타나는 물질 고유의 불꽃색에 한 연구를 진행하고 있었다 그는 버너 불꽃의 색을 제거한 개선된 버너를 고안함으로써 물질의 불꽃색을 더 잘 구별할 수 있도록 하였다 하지만 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질의 불꽃은 색깔이 겹쳐서 분간이 어려웠다 이에 물리학자 키르히호프는 프리즘을 통한 분석을 제안했고 둘은 협력하여 불꽃의 색을 분리시키는 분광 분석법을 창안했다 이것은 과학사에 길이 남을 업적으로 이어졌다

그들은 불꽃 반응에서 나오는 빛을 프리즘에 통과시켜 띠 모양으로 분산시킨 후 망원경을 통해 이를 들여다보는 방식으로 실험을 진행하였다 빛이 띠 모양으로 분산되는 것은 빛이 파장이 짧을수록 굴절하는 각이 커지기 때문이다 이 방법을 통해 그들은 알칼리 금속과 알칼리 토금속의 스펙트럼을 체계적으로 조사하여 그것들을 함유한 화합물들을 찾아내었다 이 과정에서 그들은 특정한 금속의 스펙트럼에서 띄엄띄엄 떨어진 밝은 선의 위치는 그 금속이 홑원소로 존재하든 다른 원소와 결합하여 존재하든 불꽃의 온도에 상관없이 항상 같다는 결론에 도달하였다 이로써 화학 반응을 이용하는 전통적인 분석 화학의 방법에 의존하지 않고도 정확하게 화합물의 원소를 판별해 내는 분광 분석법이 탄생하였다 이 방법의 유효성은 그들이 새로운 금속 원소인 세슘과 루비듐을 발견함으로써 입증되었다

1859년 키르히호프는 이 방법을 천문학 분야로까지 확장하였다 그는 불꽃 반응 실험에서 관찰한 나트륨 스펙트럼의 두 개의 인접한 밝은 선과 1810년 프라운호퍼가 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼에서 발견한 검은 선들을 비교하는 과정에서 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 나타나는 원인을 설명할 수 있었다 그는 태양빛의 스펙트럼의 검은 선들 중에서 프라운호퍼의 D선이 나트륨 고유의 밝은 선들과 같은 파장에서 겹쳐지는 것을 확인하고 D선은 태양에서 비교적 차가운 부분인 태양 기 중에 존재하는 나트륨 때문에 생긴다고 해석했다 이것은 태양 기 중의 나트륨이 태양의 더 뜨거운 부분에서 나오는 빛 가운데 D선에 해당하는 파장의 빛들을 흡수하기 때문이다 태양빛의 스펙트럼을 보면 D선 이외에도 차가운 태양 기 중의 특정 원소에 의해 흡수된 빛의 파장 위치에 검은 선들이 나타난다 이 검은 선들은 그 특정 원소가 불꽃 반응에서 나타내는 스펙트럼 상의 밝은 선들과 나타나는 위치가 동일하다

이후 이러한 원리의 적용을 통해 철과 헬륨 같은 다른 원소들도 태양 기 중에 존재함을 밝혀졌으며 다른 항성을 연구하는 데도 같은 원리가 적용되었다 이를 두고 동료 과학자들은 물리학 화학 천문학에 모두 적용될 수 있는 분광 분석법이 천체 기의 화학적 조성을 밝혀냄으로써 우주의 통일성을 드러내었고 우주의 모든 곳에 존재하는 자연의 원리를 인식하게 하는 데 공헌했다고 평가했다

16 윗글을 바탕으로 할 때 의 업적으로 볼 수 있는 것은① 화학 반응을 이용하는 분석 화학 방법을 확립하였다② 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 존재함을 알아내었다③ 물질을 불꽃에 넣으면 독특한 불꽃색이 나타나는 것을 발견하였다④ 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼을 얻는 방법을 창안하였다⑤ 천체에 가지 않고도 그 기에 존재하는 원소에 관한 정보를 얻을 수 있는 길이 열렸다

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[핵심 정보의 파악] ⑤의 키르히호프는 분광 분석법을 통해 태양 기 중에 존재하는 특정 원소의 존재를 파악할 수 있는 길을 열었다(셋째 문단) 이후 이러한 분광 분석법을 동료 과학자들이 적용하여 천체 기의 화학적 조성을 밝히는 데 공헌했다(넷째 문단) 결국 키르히호프의 분광 분석법은 천체에 가지 않고도 그 기에 존재하는 원소에 관한 정보를 얻을 수 있는 길을 열었다고 볼 수 있다[해설]① 키르히호프는 화학 반응을 이용하는 전통적인 분석 화학의 방법에 의존하지 않고도 정확하게 화합물의 원소를 판별해 내는 분광 분석법을 창안했다(둘째 문단)② 프라운호퍼가 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 존재함을 알아내었다(셋째 문단)③ 물질을 불꽃에 넣으면 독특한 불꽃색이 나타나는 불꽃 반응은 키르히호프 이전에 이미 발견되었으며 이에

한 연구가 진행되고 있었다(첫째 문단)④ 프리즘을 통과시켜 태양빛의 스펙트럼을 얻는 방법은 이미 1810년 프라운호퍼가 창안하였다(셋째 문단)

17 윗글을 이해한 내용으로 가장 적절한 것은① 루비듐의 존재는 분광 분석법이 출현하기 전에 확인되었다② 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 빛의 파장이 길수록 굴절하는 각이 커진다③ 금속 원소 스펙트럼의 밝은 선의 위치는 불꽃의 온도를 높여도 변하지 않는다④ 철이 태양 기에 존재한다는 사실은 나트륨이 태양 기에 존재한다는 사실보다 먼저 밝혀졌다⑤ 분젠은 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질에서 나오는 각각의 불꽃색이 겹치는 현상을 막아 주는 버너를 고안하였다

[세부 정보의 확인] ③분젠과 키르히호프의 실험 과정에서 특정한 금속의 스펙트럼에서 밝은 선의 위치는 그 금속이 홑원소로 존재하든 다른 원소와 결합하여 존재하든 불꽃의 온도에 상관없이 항상 같다는 결론에 도달하였다고 제시되어 있다(둘째 문단) 따라서 금속 원소 스펙트럼의 밝은 선의 위치는 불꽃의 온도를 높여도 변하지 않는다고 할 수 있다[해설]① 분젠과 키리히호프가 분광 분석법을 통해서 새로운 금속 원소인 세슘과 루비듐을 발견함으로써 방법의 유효성을 입증했다고 제시되어 있다 결국 루비듐의 존재는 분광 분석법이 출현함으로써 확인되었다고 볼 수 있다(둘째 문단)② 빛 파장이 짧을수록 굴절하는 각이 커지기 때문에 빛이 띠 모양으로 분산된다고 제시되어 있다 역으로 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 빛의 파장이 길수록 굴절하는 각은 작아진다고 할 수 있다(둘째 문단)④ 분광 분석법을 통해 나트륨이 태양 기에 존재한다는 사실이 밝혀진 뒤 이러한 원리의 적용을 통해 철과 헬륨 같은 다른 원소들도 태양 기 중에 존재함이 밝혀졌다고 설명하고 있다(셋째 넷째 문단)⑤ 분젠이 개선된 버너를 고안했지만 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질의 불꽃은 색깔이 겹쳐서 분간이 어려웠다고 제시되어 있다(첫째 문단) 분젠이 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질에서 나오는 각각의 불꽃색이 겹치는 현상을 막아 주는 버너를 고안했다고 이해하는 것은 적절하지 않다

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18 윗글을 바탕으로 lt보기gt를 해석한 내용으로 적절하지 않은 것은 [3점]

lt보 기gt우리 은하의 어떤 항성 α와 β의 별빛 스펙트럼을 살펴보니 많은 검은 선들을 볼 수 있었다 이것들을 나트륨 리

튬의 스펙트럼의 밝은 선들과 비교했을 때 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 β의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 α의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다 리튬 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 α의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 β의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다

① 항성 α는 태양이 아니겠군② 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있겠군③ 항성 β에는 리튬이 존재하지 않겠군④ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 없겠군⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있겠군

[사례에의 적용] ④

태양빛의 스펙트럼의 검은 선들 중에서 프라운호퍼의 D선이 나트륨 고유의 밝은 선들과 같은 파장에서 겹쳐지는 것은 나트륨이 D선에 해당하는 파장의 빛들을 흡수하기 때문이라고 제시되어 있다(셋째 문단) 이를 바탕으로 lt보기gt를 해석하면 lt보기gt에서 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 하였으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 있다고 판단할 수 있다[해설]① 나트륨 스펙트럼이 항성 α의 검은 선들과 겹쳐지지 않았으므로 항성 α에는 태양 기성분인 나트륨이 존재하지 않는다고 판단할 수 있다 따라서 항성 α는 태양이 아니다② 항성 α의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 했으므로 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있을 것으로 판단할 수 있다③ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐지지 않았다고 했으므로 항성 β에는 리튬이 존재하지 않는다 왜냐하면 특정 원소에 의해 흡수된 빛의 파장 위치에 검은 선들은 그 특정 원소가 불꽃 반응에서 나타내는 스펙트럼 상의 밝은 선들과 나타나는 위치가 동일하기 때문이다⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐진다고 했으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛(나트륨)이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있을 것으로 이해할 수 있다

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(2) 논술 문항 따라잡기

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오 (2010학년도 서울 기출문제 응용)

lt가gt 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있다 원자 안에서 전자는 다음의 특성을 갖는다 ① 전자의 에너지 상태는 불연속적인 특정한 값만을 갖는다 이 값들은 각 원소마다 독특하다 ② 낮은 에너지 상태에 있는 전자가 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이 값만큼의 에

너지를 흡수하여야 한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 전자가 낮은 에너지 상태로 내려올 때는 해당 크기의 에너지를 방출한다

백열등처럼 연속 스펙트럼을 가진 빛을 네온 기체에 통과시키면 네온 원자의 전자 에너지 상태에 따라 특정 위치에서 검은 선들이 나타나는 흡수 스펙트럼(그림 1)이 얻어진다

파장(nm)

[그림 1] 네온 기체의 흡수 선 스펙트럼 (nm timesm )

lt나gt 분자는 원자들이 결합하여 만들어진다 분자내의 원자들이 움직이는 진동운동은 다음과 같은 특성을 갖는다 ① 분자의 진동 에너지는 불연속적인 특정한 값들을 갖는다 이 값들은 각 분자마다 독특하다 ② 분자의 진동 운동이 낮은 에너지 상태에서 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이만큼

에너지를 흡수한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 진동 운동은 에너지를 방출하며 낮은 에너지 상태로 내려간다

lt다gt 물질의 열에너지는 입자의 운동 분자의 내부 진동 원자의 전자 에너지 등 다양한 에너지의 합으로 나타낼 수 있다 절 온도 에서 열에너지는 략 만큼의 값을 갖는다(는 볼츠만 상수로 timesJK이다) 분자의 진동 에너지는 100kJmol이하의 값이며 적외선 영역(파장 m이상)에 해당한다 원자 내의 전자 에너지는 이 보다 큰 값을 가지며 가시광선nmsimnm 또는 자외선 영역에 해당하고 원자핵 내 핵자들의 결합에너지는 이 보다 백만 배 이상 크다

lt라gt 천체 망원경 기술의 발전에 힘입어 별 빛의 스펙트럼을 분석하는 분광 분석적 천체관측이 가능하게 되었다 관측 스펙트럼 영역도 가시광선뿐 아니라 자외선 및 적외선 영역까지 확장되었으며 최근에는 지구 기의 영향을 없애기 위해 인공위성에 탑재시킨 천체 망원경을 주로 사용하고 있다 다음의 [그림 2]는 어느 별과 지구 사이에 존재하는 성간 구름 영역을 통과하여 지구에 도달하는 별빛 스펙트럼을 나타낸 것으로 적외선 영역에서 다양한 흡수 봉우리들이 관찰됨을 알 수 있다

[그림 2]

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[논제 1] 제시문 lt라gt의 별빛 스펙트럼(그림 2)에 근거하여 성간 구름에 물 분자가 존재할 가능성에 해 논하시오 참고자료 OH 작용기의 진동 운동에너지에 해당하는 빛의 파장은 다음과 같이 계산된다 여기서 는 빛의 파장 H는 수소원자의 질량timeskg을 의미한다

timesmtimesHkg

[논제 2] 제시문 lt라gt의 별빛의 스펙트럼에는 적외선을 포함하는 연속 스펙트럼 위에 가시광선과 자외선 영역에 해당하는 검은 흡수선들도 발견되었다 만약 별빛이 성간 구름 영역을 거치지 않고 직접 지구로 도달하는 경우에는 [그림 2]와 같은 적외선 영역의 흡수 봉우리들은 관찰되지 않는다고 한다 이로부터 별의 기와 성간 구름에 존재하는 물질들이 어떻게 다른지를 유추하고 그러한 물질 조성의 차이가 나타나는 이유를 두 환경의 온도 효과로 설명하시오

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(3) 예시답안으로 확인하기

[논제 1]

[논제 2]

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기체 법칙의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

이탈리아의 과학자 토리첼리가 수은 기압계를 이용하여 기의 압력을 처음 측정하였다고 알려져 있다 수은을 가득 채운 유리관을 거꾸로 세우면 그림 (1) 과 같이 수은기둥이 내려오다가 유리관 안을 채운 수은이 내리 누르는 무게 (힘) 이 외부의 공기가 내리 누르는 힘 (공기의 압력) 과 같아지는 위치에서 평형을 이루게 된다 이 때 유리관 안의 빈 공간은 진공 상태가 된다 이 실험을 통해 기압은 수은기둥의 높이가 76 cm일 때의 압력과 같다는 것을 알 수 있다

그림 (1) 토리첼리의 수은 기압계

그림 (2) 보일의 J 관

영국의 과학자 보일은 J 자 모양의 유리관을 사용한 실험을 통해 ldquo일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피() 는 기체에 작용하는 압력 () 에 반비례한다rdquo 는 사실을 알아내었는데 이를 보일의 법칙이라고 한다 보일의 법칙을 기체 분자 운동론의 관점에서 생각해보면 일정한 온도를 유지하면서 기체의 부피를 줄이는 경우 일정 시간 동안 단위 면적에 부딪치는 기체 분자의 수가 많아져서 결국 해당 기체의 압력이 높아진다는 것이다 보일의 J 관을 사용하여 기체의 압력을 측정할 때는 기압을 고려해야 한다 예를 들어 어떤 기체가 그림 (2) 와 같이 평형을 이루고 있다면 이 기체의 압력은 2 기압이 된다 왜냐하면 수은기둥 76 cm 에 해당하는 1 기압이 원래 기압 1 기압에 더해져서 유리관 내 기체 압력과 평형을 이루고 있기 때문이다 프랑스의 과학자 샤를은 ldquo일정한 압력에서 기체의 부피는 그 종류에 관계없이 온도가 1 높아질 때마다

0 때 부피의 만큼씩 증가한다rdquo 는 사실을 알아냈다 이것을 샤를의 법칙이라고 한다

이상의 내용을 종합하여 기체의 압력 온도 부피 사이의 상관관계를 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다

(상수) (단 는 섭씨온도())

[논 제] 다음의 그림 (3) 과 그림 (4) 에서 기압은 1기압이고 유리관 내부 기체는 같은 종류이며 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 만족한다 J 관에서 기체의 유출은 없으며 J 관의 단면적은 모든 부분에서 일정하다고 가정하자 아래의 문제 (i) (ii) 에서 기체를 제외한 나머지 부분의 온도 변화 열팽창 및 열전도는 고려하지 않는다

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 1 기체 분자운동론과 법칙

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(i) 그림 (3) 에서 유리관 내부 기체의 온도는 0 이고 압력은 벽면과의 마찰이 없는 피스톤에 의해 외부압력 (기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 온도를 증가시켰을 때 왜 부피가 변하였는지를 기체 분자 운동론의 관점에서 설명하시오 (단 피스톤의 자체 질량은 무시한다)

(ii) 그림 (4) 에서 수은이 채워진 관 내부 기체의 온도는 0 이고 기체가 들어있는 부분의 처음 높이는 76 cm 이다 기체의 압력은 외부압력 ( 기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 (i) 에서 구한 온도와 차이가 있을 경우 그 이유에 해 설명하시오

그림 (3)

그림 (4)

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이상기체 vs 실제기체2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 과학자들은 기체의 물리적인 성질과 기체 분자의 움직임을 설명하기 위하여 기체 분자 운동론을 제시하였다 기체 분자 운동론은 다음의 몇 가지 가정에 기반을 두고 있다

1 기체는 분자의 크기에 비하여 멀리 떨어져 있으며 기체 분자의 부피는 전체 부피에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다 2 기체 분자끼리 또는 기체 분자와 그릇의 벽에 한 충돌은 완전 탄성 충돌이다 완전 탄성 충돌은 에너지의 손실이 없다 3 기체 분자들은 무질서하게 빠른 속도로 끊임없이 직선 운동을 한다 4 기체 분자 사이의 인력이나 반발력은 작용하지 않는다 5 기체 분자의 평균 운동 에너지는 절 온도에 비례한다

기체 분자 운동론은 이상 기체에 한하여 적용될 수 있다 이상 기체는 실제로 존재하지 않으나 부분의 기체는 온도가 높고 압력이 낮으면 거의 이상 기체처럼 행동한다

lt나gt 고체나 액체와 달리 서로 다른 기체는 그들의 화학적 구성과 관계없이 매우 유사한 물리적 거동을 나타낸다 예를 들면 기체 헬륨과 플루오르는 화학적 특성이 매우 다르지만 부분의 물리적 거동은 거의 동일하다 1600년 후반에 많은 관찰을 통해 기체의 물리적 성질을 네 가지 변수 즉 압력() 온도() 부피() 몰수()로 규정할 수 있다고 제시했다 이러한 네 가지 변수 사이의 특정한 관계를 기체 법칙이라 하고 이러한 법칙을 정확히 따르는 기체를 이상 기체라고 한다 이들 기체 법칙에는 보일의 법칙 샤를의 법칙 그리고 아보가드로의 법칙 등이 있고 이 세 법칙을 하나의 식으로 묶어서 다음과 같은 이상 기체 상태 방정식을 얻어낼 수가 있다

(은 상수) 실험에 의하면 모든 기체는 0(=273K) 1기압에서 224L의 부피 중에 1몰의 분자를 포함한다는 것이 알려져 있으므로 이 결과를 이용하면 상수 ≒ Lㆍ기압몰ㆍK의 값을 얻을 수가 있고 이 값을 기체상수라 한다

[논제 1] 보일이 보일의 법칙을 발견한지 백년이 더 지난 18세기말 게이뤼삭은 0에서 100로 온도를 상승시키자 공기 수소 산소 질소 등 기체의 종류에 상관없이 부피가 모두 375 증가함을 관찰하였다 그의 실험 결과로부터 절 온도를 구해보고 오늘날 우리가 사용하는 값과 비교하여 보시오

[논제 2] 일반 마취제로 산소와 함께 사용하는 사이클로프로페인은 고리 모양의 화합물로서 분자식은 CH이다 Ar은 비활성 기체로서 원자량이 사이클로프로페인의 분자량과 유사하다 실온에서 약간 높은 압력 조건 하에 사이클로프로페인과 Ar 중 어느 것이 이상기체의 거동으로부터 더 멀어질지 기체 입자 자체의 부피와 기체 입자간 인력을 고려하여 예측하고 그 이유를 설명하시오

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[논제 3] 질소 기체 분자 사이의 거리와 인력 및 반발력에 따른 에너지 간의 관계는 아래 그래프와 같이 나타난다(단 질소 분자의 평균반경은 약 nm이다) 이를 이용해 0에서 1몰의 질소 기체에 해 (압력)에 따른 의 관계를 아래 주어진 그래프 로 답안지에 옮겨 그려 보고 왜 그렇게 그렸는지 구체적으로 설명하시오

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분자 간 상호작용의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 분자들 사이에 작용하는 힘에는 쌍극자-쌍극자 힘 분산력(반 데르 발스 힘)과 수소 결합이 있다 쌍극자-쌍극자 힘이란 서로 근접한 극성 분자들이 갖고 있는 부분전하 사이에 작용하는 정전기적 인력을 말하며 공유결합 분자들 중 전기 음성도 차이에 의한 쌍극자 모멘트가 있는 극성 분자들 사이에 형성된다 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자의 경우에는 일시적으로 분자 내의 전자가 한쪽으로 쏠리면서 전자 분포가 치우쳐 편극이 되면 순간적으로 쌍극자가 형성될 수 있다 이때 순간 쌍극자는 이웃한 분자의 전자 분포에 영향을 미쳐 또 다른 순간 쌍극자를 유발하게 된다 이 두 순간 쌍극자 사이에 작용하는 정전기적 인력을 분산력(반 데르 발스 힘)이라고 하며 분자량이 클수록 분산력이 커지게 된다 수소 결합이란 전기 음성도가 큰 원자에 결합된 수소 원자와 전기음성도가 큰 다른 원자에 있는 비공유 전자쌍 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨 이루어지는 결합이다

[논제 1] lt그림 1gt은 수소화합물들의 끓는점이 각 원소들의 원자 주기에 따라 차이가 있음을 나타내고 있다 다음의 각 문항에 답하시오

lt그림 1gt 14족과 17족 원소들로 이루어진 수소화합물의 끓는점

(1) 14족과 17족 원소들이 이루는 수소화합물의 끓는점 차이를 논리적으로 설명하시오

(2) 14족 수소화합물들의 끓는점이 주기의 증가에 따라 점차 증가하는 이유를 설명하시오

(3) 17족 수소화합물들의 끓는점이 2주기 수소화합물의 경우가 상 적으로 높은 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 2 분자 간 상호작용

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[논제 2] lt그림 2gt에는 2주기 원소들이 만드는 다양한 수소화합물의 끓는점이 각 원소의 전기음성도에 따라 표기되어 있다 이를 보면 HO의 끓는점은 NH 혹은 HF에 비해 상 적으로 높음을 알 수 있다 그 이유를 제시문을 근거로 설명하시오

lt그림 2gt 2주기 원소로 이루어진 수소화합물의 끓는점

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수소결합의 이해와 적용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 수소 결합은 N(질소) O (산소) F (플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고 융해열과 기화열이 크다 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로 화학결합과는 다르며 다른 종류의 분자 간 인력 보다 훨씬 강해 수소결합 이라고 부르는데 원자들의 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다

[논제 1] 아세트산(CHCOOH)의 분자량은 gmol이다 아세트산의 분자량을 측정하기 위해 벤젠과 같은 무극성 용매에 녹여 분자량을 측정하였더니 예상했던 분자량 60의 2배인 120으로 측정되었다고 한다 그 이유를 제시문에 근거하여 설명하시오

[논제 2] 분자식이 CHO로 동일한 두 화합물 A B는 모두 물에 잘 용해되는데 이 중 하나는 상온에서 기체이고 다른 하나는 상온에서 액체로 존재한다 두 화합물의 구조식을 이용하여 물에 한 용해도가 공통적으로 높은 이유와 끓는점이 서로 다른 이유에 해 각각 논하시오

[논제 3] 멜라민(melamine CNH)은 세 분자의 시안아마이드(CNH)가 결합한 삼중화합체(trimer)이다 2008년에 이 분자가 다량 포함된 분유를 섭취한 유아에게 심각한 부작용이 나타나 세계적인 문제가 된 적이 있다 이 멜라민은 벤젠 화합물과 유사한 형태의 6각 고리형 골격을 기반으로 한 칭성이 좋은 분자이다 이 멜라민은 시아노유릭산(cyanouric acid)과 체내에서 만나 분자 간 결합을 통해 노란색의 멜라민 시아노유레이트(melamine cyanourate) 결정이 된다 이 결정의 형성으로 신장결석이 진행된다 위의 설명을 참고하여 멜라민과 시아노유릭산이 가장 강한 분자 간 결합을 형성한 구조를 제시하여라 멜라민과 시아노유릭산의 분자 간 결합에서 어떤 종류의 분자간 힘이 주로 작용하겠는가 멜라민과 시아노유릭산의 구조는 순서 로 아래와 같다

[멜라민의 구조]

[시아노유릭산의 구조]

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결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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6 수능 비문학 지문으로 화학논술 따라잡기

(1) 수능 문항으로 감(感) 잡기

[16～18] 다음 글을 읽고 물음에 답하시오 (2014학년도 수능 국어A)

19세기 중반 화학자 분젠은 불꽃 반응에서 나타나는 물질 고유의 불꽃색에 한 연구를 진행하고 있었다 그는 버너 불꽃의 색을 제거한 개선된 버너를 고안함으로써 물질의 불꽃색을 더 잘 구별할 수 있도록 하였다 하지만 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질의 불꽃은 색깔이 겹쳐서 분간이 어려웠다 이에 물리학자 키르히호프는 프리즘을 통한 분석을 제안했고 둘은 협력하여 불꽃의 색을 분리시키는 분광 분석법을 창안했다 이것은 과학사에 길이 남을 업적으로 이어졌다

그들은 불꽃 반응에서 나오는 빛을 프리즘에 통과시켜 띠 모양으로 분산시킨 후 망원경을 통해 이를 들여다보는 방식으로 실험을 진행하였다 빛이 띠 모양으로 분산되는 것은 빛이 파장이 짧을수록 굴절하는 각이 커지기 때문이다 이 방법을 통해 그들은 알칼리 금속과 알칼리 토금속의 스펙트럼을 체계적으로 조사하여 그것들을 함유한 화합물들을 찾아내었다 이 과정에서 그들은 특정한 금속의 스펙트럼에서 띄엄띄엄 떨어진 밝은 선의 위치는 그 금속이 홑원소로 존재하든 다른 원소와 결합하여 존재하든 불꽃의 온도에 상관없이 항상 같다는 결론에 도달하였다 이로써 화학 반응을 이용하는 전통적인 분석 화학의 방법에 의존하지 않고도 정확하게 화합물의 원소를 판별해 내는 분광 분석법이 탄생하였다 이 방법의 유효성은 그들이 새로운 금속 원소인 세슘과 루비듐을 발견함으로써 입증되었다

1859년 키르히호프는 이 방법을 천문학 분야로까지 확장하였다 그는 불꽃 반응 실험에서 관찰한 나트륨 스펙트럼의 두 개의 인접한 밝은 선과 1810년 프라운호퍼가 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼에서 발견한 검은 선들을 비교하는 과정에서 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 나타나는 원인을 설명할 수 있었다 그는 태양빛의 스펙트럼의 검은 선들 중에서 프라운호퍼의 D선이 나트륨 고유의 밝은 선들과 같은 파장에서 겹쳐지는 것을 확인하고 D선은 태양에서 비교적 차가운 부분인 태양 기 중에 존재하는 나트륨 때문에 생긴다고 해석했다 이것은 태양 기 중의 나트륨이 태양의 더 뜨거운 부분에서 나오는 빛 가운데 D선에 해당하는 파장의 빛들을 흡수하기 때문이다 태양빛의 스펙트럼을 보면 D선 이외에도 차가운 태양 기 중의 특정 원소에 의해 흡수된 빛의 파장 위치에 검은 선들이 나타난다 이 검은 선들은 그 특정 원소가 불꽃 반응에서 나타내는 스펙트럼 상의 밝은 선들과 나타나는 위치가 동일하다

이후 이러한 원리의 적용을 통해 철과 헬륨 같은 다른 원소들도 태양 기 중에 존재함을 밝혀졌으며 다른 항성을 연구하는 데도 같은 원리가 적용되었다 이를 두고 동료 과학자들은 물리학 화학 천문학에 모두 적용될 수 있는 분광 분석법이 천체 기의 화학적 조성을 밝혀냄으로써 우주의 통일성을 드러내었고 우주의 모든 곳에 존재하는 자연의 원리를 인식하게 하는 데 공헌했다고 평가했다

16 윗글을 바탕으로 할 때 의 업적으로 볼 수 있는 것은① 화학 반응을 이용하는 분석 화학 방법을 확립하였다② 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 존재함을 알아내었다③ 물질을 불꽃에 넣으면 독특한 불꽃색이 나타나는 것을 발견하였다④ 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼을 얻는 방법을 창안하였다⑤ 천체에 가지 않고도 그 기에 존재하는 원소에 관한 정보를 얻을 수 있는 길이 열렸다

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[핵심 정보의 파악] ⑤의 키르히호프는 분광 분석법을 통해 태양 기 중에 존재하는 특정 원소의 존재를 파악할 수 있는 길을 열었다(셋째 문단) 이후 이러한 분광 분석법을 동료 과학자들이 적용하여 천체 기의 화학적 조성을 밝히는 데 공헌했다(넷째 문단) 결국 키르히호프의 분광 분석법은 천체에 가지 않고도 그 기에 존재하는 원소에 관한 정보를 얻을 수 있는 길을 열었다고 볼 수 있다[해설]① 키르히호프는 화학 반응을 이용하는 전통적인 분석 화학의 방법에 의존하지 않고도 정확하게 화합물의 원소를 판별해 내는 분광 분석법을 창안했다(둘째 문단)② 프라운호퍼가 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 존재함을 알아내었다(셋째 문단)③ 물질을 불꽃에 넣으면 독특한 불꽃색이 나타나는 불꽃 반응은 키르히호프 이전에 이미 발견되었으며 이에

한 연구가 진행되고 있었다(첫째 문단)④ 프리즘을 통과시켜 태양빛의 스펙트럼을 얻는 방법은 이미 1810년 프라운호퍼가 창안하였다(셋째 문단)

17 윗글을 이해한 내용으로 가장 적절한 것은① 루비듐의 존재는 분광 분석법이 출현하기 전에 확인되었다② 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 빛의 파장이 길수록 굴절하는 각이 커진다③ 금속 원소 스펙트럼의 밝은 선의 위치는 불꽃의 온도를 높여도 변하지 않는다④ 철이 태양 기에 존재한다는 사실은 나트륨이 태양 기에 존재한다는 사실보다 먼저 밝혀졌다⑤ 분젠은 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질에서 나오는 각각의 불꽃색이 겹치는 현상을 막아 주는 버너를 고안하였다

[세부 정보의 확인] ③분젠과 키르히호프의 실험 과정에서 특정한 금속의 스펙트럼에서 밝은 선의 위치는 그 금속이 홑원소로 존재하든 다른 원소와 결합하여 존재하든 불꽃의 온도에 상관없이 항상 같다는 결론에 도달하였다고 제시되어 있다(둘째 문단) 따라서 금속 원소 스펙트럼의 밝은 선의 위치는 불꽃의 온도를 높여도 변하지 않는다고 할 수 있다[해설]① 분젠과 키리히호프가 분광 분석법을 통해서 새로운 금속 원소인 세슘과 루비듐을 발견함으로써 방법의 유효성을 입증했다고 제시되어 있다 결국 루비듐의 존재는 분광 분석법이 출현함으로써 확인되었다고 볼 수 있다(둘째 문단)② 빛 파장이 짧을수록 굴절하는 각이 커지기 때문에 빛이 띠 모양으로 분산된다고 제시되어 있다 역으로 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 빛의 파장이 길수록 굴절하는 각은 작아진다고 할 수 있다(둘째 문단)④ 분광 분석법을 통해 나트륨이 태양 기에 존재한다는 사실이 밝혀진 뒤 이러한 원리의 적용을 통해 철과 헬륨 같은 다른 원소들도 태양 기 중에 존재함이 밝혀졌다고 설명하고 있다(셋째 넷째 문단)⑤ 분젠이 개선된 버너를 고안했지만 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질의 불꽃은 색깔이 겹쳐서 분간이 어려웠다고 제시되어 있다(첫째 문단) 분젠이 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질에서 나오는 각각의 불꽃색이 겹치는 현상을 막아 주는 버너를 고안했다고 이해하는 것은 적절하지 않다

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18 윗글을 바탕으로 lt보기gt를 해석한 내용으로 적절하지 않은 것은 [3점]

lt보 기gt우리 은하의 어떤 항성 α와 β의 별빛 스펙트럼을 살펴보니 많은 검은 선들을 볼 수 있었다 이것들을 나트륨 리

튬의 스펙트럼의 밝은 선들과 비교했을 때 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 β의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 α의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다 리튬 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 α의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 β의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다

① 항성 α는 태양이 아니겠군② 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있겠군③ 항성 β에는 리튬이 존재하지 않겠군④ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 없겠군⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있겠군

[사례에의 적용] ④

태양빛의 스펙트럼의 검은 선들 중에서 프라운호퍼의 D선이 나트륨 고유의 밝은 선들과 같은 파장에서 겹쳐지는 것은 나트륨이 D선에 해당하는 파장의 빛들을 흡수하기 때문이라고 제시되어 있다(셋째 문단) 이를 바탕으로 lt보기gt를 해석하면 lt보기gt에서 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 하였으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 있다고 판단할 수 있다[해설]① 나트륨 스펙트럼이 항성 α의 검은 선들과 겹쳐지지 않았으므로 항성 α에는 태양 기성분인 나트륨이 존재하지 않는다고 판단할 수 있다 따라서 항성 α는 태양이 아니다② 항성 α의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 했으므로 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있을 것으로 판단할 수 있다③ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐지지 않았다고 했으므로 항성 β에는 리튬이 존재하지 않는다 왜냐하면 특정 원소에 의해 흡수된 빛의 파장 위치에 검은 선들은 그 특정 원소가 불꽃 반응에서 나타내는 스펙트럼 상의 밝은 선들과 나타나는 위치가 동일하기 때문이다⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐진다고 했으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛(나트륨)이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있을 것으로 이해할 수 있다

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(2) 논술 문항 따라잡기

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오 (2010학년도 서울 기출문제 응용)

lt가gt 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있다 원자 안에서 전자는 다음의 특성을 갖는다 ① 전자의 에너지 상태는 불연속적인 특정한 값만을 갖는다 이 값들은 각 원소마다 독특하다 ② 낮은 에너지 상태에 있는 전자가 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이 값만큼의 에

너지를 흡수하여야 한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 전자가 낮은 에너지 상태로 내려올 때는 해당 크기의 에너지를 방출한다

백열등처럼 연속 스펙트럼을 가진 빛을 네온 기체에 통과시키면 네온 원자의 전자 에너지 상태에 따라 특정 위치에서 검은 선들이 나타나는 흡수 스펙트럼(그림 1)이 얻어진다

파장(nm)

[그림 1] 네온 기체의 흡수 선 스펙트럼 (nm timesm )

lt나gt 분자는 원자들이 결합하여 만들어진다 분자내의 원자들이 움직이는 진동운동은 다음과 같은 특성을 갖는다 ① 분자의 진동 에너지는 불연속적인 특정한 값들을 갖는다 이 값들은 각 분자마다 독특하다 ② 분자의 진동 운동이 낮은 에너지 상태에서 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이만큼

에너지를 흡수한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 진동 운동은 에너지를 방출하며 낮은 에너지 상태로 내려간다

lt다gt 물질의 열에너지는 입자의 운동 분자의 내부 진동 원자의 전자 에너지 등 다양한 에너지의 합으로 나타낼 수 있다 절 온도 에서 열에너지는 략 만큼의 값을 갖는다(는 볼츠만 상수로 timesJK이다) 분자의 진동 에너지는 100kJmol이하의 값이며 적외선 영역(파장 m이상)에 해당한다 원자 내의 전자 에너지는 이 보다 큰 값을 가지며 가시광선nmsimnm 또는 자외선 영역에 해당하고 원자핵 내 핵자들의 결합에너지는 이 보다 백만 배 이상 크다

lt라gt 천체 망원경 기술의 발전에 힘입어 별 빛의 스펙트럼을 분석하는 분광 분석적 천체관측이 가능하게 되었다 관측 스펙트럼 영역도 가시광선뿐 아니라 자외선 및 적외선 영역까지 확장되었으며 최근에는 지구 기의 영향을 없애기 위해 인공위성에 탑재시킨 천체 망원경을 주로 사용하고 있다 다음의 [그림 2]는 어느 별과 지구 사이에 존재하는 성간 구름 영역을 통과하여 지구에 도달하는 별빛 스펙트럼을 나타낸 것으로 적외선 영역에서 다양한 흡수 봉우리들이 관찰됨을 알 수 있다

[그림 2]

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[논제 1] 제시문 lt라gt의 별빛 스펙트럼(그림 2)에 근거하여 성간 구름에 물 분자가 존재할 가능성에 해 논하시오 참고자료 OH 작용기의 진동 운동에너지에 해당하는 빛의 파장은 다음과 같이 계산된다 여기서 는 빛의 파장 H는 수소원자의 질량timeskg을 의미한다

timesmtimesHkg

[논제 2] 제시문 lt라gt의 별빛의 스펙트럼에는 적외선을 포함하는 연속 스펙트럼 위에 가시광선과 자외선 영역에 해당하는 검은 흡수선들도 발견되었다 만약 별빛이 성간 구름 영역을 거치지 않고 직접 지구로 도달하는 경우에는 [그림 2]와 같은 적외선 영역의 흡수 봉우리들은 관찰되지 않는다고 한다 이로부터 별의 기와 성간 구름에 존재하는 물질들이 어떻게 다른지를 유추하고 그러한 물질 조성의 차이가 나타나는 이유를 두 환경의 온도 효과로 설명하시오

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(3) 예시답안으로 확인하기

[논제 1]

[논제 2]

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기체 법칙의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

이탈리아의 과학자 토리첼리가 수은 기압계를 이용하여 기의 압력을 처음 측정하였다고 알려져 있다 수은을 가득 채운 유리관을 거꾸로 세우면 그림 (1) 과 같이 수은기둥이 내려오다가 유리관 안을 채운 수은이 내리 누르는 무게 (힘) 이 외부의 공기가 내리 누르는 힘 (공기의 압력) 과 같아지는 위치에서 평형을 이루게 된다 이 때 유리관 안의 빈 공간은 진공 상태가 된다 이 실험을 통해 기압은 수은기둥의 높이가 76 cm일 때의 압력과 같다는 것을 알 수 있다

그림 (1) 토리첼리의 수은 기압계

그림 (2) 보일의 J 관

영국의 과학자 보일은 J 자 모양의 유리관을 사용한 실험을 통해 ldquo일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피() 는 기체에 작용하는 압력 () 에 반비례한다rdquo 는 사실을 알아내었는데 이를 보일의 법칙이라고 한다 보일의 법칙을 기체 분자 운동론의 관점에서 생각해보면 일정한 온도를 유지하면서 기체의 부피를 줄이는 경우 일정 시간 동안 단위 면적에 부딪치는 기체 분자의 수가 많아져서 결국 해당 기체의 압력이 높아진다는 것이다 보일의 J 관을 사용하여 기체의 압력을 측정할 때는 기압을 고려해야 한다 예를 들어 어떤 기체가 그림 (2) 와 같이 평형을 이루고 있다면 이 기체의 압력은 2 기압이 된다 왜냐하면 수은기둥 76 cm 에 해당하는 1 기압이 원래 기압 1 기압에 더해져서 유리관 내 기체 압력과 평형을 이루고 있기 때문이다 프랑스의 과학자 샤를은 ldquo일정한 압력에서 기체의 부피는 그 종류에 관계없이 온도가 1 높아질 때마다

0 때 부피의 만큼씩 증가한다rdquo 는 사실을 알아냈다 이것을 샤를의 법칙이라고 한다

이상의 내용을 종합하여 기체의 압력 온도 부피 사이의 상관관계를 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다

(상수) (단 는 섭씨온도())

[논 제] 다음의 그림 (3) 과 그림 (4) 에서 기압은 1기압이고 유리관 내부 기체는 같은 종류이며 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 만족한다 J 관에서 기체의 유출은 없으며 J 관의 단면적은 모든 부분에서 일정하다고 가정하자 아래의 문제 (i) (ii) 에서 기체를 제외한 나머지 부분의 온도 변화 열팽창 및 열전도는 고려하지 않는다

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 1 기체 분자운동론과 법칙

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(i) 그림 (3) 에서 유리관 내부 기체의 온도는 0 이고 압력은 벽면과의 마찰이 없는 피스톤에 의해 외부압력 (기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 온도를 증가시켰을 때 왜 부피가 변하였는지를 기체 분자 운동론의 관점에서 설명하시오 (단 피스톤의 자체 질량은 무시한다)

(ii) 그림 (4) 에서 수은이 채워진 관 내부 기체의 온도는 0 이고 기체가 들어있는 부분의 처음 높이는 76 cm 이다 기체의 압력은 외부압력 ( 기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 (i) 에서 구한 온도와 차이가 있을 경우 그 이유에 해 설명하시오

그림 (3)

그림 (4)

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이상기체 vs 실제기체2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 과학자들은 기체의 물리적인 성질과 기체 분자의 움직임을 설명하기 위하여 기체 분자 운동론을 제시하였다 기체 분자 운동론은 다음의 몇 가지 가정에 기반을 두고 있다

1 기체는 분자의 크기에 비하여 멀리 떨어져 있으며 기체 분자의 부피는 전체 부피에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다 2 기체 분자끼리 또는 기체 분자와 그릇의 벽에 한 충돌은 완전 탄성 충돌이다 완전 탄성 충돌은 에너지의 손실이 없다 3 기체 분자들은 무질서하게 빠른 속도로 끊임없이 직선 운동을 한다 4 기체 분자 사이의 인력이나 반발력은 작용하지 않는다 5 기체 분자의 평균 운동 에너지는 절 온도에 비례한다

기체 분자 운동론은 이상 기체에 한하여 적용될 수 있다 이상 기체는 실제로 존재하지 않으나 부분의 기체는 온도가 높고 압력이 낮으면 거의 이상 기체처럼 행동한다

lt나gt 고체나 액체와 달리 서로 다른 기체는 그들의 화학적 구성과 관계없이 매우 유사한 물리적 거동을 나타낸다 예를 들면 기체 헬륨과 플루오르는 화학적 특성이 매우 다르지만 부분의 물리적 거동은 거의 동일하다 1600년 후반에 많은 관찰을 통해 기체의 물리적 성질을 네 가지 변수 즉 압력() 온도() 부피() 몰수()로 규정할 수 있다고 제시했다 이러한 네 가지 변수 사이의 특정한 관계를 기체 법칙이라 하고 이러한 법칙을 정확히 따르는 기체를 이상 기체라고 한다 이들 기체 법칙에는 보일의 법칙 샤를의 법칙 그리고 아보가드로의 법칙 등이 있고 이 세 법칙을 하나의 식으로 묶어서 다음과 같은 이상 기체 상태 방정식을 얻어낼 수가 있다

(은 상수) 실험에 의하면 모든 기체는 0(=273K) 1기압에서 224L의 부피 중에 1몰의 분자를 포함한다는 것이 알려져 있으므로 이 결과를 이용하면 상수 ≒ Lㆍ기압몰ㆍK의 값을 얻을 수가 있고 이 값을 기체상수라 한다

[논제 1] 보일이 보일의 법칙을 발견한지 백년이 더 지난 18세기말 게이뤼삭은 0에서 100로 온도를 상승시키자 공기 수소 산소 질소 등 기체의 종류에 상관없이 부피가 모두 375 증가함을 관찰하였다 그의 실험 결과로부터 절 온도를 구해보고 오늘날 우리가 사용하는 값과 비교하여 보시오

[논제 2] 일반 마취제로 산소와 함께 사용하는 사이클로프로페인은 고리 모양의 화합물로서 분자식은 CH이다 Ar은 비활성 기체로서 원자량이 사이클로프로페인의 분자량과 유사하다 실온에서 약간 높은 압력 조건 하에 사이클로프로페인과 Ar 중 어느 것이 이상기체의 거동으로부터 더 멀어질지 기체 입자 자체의 부피와 기체 입자간 인력을 고려하여 예측하고 그 이유를 설명하시오

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[논제 3] 질소 기체 분자 사이의 거리와 인력 및 반발력에 따른 에너지 간의 관계는 아래 그래프와 같이 나타난다(단 질소 분자의 평균반경은 약 nm이다) 이를 이용해 0에서 1몰의 질소 기체에 해 (압력)에 따른 의 관계를 아래 주어진 그래프 로 답안지에 옮겨 그려 보고 왜 그렇게 그렸는지 구체적으로 설명하시오

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분자 간 상호작용의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 분자들 사이에 작용하는 힘에는 쌍극자-쌍극자 힘 분산력(반 데르 발스 힘)과 수소 결합이 있다 쌍극자-쌍극자 힘이란 서로 근접한 극성 분자들이 갖고 있는 부분전하 사이에 작용하는 정전기적 인력을 말하며 공유결합 분자들 중 전기 음성도 차이에 의한 쌍극자 모멘트가 있는 극성 분자들 사이에 형성된다 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자의 경우에는 일시적으로 분자 내의 전자가 한쪽으로 쏠리면서 전자 분포가 치우쳐 편극이 되면 순간적으로 쌍극자가 형성될 수 있다 이때 순간 쌍극자는 이웃한 분자의 전자 분포에 영향을 미쳐 또 다른 순간 쌍극자를 유발하게 된다 이 두 순간 쌍극자 사이에 작용하는 정전기적 인력을 분산력(반 데르 발스 힘)이라고 하며 분자량이 클수록 분산력이 커지게 된다 수소 결합이란 전기 음성도가 큰 원자에 결합된 수소 원자와 전기음성도가 큰 다른 원자에 있는 비공유 전자쌍 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨 이루어지는 결합이다

[논제 1] lt그림 1gt은 수소화합물들의 끓는점이 각 원소들의 원자 주기에 따라 차이가 있음을 나타내고 있다 다음의 각 문항에 답하시오

lt그림 1gt 14족과 17족 원소들로 이루어진 수소화합물의 끓는점

(1) 14족과 17족 원소들이 이루는 수소화합물의 끓는점 차이를 논리적으로 설명하시오

(2) 14족 수소화합물들의 끓는점이 주기의 증가에 따라 점차 증가하는 이유를 설명하시오

(3) 17족 수소화합물들의 끓는점이 2주기 수소화합물의 경우가 상 적으로 높은 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 2 분자 간 상호작용

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[논제 2] lt그림 2gt에는 2주기 원소들이 만드는 다양한 수소화합물의 끓는점이 각 원소의 전기음성도에 따라 표기되어 있다 이를 보면 HO의 끓는점은 NH 혹은 HF에 비해 상 적으로 높음을 알 수 있다 그 이유를 제시문을 근거로 설명하시오

lt그림 2gt 2주기 원소로 이루어진 수소화합물의 끓는점

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수소결합의 이해와 적용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 수소 결합은 N(질소) O (산소) F (플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고 융해열과 기화열이 크다 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로 화학결합과는 다르며 다른 종류의 분자 간 인력 보다 훨씬 강해 수소결합 이라고 부르는데 원자들의 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다

[논제 1] 아세트산(CHCOOH)의 분자량은 gmol이다 아세트산의 분자량을 측정하기 위해 벤젠과 같은 무극성 용매에 녹여 분자량을 측정하였더니 예상했던 분자량 60의 2배인 120으로 측정되었다고 한다 그 이유를 제시문에 근거하여 설명하시오

[논제 2] 분자식이 CHO로 동일한 두 화합물 A B는 모두 물에 잘 용해되는데 이 중 하나는 상온에서 기체이고 다른 하나는 상온에서 액체로 존재한다 두 화합물의 구조식을 이용하여 물에 한 용해도가 공통적으로 높은 이유와 끓는점이 서로 다른 이유에 해 각각 논하시오

[논제 3] 멜라민(melamine CNH)은 세 분자의 시안아마이드(CNH)가 결합한 삼중화합체(trimer)이다 2008년에 이 분자가 다량 포함된 분유를 섭취한 유아에게 심각한 부작용이 나타나 세계적인 문제가 된 적이 있다 이 멜라민은 벤젠 화합물과 유사한 형태의 6각 고리형 골격을 기반으로 한 칭성이 좋은 분자이다 이 멜라민은 시아노유릭산(cyanouric acid)과 체내에서 만나 분자 간 결합을 통해 노란색의 멜라민 시아노유레이트(melamine cyanourate) 결정이 된다 이 결정의 형성으로 신장결석이 진행된다 위의 설명을 참고하여 멜라민과 시아노유릭산이 가장 강한 분자 간 결합을 형성한 구조를 제시하여라 멜라민과 시아노유릭산의 분자 간 결합에서 어떤 종류의 분자간 힘이 주로 작용하겠는가 멜라민과 시아노유릭산의 구조는 순서 로 아래와 같다

[멜라민의 구조]

[시아노유릭산의 구조]

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결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

- 52 -

[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

- 54 -

산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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[핵심 정보의 파악] ⑤의 키르히호프는 분광 분석법을 통해 태양 기 중에 존재하는 특정 원소의 존재를 파악할 수 있는 길을 열었다(셋째 문단) 이후 이러한 분광 분석법을 동료 과학자들이 적용하여 천체 기의 화학적 조성을 밝히는 데 공헌했다(넷째 문단) 결국 키르히호프의 분광 분석법은 천체에 가지 않고도 그 기에 존재하는 원소에 관한 정보를 얻을 수 있는 길을 열었다고 볼 수 있다[해설]① 키르히호프는 화학 반응을 이용하는 전통적인 분석 화학의 방법에 의존하지 않고도 정확하게 화합물의 원소를 판별해 내는 분광 분석법을 창안했다(둘째 문단)② 프라운호퍼가 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 존재함을 알아내었다(셋째 문단)③ 물질을 불꽃에 넣으면 독특한 불꽃색이 나타나는 불꽃 반응은 키르히호프 이전에 이미 발견되었으며 이에

한 연구가 진행되고 있었다(첫째 문단)④ 프리즘을 통과시켜 태양빛의 스펙트럼을 얻는 방법은 이미 1810년 프라운호퍼가 창안하였다(셋째 문단)

17 윗글을 이해한 내용으로 가장 적절한 것은① 루비듐의 존재는 분광 분석법이 출현하기 전에 확인되었다② 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 빛의 파장이 길수록 굴절하는 각이 커진다③ 금속 원소 스펙트럼의 밝은 선의 위치는 불꽃의 온도를 높여도 변하지 않는다④ 철이 태양 기에 존재한다는 사실은 나트륨이 태양 기에 존재한다는 사실보다 먼저 밝혀졌다⑤ 분젠은 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질에서 나오는 각각의 불꽃색이 겹치는 현상을 막아 주는 버너를 고안하였다

[세부 정보의 확인] ③분젠과 키르히호프의 실험 과정에서 특정한 금속의 스펙트럼에서 밝은 선의 위치는 그 금속이 홑원소로 존재하든 다른 원소와 결합하여 존재하든 불꽃의 온도에 상관없이 항상 같다는 결론에 도달하였다고 제시되어 있다(둘째 문단) 따라서 금속 원소 스펙트럼의 밝은 선의 위치는 불꽃의 온도를 높여도 변하지 않는다고 할 수 있다[해설]① 분젠과 키리히호프가 분광 분석법을 통해서 새로운 금속 원소인 세슘과 루비듐을 발견함으로써 방법의 유효성을 입증했다고 제시되어 있다 결국 루비듐의 존재는 분광 분석법이 출현함으로써 확인되었다고 볼 수 있다(둘째 문단)② 빛 파장이 짧을수록 굴절하는 각이 커지기 때문에 빛이 띠 모양으로 분산된다고 제시되어 있다 역으로 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 빛의 파장이 길수록 굴절하는 각은 작아진다고 할 수 있다(둘째 문단)④ 분광 분석법을 통해 나트륨이 태양 기에 존재한다는 사실이 밝혀진 뒤 이러한 원리의 적용을 통해 철과 헬륨 같은 다른 원소들도 태양 기 중에 존재함이 밝혀졌다고 설명하고 있다(셋째 넷째 문단)⑤ 분젠이 개선된 버너를 고안했지만 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질의 불꽃은 색깔이 겹쳐서 분간이 어려웠다고 제시되어 있다(첫째 문단) 분젠이 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질에서 나오는 각각의 불꽃색이 겹치는 현상을 막아 주는 버너를 고안했다고 이해하는 것은 적절하지 않다

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18 윗글을 바탕으로 lt보기gt를 해석한 내용으로 적절하지 않은 것은 [3점]

lt보 기gt우리 은하의 어떤 항성 α와 β의 별빛 스펙트럼을 살펴보니 많은 검은 선들을 볼 수 있었다 이것들을 나트륨 리

튬의 스펙트럼의 밝은 선들과 비교했을 때 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 β의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 α의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다 리튬 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 α의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 β의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다

① 항성 α는 태양이 아니겠군② 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있겠군③ 항성 β에는 리튬이 존재하지 않겠군④ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 없겠군⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있겠군

[사례에의 적용] ④

태양빛의 스펙트럼의 검은 선들 중에서 프라운호퍼의 D선이 나트륨 고유의 밝은 선들과 같은 파장에서 겹쳐지는 것은 나트륨이 D선에 해당하는 파장의 빛들을 흡수하기 때문이라고 제시되어 있다(셋째 문단) 이를 바탕으로 lt보기gt를 해석하면 lt보기gt에서 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 하였으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 있다고 판단할 수 있다[해설]① 나트륨 스펙트럼이 항성 α의 검은 선들과 겹쳐지지 않았으므로 항성 α에는 태양 기성분인 나트륨이 존재하지 않는다고 판단할 수 있다 따라서 항성 α는 태양이 아니다② 항성 α의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 했으므로 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있을 것으로 판단할 수 있다③ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐지지 않았다고 했으므로 항성 β에는 리튬이 존재하지 않는다 왜냐하면 특정 원소에 의해 흡수된 빛의 파장 위치에 검은 선들은 그 특정 원소가 불꽃 반응에서 나타내는 스펙트럼 상의 밝은 선들과 나타나는 위치가 동일하기 때문이다⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐진다고 했으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛(나트륨)이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있을 것으로 이해할 수 있다

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(2) 논술 문항 따라잡기

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오 (2010학년도 서울 기출문제 응용)

lt가gt 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있다 원자 안에서 전자는 다음의 특성을 갖는다 ① 전자의 에너지 상태는 불연속적인 특정한 값만을 갖는다 이 값들은 각 원소마다 독특하다 ② 낮은 에너지 상태에 있는 전자가 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이 값만큼의 에

너지를 흡수하여야 한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 전자가 낮은 에너지 상태로 내려올 때는 해당 크기의 에너지를 방출한다

백열등처럼 연속 스펙트럼을 가진 빛을 네온 기체에 통과시키면 네온 원자의 전자 에너지 상태에 따라 특정 위치에서 검은 선들이 나타나는 흡수 스펙트럼(그림 1)이 얻어진다

파장(nm)

[그림 1] 네온 기체의 흡수 선 스펙트럼 (nm timesm )

lt나gt 분자는 원자들이 결합하여 만들어진다 분자내의 원자들이 움직이는 진동운동은 다음과 같은 특성을 갖는다 ① 분자의 진동 에너지는 불연속적인 특정한 값들을 갖는다 이 값들은 각 분자마다 독특하다 ② 분자의 진동 운동이 낮은 에너지 상태에서 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이만큼

에너지를 흡수한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 진동 운동은 에너지를 방출하며 낮은 에너지 상태로 내려간다

lt다gt 물질의 열에너지는 입자의 운동 분자의 내부 진동 원자의 전자 에너지 등 다양한 에너지의 합으로 나타낼 수 있다 절 온도 에서 열에너지는 략 만큼의 값을 갖는다(는 볼츠만 상수로 timesJK이다) 분자의 진동 에너지는 100kJmol이하의 값이며 적외선 영역(파장 m이상)에 해당한다 원자 내의 전자 에너지는 이 보다 큰 값을 가지며 가시광선nmsimnm 또는 자외선 영역에 해당하고 원자핵 내 핵자들의 결합에너지는 이 보다 백만 배 이상 크다

lt라gt 천체 망원경 기술의 발전에 힘입어 별 빛의 스펙트럼을 분석하는 분광 분석적 천체관측이 가능하게 되었다 관측 스펙트럼 영역도 가시광선뿐 아니라 자외선 및 적외선 영역까지 확장되었으며 최근에는 지구 기의 영향을 없애기 위해 인공위성에 탑재시킨 천체 망원경을 주로 사용하고 있다 다음의 [그림 2]는 어느 별과 지구 사이에 존재하는 성간 구름 영역을 통과하여 지구에 도달하는 별빛 스펙트럼을 나타낸 것으로 적외선 영역에서 다양한 흡수 봉우리들이 관찰됨을 알 수 있다

[그림 2]

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[논제 1] 제시문 lt라gt의 별빛 스펙트럼(그림 2)에 근거하여 성간 구름에 물 분자가 존재할 가능성에 해 논하시오 참고자료 OH 작용기의 진동 운동에너지에 해당하는 빛의 파장은 다음과 같이 계산된다 여기서 는 빛의 파장 H는 수소원자의 질량timeskg을 의미한다

timesmtimesHkg

[논제 2] 제시문 lt라gt의 별빛의 스펙트럼에는 적외선을 포함하는 연속 스펙트럼 위에 가시광선과 자외선 영역에 해당하는 검은 흡수선들도 발견되었다 만약 별빛이 성간 구름 영역을 거치지 않고 직접 지구로 도달하는 경우에는 [그림 2]와 같은 적외선 영역의 흡수 봉우리들은 관찰되지 않는다고 한다 이로부터 별의 기와 성간 구름에 존재하는 물질들이 어떻게 다른지를 유추하고 그러한 물질 조성의 차이가 나타나는 이유를 두 환경의 온도 효과로 설명하시오

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(3) 예시답안으로 확인하기

[논제 1]

[논제 2]

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기체 법칙의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

이탈리아의 과학자 토리첼리가 수은 기압계를 이용하여 기의 압력을 처음 측정하였다고 알려져 있다 수은을 가득 채운 유리관을 거꾸로 세우면 그림 (1) 과 같이 수은기둥이 내려오다가 유리관 안을 채운 수은이 내리 누르는 무게 (힘) 이 외부의 공기가 내리 누르는 힘 (공기의 압력) 과 같아지는 위치에서 평형을 이루게 된다 이 때 유리관 안의 빈 공간은 진공 상태가 된다 이 실험을 통해 기압은 수은기둥의 높이가 76 cm일 때의 압력과 같다는 것을 알 수 있다

그림 (1) 토리첼리의 수은 기압계

그림 (2) 보일의 J 관

영국의 과학자 보일은 J 자 모양의 유리관을 사용한 실험을 통해 ldquo일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피() 는 기체에 작용하는 압력 () 에 반비례한다rdquo 는 사실을 알아내었는데 이를 보일의 법칙이라고 한다 보일의 법칙을 기체 분자 운동론의 관점에서 생각해보면 일정한 온도를 유지하면서 기체의 부피를 줄이는 경우 일정 시간 동안 단위 면적에 부딪치는 기체 분자의 수가 많아져서 결국 해당 기체의 압력이 높아진다는 것이다 보일의 J 관을 사용하여 기체의 압력을 측정할 때는 기압을 고려해야 한다 예를 들어 어떤 기체가 그림 (2) 와 같이 평형을 이루고 있다면 이 기체의 압력은 2 기압이 된다 왜냐하면 수은기둥 76 cm 에 해당하는 1 기압이 원래 기압 1 기압에 더해져서 유리관 내 기체 압력과 평형을 이루고 있기 때문이다 프랑스의 과학자 샤를은 ldquo일정한 압력에서 기체의 부피는 그 종류에 관계없이 온도가 1 높아질 때마다

0 때 부피의 만큼씩 증가한다rdquo 는 사실을 알아냈다 이것을 샤를의 법칙이라고 한다

이상의 내용을 종합하여 기체의 압력 온도 부피 사이의 상관관계를 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다

(상수) (단 는 섭씨온도())

[논 제] 다음의 그림 (3) 과 그림 (4) 에서 기압은 1기압이고 유리관 내부 기체는 같은 종류이며 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 만족한다 J 관에서 기체의 유출은 없으며 J 관의 단면적은 모든 부분에서 일정하다고 가정하자 아래의 문제 (i) (ii) 에서 기체를 제외한 나머지 부분의 온도 변화 열팽창 및 열전도는 고려하지 않는다

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 1 기체 분자운동론과 법칙

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(i) 그림 (3) 에서 유리관 내부 기체의 온도는 0 이고 압력은 벽면과의 마찰이 없는 피스톤에 의해 외부압력 (기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 온도를 증가시켰을 때 왜 부피가 변하였는지를 기체 분자 운동론의 관점에서 설명하시오 (단 피스톤의 자체 질량은 무시한다)

(ii) 그림 (4) 에서 수은이 채워진 관 내부 기체의 온도는 0 이고 기체가 들어있는 부분의 처음 높이는 76 cm 이다 기체의 압력은 외부압력 ( 기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 (i) 에서 구한 온도와 차이가 있을 경우 그 이유에 해 설명하시오

그림 (3)

그림 (4)

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이상기체 vs 실제기체2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 과학자들은 기체의 물리적인 성질과 기체 분자의 움직임을 설명하기 위하여 기체 분자 운동론을 제시하였다 기체 분자 운동론은 다음의 몇 가지 가정에 기반을 두고 있다

1 기체는 분자의 크기에 비하여 멀리 떨어져 있으며 기체 분자의 부피는 전체 부피에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다 2 기체 분자끼리 또는 기체 분자와 그릇의 벽에 한 충돌은 완전 탄성 충돌이다 완전 탄성 충돌은 에너지의 손실이 없다 3 기체 분자들은 무질서하게 빠른 속도로 끊임없이 직선 운동을 한다 4 기체 분자 사이의 인력이나 반발력은 작용하지 않는다 5 기체 분자의 평균 운동 에너지는 절 온도에 비례한다

기체 분자 운동론은 이상 기체에 한하여 적용될 수 있다 이상 기체는 실제로 존재하지 않으나 부분의 기체는 온도가 높고 압력이 낮으면 거의 이상 기체처럼 행동한다

lt나gt 고체나 액체와 달리 서로 다른 기체는 그들의 화학적 구성과 관계없이 매우 유사한 물리적 거동을 나타낸다 예를 들면 기체 헬륨과 플루오르는 화학적 특성이 매우 다르지만 부분의 물리적 거동은 거의 동일하다 1600년 후반에 많은 관찰을 통해 기체의 물리적 성질을 네 가지 변수 즉 압력() 온도() 부피() 몰수()로 규정할 수 있다고 제시했다 이러한 네 가지 변수 사이의 특정한 관계를 기체 법칙이라 하고 이러한 법칙을 정확히 따르는 기체를 이상 기체라고 한다 이들 기체 법칙에는 보일의 법칙 샤를의 법칙 그리고 아보가드로의 법칙 등이 있고 이 세 법칙을 하나의 식으로 묶어서 다음과 같은 이상 기체 상태 방정식을 얻어낼 수가 있다

(은 상수) 실험에 의하면 모든 기체는 0(=273K) 1기압에서 224L의 부피 중에 1몰의 분자를 포함한다는 것이 알려져 있으므로 이 결과를 이용하면 상수 ≒ Lㆍ기압몰ㆍK의 값을 얻을 수가 있고 이 값을 기체상수라 한다

[논제 1] 보일이 보일의 법칙을 발견한지 백년이 더 지난 18세기말 게이뤼삭은 0에서 100로 온도를 상승시키자 공기 수소 산소 질소 등 기체의 종류에 상관없이 부피가 모두 375 증가함을 관찰하였다 그의 실험 결과로부터 절 온도를 구해보고 오늘날 우리가 사용하는 값과 비교하여 보시오

[논제 2] 일반 마취제로 산소와 함께 사용하는 사이클로프로페인은 고리 모양의 화합물로서 분자식은 CH이다 Ar은 비활성 기체로서 원자량이 사이클로프로페인의 분자량과 유사하다 실온에서 약간 높은 압력 조건 하에 사이클로프로페인과 Ar 중 어느 것이 이상기체의 거동으로부터 더 멀어질지 기체 입자 자체의 부피와 기체 입자간 인력을 고려하여 예측하고 그 이유를 설명하시오

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[논제 3] 질소 기체 분자 사이의 거리와 인력 및 반발력에 따른 에너지 간의 관계는 아래 그래프와 같이 나타난다(단 질소 분자의 평균반경은 약 nm이다) 이를 이용해 0에서 1몰의 질소 기체에 해 (압력)에 따른 의 관계를 아래 주어진 그래프 로 답안지에 옮겨 그려 보고 왜 그렇게 그렸는지 구체적으로 설명하시오

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분자 간 상호작용의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 분자들 사이에 작용하는 힘에는 쌍극자-쌍극자 힘 분산력(반 데르 발스 힘)과 수소 결합이 있다 쌍극자-쌍극자 힘이란 서로 근접한 극성 분자들이 갖고 있는 부분전하 사이에 작용하는 정전기적 인력을 말하며 공유결합 분자들 중 전기 음성도 차이에 의한 쌍극자 모멘트가 있는 극성 분자들 사이에 형성된다 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자의 경우에는 일시적으로 분자 내의 전자가 한쪽으로 쏠리면서 전자 분포가 치우쳐 편극이 되면 순간적으로 쌍극자가 형성될 수 있다 이때 순간 쌍극자는 이웃한 분자의 전자 분포에 영향을 미쳐 또 다른 순간 쌍극자를 유발하게 된다 이 두 순간 쌍극자 사이에 작용하는 정전기적 인력을 분산력(반 데르 발스 힘)이라고 하며 분자량이 클수록 분산력이 커지게 된다 수소 결합이란 전기 음성도가 큰 원자에 결합된 수소 원자와 전기음성도가 큰 다른 원자에 있는 비공유 전자쌍 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨 이루어지는 결합이다

[논제 1] lt그림 1gt은 수소화합물들의 끓는점이 각 원소들의 원자 주기에 따라 차이가 있음을 나타내고 있다 다음의 각 문항에 답하시오

lt그림 1gt 14족과 17족 원소들로 이루어진 수소화합물의 끓는점

(1) 14족과 17족 원소들이 이루는 수소화합물의 끓는점 차이를 논리적으로 설명하시오

(2) 14족 수소화합물들의 끓는점이 주기의 증가에 따라 점차 증가하는 이유를 설명하시오

(3) 17족 수소화합물들의 끓는점이 2주기 수소화합물의 경우가 상 적으로 높은 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 2 분자 간 상호작용

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[논제 2] lt그림 2gt에는 2주기 원소들이 만드는 다양한 수소화합물의 끓는점이 각 원소의 전기음성도에 따라 표기되어 있다 이를 보면 HO의 끓는점은 NH 혹은 HF에 비해 상 적으로 높음을 알 수 있다 그 이유를 제시문을 근거로 설명하시오

lt그림 2gt 2주기 원소로 이루어진 수소화합물의 끓는점

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수소결합의 이해와 적용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 수소 결합은 N(질소) O (산소) F (플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고 융해열과 기화열이 크다 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로 화학결합과는 다르며 다른 종류의 분자 간 인력 보다 훨씬 강해 수소결합 이라고 부르는데 원자들의 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다

[논제 1] 아세트산(CHCOOH)의 분자량은 gmol이다 아세트산의 분자량을 측정하기 위해 벤젠과 같은 무극성 용매에 녹여 분자량을 측정하였더니 예상했던 분자량 60의 2배인 120으로 측정되었다고 한다 그 이유를 제시문에 근거하여 설명하시오

[논제 2] 분자식이 CHO로 동일한 두 화합물 A B는 모두 물에 잘 용해되는데 이 중 하나는 상온에서 기체이고 다른 하나는 상온에서 액체로 존재한다 두 화합물의 구조식을 이용하여 물에 한 용해도가 공통적으로 높은 이유와 끓는점이 서로 다른 이유에 해 각각 논하시오

[논제 3] 멜라민(melamine CNH)은 세 분자의 시안아마이드(CNH)가 결합한 삼중화합체(trimer)이다 2008년에 이 분자가 다량 포함된 분유를 섭취한 유아에게 심각한 부작용이 나타나 세계적인 문제가 된 적이 있다 이 멜라민은 벤젠 화합물과 유사한 형태의 6각 고리형 골격을 기반으로 한 칭성이 좋은 분자이다 이 멜라민은 시아노유릭산(cyanouric acid)과 체내에서 만나 분자 간 결합을 통해 노란색의 멜라민 시아노유레이트(melamine cyanourate) 결정이 된다 이 결정의 형성으로 신장결석이 진행된다 위의 설명을 참고하여 멜라민과 시아노유릭산이 가장 강한 분자 간 결합을 형성한 구조를 제시하여라 멜라민과 시아노유릭산의 분자 간 결합에서 어떤 종류의 분자간 힘이 주로 작용하겠는가 멜라민과 시아노유릭산의 구조는 순서 로 아래와 같다

[멜라민의 구조]

[시아노유릭산의 구조]

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결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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18 윗글을 바탕으로 lt보기gt를 해석한 내용으로 적절하지 않은 것은 [3점]

lt보 기gt우리 은하의 어떤 항성 α와 β의 별빛 스펙트럼을 살펴보니 많은 검은 선들을 볼 수 있었다 이것들을 나트륨 리

튬의 스펙트럼의 밝은 선들과 비교했을 때 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 β의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 α의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다 리튬 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 α의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 β의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다

① 항성 α는 태양이 아니겠군② 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있겠군③ 항성 β에는 리튬이 존재하지 않겠군④ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 없겠군⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있겠군

[사례에의 적용] ④

태양빛의 스펙트럼의 검은 선들 중에서 프라운호퍼의 D선이 나트륨 고유의 밝은 선들과 같은 파장에서 겹쳐지는 것은 나트륨이 D선에 해당하는 파장의 빛들을 흡수하기 때문이라고 제시되어 있다(셋째 문단) 이를 바탕으로 lt보기gt를 해석하면 lt보기gt에서 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 하였으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 있다고 판단할 수 있다[해설]① 나트륨 스펙트럼이 항성 α의 검은 선들과 겹쳐지지 않았으므로 항성 α에는 태양 기성분인 나트륨이 존재하지 않는다고 판단할 수 있다 따라서 항성 α는 태양이 아니다② 항성 α의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐졌다고 했으므로 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있을 것으로 판단할 수 있다③ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 리튬 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐지지 않았다고 했으므로 항성 β에는 리튬이 존재하지 않는다 왜냐하면 특정 원소에 의해 흡수된 빛의 파장 위치에 검은 선들은 그 특정 원소가 불꽃 반응에서 나타내는 스펙트럼 상의 밝은 선들과 나타나는 위치가 동일하기 때문이다⑤ 항성 β의 별빛 스펙트럼의 검은 선들이 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들과 겹쳐진다고 했으므로 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛(나트륨)이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있을 것으로 이해할 수 있다

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(2) 논술 문항 따라잡기

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오 (2010학년도 서울 기출문제 응용)

lt가gt 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있다 원자 안에서 전자는 다음의 특성을 갖는다 ① 전자의 에너지 상태는 불연속적인 특정한 값만을 갖는다 이 값들은 각 원소마다 독특하다 ② 낮은 에너지 상태에 있는 전자가 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이 값만큼의 에

너지를 흡수하여야 한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 전자가 낮은 에너지 상태로 내려올 때는 해당 크기의 에너지를 방출한다

백열등처럼 연속 스펙트럼을 가진 빛을 네온 기체에 통과시키면 네온 원자의 전자 에너지 상태에 따라 특정 위치에서 검은 선들이 나타나는 흡수 스펙트럼(그림 1)이 얻어진다

파장(nm)

[그림 1] 네온 기체의 흡수 선 스펙트럼 (nm timesm )

lt나gt 분자는 원자들이 결합하여 만들어진다 분자내의 원자들이 움직이는 진동운동은 다음과 같은 특성을 갖는다 ① 분자의 진동 에너지는 불연속적인 특정한 값들을 갖는다 이 값들은 각 분자마다 독특하다 ② 분자의 진동 운동이 낮은 에너지 상태에서 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이만큼

에너지를 흡수한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 진동 운동은 에너지를 방출하며 낮은 에너지 상태로 내려간다

lt다gt 물질의 열에너지는 입자의 운동 분자의 내부 진동 원자의 전자 에너지 등 다양한 에너지의 합으로 나타낼 수 있다 절 온도 에서 열에너지는 략 만큼의 값을 갖는다(는 볼츠만 상수로 timesJK이다) 분자의 진동 에너지는 100kJmol이하의 값이며 적외선 영역(파장 m이상)에 해당한다 원자 내의 전자 에너지는 이 보다 큰 값을 가지며 가시광선nmsimnm 또는 자외선 영역에 해당하고 원자핵 내 핵자들의 결합에너지는 이 보다 백만 배 이상 크다

lt라gt 천체 망원경 기술의 발전에 힘입어 별 빛의 스펙트럼을 분석하는 분광 분석적 천체관측이 가능하게 되었다 관측 스펙트럼 영역도 가시광선뿐 아니라 자외선 및 적외선 영역까지 확장되었으며 최근에는 지구 기의 영향을 없애기 위해 인공위성에 탑재시킨 천체 망원경을 주로 사용하고 있다 다음의 [그림 2]는 어느 별과 지구 사이에 존재하는 성간 구름 영역을 통과하여 지구에 도달하는 별빛 스펙트럼을 나타낸 것으로 적외선 영역에서 다양한 흡수 봉우리들이 관찰됨을 알 수 있다

[그림 2]

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[논제 1] 제시문 lt라gt의 별빛 스펙트럼(그림 2)에 근거하여 성간 구름에 물 분자가 존재할 가능성에 해 논하시오 참고자료 OH 작용기의 진동 운동에너지에 해당하는 빛의 파장은 다음과 같이 계산된다 여기서 는 빛의 파장 H는 수소원자의 질량timeskg을 의미한다

timesmtimesHkg

[논제 2] 제시문 lt라gt의 별빛의 스펙트럼에는 적외선을 포함하는 연속 스펙트럼 위에 가시광선과 자외선 영역에 해당하는 검은 흡수선들도 발견되었다 만약 별빛이 성간 구름 영역을 거치지 않고 직접 지구로 도달하는 경우에는 [그림 2]와 같은 적외선 영역의 흡수 봉우리들은 관찰되지 않는다고 한다 이로부터 별의 기와 성간 구름에 존재하는 물질들이 어떻게 다른지를 유추하고 그러한 물질 조성의 차이가 나타나는 이유를 두 환경의 온도 효과로 설명하시오

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(3) 예시답안으로 확인하기

[논제 1]

[논제 2]

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기체 법칙의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

이탈리아의 과학자 토리첼리가 수은 기압계를 이용하여 기의 압력을 처음 측정하였다고 알려져 있다 수은을 가득 채운 유리관을 거꾸로 세우면 그림 (1) 과 같이 수은기둥이 내려오다가 유리관 안을 채운 수은이 내리 누르는 무게 (힘) 이 외부의 공기가 내리 누르는 힘 (공기의 압력) 과 같아지는 위치에서 평형을 이루게 된다 이 때 유리관 안의 빈 공간은 진공 상태가 된다 이 실험을 통해 기압은 수은기둥의 높이가 76 cm일 때의 압력과 같다는 것을 알 수 있다

그림 (1) 토리첼리의 수은 기압계

그림 (2) 보일의 J 관

영국의 과학자 보일은 J 자 모양의 유리관을 사용한 실험을 통해 ldquo일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피() 는 기체에 작용하는 압력 () 에 반비례한다rdquo 는 사실을 알아내었는데 이를 보일의 법칙이라고 한다 보일의 법칙을 기체 분자 운동론의 관점에서 생각해보면 일정한 온도를 유지하면서 기체의 부피를 줄이는 경우 일정 시간 동안 단위 면적에 부딪치는 기체 분자의 수가 많아져서 결국 해당 기체의 압력이 높아진다는 것이다 보일의 J 관을 사용하여 기체의 압력을 측정할 때는 기압을 고려해야 한다 예를 들어 어떤 기체가 그림 (2) 와 같이 평형을 이루고 있다면 이 기체의 압력은 2 기압이 된다 왜냐하면 수은기둥 76 cm 에 해당하는 1 기압이 원래 기압 1 기압에 더해져서 유리관 내 기체 압력과 평형을 이루고 있기 때문이다 프랑스의 과학자 샤를은 ldquo일정한 압력에서 기체의 부피는 그 종류에 관계없이 온도가 1 높아질 때마다

0 때 부피의 만큼씩 증가한다rdquo 는 사실을 알아냈다 이것을 샤를의 법칙이라고 한다

이상의 내용을 종합하여 기체의 압력 온도 부피 사이의 상관관계를 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다

(상수) (단 는 섭씨온도())

[논 제] 다음의 그림 (3) 과 그림 (4) 에서 기압은 1기압이고 유리관 내부 기체는 같은 종류이며 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 만족한다 J 관에서 기체의 유출은 없으며 J 관의 단면적은 모든 부분에서 일정하다고 가정하자 아래의 문제 (i) (ii) 에서 기체를 제외한 나머지 부분의 온도 변화 열팽창 및 열전도는 고려하지 않는다

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 1 기체 분자운동론과 법칙

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(i) 그림 (3) 에서 유리관 내부 기체의 온도는 0 이고 압력은 벽면과의 마찰이 없는 피스톤에 의해 외부압력 (기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 온도를 증가시켰을 때 왜 부피가 변하였는지를 기체 분자 운동론의 관점에서 설명하시오 (단 피스톤의 자체 질량은 무시한다)

(ii) 그림 (4) 에서 수은이 채워진 관 내부 기체의 온도는 0 이고 기체가 들어있는 부분의 처음 높이는 76 cm 이다 기체의 압력은 외부압력 ( 기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 (i) 에서 구한 온도와 차이가 있을 경우 그 이유에 해 설명하시오

그림 (3)

그림 (4)

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이상기체 vs 실제기체2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 과학자들은 기체의 물리적인 성질과 기체 분자의 움직임을 설명하기 위하여 기체 분자 운동론을 제시하였다 기체 분자 운동론은 다음의 몇 가지 가정에 기반을 두고 있다

1 기체는 분자의 크기에 비하여 멀리 떨어져 있으며 기체 분자의 부피는 전체 부피에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다 2 기체 분자끼리 또는 기체 분자와 그릇의 벽에 한 충돌은 완전 탄성 충돌이다 완전 탄성 충돌은 에너지의 손실이 없다 3 기체 분자들은 무질서하게 빠른 속도로 끊임없이 직선 운동을 한다 4 기체 분자 사이의 인력이나 반발력은 작용하지 않는다 5 기체 분자의 평균 운동 에너지는 절 온도에 비례한다

기체 분자 운동론은 이상 기체에 한하여 적용될 수 있다 이상 기체는 실제로 존재하지 않으나 부분의 기체는 온도가 높고 압력이 낮으면 거의 이상 기체처럼 행동한다

lt나gt 고체나 액체와 달리 서로 다른 기체는 그들의 화학적 구성과 관계없이 매우 유사한 물리적 거동을 나타낸다 예를 들면 기체 헬륨과 플루오르는 화학적 특성이 매우 다르지만 부분의 물리적 거동은 거의 동일하다 1600년 후반에 많은 관찰을 통해 기체의 물리적 성질을 네 가지 변수 즉 압력() 온도() 부피() 몰수()로 규정할 수 있다고 제시했다 이러한 네 가지 변수 사이의 특정한 관계를 기체 법칙이라 하고 이러한 법칙을 정확히 따르는 기체를 이상 기체라고 한다 이들 기체 법칙에는 보일의 법칙 샤를의 법칙 그리고 아보가드로의 법칙 등이 있고 이 세 법칙을 하나의 식으로 묶어서 다음과 같은 이상 기체 상태 방정식을 얻어낼 수가 있다

(은 상수) 실험에 의하면 모든 기체는 0(=273K) 1기압에서 224L의 부피 중에 1몰의 분자를 포함한다는 것이 알려져 있으므로 이 결과를 이용하면 상수 ≒ Lㆍ기압몰ㆍK의 값을 얻을 수가 있고 이 값을 기체상수라 한다

[논제 1] 보일이 보일의 법칙을 발견한지 백년이 더 지난 18세기말 게이뤼삭은 0에서 100로 온도를 상승시키자 공기 수소 산소 질소 등 기체의 종류에 상관없이 부피가 모두 375 증가함을 관찰하였다 그의 실험 결과로부터 절 온도를 구해보고 오늘날 우리가 사용하는 값과 비교하여 보시오

[논제 2] 일반 마취제로 산소와 함께 사용하는 사이클로프로페인은 고리 모양의 화합물로서 분자식은 CH이다 Ar은 비활성 기체로서 원자량이 사이클로프로페인의 분자량과 유사하다 실온에서 약간 높은 압력 조건 하에 사이클로프로페인과 Ar 중 어느 것이 이상기체의 거동으로부터 더 멀어질지 기체 입자 자체의 부피와 기체 입자간 인력을 고려하여 예측하고 그 이유를 설명하시오

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[논제 3] 질소 기체 분자 사이의 거리와 인력 및 반발력에 따른 에너지 간의 관계는 아래 그래프와 같이 나타난다(단 질소 분자의 평균반경은 약 nm이다) 이를 이용해 0에서 1몰의 질소 기체에 해 (압력)에 따른 의 관계를 아래 주어진 그래프 로 답안지에 옮겨 그려 보고 왜 그렇게 그렸는지 구체적으로 설명하시오

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분자 간 상호작용의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 분자들 사이에 작용하는 힘에는 쌍극자-쌍극자 힘 분산력(반 데르 발스 힘)과 수소 결합이 있다 쌍극자-쌍극자 힘이란 서로 근접한 극성 분자들이 갖고 있는 부분전하 사이에 작용하는 정전기적 인력을 말하며 공유결합 분자들 중 전기 음성도 차이에 의한 쌍극자 모멘트가 있는 극성 분자들 사이에 형성된다 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자의 경우에는 일시적으로 분자 내의 전자가 한쪽으로 쏠리면서 전자 분포가 치우쳐 편극이 되면 순간적으로 쌍극자가 형성될 수 있다 이때 순간 쌍극자는 이웃한 분자의 전자 분포에 영향을 미쳐 또 다른 순간 쌍극자를 유발하게 된다 이 두 순간 쌍극자 사이에 작용하는 정전기적 인력을 분산력(반 데르 발스 힘)이라고 하며 분자량이 클수록 분산력이 커지게 된다 수소 결합이란 전기 음성도가 큰 원자에 결합된 수소 원자와 전기음성도가 큰 다른 원자에 있는 비공유 전자쌍 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨 이루어지는 결합이다

[논제 1] lt그림 1gt은 수소화합물들의 끓는점이 각 원소들의 원자 주기에 따라 차이가 있음을 나타내고 있다 다음의 각 문항에 답하시오

lt그림 1gt 14족과 17족 원소들로 이루어진 수소화합물의 끓는점

(1) 14족과 17족 원소들이 이루는 수소화합물의 끓는점 차이를 논리적으로 설명하시오

(2) 14족 수소화합물들의 끓는점이 주기의 증가에 따라 점차 증가하는 이유를 설명하시오

(3) 17족 수소화합물들의 끓는점이 2주기 수소화합물의 경우가 상 적으로 높은 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 2 분자 간 상호작용

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[논제 2] lt그림 2gt에는 2주기 원소들이 만드는 다양한 수소화합물의 끓는점이 각 원소의 전기음성도에 따라 표기되어 있다 이를 보면 HO의 끓는점은 NH 혹은 HF에 비해 상 적으로 높음을 알 수 있다 그 이유를 제시문을 근거로 설명하시오

lt그림 2gt 2주기 원소로 이루어진 수소화합물의 끓는점

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수소결합의 이해와 적용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 수소 결합은 N(질소) O (산소) F (플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고 융해열과 기화열이 크다 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로 화학결합과는 다르며 다른 종류의 분자 간 인력 보다 훨씬 강해 수소결합 이라고 부르는데 원자들의 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다

[논제 1] 아세트산(CHCOOH)의 분자량은 gmol이다 아세트산의 분자량을 측정하기 위해 벤젠과 같은 무극성 용매에 녹여 분자량을 측정하였더니 예상했던 분자량 60의 2배인 120으로 측정되었다고 한다 그 이유를 제시문에 근거하여 설명하시오

[논제 2] 분자식이 CHO로 동일한 두 화합물 A B는 모두 물에 잘 용해되는데 이 중 하나는 상온에서 기체이고 다른 하나는 상온에서 액체로 존재한다 두 화합물의 구조식을 이용하여 물에 한 용해도가 공통적으로 높은 이유와 끓는점이 서로 다른 이유에 해 각각 논하시오

[논제 3] 멜라민(melamine CNH)은 세 분자의 시안아마이드(CNH)가 결합한 삼중화합체(trimer)이다 2008년에 이 분자가 다량 포함된 분유를 섭취한 유아에게 심각한 부작용이 나타나 세계적인 문제가 된 적이 있다 이 멜라민은 벤젠 화합물과 유사한 형태의 6각 고리형 골격을 기반으로 한 칭성이 좋은 분자이다 이 멜라민은 시아노유릭산(cyanouric acid)과 체내에서 만나 분자 간 결합을 통해 노란색의 멜라민 시아노유레이트(melamine cyanourate) 결정이 된다 이 결정의 형성으로 신장결석이 진행된다 위의 설명을 참고하여 멜라민과 시아노유릭산이 가장 강한 분자 간 결합을 형성한 구조를 제시하여라 멜라민과 시아노유릭산의 분자 간 결합에서 어떤 종류의 분자간 힘이 주로 작용하겠는가 멜라민과 시아노유릭산의 구조는 순서 로 아래와 같다

[멜라민의 구조]

[시아노유릭산의 구조]

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결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

- 52 -

[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

- 54 -

산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

- 58 -

표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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(2) 논술 문항 따라잡기

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오 (2010학년도 서울 기출문제 응용)

lt가gt 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있다 원자 안에서 전자는 다음의 특성을 갖는다 ① 전자의 에너지 상태는 불연속적인 특정한 값만을 갖는다 이 값들은 각 원소마다 독특하다 ② 낮은 에너지 상태에 있는 전자가 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이 값만큼의 에

너지를 흡수하여야 한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 전자가 낮은 에너지 상태로 내려올 때는 해당 크기의 에너지를 방출한다

백열등처럼 연속 스펙트럼을 가진 빛을 네온 기체에 통과시키면 네온 원자의 전자 에너지 상태에 따라 특정 위치에서 검은 선들이 나타나는 흡수 스펙트럼(그림 1)이 얻어진다

파장(nm)

[그림 1] 네온 기체의 흡수 선 스펙트럼 (nm timesm )

lt나gt 분자는 원자들이 결합하여 만들어진다 분자내의 원자들이 움직이는 진동운동은 다음과 같은 특성을 갖는다 ① 분자의 진동 에너지는 불연속적인 특정한 값들을 갖는다 이 값들은 각 분자마다 독특하다 ② 분자의 진동 운동이 낮은 에너지 상태에서 높은 에너지 상태로 변화할 때는 두 에너지 상태의 차이만큼

에너지를 흡수한다 반 로 높은 에너지 상태에 있는 진동 운동은 에너지를 방출하며 낮은 에너지 상태로 내려간다

lt다gt 물질의 열에너지는 입자의 운동 분자의 내부 진동 원자의 전자 에너지 등 다양한 에너지의 합으로 나타낼 수 있다 절 온도 에서 열에너지는 략 만큼의 값을 갖는다(는 볼츠만 상수로 timesJK이다) 분자의 진동 에너지는 100kJmol이하의 값이며 적외선 영역(파장 m이상)에 해당한다 원자 내의 전자 에너지는 이 보다 큰 값을 가지며 가시광선nmsimnm 또는 자외선 영역에 해당하고 원자핵 내 핵자들의 결합에너지는 이 보다 백만 배 이상 크다

lt라gt 천체 망원경 기술의 발전에 힘입어 별 빛의 스펙트럼을 분석하는 분광 분석적 천체관측이 가능하게 되었다 관측 스펙트럼 영역도 가시광선뿐 아니라 자외선 및 적외선 영역까지 확장되었으며 최근에는 지구 기의 영향을 없애기 위해 인공위성에 탑재시킨 천체 망원경을 주로 사용하고 있다 다음의 [그림 2]는 어느 별과 지구 사이에 존재하는 성간 구름 영역을 통과하여 지구에 도달하는 별빛 스펙트럼을 나타낸 것으로 적외선 영역에서 다양한 흡수 봉우리들이 관찰됨을 알 수 있다

[그림 2]

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[논제 1] 제시문 lt라gt의 별빛 스펙트럼(그림 2)에 근거하여 성간 구름에 물 분자가 존재할 가능성에 해 논하시오 참고자료 OH 작용기의 진동 운동에너지에 해당하는 빛의 파장은 다음과 같이 계산된다 여기서 는 빛의 파장 H는 수소원자의 질량timeskg을 의미한다

timesmtimesHkg

[논제 2] 제시문 lt라gt의 별빛의 스펙트럼에는 적외선을 포함하는 연속 스펙트럼 위에 가시광선과 자외선 영역에 해당하는 검은 흡수선들도 발견되었다 만약 별빛이 성간 구름 영역을 거치지 않고 직접 지구로 도달하는 경우에는 [그림 2]와 같은 적외선 영역의 흡수 봉우리들은 관찰되지 않는다고 한다 이로부터 별의 기와 성간 구름에 존재하는 물질들이 어떻게 다른지를 유추하고 그러한 물질 조성의 차이가 나타나는 이유를 두 환경의 온도 효과로 설명하시오

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(3) 예시답안으로 확인하기

[논제 1]

[논제 2]

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기체 법칙의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

이탈리아의 과학자 토리첼리가 수은 기압계를 이용하여 기의 압력을 처음 측정하였다고 알려져 있다 수은을 가득 채운 유리관을 거꾸로 세우면 그림 (1) 과 같이 수은기둥이 내려오다가 유리관 안을 채운 수은이 내리 누르는 무게 (힘) 이 외부의 공기가 내리 누르는 힘 (공기의 압력) 과 같아지는 위치에서 평형을 이루게 된다 이 때 유리관 안의 빈 공간은 진공 상태가 된다 이 실험을 통해 기압은 수은기둥의 높이가 76 cm일 때의 압력과 같다는 것을 알 수 있다

그림 (1) 토리첼리의 수은 기압계

그림 (2) 보일의 J 관

영국의 과학자 보일은 J 자 모양의 유리관을 사용한 실험을 통해 ldquo일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피() 는 기체에 작용하는 압력 () 에 반비례한다rdquo 는 사실을 알아내었는데 이를 보일의 법칙이라고 한다 보일의 법칙을 기체 분자 운동론의 관점에서 생각해보면 일정한 온도를 유지하면서 기체의 부피를 줄이는 경우 일정 시간 동안 단위 면적에 부딪치는 기체 분자의 수가 많아져서 결국 해당 기체의 압력이 높아진다는 것이다 보일의 J 관을 사용하여 기체의 압력을 측정할 때는 기압을 고려해야 한다 예를 들어 어떤 기체가 그림 (2) 와 같이 평형을 이루고 있다면 이 기체의 압력은 2 기압이 된다 왜냐하면 수은기둥 76 cm 에 해당하는 1 기압이 원래 기압 1 기압에 더해져서 유리관 내 기체 압력과 평형을 이루고 있기 때문이다 프랑스의 과학자 샤를은 ldquo일정한 압력에서 기체의 부피는 그 종류에 관계없이 온도가 1 높아질 때마다

0 때 부피의 만큼씩 증가한다rdquo 는 사실을 알아냈다 이것을 샤를의 법칙이라고 한다

이상의 내용을 종합하여 기체의 압력 온도 부피 사이의 상관관계를 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다

(상수) (단 는 섭씨온도())

[논 제] 다음의 그림 (3) 과 그림 (4) 에서 기압은 1기압이고 유리관 내부 기체는 같은 종류이며 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 만족한다 J 관에서 기체의 유출은 없으며 J 관의 단면적은 모든 부분에서 일정하다고 가정하자 아래의 문제 (i) (ii) 에서 기체를 제외한 나머지 부분의 온도 변화 열팽창 및 열전도는 고려하지 않는다

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 1 기체 분자운동론과 법칙

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(i) 그림 (3) 에서 유리관 내부 기체의 온도는 0 이고 압력은 벽면과의 마찰이 없는 피스톤에 의해 외부압력 (기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 온도를 증가시켰을 때 왜 부피가 변하였는지를 기체 분자 운동론의 관점에서 설명하시오 (단 피스톤의 자체 질량은 무시한다)

(ii) 그림 (4) 에서 수은이 채워진 관 내부 기체의 온도는 0 이고 기체가 들어있는 부분의 처음 높이는 76 cm 이다 기체의 압력은 외부압력 ( 기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 (i) 에서 구한 온도와 차이가 있을 경우 그 이유에 해 설명하시오

그림 (3)

그림 (4)

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이상기체 vs 실제기체2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 과학자들은 기체의 물리적인 성질과 기체 분자의 움직임을 설명하기 위하여 기체 분자 운동론을 제시하였다 기체 분자 운동론은 다음의 몇 가지 가정에 기반을 두고 있다

1 기체는 분자의 크기에 비하여 멀리 떨어져 있으며 기체 분자의 부피는 전체 부피에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다 2 기체 분자끼리 또는 기체 분자와 그릇의 벽에 한 충돌은 완전 탄성 충돌이다 완전 탄성 충돌은 에너지의 손실이 없다 3 기체 분자들은 무질서하게 빠른 속도로 끊임없이 직선 운동을 한다 4 기체 분자 사이의 인력이나 반발력은 작용하지 않는다 5 기체 분자의 평균 운동 에너지는 절 온도에 비례한다

기체 분자 운동론은 이상 기체에 한하여 적용될 수 있다 이상 기체는 실제로 존재하지 않으나 부분의 기체는 온도가 높고 압력이 낮으면 거의 이상 기체처럼 행동한다

lt나gt 고체나 액체와 달리 서로 다른 기체는 그들의 화학적 구성과 관계없이 매우 유사한 물리적 거동을 나타낸다 예를 들면 기체 헬륨과 플루오르는 화학적 특성이 매우 다르지만 부분의 물리적 거동은 거의 동일하다 1600년 후반에 많은 관찰을 통해 기체의 물리적 성질을 네 가지 변수 즉 압력() 온도() 부피() 몰수()로 규정할 수 있다고 제시했다 이러한 네 가지 변수 사이의 특정한 관계를 기체 법칙이라 하고 이러한 법칙을 정확히 따르는 기체를 이상 기체라고 한다 이들 기체 법칙에는 보일의 법칙 샤를의 법칙 그리고 아보가드로의 법칙 등이 있고 이 세 법칙을 하나의 식으로 묶어서 다음과 같은 이상 기체 상태 방정식을 얻어낼 수가 있다

(은 상수) 실험에 의하면 모든 기체는 0(=273K) 1기압에서 224L의 부피 중에 1몰의 분자를 포함한다는 것이 알려져 있으므로 이 결과를 이용하면 상수 ≒ Lㆍ기압몰ㆍK의 값을 얻을 수가 있고 이 값을 기체상수라 한다

[논제 1] 보일이 보일의 법칙을 발견한지 백년이 더 지난 18세기말 게이뤼삭은 0에서 100로 온도를 상승시키자 공기 수소 산소 질소 등 기체의 종류에 상관없이 부피가 모두 375 증가함을 관찰하였다 그의 실험 결과로부터 절 온도를 구해보고 오늘날 우리가 사용하는 값과 비교하여 보시오

[논제 2] 일반 마취제로 산소와 함께 사용하는 사이클로프로페인은 고리 모양의 화합물로서 분자식은 CH이다 Ar은 비활성 기체로서 원자량이 사이클로프로페인의 분자량과 유사하다 실온에서 약간 높은 압력 조건 하에 사이클로프로페인과 Ar 중 어느 것이 이상기체의 거동으로부터 더 멀어질지 기체 입자 자체의 부피와 기체 입자간 인력을 고려하여 예측하고 그 이유를 설명하시오

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[논제 3] 질소 기체 분자 사이의 거리와 인력 및 반발력에 따른 에너지 간의 관계는 아래 그래프와 같이 나타난다(단 질소 분자의 평균반경은 약 nm이다) 이를 이용해 0에서 1몰의 질소 기체에 해 (압력)에 따른 의 관계를 아래 주어진 그래프 로 답안지에 옮겨 그려 보고 왜 그렇게 그렸는지 구체적으로 설명하시오

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분자 간 상호작용의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 분자들 사이에 작용하는 힘에는 쌍극자-쌍극자 힘 분산력(반 데르 발스 힘)과 수소 결합이 있다 쌍극자-쌍극자 힘이란 서로 근접한 극성 분자들이 갖고 있는 부분전하 사이에 작용하는 정전기적 인력을 말하며 공유결합 분자들 중 전기 음성도 차이에 의한 쌍극자 모멘트가 있는 극성 분자들 사이에 형성된다 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자의 경우에는 일시적으로 분자 내의 전자가 한쪽으로 쏠리면서 전자 분포가 치우쳐 편극이 되면 순간적으로 쌍극자가 형성될 수 있다 이때 순간 쌍극자는 이웃한 분자의 전자 분포에 영향을 미쳐 또 다른 순간 쌍극자를 유발하게 된다 이 두 순간 쌍극자 사이에 작용하는 정전기적 인력을 분산력(반 데르 발스 힘)이라고 하며 분자량이 클수록 분산력이 커지게 된다 수소 결합이란 전기 음성도가 큰 원자에 결합된 수소 원자와 전기음성도가 큰 다른 원자에 있는 비공유 전자쌍 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨 이루어지는 결합이다

[논제 1] lt그림 1gt은 수소화합물들의 끓는점이 각 원소들의 원자 주기에 따라 차이가 있음을 나타내고 있다 다음의 각 문항에 답하시오

lt그림 1gt 14족과 17족 원소들로 이루어진 수소화합물의 끓는점

(1) 14족과 17족 원소들이 이루는 수소화합물의 끓는점 차이를 논리적으로 설명하시오

(2) 14족 수소화합물들의 끓는점이 주기의 증가에 따라 점차 증가하는 이유를 설명하시오

(3) 17족 수소화합물들의 끓는점이 2주기 수소화합물의 경우가 상 적으로 높은 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 2 분자 간 상호작용

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[논제 2] lt그림 2gt에는 2주기 원소들이 만드는 다양한 수소화합물의 끓는점이 각 원소의 전기음성도에 따라 표기되어 있다 이를 보면 HO의 끓는점은 NH 혹은 HF에 비해 상 적으로 높음을 알 수 있다 그 이유를 제시문을 근거로 설명하시오

lt그림 2gt 2주기 원소로 이루어진 수소화합물의 끓는점

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수소결합의 이해와 적용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 수소 결합은 N(질소) O (산소) F (플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고 융해열과 기화열이 크다 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로 화학결합과는 다르며 다른 종류의 분자 간 인력 보다 훨씬 강해 수소결합 이라고 부르는데 원자들의 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다

[논제 1] 아세트산(CHCOOH)의 분자량은 gmol이다 아세트산의 분자량을 측정하기 위해 벤젠과 같은 무극성 용매에 녹여 분자량을 측정하였더니 예상했던 분자량 60의 2배인 120으로 측정되었다고 한다 그 이유를 제시문에 근거하여 설명하시오

[논제 2] 분자식이 CHO로 동일한 두 화합물 A B는 모두 물에 잘 용해되는데 이 중 하나는 상온에서 기체이고 다른 하나는 상온에서 액체로 존재한다 두 화합물의 구조식을 이용하여 물에 한 용해도가 공통적으로 높은 이유와 끓는점이 서로 다른 이유에 해 각각 논하시오

[논제 3] 멜라민(melamine CNH)은 세 분자의 시안아마이드(CNH)가 결합한 삼중화합체(trimer)이다 2008년에 이 분자가 다량 포함된 분유를 섭취한 유아에게 심각한 부작용이 나타나 세계적인 문제가 된 적이 있다 이 멜라민은 벤젠 화합물과 유사한 형태의 6각 고리형 골격을 기반으로 한 칭성이 좋은 분자이다 이 멜라민은 시아노유릭산(cyanouric acid)과 체내에서 만나 분자 간 결합을 통해 노란색의 멜라민 시아노유레이트(melamine cyanourate) 결정이 된다 이 결정의 형성으로 신장결석이 진행된다 위의 설명을 참고하여 멜라민과 시아노유릭산이 가장 강한 분자 간 결합을 형성한 구조를 제시하여라 멜라민과 시아노유릭산의 분자 간 결합에서 어떤 종류의 분자간 힘이 주로 작용하겠는가 멜라민과 시아노유릭산의 구조는 순서 로 아래와 같다

[멜라민의 구조]

[시아노유릭산의 구조]

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결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

- 47 -

[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

- 50 -

(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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[논제 1] 제시문 lt라gt의 별빛 스펙트럼(그림 2)에 근거하여 성간 구름에 물 분자가 존재할 가능성에 해 논하시오 참고자료 OH 작용기의 진동 운동에너지에 해당하는 빛의 파장은 다음과 같이 계산된다 여기서 는 빛의 파장 H는 수소원자의 질량timeskg을 의미한다

timesmtimesHkg

[논제 2] 제시문 lt라gt의 별빛의 스펙트럼에는 적외선을 포함하는 연속 스펙트럼 위에 가시광선과 자외선 영역에 해당하는 검은 흡수선들도 발견되었다 만약 별빛이 성간 구름 영역을 거치지 않고 직접 지구로 도달하는 경우에는 [그림 2]와 같은 적외선 영역의 흡수 봉우리들은 관찰되지 않는다고 한다 이로부터 별의 기와 성간 구름에 존재하는 물질들이 어떻게 다른지를 유추하고 그러한 물질 조성의 차이가 나타나는 이유를 두 환경의 온도 효과로 설명하시오

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(3) 예시답안으로 확인하기

[논제 1]

[논제 2]

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기체 법칙의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

이탈리아의 과학자 토리첼리가 수은 기압계를 이용하여 기의 압력을 처음 측정하였다고 알려져 있다 수은을 가득 채운 유리관을 거꾸로 세우면 그림 (1) 과 같이 수은기둥이 내려오다가 유리관 안을 채운 수은이 내리 누르는 무게 (힘) 이 외부의 공기가 내리 누르는 힘 (공기의 압력) 과 같아지는 위치에서 평형을 이루게 된다 이 때 유리관 안의 빈 공간은 진공 상태가 된다 이 실험을 통해 기압은 수은기둥의 높이가 76 cm일 때의 압력과 같다는 것을 알 수 있다

그림 (1) 토리첼리의 수은 기압계

그림 (2) 보일의 J 관

영국의 과학자 보일은 J 자 모양의 유리관을 사용한 실험을 통해 ldquo일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피() 는 기체에 작용하는 압력 () 에 반비례한다rdquo 는 사실을 알아내었는데 이를 보일의 법칙이라고 한다 보일의 법칙을 기체 분자 운동론의 관점에서 생각해보면 일정한 온도를 유지하면서 기체의 부피를 줄이는 경우 일정 시간 동안 단위 면적에 부딪치는 기체 분자의 수가 많아져서 결국 해당 기체의 압력이 높아진다는 것이다 보일의 J 관을 사용하여 기체의 압력을 측정할 때는 기압을 고려해야 한다 예를 들어 어떤 기체가 그림 (2) 와 같이 평형을 이루고 있다면 이 기체의 압력은 2 기압이 된다 왜냐하면 수은기둥 76 cm 에 해당하는 1 기압이 원래 기압 1 기압에 더해져서 유리관 내 기체 압력과 평형을 이루고 있기 때문이다 프랑스의 과학자 샤를은 ldquo일정한 압력에서 기체의 부피는 그 종류에 관계없이 온도가 1 높아질 때마다

0 때 부피의 만큼씩 증가한다rdquo 는 사실을 알아냈다 이것을 샤를의 법칙이라고 한다

이상의 내용을 종합하여 기체의 압력 온도 부피 사이의 상관관계를 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다

(상수) (단 는 섭씨온도())

[논 제] 다음의 그림 (3) 과 그림 (4) 에서 기압은 1기압이고 유리관 내부 기체는 같은 종류이며 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 만족한다 J 관에서 기체의 유출은 없으며 J 관의 단면적은 모든 부분에서 일정하다고 가정하자 아래의 문제 (i) (ii) 에서 기체를 제외한 나머지 부분의 온도 변화 열팽창 및 열전도는 고려하지 않는다

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 1 기체 분자운동론과 법칙

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(i) 그림 (3) 에서 유리관 내부 기체의 온도는 0 이고 압력은 벽면과의 마찰이 없는 피스톤에 의해 외부압력 (기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 온도를 증가시켰을 때 왜 부피가 변하였는지를 기체 분자 운동론의 관점에서 설명하시오 (단 피스톤의 자체 질량은 무시한다)

(ii) 그림 (4) 에서 수은이 채워진 관 내부 기체의 온도는 0 이고 기체가 들어있는 부분의 처음 높이는 76 cm 이다 기체의 압력은 외부압력 ( 기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 (i) 에서 구한 온도와 차이가 있을 경우 그 이유에 해 설명하시오

그림 (3)

그림 (4)

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이상기체 vs 실제기체2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 과학자들은 기체의 물리적인 성질과 기체 분자의 움직임을 설명하기 위하여 기체 분자 운동론을 제시하였다 기체 분자 운동론은 다음의 몇 가지 가정에 기반을 두고 있다

1 기체는 분자의 크기에 비하여 멀리 떨어져 있으며 기체 분자의 부피는 전체 부피에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다 2 기체 분자끼리 또는 기체 분자와 그릇의 벽에 한 충돌은 완전 탄성 충돌이다 완전 탄성 충돌은 에너지의 손실이 없다 3 기체 분자들은 무질서하게 빠른 속도로 끊임없이 직선 운동을 한다 4 기체 분자 사이의 인력이나 반발력은 작용하지 않는다 5 기체 분자의 평균 운동 에너지는 절 온도에 비례한다

기체 분자 운동론은 이상 기체에 한하여 적용될 수 있다 이상 기체는 실제로 존재하지 않으나 부분의 기체는 온도가 높고 압력이 낮으면 거의 이상 기체처럼 행동한다

lt나gt 고체나 액체와 달리 서로 다른 기체는 그들의 화학적 구성과 관계없이 매우 유사한 물리적 거동을 나타낸다 예를 들면 기체 헬륨과 플루오르는 화학적 특성이 매우 다르지만 부분의 물리적 거동은 거의 동일하다 1600년 후반에 많은 관찰을 통해 기체의 물리적 성질을 네 가지 변수 즉 압력() 온도() 부피() 몰수()로 규정할 수 있다고 제시했다 이러한 네 가지 변수 사이의 특정한 관계를 기체 법칙이라 하고 이러한 법칙을 정확히 따르는 기체를 이상 기체라고 한다 이들 기체 법칙에는 보일의 법칙 샤를의 법칙 그리고 아보가드로의 법칙 등이 있고 이 세 법칙을 하나의 식으로 묶어서 다음과 같은 이상 기체 상태 방정식을 얻어낼 수가 있다

(은 상수) 실험에 의하면 모든 기체는 0(=273K) 1기압에서 224L의 부피 중에 1몰의 분자를 포함한다는 것이 알려져 있으므로 이 결과를 이용하면 상수 ≒ Lㆍ기압몰ㆍK의 값을 얻을 수가 있고 이 값을 기체상수라 한다

[논제 1] 보일이 보일의 법칙을 발견한지 백년이 더 지난 18세기말 게이뤼삭은 0에서 100로 온도를 상승시키자 공기 수소 산소 질소 등 기체의 종류에 상관없이 부피가 모두 375 증가함을 관찰하였다 그의 실험 결과로부터 절 온도를 구해보고 오늘날 우리가 사용하는 값과 비교하여 보시오

[논제 2] 일반 마취제로 산소와 함께 사용하는 사이클로프로페인은 고리 모양의 화합물로서 분자식은 CH이다 Ar은 비활성 기체로서 원자량이 사이클로프로페인의 분자량과 유사하다 실온에서 약간 높은 압력 조건 하에 사이클로프로페인과 Ar 중 어느 것이 이상기체의 거동으로부터 더 멀어질지 기체 입자 자체의 부피와 기체 입자간 인력을 고려하여 예측하고 그 이유를 설명하시오

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[논제 3] 질소 기체 분자 사이의 거리와 인력 및 반발력에 따른 에너지 간의 관계는 아래 그래프와 같이 나타난다(단 질소 분자의 평균반경은 약 nm이다) 이를 이용해 0에서 1몰의 질소 기체에 해 (압력)에 따른 의 관계를 아래 주어진 그래프 로 답안지에 옮겨 그려 보고 왜 그렇게 그렸는지 구체적으로 설명하시오

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분자 간 상호작용의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 분자들 사이에 작용하는 힘에는 쌍극자-쌍극자 힘 분산력(반 데르 발스 힘)과 수소 결합이 있다 쌍극자-쌍극자 힘이란 서로 근접한 극성 분자들이 갖고 있는 부분전하 사이에 작용하는 정전기적 인력을 말하며 공유결합 분자들 중 전기 음성도 차이에 의한 쌍극자 모멘트가 있는 극성 분자들 사이에 형성된다 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자의 경우에는 일시적으로 분자 내의 전자가 한쪽으로 쏠리면서 전자 분포가 치우쳐 편극이 되면 순간적으로 쌍극자가 형성될 수 있다 이때 순간 쌍극자는 이웃한 분자의 전자 분포에 영향을 미쳐 또 다른 순간 쌍극자를 유발하게 된다 이 두 순간 쌍극자 사이에 작용하는 정전기적 인력을 분산력(반 데르 발스 힘)이라고 하며 분자량이 클수록 분산력이 커지게 된다 수소 결합이란 전기 음성도가 큰 원자에 결합된 수소 원자와 전기음성도가 큰 다른 원자에 있는 비공유 전자쌍 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨 이루어지는 결합이다

[논제 1] lt그림 1gt은 수소화합물들의 끓는점이 각 원소들의 원자 주기에 따라 차이가 있음을 나타내고 있다 다음의 각 문항에 답하시오

lt그림 1gt 14족과 17족 원소들로 이루어진 수소화합물의 끓는점

(1) 14족과 17족 원소들이 이루는 수소화합물의 끓는점 차이를 논리적으로 설명하시오

(2) 14족 수소화합물들의 끓는점이 주기의 증가에 따라 점차 증가하는 이유를 설명하시오

(3) 17족 수소화합물들의 끓는점이 2주기 수소화합물의 경우가 상 적으로 높은 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 2 분자 간 상호작용

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[논제 2] lt그림 2gt에는 2주기 원소들이 만드는 다양한 수소화합물의 끓는점이 각 원소의 전기음성도에 따라 표기되어 있다 이를 보면 HO의 끓는점은 NH 혹은 HF에 비해 상 적으로 높음을 알 수 있다 그 이유를 제시문을 근거로 설명하시오

lt그림 2gt 2주기 원소로 이루어진 수소화합물의 끓는점

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수소결합의 이해와 적용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 수소 결합은 N(질소) O (산소) F (플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고 융해열과 기화열이 크다 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로 화학결합과는 다르며 다른 종류의 분자 간 인력 보다 훨씬 강해 수소결합 이라고 부르는데 원자들의 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다

[논제 1] 아세트산(CHCOOH)의 분자량은 gmol이다 아세트산의 분자량을 측정하기 위해 벤젠과 같은 무극성 용매에 녹여 분자량을 측정하였더니 예상했던 분자량 60의 2배인 120으로 측정되었다고 한다 그 이유를 제시문에 근거하여 설명하시오

[논제 2] 분자식이 CHO로 동일한 두 화합물 A B는 모두 물에 잘 용해되는데 이 중 하나는 상온에서 기체이고 다른 하나는 상온에서 액체로 존재한다 두 화합물의 구조식을 이용하여 물에 한 용해도가 공통적으로 높은 이유와 끓는점이 서로 다른 이유에 해 각각 논하시오

[논제 3] 멜라민(melamine CNH)은 세 분자의 시안아마이드(CNH)가 결합한 삼중화합체(trimer)이다 2008년에 이 분자가 다량 포함된 분유를 섭취한 유아에게 심각한 부작용이 나타나 세계적인 문제가 된 적이 있다 이 멜라민은 벤젠 화합물과 유사한 형태의 6각 고리형 골격을 기반으로 한 칭성이 좋은 분자이다 이 멜라민은 시아노유릭산(cyanouric acid)과 체내에서 만나 분자 간 결합을 통해 노란색의 멜라민 시아노유레이트(melamine cyanourate) 결정이 된다 이 결정의 형성으로 신장결석이 진행된다 위의 설명을 참고하여 멜라민과 시아노유릭산이 가장 강한 분자 간 결합을 형성한 구조를 제시하여라 멜라민과 시아노유릭산의 분자 간 결합에서 어떤 종류의 분자간 힘이 주로 작용하겠는가 멜라민과 시아노유릭산의 구조는 순서 로 아래와 같다

[멜라민의 구조]

[시아노유릭산의 구조]

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결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

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Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

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Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

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Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

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Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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(3) 예시답안으로 확인하기

[논제 1]

[논제 2]

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기체 법칙의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

이탈리아의 과학자 토리첼리가 수은 기압계를 이용하여 기의 압력을 처음 측정하였다고 알려져 있다 수은을 가득 채운 유리관을 거꾸로 세우면 그림 (1) 과 같이 수은기둥이 내려오다가 유리관 안을 채운 수은이 내리 누르는 무게 (힘) 이 외부의 공기가 내리 누르는 힘 (공기의 압력) 과 같아지는 위치에서 평형을 이루게 된다 이 때 유리관 안의 빈 공간은 진공 상태가 된다 이 실험을 통해 기압은 수은기둥의 높이가 76 cm일 때의 압력과 같다는 것을 알 수 있다

그림 (1) 토리첼리의 수은 기압계

그림 (2) 보일의 J 관

영국의 과학자 보일은 J 자 모양의 유리관을 사용한 실험을 통해 ldquo일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피() 는 기체에 작용하는 압력 () 에 반비례한다rdquo 는 사실을 알아내었는데 이를 보일의 법칙이라고 한다 보일의 법칙을 기체 분자 운동론의 관점에서 생각해보면 일정한 온도를 유지하면서 기체의 부피를 줄이는 경우 일정 시간 동안 단위 면적에 부딪치는 기체 분자의 수가 많아져서 결국 해당 기체의 압력이 높아진다는 것이다 보일의 J 관을 사용하여 기체의 압력을 측정할 때는 기압을 고려해야 한다 예를 들어 어떤 기체가 그림 (2) 와 같이 평형을 이루고 있다면 이 기체의 압력은 2 기압이 된다 왜냐하면 수은기둥 76 cm 에 해당하는 1 기압이 원래 기압 1 기압에 더해져서 유리관 내 기체 압력과 평형을 이루고 있기 때문이다 프랑스의 과학자 샤를은 ldquo일정한 압력에서 기체의 부피는 그 종류에 관계없이 온도가 1 높아질 때마다

0 때 부피의 만큼씩 증가한다rdquo 는 사실을 알아냈다 이것을 샤를의 법칙이라고 한다

이상의 내용을 종합하여 기체의 압력 온도 부피 사이의 상관관계를 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다

(상수) (단 는 섭씨온도())

[논 제] 다음의 그림 (3) 과 그림 (4) 에서 기압은 1기압이고 유리관 내부 기체는 같은 종류이며 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 만족한다 J 관에서 기체의 유출은 없으며 J 관의 단면적은 모든 부분에서 일정하다고 가정하자 아래의 문제 (i) (ii) 에서 기체를 제외한 나머지 부분의 온도 변화 열팽창 및 열전도는 고려하지 않는다

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 1 기체 분자운동론과 법칙

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(i) 그림 (3) 에서 유리관 내부 기체의 온도는 0 이고 압력은 벽면과의 마찰이 없는 피스톤에 의해 외부압력 (기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 온도를 증가시켰을 때 왜 부피가 변하였는지를 기체 분자 운동론의 관점에서 설명하시오 (단 피스톤의 자체 질량은 무시한다)

(ii) 그림 (4) 에서 수은이 채워진 관 내부 기체의 온도는 0 이고 기체가 들어있는 부분의 처음 높이는 76 cm 이다 기체의 압력은 외부압력 ( 기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 (i) 에서 구한 온도와 차이가 있을 경우 그 이유에 해 설명하시오

그림 (3)

그림 (4)

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이상기체 vs 실제기체2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 과학자들은 기체의 물리적인 성질과 기체 분자의 움직임을 설명하기 위하여 기체 분자 운동론을 제시하였다 기체 분자 운동론은 다음의 몇 가지 가정에 기반을 두고 있다

1 기체는 분자의 크기에 비하여 멀리 떨어져 있으며 기체 분자의 부피는 전체 부피에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다 2 기체 분자끼리 또는 기체 분자와 그릇의 벽에 한 충돌은 완전 탄성 충돌이다 완전 탄성 충돌은 에너지의 손실이 없다 3 기체 분자들은 무질서하게 빠른 속도로 끊임없이 직선 운동을 한다 4 기체 분자 사이의 인력이나 반발력은 작용하지 않는다 5 기체 분자의 평균 운동 에너지는 절 온도에 비례한다

기체 분자 운동론은 이상 기체에 한하여 적용될 수 있다 이상 기체는 실제로 존재하지 않으나 부분의 기체는 온도가 높고 압력이 낮으면 거의 이상 기체처럼 행동한다

lt나gt 고체나 액체와 달리 서로 다른 기체는 그들의 화학적 구성과 관계없이 매우 유사한 물리적 거동을 나타낸다 예를 들면 기체 헬륨과 플루오르는 화학적 특성이 매우 다르지만 부분의 물리적 거동은 거의 동일하다 1600년 후반에 많은 관찰을 통해 기체의 물리적 성질을 네 가지 변수 즉 압력() 온도() 부피() 몰수()로 규정할 수 있다고 제시했다 이러한 네 가지 변수 사이의 특정한 관계를 기체 법칙이라 하고 이러한 법칙을 정확히 따르는 기체를 이상 기체라고 한다 이들 기체 법칙에는 보일의 법칙 샤를의 법칙 그리고 아보가드로의 법칙 등이 있고 이 세 법칙을 하나의 식으로 묶어서 다음과 같은 이상 기체 상태 방정식을 얻어낼 수가 있다

(은 상수) 실험에 의하면 모든 기체는 0(=273K) 1기압에서 224L의 부피 중에 1몰의 분자를 포함한다는 것이 알려져 있으므로 이 결과를 이용하면 상수 ≒ Lㆍ기압몰ㆍK의 값을 얻을 수가 있고 이 값을 기체상수라 한다

[논제 1] 보일이 보일의 법칙을 발견한지 백년이 더 지난 18세기말 게이뤼삭은 0에서 100로 온도를 상승시키자 공기 수소 산소 질소 등 기체의 종류에 상관없이 부피가 모두 375 증가함을 관찰하였다 그의 실험 결과로부터 절 온도를 구해보고 오늘날 우리가 사용하는 값과 비교하여 보시오

[논제 2] 일반 마취제로 산소와 함께 사용하는 사이클로프로페인은 고리 모양의 화합물로서 분자식은 CH이다 Ar은 비활성 기체로서 원자량이 사이클로프로페인의 분자량과 유사하다 실온에서 약간 높은 압력 조건 하에 사이클로프로페인과 Ar 중 어느 것이 이상기체의 거동으로부터 더 멀어질지 기체 입자 자체의 부피와 기체 입자간 인력을 고려하여 예측하고 그 이유를 설명하시오

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[논제 3] 질소 기체 분자 사이의 거리와 인력 및 반발력에 따른 에너지 간의 관계는 아래 그래프와 같이 나타난다(단 질소 분자의 평균반경은 약 nm이다) 이를 이용해 0에서 1몰의 질소 기체에 해 (압력)에 따른 의 관계를 아래 주어진 그래프 로 답안지에 옮겨 그려 보고 왜 그렇게 그렸는지 구체적으로 설명하시오

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분자 간 상호작용의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 분자들 사이에 작용하는 힘에는 쌍극자-쌍극자 힘 분산력(반 데르 발스 힘)과 수소 결합이 있다 쌍극자-쌍극자 힘이란 서로 근접한 극성 분자들이 갖고 있는 부분전하 사이에 작용하는 정전기적 인력을 말하며 공유결합 분자들 중 전기 음성도 차이에 의한 쌍극자 모멘트가 있는 극성 분자들 사이에 형성된다 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자의 경우에는 일시적으로 분자 내의 전자가 한쪽으로 쏠리면서 전자 분포가 치우쳐 편극이 되면 순간적으로 쌍극자가 형성될 수 있다 이때 순간 쌍극자는 이웃한 분자의 전자 분포에 영향을 미쳐 또 다른 순간 쌍극자를 유발하게 된다 이 두 순간 쌍극자 사이에 작용하는 정전기적 인력을 분산력(반 데르 발스 힘)이라고 하며 분자량이 클수록 분산력이 커지게 된다 수소 결합이란 전기 음성도가 큰 원자에 결합된 수소 원자와 전기음성도가 큰 다른 원자에 있는 비공유 전자쌍 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨 이루어지는 결합이다

[논제 1] lt그림 1gt은 수소화합물들의 끓는점이 각 원소들의 원자 주기에 따라 차이가 있음을 나타내고 있다 다음의 각 문항에 답하시오

lt그림 1gt 14족과 17족 원소들로 이루어진 수소화합물의 끓는점

(1) 14족과 17족 원소들이 이루는 수소화합물의 끓는점 차이를 논리적으로 설명하시오

(2) 14족 수소화합물들의 끓는점이 주기의 증가에 따라 점차 증가하는 이유를 설명하시오

(3) 17족 수소화합물들의 끓는점이 2주기 수소화합물의 경우가 상 적으로 높은 이유를 설명하시오

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Chapter 2 분자 간 상호작용

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[논제 2] lt그림 2gt에는 2주기 원소들이 만드는 다양한 수소화합물의 끓는점이 각 원소의 전기음성도에 따라 표기되어 있다 이를 보면 HO의 끓는점은 NH 혹은 HF에 비해 상 적으로 높음을 알 수 있다 그 이유를 제시문을 근거로 설명하시오

lt그림 2gt 2주기 원소로 이루어진 수소화합물의 끓는점

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수소결합의 이해와 적용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 수소 결합은 N(질소) O (산소) F (플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고 융해열과 기화열이 크다 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로 화학결합과는 다르며 다른 종류의 분자 간 인력 보다 훨씬 강해 수소결합 이라고 부르는데 원자들의 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다

[논제 1] 아세트산(CHCOOH)의 분자량은 gmol이다 아세트산의 분자량을 측정하기 위해 벤젠과 같은 무극성 용매에 녹여 분자량을 측정하였더니 예상했던 분자량 60의 2배인 120으로 측정되었다고 한다 그 이유를 제시문에 근거하여 설명하시오

[논제 2] 분자식이 CHO로 동일한 두 화합물 A B는 모두 물에 잘 용해되는데 이 중 하나는 상온에서 기체이고 다른 하나는 상온에서 액체로 존재한다 두 화합물의 구조식을 이용하여 물에 한 용해도가 공통적으로 높은 이유와 끓는점이 서로 다른 이유에 해 각각 논하시오

[논제 3] 멜라민(melamine CNH)은 세 분자의 시안아마이드(CNH)가 결합한 삼중화합체(trimer)이다 2008년에 이 분자가 다량 포함된 분유를 섭취한 유아에게 심각한 부작용이 나타나 세계적인 문제가 된 적이 있다 이 멜라민은 벤젠 화합물과 유사한 형태의 6각 고리형 골격을 기반으로 한 칭성이 좋은 분자이다 이 멜라민은 시아노유릭산(cyanouric acid)과 체내에서 만나 분자 간 결합을 통해 노란색의 멜라민 시아노유레이트(melamine cyanourate) 결정이 된다 이 결정의 형성으로 신장결석이 진행된다 위의 설명을 참고하여 멜라민과 시아노유릭산이 가장 강한 분자 간 결합을 형성한 구조를 제시하여라 멜라민과 시아노유릭산의 분자 간 결합에서 어떤 종류의 분자간 힘이 주로 작용하겠는가 멜라민과 시아노유릭산의 구조는 순서 로 아래와 같다

[멜라민의 구조]

[시아노유릭산의 구조]

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결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

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Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

- 55 -

염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

- 58 -

표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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기체 법칙의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

이탈리아의 과학자 토리첼리가 수은 기압계를 이용하여 기의 압력을 처음 측정하였다고 알려져 있다 수은을 가득 채운 유리관을 거꾸로 세우면 그림 (1) 과 같이 수은기둥이 내려오다가 유리관 안을 채운 수은이 내리 누르는 무게 (힘) 이 외부의 공기가 내리 누르는 힘 (공기의 압력) 과 같아지는 위치에서 평형을 이루게 된다 이 때 유리관 안의 빈 공간은 진공 상태가 된다 이 실험을 통해 기압은 수은기둥의 높이가 76 cm일 때의 압력과 같다는 것을 알 수 있다

그림 (1) 토리첼리의 수은 기압계

그림 (2) 보일의 J 관

영국의 과학자 보일은 J 자 모양의 유리관을 사용한 실험을 통해 ldquo일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피() 는 기체에 작용하는 압력 () 에 반비례한다rdquo 는 사실을 알아내었는데 이를 보일의 법칙이라고 한다 보일의 법칙을 기체 분자 운동론의 관점에서 생각해보면 일정한 온도를 유지하면서 기체의 부피를 줄이는 경우 일정 시간 동안 단위 면적에 부딪치는 기체 분자의 수가 많아져서 결국 해당 기체의 압력이 높아진다는 것이다 보일의 J 관을 사용하여 기체의 압력을 측정할 때는 기압을 고려해야 한다 예를 들어 어떤 기체가 그림 (2) 와 같이 평형을 이루고 있다면 이 기체의 압력은 2 기압이 된다 왜냐하면 수은기둥 76 cm 에 해당하는 1 기압이 원래 기압 1 기압에 더해져서 유리관 내 기체 압력과 평형을 이루고 있기 때문이다 프랑스의 과학자 샤를은 ldquo일정한 압력에서 기체의 부피는 그 종류에 관계없이 온도가 1 높아질 때마다

0 때 부피의 만큼씩 증가한다rdquo 는 사실을 알아냈다 이것을 샤를의 법칙이라고 한다

이상의 내용을 종합하여 기체의 압력 온도 부피 사이의 상관관계를 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다

(상수) (단 는 섭씨온도())

[논 제] 다음의 그림 (3) 과 그림 (4) 에서 기압은 1기압이고 유리관 내부 기체는 같은 종류이며 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 만족한다 J 관에서 기체의 유출은 없으며 J 관의 단면적은 모든 부분에서 일정하다고 가정하자 아래의 문제 (i) (ii) 에서 기체를 제외한 나머지 부분의 온도 변화 열팽창 및 열전도는 고려하지 않는다

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 1 기체 분자운동론과 법칙

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(i) 그림 (3) 에서 유리관 내부 기체의 온도는 0 이고 압력은 벽면과의 마찰이 없는 피스톤에 의해 외부압력 (기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 온도를 증가시켰을 때 왜 부피가 변하였는지를 기체 분자 운동론의 관점에서 설명하시오 (단 피스톤의 자체 질량은 무시한다)

(ii) 그림 (4) 에서 수은이 채워진 관 내부 기체의 온도는 0 이고 기체가 들어있는 부분의 처음 높이는 76 cm 이다 기체의 압력은 외부압력 ( 기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 (i) 에서 구한 온도와 차이가 있을 경우 그 이유에 해 설명하시오

그림 (3)

그림 (4)

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이상기체 vs 실제기체2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 과학자들은 기체의 물리적인 성질과 기체 분자의 움직임을 설명하기 위하여 기체 분자 운동론을 제시하였다 기체 분자 운동론은 다음의 몇 가지 가정에 기반을 두고 있다

1 기체는 분자의 크기에 비하여 멀리 떨어져 있으며 기체 분자의 부피는 전체 부피에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다 2 기체 분자끼리 또는 기체 분자와 그릇의 벽에 한 충돌은 완전 탄성 충돌이다 완전 탄성 충돌은 에너지의 손실이 없다 3 기체 분자들은 무질서하게 빠른 속도로 끊임없이 직선 운동을 한다 4 기체 분자 사이의 인력이나 반발력은 작용하지 않는다 5 기체 분자의 평균 운동 에너지는 절 온도에 비례한다

기체 분자 운동론은 이상 기체에 한하여 적용될 수 있다 이상 기체는 실제로 존재하지 않으나 부분의 기체는 온도가 높고 압력이 낮으면 거의 이상 기체처럼 행동한다

lt나gt 고체나 액체와 달리 서로 다른 기체는 그들의 화학적 구성과 관계없이 매우 유사한 물리적 거동을 나타낸다 예를 들면 기체 헬륨과 플루오르는 화학적 특성이 매우 다르지만 부분의 물리적 거동은 거의 동일하다 1600년 후반에 많은 관찰을 통해 기체의 물리적 성질을 네 가지 변수 즉 압력() 온도() 부피() 몰수()로 규정할 수 있다고 제시했다 이러한 네 가지 변수 사이의 특정한 관계를 기체 법칙이라 하고 이러한 법칙을 정확히 따르는 기체를 이상 기체라고 한다 이들 기체 법칙에는 보일의 법칙 샤를의 법칙 그리고 아보가드로의 법칙 등이 있고 이 세 법칙을 하나의 식으로 묶어서 다음과 같은 이상 기체 상태 방정식을 얻어낼 수가 있다

(은 상수) 실험에 의하면 모든 기체는 0(=273K) 1기압에서 224L의 부피 중에 1몰의 분자를 포함한다는 것이 알려져 있으므로 이 결과를 이용하면 상수 ≒ Lㆍ기압몰ㆍK의 값을 얻을 수가 있고 이 값을 기체상수라 한다

[논제 1] 보일이 보일의 법칙을 발견한지 백년이 더 지난 18세기말 게이뤼삭은 0에서 100로 온도를 상승시키자 공기 수소 산소 질소 등 기체의 종류에 상관없이 부피가 모두 375 증가함을 관찰하였다 그의 실험 결과로부터 절 온도를 구해보고 오늘날 우리가 사용하는 값과 비교하여 보시오

[논제 2] 일반 마취제로 산소와 함께 사용하는 사이클로프로페인은 고리 모양의 화합물로서 분자식은 CH이다 Ar은 비활성 기체로서 원자량이 사이클로프로페인의 분자량과 유사하다 실온에서 약간 높은 압력 조건 하에 사이클로프로페인과 Ar 중 어느 것이 이상기체의 거동으로부터 더 멀어질지 기체 입자 자체의 부피와 기체 입자간 인력을 고려하여 예측하고 그 이유를 설명하시오

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[논제 3] 질소 기체 분자 사이의 거리와 인력 및 반발력에 따른 에너지 간의 관계는 아래 그래프와 같이 나타난다(단 질소 분자의 평균반경은 약 nm이다) 이를 이용해 0에서 1몰의 질소 기체에 해 (압력)에 따른 의 관계를 아래 주어진 그래프 로 답안지에 옮겨 그려 보고 왜 그렇게 그렸는지 구체적으로 설명하시오

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분자 간 상호작용의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 분자들 사이에 작용하는 힘에는 쌍극자-쌍극자 힘 분산력(반 데르 발스 힘)과 수소 결합이 있다 쌍극자-쌍극자 힘이란 서로 근접한 극성 분자들이 갖고 있는 부분전하 사이에 작용하는 정전기적 인력을 말하며 공유결합 분자들 중 전기 음성도 차이에 의한 쌍극자 모멘트가 있는 극성 분자들 사이에 형성된다 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자의 경우에는 일시적으로 분자 내의 전자가 한쪽으로 쏠리면서 전자 분포가 치우쳐 편극이 되면 순간적으로 쌍극자가 형성될 수 있다 이때 순간 쌍극자는 이웃한 분자의 전자 분포에 영향을 미쳐 또 다른 순간 쌍극자를 유발하게 된다 이 두 순간 쌍극자 사이에 작용하는 정전기적 인력을 분산력(반 데르 발스 힘)이라고 하며 분자량이 클수록 분산력이 커지게 된다 수소 결합이란 전기 음성도가 큰 원자에 결합된 수소 원자와 전기음성도가 큰 다른 원자에 있는 비공유 전자쌍 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨 이루어지는 결합이다

[논제 1] lt그림 1gt은 수소화합물들의 끓는점이 각 원소들의 원자 주기에 따라 차이가 있음을 나타내고 있다 다음의 각 문항에 답하시오

lt그림 1gt 14족과 17족 원소들로 이루어진 수소화합물의 끓는점

(1) 14족과 17족 원소들이 이루는 수소화합물의 끓는점 차이를 논리적으로 설명하시오

(2) 14족 수소화합물들의 끓는점이 주기의 증가에 따라 점차 증가하는 이유를 설명하시오

(3) 17족 수소화합물들의 끓는점이 2주기 수소화합물의 경우가 상 적으로 높은 이유를 설명하시오

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Chapter 2 분자 간 상호작용

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[논제 2] lt그림 2gt에는 2주기 원소들이 만드는 다양한 수소화합물의 끓는점이 각 원소의 전기음성도에 따라 표기되어 있다 이를 보면 HO의 끓는점은 NH 혹은 HF에 비해 상 적으로 높음을 알 수 있다 그 이유를 제시문을 근거로 설명하시오

lt그림 2gt 2주기 원소로 이루어진 수소화합물의 끓는점

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수소결합의 이해와 적용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 수소 결합은 N(질소) O (산소) F (플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고 융해열과 기화열이 크다 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로 화학결합과는 다르며 다른 종류의 분자 간 인력 보다 훨씬 강해 수소결합 이라고 부르는데 원자들의 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다

[논제 1] 아세트산(CHCOOH)의 분자량은 gmol이다 아세트산의 분자량을 측정하기 위해 벤젠과 같은 무극성 용매에 녹여 분자량을 측정하였더니 예상했던 분자량 60의 2배인 120으로 측정되었다고 한다 그 이유를 제시문에 근거하여 설명하시오

[논제 2] 분자식이 CHO로 동일한 두 화합물 A B는 모두 물에 잘 용해되는데 이 중 하나는 상온에서 기체이고 다른 하나는 상온에서 액체로 존재한다 두 화합물의 구조식을 이용하여 물에 한 용해도가 공통적으로 높은 이유와 끓는점이 서로 다른 이유에 해 각각 논하시오

[논제 3] 멜라민(melamine CNH)은 세 분자의 시안아마이드(CNH)가 결합한 삼중화합체(trimer)이다 2008년에 이 분자가 다량 포함된 분유를 섭취한 유아에게 심각한 부작용이 나타나 세계적인 문제가 된 적이 있다 이 멜라민은 벤젠 화합물과 유사한 형태의 6각 고리형 골격을 기반으로 한 칭성이 좋은 분자이다 이 멜라민은 시아노유릭산(cyanouric acid)과 체내에서 만나 분자 간 결합을 통해 노란색의 멜라민 시아노유레이트(melamine cyanourate) 결정이 된다 이 결정의 형성으로 신장결석이 진행된다 위의 설명을 참고하여 멜라민과 시아노유릭산이 가장 강한 분자 간 결합을 형성한 구조를 제시하여라 멜라민과 시아노유릭산의 분자 간 결합에서 어떤 종류의 분자간 힘이 주로 작용하겠는가 멜라민과 시아노유릭산의 구조는 순서 로 아래와 같다

[멜라민의 구조]

[시아노유릭산의 구조]

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결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

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Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

- 52 -

[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

- 53 -

산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

- 54 -

산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

- 55 -

염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

- 56 -

산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

- 58 -

표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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기체 법칙의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

이탈리아의 과학자 토리첼리가 수은 기압계를 이용하여 기의 압력을 처음 측정하였다고 알려져 있다 수은을 가득 채운 유리관을 거꾸로 세우면 그림 (1) 과 같이 수은기둥이 내려오다가 유리관 안을 채운 수은이 내리 누르는 무게 (힘) 이 외부의 공기가 내리 누르는 힘 (공기의 압력) 과 같아지는 위치에서 평형을 이루게 된다 이 때 유리관 안의 빈 공간은 진공 상태가 된다 이 실험을 통해 기압은 수은기둥의 높이가 76 cm일 때의 압력과 같다는 것을 알 수 있다

그림 (1) 토리첼리의 수은 기압계

그림 (2) 보일의 J 관

영국의 과학자 보일은 J 자 모양의 유리관을 사용한 실험을 통해 ldquo일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피() 는 기체에 작용하는 압력 () 에 반비례한다rdquo 는 사실을 알아내었는데 이를 보일의 법칙이라고 한다 보일의 법칙을 기체 분자 운동론의 관점에서 생각해보면 일정한 온도를 유지하면서 기체의 부피를 줄이는 경우 일정 시간 동안 단위 면적에 부딪치는 기체 분자의 수가 많아져서 결국 해당 기체의 압력이 높아진다는 것이다 보일의 J 관을 사용하여 기체의 압력을 측정할 때는 기압을 고려해야 한다 예를 들어 어떤 기체가 그림 (2) 와 같이 평형을 이루고 있다면 이 기체의 압력은 2 기압이 된다 왜냐하면 수은기둥 76 cm 에 해당하는 1 기압이 원래 기압 1 기압에 더해져서 유리관 내 기체 압력과 평형을 이루고 있기 때문이다 프랑스의 과학자 샤를은 ldquo일정한 압력에서 기체의 부피는 그 종류에 관계없이 온도가 1 높아질 때마다

0 때 부피의 만큼씩 증가한다rdquo 는 사실을 알아냈다 이것을 샤를의 법칙이라고 한다

이상의 내용을 종합하여 기체의 압력 온도 부피 사이의 상관관계를 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다

(상수) (단 는 섭씨온도())

[논 제] 다음의 그림 (3) 과 그림 (4) 에서 기압은 1기압이고 유리관 내부 기체는 같은 종류이며 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 만족한다 J 관에서 기체의 유출은 없으며 J 관의 단면적은 모든 부분에서 일정하다고 가정하자 아래의 문제 (i) (ii) 에서 기체를 제외한 나머지 부분의 온도 변화 열팽창 및 열전도는 고려하지 않는다

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 1 기체 분자운동론과 법칙

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(i) 그림 (3) 에서 유리관 내부 기체의 온도는 0 이고 압력은 벽면과의 마찰이 없는 피스톤에 의해 외부압력 (기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 온도를 증가시켰을 때 왜 부피가 변하였는지를 기체 분자 운동론의 관점에서 설명하시오 (단 피스톤의 자체 질량은 무시한다)

(ii) 그림 (4) 에서 수은이 채워진 관 내부 기체의 온도는 0 이고 기체가 들어있는 부분의 처음 높이는 76 cm 이다 기체의 압력은 외부압력 ( 기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 (i) 에서 구한 온도와 차이가 있을 경우 그 이유에 해 설명하시오

그림 (3)

그림 (4)

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이상기체 vs 실제기체2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 과학자들은 기체의 물리적인 성질과 기체 분자의 움직임을 설명하기 위하여 기체 분자 운동론을 제시하였다 기체 분자 운동론은 다음의 몇 가지 가정에 기반을 두고 있다

1 기체는 분자의 크기에 비하여 멀리 떨어져 있으며 기체 분자의 부피는 전체 부피에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다 2 기체 분자끼리 또는 기체 분자와 그릇의 벽에 한 충돌은 완전 탄성 충돌이다 완전 탄성 충돌은 에너지의 손실이 없다 3 기체 분자들은 무질서하게 빠른 속도로 끊임없이 직선 운동을 한다 4 기체 분자 사이의 인력이나 반발력은 작용하지 않는다 5 기체 분자의 평균 운동 에너지는 절 온도에 비례한다

기체 분자 운동론은 이상 기체에 한하여 적용될 수 있다 이상 기체는 실제로 존재하지 않으나 부분의 기체는 온도가 높고 압력이 낮으면 거의 이상 기체처럼 행동한다

lt나gt 고체나 액체와 달리 서로 다른 기체는 그들의 화학적 구성과 관계없이 매우 유사한 물리적 거동을 나타낸다 예를 들면 기체 헬륨과 플루오르는 화학적 특성이 매우 다르지만 부분의 물리적 거동은 거의 동일하다 1600년 후반에 많은 관찰을 통해 기체의 물리적 성질을 네 가지 변수 즉 압력() 온도() 부피() 몰수()로 규정할 수 있다고 제시했다 이러한 네 가지 변수 사이의 특정한 관계를 기체 법칙이라 하고 이러한 법칙을 정확히 따르는 기체를 이상 기체라고 한다 이들 기체 법칙에는 보일의 법칙 샤를의 법칙 그리고 아보가드로의 법칙 등이 있고 이 세 법칙을 하나의 식으로 묶어서 다음과 같은 이상 기체 상태 방정식을 얻어낼 수가 있다

(은 상수) 실험에 의하면 모든 기체는 0(=273K) 1기압에서 224L의 부피 중에 1몰의 분자를 포함한다는 것이 알려져 있으므로 이 결과를 이용하면 상수 ≒ Lㆍ기압몰ㆍK의 값을 얻을 수가 있고 이 값을 기체상수라 한다

[논제 1] 보일이 보일의 법칙을 발견한지 백년이 더 지난 18세기말 게이뤼삭은 0에서 100로 온도를 상승시키자 공기 수소 산소 질소 등 기체의 종류에 상관없이 부피가 모두 375 증가함을 관찰하였다 그의 실험 결과로부터 절 온도를 구해보고 오늘날 우리가 사용하는 값과 비교하여 보시오

[논제 2] 일반 마취제로 산소와 함께 사용하는 사이클로프로페인은 고리 모양의 화합물로서 분자식은 CH이다 Ar은 비활성 기체로서 원자량이 사이클로프로페인의 분자량과 유사하다 실온에서 약간 높은 압력 조건 하에 사이클로프로페인과 Ar 중 어느 것이 이상기체의 거동으로부터 더 멀어질지 기체 입자 자체의 부피와 기체 입자간 인력을 고려하여 예측하고 그 이유를 설명하시오

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[논제 3] 질소 기체 분자 사이의 거리와 인력 및 반발력에 따른 에너지 간의 관계는 아래 그래프와 같이 나타난다(단 질소 분자의 평균반경은 약 nm이다) 이를 이용해 0에서 1몰의 질소 기체에 해 (압력)에 따른 의 관계를 아래 주어진 그래프 로 답안지에 옮겨 그려 보고 왜 그렇게 그렸는지 구체적으로 설명하시오

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분자 간 상호작용의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 분자들 사이에 작용하는 힘에는 쌍극자-쌍극자 힘 분산력(반 데르 발스 힘)과 수소 결합이 있다 쌍극자-쌍극자 힘이란 서로 근접한 극성 분자들이 갖고 있는 부분전하 사이에 작용하는 정전기적 인력을 말하며 공유결합 분자들 중 전기 음성도 차이에 의한 쌍극자 모멘트가 있는 극성 분자들 사이에 형성된다 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자의 경우에는 일시적으로 분자 내의 전자가 한쪽으로 쏠리면서 전자 분포가 치우쳐 편극이 되면 순간적으로 쌍극자가 형성될 수 있다 이때 순간 쌍극자는 이웃한 분자의 전자 분포에 영향을 미쳐 또 다른 순간 쌍극자를 유발하게 된다 이 두 순간 쌍극자 사이에 작용하는 정전기적 인력을 분산력(반 데르 발스 힘)이라고 하며 분자량이 클수록 분산력이 커지게 된다 수소 결합이란 전기 음성도가 큰 원자에 결합된 수소 원자와 전기음성도가 큰 다른 원자에 있는 비공유 전자쌍 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨 이루어지는 결합이다

[논제 1] lt그림 1gt은 수소화합물들의 끓는점이 각 원소들의 원자 주기에 따라 차이가 있음을 나타내고 있다 다음의 각 문항에 답하시오

lt그림 1gt 14족과 17족 원소들로 이루어진 수소화합물의 끓는점

(1) 14족과 17족 원소들이 이루는 수소화합물의 끓는점 차이를 논리적으로 설명하시오

(2) 14족 수소화합물들의 끓는점이 주기의 증가에 따라 점차 증가하는 이유를 설명하시오

(3) 17족 수소화합물들의 끓는점이 2주기 수소화합물의 경우가 상 적으로 높은 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 2 분자 간 상호작용

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[논제 2] lt그림 2gt에는 2주기 원소들이 만드는 다양한 수소화합물의 끓는점이 각 원소의 전기음성도에 따라 표기되어 있다 이를 보면 HO의 끓는점은 NH 혹은 HF에 비해 상 적으로 높음을 알 수 있다 그 이유를 제시문을 근거로 설명하시오

lt그림 2gt 2주기 원소로 이루어진 수소화합물의 끓는점

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수소결합의 이해와 적용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 수소 결합은 N(질소) O (산소) F (플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고 융해열과 기화열이 크다 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로 화학결합과는 다르며 다른 종류의 분자 간 인력 보다 훨씬 강해 수소결합 이라고 부르는데 원자들의 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다

[논제 1] 아세트산(CHCOOH)의 분자량은 gmol이다 아세트산의 분자량을 측정하기 위해 벤젠과 같은 무극성 용매에 녹여 분자량을 측정하였더니 예상했던 분자량 60의 2배인 120으로 측정되었다고 한다 그 이유를 제시문에 근거하여 설명하시오

[논제 2] 분자식이 CHO로 동일한 두 화합물 A B는 모두 물에 잘 용해되는데 이 중 하나는 상온에서 기체이고 다른 하나는 상온에서 액체로 존재한다 두 화합물의 구조식을 이용하여 물에 한 용해도가 공통적으로 높은 이유와 끓는점이 서로 다른 이유에 해 각각 논하시오

[논제 3] 멜라민(melamine CNH)은 세 분자의 시안아마이드(CNH)가 결합한 삼중화합체(trimer)이다 2008년에 이 분자가 다량 포함된 분유를 섭취한 유아에게 심각한 부작용이 나타나 세계적인 문제가 된 적이 있다 이 멜라민은 벤젠 화합물과 유사한 형태의 6각 고리형 골격을 기반으로 한 칭성이 좋은 분자이다 이 멜라민은 시아노유릭산(cyanouric acid)과 체내에서 만나 분자 간 결합을 통해 노란색의 멜라민 시아노유레이트(melamine cyanourate) 결정이 된다 이 결정의 형성으로 신장결석이 진행된다 위의 설명을 참고하여 멜라민과 시아노유릭산이 가장 강한 분자 간 결합을 형성한 구조를 제시하여라 멜라민과 시아노유릭산의 분자 간 결합에서 어떤 종류의 분자간 힘이 주로 작용하겠는가 멜라민과 시아노유릭산의 구조는 순서 로 아래와 같다

[멜라민의 구조]

[시아노유릭산의 구조]

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결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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기체 법칙의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

이탈리아의 과학자 토리첼리가 수은 기압계를 이용하여 기의 압력을 처음 측정하였다고 알려져 있다 수은을 가득 채운 유리관을 거꾸로 세우면 그림 (1) 과 같이 수은기둥이 내려오다가 유리관 안을 채운 수은이 내리 누르는 무게 (힘) 이 외부의 공기가 내리 누르는 힘 (공기의 압력) 과 같아지는 위치에서 평형을 이루게 된다 이 때 유리관 안의 빈 공간은 진공 상태가 된다 이 실험을 통해 기압은 수은기둥의 높이가 76 cm일 때의 압력과 같다는 것을 알 수 있다

그림 (1) 토리첼리의 수은 기압계

그림 (2) 보일의 J 관

영국의 과학자 보일은 J 자 모양의 유리관을 사용한 실험을 통해 ldquo일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피() 는 기체에 작용하는 압력 () 에 반비례한다rdquo 는 사실을 알아내었는데 이를 보일의 법칙이라고 한다 보일의 법칙을 기체 분자 운동론의 관점에서 생각해보면 일정한 온도를 유지하면서 기체의 부피를 줄이는 경우 일정 시간 동안 단위 면적에 부딪치는 기체 분자의 수가 많아져서 결국 해당 기체의 압력이 높아진다는 것이다 보일의 J 관을 사용하여 기체의 압력을 측정할 때는 기압을 고려해야 한다 예를 들어 어떤 기체가 그림 (2) 와 같이 평형을 이루고 있다면 이 기체의 압력은 2 기압이 된다 왜냐하면 수은기둥 76 cm 에 해당하는 1 기압이 원래 기압 1 기압에 더해져서 유리관 내 기체 압력과 평형을 이루고 있기 때문이다 프랑스의 과학자 샤를은 ldquo일정한 압력에서 기체의 부피는 그 종류에 관계없이 온도가 1 높아질 때마다

0 때 부피의 만큼씩 증가한다rdquo 는 사실을 알아냈다 이것을 샤를의 법칙이라고 한다

이상의 내용을 종합하여 기체의 압력 온도 부피 사이의 상관관계를 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다

(상수) (단 는 섭씨온도())

[논 제] 다음의 그림 (3) 과 그림 (4) 에서 기압은 1기압이고 유리관 내부 기체는 같은 종류이며 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 만족한다 J 관에서 기체의 유출은 없으며 J 관의 단면적은 모든 부분에서 일정하다고 가정하자 아래의 문제 (i) (ii) 에서 기체를 제외한 나머지 부분의 온도 변화 열팽창 및 열전도는 고려하지 않는다

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 1 기체 분자운동론과 법칙

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(i) 그림 (3) 에서 유리관 내부 기체의 온도는 0 이고 압력은 벽면과의 마찰이 없는 피스톤에 의해 외부압력 (기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 온도를 증가시켰을 때 왜 부피가 변하였는지를 기체 분자 운동론의 관점에서 설명하시오 (단 피스톤의 자체 질량은 무시한다)

(ii) 그림 (4) 에서 수은이 채워진 관 내부 기체의 온도는 0 이고 기체가 들어있는 부분의 처음 높이는 76 cm 이다 기체의 압력은 외부압력 ( 기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 (i) 에서 구한 온도와 차이가 있을 경우 그 이유에 해 설명하시오

그림 (3)

그림 (4)

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이상기체 vs 실제기체2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 과학자들은 기체의 물리적인 성질과 기체 분자의 움직임을 설명하기 위하여 기체 분자 운동론을 제시하였다 기체 분자 운동론은 다음의 몇 가지 가정에 기반을 두고 있다

1 기체는 분자의 크기에 비하여 멀리 떨어져 있으며 기체 분자의 부피는 전체 부피에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다 2 기체 분자끼리 또는 기체 분자와 그릇의 벽에 한 충돌은 완전 탄성 충돌이다 완전 탄성 충돌은 에너지의 손실이 없다 3 기체 분자들은 무질서하게 빠른 속도로 끊임없이 직선 운동을 한다 4 기체 분자 사이의 인력이나 반발력은 작용하지 않는다 5 기체 분자의 평균 운동 에너지는 절 온도에 비례한다

기체 분자 운동론은 이상 기체에 한하여 적용될 수 있다 이상 기체는 실제로 존재하지 않으나 부분의 기체는 온도가 높고 압력이 낮으면 거의 이상 기체처럼 행동한다

lt나gt 고체나 액체와 달리 서로 다른 기체는 그들의 화학적 구성과 관계없이 매우 유사한 물리적 거동을 나타낸다 예를 들면 기체 헬륨과 플루오르는 화학적 특성이 매우 다르지만 부분의 물리적 거동은 거의 동일하다 1600년 후반에 많은 관찰을 통해 기체의 물리적 성질을 네 가지 변수 즉 압력() 온도() 부피() 몰수()로 규정할 수 있다고 제시했다 이러한 네 가지 변수 사이의 특정한 관계를 기체 법칙이라 하고 이러한 법칙을 정확히 따르는 기체를 이상 기체라고 한다 이들 기체 법칙에는 보일의 법칙 샤를의 법칙 그리고 아보가드로의 법칙 등이 있고 이 세 법칙을 하나의 식으로 묶어서 다음과 같은 이상 기체 상태 방정식을 얻어낼 수가 있다

(은 상수) 실험에 의하면 모든 기체는 0(=273K) 1기압에서 224L의 부피 중에 1몰의 분자를 포함한다는 것이 알려져 있으므로 이 결과를 이용하면 상수 ≒ Lㆍ기압몰ㆍK의 값을 얻을 수가 있고 이 값을 기체상수라 한다

[논제 1] 보일이 보일의 법칙을 발견한지 백년이 더 지난 18세기말 게이뤼삭은 0에서 100로 온도를 상승시키자 공기 수소 산소 질소 등 기체의 종류에 상관없이 부피가 모두 375 증가함을 관찰하였다 그의 실험 결과로부터 절 온도를 구해보고 오늘날 우리가 사용하는 값과 비교하여 보시오

[논제 2] 일반 마취제로 산소와 함께 사용하는 사이클로프로페인은 고리 모양의 화합물로서 분자식은 CH이다 Ar은 비활성 기체로서 원자량이 사이클로프로페인의 분자량과 유사하다 실온에서 약간 높은 압력 조건 하에 사이클로프로페인과 Ar 중 어느 것이 이상기체의 거동으로부터 더 멀어질지 기체 입자 자체의 부피와 기체 입자간 인력을 고려하여 예측하고 그 이유를 설명하시오

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[논제 3] 질소 기체 분자 사이의 거리와 인력 및 반발력에 따른 에너지 간의 관계는 아래 그래프와 같이 나타난다(단 질소 분자의 평균반경은 약 nm이다) 이를 이용해 0에서 1몰의 질소 기체에 해 (압력)에 따른 의 관계를 아래 주어진 그래프 로 답안지에 옮겨 그려 보고 왜 그렇게 그렸는지 구체적으로 설명하시오

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분자 간 상호작용의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 분자들 사이에 작용하는 힘에는 쌍극자-쌍극자 힘 분산력(반 데르 발스 힘)과 수소 결합이 있다 쌍극자-쌍극자 힘이란 서로 근접한 극성 분자들이 갖고 있는 부분전하 사이에 작용하는 정전기적 인력을 말하며 공유결합 분자들 중 전기 음성도 차이에 의한 쌍극자 모멘트가 있는 극성 분자들 사이에 형성된다 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자의 경우에는 일시적으로 분자 내의 전자가 한쪽으로 쏠리면서 전자 분포가 치우쳐 편극이 되면 순간적으로 쌍극자가 형성될 수 있다 이때 순간 쌍극자는 이웃한 분자의 전자 분포에 영향을 미쳐 또 다른 순간 쌍극자를 유발하게 된다 이 두 순간 쌍극자 사이에 작용하는 정전기적 인력을 분산력(반 데르 발스 힘)이라고 하며 분자량이 클수록 분산력이 커지게 된다 수소 결합이란 전기 음성도가 큰 원자에 결합된 수소 원자와 전기음성도가 큰 다른 원자에 있는 비공유 전자쌍 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨 이루어지는 결합이다

[논제 1] lt그림 1gt은 수소화합물들의 끓는점이 각 원소들의 원자 주기에 따라 차이가 있음을 나타내고 있다 다음의 각 문항에 답하시오

lt그림 1gt 14족과 17족 원소들로 이루어진 수소화합물의 끓는점

(1) 14족과 17족 원소들이 이루는 수소화합물의 끓는점 차이를 논리적으로 설명하시오

(2) 14족 수소화합물들의 끓는점이 주기의 증가에 따라 점차 증가하는 이유를 설명하시오

(3) 17족 수소화합물들의 끓는점이 2주기 수소화합물의 경우가 상 적으로 높은 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 2 분자 간 상호작용

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[논제 2] lt그림 2gt에는 2주기 원소들이 만드는 다양한 수소화합물의 끓는점이 각 원소의 전기음성도에 따라 표기되어 있다 이를 보면 HO의 끓는점은 NH 혹은 HF에 비해 상 적으로 높음을 알 수 있다 그 이유를 제시문을 근거로 설명하시오

lt그림 2gt 2주기 원소로 이루어진 수소화합물의 끓는점

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수소결합의 이해와 적용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 수소 결합은 N(질소) O (산소) F (플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고 융해열과 기화열이 크다 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로 화학결합과는 다르며 다른 종류의 분자 간 인력 보다 훨씬 강해 수소결합 이라고 부르는데 원자들의 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다

[논제 1] 아세트산(CHCOOH)의 분자량은 gmol이다 아세트산의 분자량을 측정하기 위해 벤젠과 같은 무극성 용매에 녹여 분자량을 측정하였더니 예상했던 분자량 60의 2배인 120으로 측정되었다고 한다 그 이유를 제시문에 근거하여 설명하시오

[논제 2] 분자식이 CHO로 동일한 두 화합물 A B는 모두 물에 잘 용해되는데 이 중 하나는 상온에서 기체이고 다른 하나는 상온에서 액체로 존재한다 두 화합물의 구조식을 이용하여 물에 한 용해도가 공통적으로 높은 이유와 끓는점이 서로 다른 이유에 해 각각 논하시오

[논제 3] 멜라민(melamine CNH)은 세 분자의 시안아마이드(CNH)가 결합한 삼중화합체(trimer)이다 2008년에 이 분자가 다량 포함된 분유를 섭취한 유아에게 심각한 부작용이 나타나 세계적인 문제가 된 적이 있다 이 멜라민은 벤젠 화합물과 유사한 형태의 6각 고리형 골격을 기반으로 한 칭성이 좋은 분자이다 이 멜라민은 시아노유릭산(cyanouric acid)과 체내에서 만나 분자 간 결합을 통해 노란색의 멜라민 시아노유레이트(melamine cyanourate) 결정이 된다 이 결정의 형성으로 신장결석이 진행된다 위의 설명을 참고하여 멜라민과 시아노유릭산이 가장 강한 분자 간 결합을 형성한 구조를 제시하여라 멜라민과 시아노유릭산의 분자 간 결합에서 어떤 종류의 분자간 힘이 주로 작용하겠는가 멜라민과 시아노유릭산의 구조는 순서 로 아래와 같다

[멜라민의 구조]

[시아노유릭산의 구조]

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결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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(i) 그림 (3) 에서 유리관 내부 기체의 온도는 0 이고 압력은 벽면과의 마찰이 없는 피스톤에 의해 외부압력 (기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 온도를 증가시켰을 때 왜 부피가 변하였는지를 기체 분자 운동론의 관점에서 설명하시오 (단 피스톤의 자체 질량은 무시한다)

(ii) 그림 (4) 에서 수은이 채워진 관 내부 기체의 온도는 0 이고 기체가 들어있는 부분의 처음 높이는 76 cm 이다 기체의 압력은 외부압력 ( 기압) 과 평형을 이루고 있었는데 기체의 온도를 증가시켜서 부피가 처음 부피의 15 배가 되었다고 하자 이때 기체의 압력과 온도 () 를 구하고 (i) 에서 구한 온도와 차이가 있을 경우 그 이유에 해 설명하시오

그림 (3)

그림 (4)

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이상기체 vs 실제기체2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 과학자들은 기체의 물리적인 성질과 기체 분자의 움직임을 설명하기 위하여 기체 분자 운동론을 제시하였다 기체 분자 운동론은 다음의 몇 가지 가정에 기반을 두고 있다

1 기체는 분자의 크기에 비하여 멀리 떨어져 있으며 기체 분자의 부피는 전체 부피에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다 2 기체 분자끼리 또는 기체 분자와 그릇의 벽에 한 충돌은 완전 탄성 충돌이다 완전 탄성 충돌은 에너지의 손실이 없다 3 기체 분자들은 무질서하게 빠른 속도로 끊임없이 직선 운동을 한다 4 기체 분자 사이의 인력이나 반발력은 작용하지 않는다 5 기체 분자의 평균 운동 에너지는 절 온도에 비례한다

기체 분자 운동론은 이상 기체에 한하여 적용될 수 있다 이상 기체는 실제로 존재하지 않으나 부분의 기체는 온도가 높고 압력이 낮으면 거의 이상 기체처럼 행동한다

lt나gt 고체나 액체와 달리 서로 다른 기체는 그들의 화학적 구성과 관계없이 매우 유사한 물리적 거동을 나타낸다 예를 들면 기체 헬륨과 플루오르는 화학적 특성이 매우 다르지만 부분의 물리적 거동은 거의 동일하다 1600년 후반에 많은 관찰을 통해 기체의 물리적 성질을 네 가지 변수 즉 압력() 온도() 부피() 몰수()로 규정할 수 있다고 제시했다 이러한 네 가지 변수 사이의 특정한 관계를 기체 법칙이라 하고 이러한 법칙을 정확히 따르는 기체를 이상 기체라고 한다 이들 기체 법칙에는 보일의 법칙 샤를의 법칙 그리고 아보가드로의 법칙 등이 있고 이 세 법칙을 하나의 식으로 묶어서 다음과 같은 이상 기체 상태 방정식을 얻어낼 수가 있다

(은 상수) 실험에 의하면 모든 기체는 0(=273K) 1기압에서 224L의 부피 중에 1몰의 분자를 포함한다는 것이 알려져 있으므로 이 결과를 이용하면 상수 ≒ Lㆍ기압몰ㆍK의 값을 얻을 수가 있고 이 값을 기체상수라 한다

[논제 1] 보일이 보일의 법칙을 발견한지 백년이 더 지난 18세기말 게이뤼삭은 0에서 100로 온도를 상승시키자 공기 수소 산소 질소 등 기체의 종류에 상관없이 부피가 모두 375 증가함을 관찰하였다 그의 실험 결과로부터 절 온도를 구해보고 오늘날 우리가 사용하는 값과 비교하여 보시오

[논제 2] 일반 마취제로 산소와 함께 사용하는 사이클로프로페인은 고리 모양의 화합물로서 분자식은 CH이다 Ar은 비활성 기체로서 원자량이 사이클로프로페인의 분자량과 유사하다 실온에서 약간 높은 압력 조건 하에 사이클로프로페인과 Ar 중 어느 것이 이상기체의 거동으로부터 더 멀어질지 기체 입자 자체의 부피와 기체 입자간 인력을 고려하여 예측하고 그 이유를 설명하시오

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[논제 3] 질소 기체 분자 사이의 거리와 인력 및 반발력에 따른 에너지 간의 관계는 아래 그래프와 같이 나타난다(단 질소 분자의 평균반경은 약 nm이다) 이를 이용해 0에서 1몰의 질소 기체에 해 (압력)에 따른 의 관계를 아래 주어진 그래프 로 답안지에 옮겨 그려 보고 왜 그렇게 그렸는지 구체적으로 설명하시오

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분자 간 상호작용의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 분자들 사이에 작용하는 힘에는 쌍극자-쌍극자 힘 분산력(반 데르 발스 힘)과 수소 결합이 있다 쌍극자-쌍극자 힘이란 서로 근접한 극성 분자들이 갖고 있는 부분전하 사이에 작용하는 정전기적 인력을 말하며 공유결합 분자들 중 전기 음성도 차이에 의한 쌍극자 모멘트가 있는 극성 분자들 사이에 형성된다 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자의 경우에는 일시적으로 분자 내의 전자가 한쪽으로 쏠리면서 전자 분포가 치우쳐 편극이 되면 순간적으로 쌍극자가 형성될 수 있다 이때 순간 쌍극자는 이웃한 분자의 전자 분포에 영향을 미쳐 또 다른 순간 쌍극자를 유발하게 된다 이 두 순간 쌍극자 사이에 작용하는 정전기적 인력을 분산력(반 데르 발스 힘)이라고 하며 분자량이 클수록 분산력이 커지게 된다 수소 결합이란 전기 음성도가 큰 원자에 결합된 수소 원자와 전기음성도가 큰 다른 원자에 있는 비공유 전자쌍 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨 이루어지는 결합이다

[논제 1] lt그림 1gt은 수소화합물들의 끓는점이 각 원소들의 원자 주기에 따라 차이가 있음을 나타내고 있다 다음의 각 문항에 답하시오

lt그림 1gt 14족과 17족 원소들로 이루어진 수소화합물의 끓는점

(1) 14족과 17족 원소들이 이루는 수소화합물의 끓는점 차이를 논리적으로 설명하시오

(2) 14족 수소화합물들의 끓는점이 주기의 증가에 따라 점차 증가하는 이유를 설명하시오

(3) 17족 수소화합물들의 끓는점이 2주기 수소화합물의 경우가 상 적으로 높은 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 2 분자 간 상호작용

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[논제 2] lt그림 2gt에는 2주기 원소들이 만드는 다양한 수소화합물의 끓는점이 각 원소의 전기음성도에 따라 표기되어 있다 이를 보면 HO의 끓는점은 NH 혹은 HF에 비해 상 적으로 높음을 알 수 있다 그 이유를 제시문을 근거로 설명하시오

lt그림 2gt 2주기 원소로 이루어진 수소화합물의 끓는점

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수소결합의 이해와 적용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 수소 결합은 N(질소) O (산소) F (플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고 융해열과 기화열이 크다 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로 화학결합과는 다르며 다른 종류의 분자 간 인력 보다 훨씬 강해 수소결합 이라고 부르는데 원자들의 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다

[논제 1] 아세트산(CHCOOH)의 분자량은 gmol이다 아세트산의 분자량을 측정하기 위해 벤젠과 같은 무극성 용매에 녹여 분자량을 측정하였더니 예상했던 분자량 60의 2배인 120으로 측정되었다고 한다 그 이유를 제시문에 근거하여 설명하시오

[논제 2] 분자식이 CHO로 동일한 두 화합물 A B는 모두 물에 잘 용해되는데 이 중 하나는 상온에서 기체이고 다른 하나는 상온에서 액체로 존재한다 두 화합물의 구조식을 이용하여 물에 한 용해도가 공통적으로 높은 이유와 끓는점이 서로 다른 이유에 해 각각 논하시오

[논제 3] 멜라민(melamine CNH)은 세 분자의 시안아마이드(CNH)가 결합한 삼중화합체(trimer)이다 2008년에 이 분자가 다량 포함된 분유를 섭취한 유아에게 심각한 부작용이 나타나 세계적인 문제가 된 적이 있다 이 멜라민은 벤젠 화합물과 유사한 형태의 6각 고리형 골격을 기반으로 한 칭성이 좋은 분자이다 이 멜라민은 시아노유릭산(cyanouric acid)과 체내에서 만나 분자 간 결합을 통해 노란색의 멜라민 시아노유레이트(melamine cyanourate) 결정이 된다 이 결정의 형성으로 신장결석이 진행된다 위의 설명을 참고하여 멜라민과 시아노유릭산이 가장 강한 분자 간 결합을 형성한 구조를 제시하여라 멜라민과 시아노유릭산의 분자 간 결합에서 어떤 종류의 분자간 힘이 주로 작용하겠는가 멜라민과 시아노유릭산의 구조는 순서 로 아래와 같다

[멜라민의 구조]

[시아노유릭산의 구조]

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결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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이상기체 vs 실제기체2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 과학자들은 기체의 물리적인 성질과 기체 분자의 움직임을 설명하기 위하여 기체 분자 운동론을 제시하였다 기체 분자 운동론은 다음의 몇 가지 가정에 기반을 두고 있다

1 기체는 분자의 크기에 비하여 멀리 떨어져 있으며 기체 분자의 부피는 전체 부피에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다 2 기체 분자끼리 또는 기체 분자와 그릇의 벽에 한 충돌은 완전 탄성 충돌이다 완전 탄성 충돌은 에너지의 손실이 없다 3 기체 분자들은 무질서하게 빠른 속도로 끊임없이 직선 운동을 한다 4 기체 분자 사이의 인력이나 반발력은 작용하지 않는다 5 기체 분자의 평균 운동 에너지는 절 온도에 비례한다

기체 분자 운동론은 이상 기체에 한하여 적용될 수 있다 이상 기체는 실제로 존재하지 않으나 부분의 기체는 온도가 높고 압력이 낮으면 거의 이상 기체처럼 행동한다

lt나gt 고체나 액체와 달리 서로 다른 기체는 그들의 화학적 구성과 관계없이 매우 유사한 물리적 거동을 나타낸다 예를 들면 기체 헬륨과 플루오르는 화학적 특성이 매우 다르지만 부분의 물리적 거동은 거의 동일하다 1600년 후반에 많은 관찰을 통해 기체의 물리적 성질을 네 가지 변수 즉 압력() 온도() 부피() 몰수()로 규정할 수 있다고 제시했다 이러한 네 가지 변수 사이의 특정한 관계를 기체 법칙이라 하고 이러한 법칙을 정확히 따르는 기체를 이상 기체라고 한다 이들 기체 법칙에는 보일의 법칙 샤를의 법칙 그리고 아보가드로의 법칙 등이 있고 이 세 법칙을 하나의 식으로 묶어서 다음과 같은 이상 기체 상태 방정식을 얻어낼 수가 있다

(은 상수) 실험에 의하면 모든 기체는 0(=273K) 1기압에서 224L의 부피 중에 1몰의 분자를 포함한다는 것이 알려져 있으므로 이 결과를 이용하면 상수 ≒ Lㆍ기압몰ㆍK의 값을 얻을 수가 있고 이 값을 기체상수라 한다

[논제 1] 보일이 보일의 법칙을 발견한지 백년이 더 지난 18세기말 게이뤼삭은 0에서 100로 온도를 상승시키자 공기 수소 산소 질소 등 기체의 종류에 상관없이 부피가 모두 375 증가함을 관찰하였다 그의 실험 결과로부터 절 온도를 구해보고 오늘날 우리가 사용하는 값과 비교하여 보시오

[논제 2] 일반 마취제로 산소와 함께 사용하는 사이클로프로페인은 고리 모양의 화합물로서 분자식은 CH이다 Ar은 비활성 기체로서 원자량이 사이클로프로페인의 분자량과 유사하다 실온에서 약간 높은 압력 조건 하에 사이클로프로페인과 Ar 중 어느 것이 이상기체의 거동으로부터 더 멀어질지 기체 입자 자체의 부피와 기체 입자간 인력을 고려하여 예측하고 그 이유를 설명하시오

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[논제 3] 질소 기체 분자 사이의 거리와 인력 및 반발력에 따른 에너지 간의 관계는 아래 그래프와 같이 나타난다(단 질소 분자의 평균반경은 약 nm이다) 이를 이용해 0에서 1몰의 질소 기체에 해 (압력)에 따른 의 관계를 아래 주어진 그래프 로 답안지에 옮겨 그려 보고 왜 그렇게 그렸는지 구체적으로 설명하시오

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분자 간 상호작용의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 분자들 사이에 작용하는 힘에는 쌍극자-쌍극자 힘 분산력(반 데르 발스 힘)과 수소 결합이 있다 쌍극자-쌍극자 힘이란 서로 근접한 극성 분자들이 갖고 있는 부분전하 사이에 작용하는 정전기적 인력을 말하며 공유결합 분자들 중 전기 음성도 차이에 의한 쌍극자 모멘트가 있는 극성 분자들 사이에 형성된다 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자의 경우에는 일시적으로 분자 내의 전자가 한쪽으로 쏠리면서 전자 분포가 치우쳐 편극이 되면 순간적으로 쌍극자가 형성될 수 있다 이때 순간 쌍극자는 이웃한 분자의 전자 분포에 영향을 미쳐 또 다른 순간 쌍극자를 유발하게 된다 이 두 순간 쌍극자 사이에 작용하는 정전기적 인력을 분산력(반 데르 발스 힘)이라고 하며 분자량이 클수록 분산력이 커지게 된다 수소 결합이란 전기 음성도가 큰 원자에 결합된 수소 원자와 전기음성도가 큰 다른 원자에 있는 비공유 전자쌍 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨 이루어지는 결합이다

[논제 1] lt그림 1gt은 수소화합물들의 끓는점이 각 원소들의 원자 주기에 따라 차이가 있음을 나타내고 있다 다음의 각 문항에 답하시오

lt그림 1gt 14족과 17족 원소들로 이루어진 수소화합물의 끓는점

(1) 14족과 17족 원소들이 이루는 수소화합물의 끓는점 차이를 논리적으로 설명하시오

(2) 14족 수소화합물들의 끓는점이 주기의 증가에 따라 점차 증가하는 이유를 설명하시오

(3) 17족 수소화합물들의 끓는점이 2주기 수소화합물의 경우가 상 적으로 높은 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 2 분자 간 상호작용

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[논제 2] lt그림 2gt에는 2주기 원소들이 만드는 다양한 수소화합물의 끓는점이 각 원소의 전기음성도에 따라 표기되어 있다 이를 보면 HO의 끓는점은 NH 혹은 HF에 비해 상 적으로 높음을 알 수 있다 그 이유를 제시문을 근거로 설명하시오

lt그림 2gt 2주기 원소로 이루어진 수소화합물의 끓는점

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수소결합의 이해와 적용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 수소 결합은 N(질소) O (산소) F (플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고 융해열과 기화열이 크다 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로 화학결합과는 다르며 다른 종류의 분자 간 인력 보다 훨씬 강해 수소결합 이라고 부르는데 원자들의 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다

[논제 1] 아세트산(CHCOOH)의 분자량은 gmol이다 아세트산의 분자량을 측정하기 위해 벤젠과 같은 무극성 용매에 녹여 분자량을 측정하였더니 예상했던 분자량 60의 2배인 120으로 측정되었다고 한다 그 이유를 제시문에 근거하여 설명하시오

[논제 2] 분자식이 CHO로 동일한 두 화합물 A B는 모두 물에 잘 용해되는데 이 중 하나는 상온에서 기체이고 다른 하나는 상온에서 액체로 존재한다 두 화합물의 구조식을 이용하여 물에 한 용해도가 공통적으로 높은 이유와 끓는점이 서로 다른 이유에 해 각각 논하시오

[논제 3] 멜라민(melamine CNH)은 세 분자의 시안아마이드(CNH)가 결합한 삼중화합체(trimer)이다 2008년에 이 분자가 다량 포함된 분유를 섭취한 유아에게 심각한 부작용이 나타나 세계적인 문제가 된 적이 있다 이 멜라민은 벤젠 화합물과 유사한 형태의 6각 고리형 골격을 기반으로 한 칭성이 좋은 분자이다 이 멜라민은 시아노유릭산(cyanouric acid)과 체내에서 만나 분자 간 결합을 통해 노란색의 멜라민 시아노유레이트(melamine cyanourate) 결정이 된다 이 결정의 형성으로 신장결석이 진행된다 위의 설명을 참고하여 멜라민과 시아노유릭산이 가장 강한 분자 간 결합을 형성한 구조를 제시하여라 멜라민과 시아노유릭산의 분자 간 결합에서 어떤 종류의 분자간 힘이 주로 작용하겠는가 멜라민과 시아노유릭산의 구조는 순서 로 아래와 같다

[멜라민의 구조]

[시아노유릭산의 구조]

- 28 -

결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

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Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

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Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

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Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

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Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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[논제 3] 질소 기체 분자 사이의 거리와 인력 및 반발력에 따른 에너지 간의 관계는 아래 그래프와 같이 나타난다(단 질소 분자의 평균반경은 약 nm이다) 이를 이용해 0에서 1몰의 질소 기체에 해 (압력)에 따른 의 관계를 아래 주어진 그래프 로 답안지에 옮겨 그려 보고 왜 그렇게 그렸는지 구체적으로 설명하시오

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분자 간 상호작용의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 분자들 사이에 작용하는 힘에는 쌍극자-쌍극자 힘 분산력(반 데르 발스 힘)과 수소 결합이 있다 쌍극자-쌍극자 힘이란 서로 근접한 극성 분자들이 갖고 있는 부분전하 사이에 작용하는 정전기적 인력을 말하며 공유결합 분자들 중 전기 음성도 차이에 의한 쌍극자 모멘트가 있는 극성 분자들 사이에 형성된다 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자의 경우에는 일시적으로 분자 내의 전자가 한쪽으로 쏠리면서 전자 분포가 치우쳐 편극이 되면 순간적으로 쌍극자가 형성될 수 있다 이때 순간 쌍극자는 이웃한 분자의 전자 분포에 영향을 미쳐 또 다른 순간 쌍극자를 유발하게 된다 이 두 순간 쌍극자 사이에 작용하는 정전기적 인력을 분산력(반 데르 발스 힘)이라고 하며 분자량이 클수록 분산력이 커지게 된다 수소 결합이란 전기 음성도가 큰 원자에 결합된 수소 원자와 전기음성도가 큰 다른 원자에 있는 비공유 전자쌍 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨 이루어지는 결합이다

[논제 1] lt그림 1gt은 수소화합물들의 끓는점이 각 원소들의 원자 주기에 따라 차이가 있음을 나타내고 있다 다음의 각 문항에 답하시오

lt그림 1gt 14족과 17족 원소들로 이루어진 수소화합물의 끓는점

(1) 14족과 17족 원소들이 이루는 수소화합물의 끓는점 차이를 논리적으로 설명하시오

(2) 14족 수소화합물들의 끓는점이 주기의 증가에 따라 점차 증가하는 이유를 설명하시오

(3) 17족 수소화합물들의 끓는점이 2주기 수소화합물의 경우가 상 적으로 높은 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 2 분자 간 상호작용

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[논제 2] lt그림 2gt에는 2주기 원소들이 만드는 다양한 수소화합물의 끓는점이 각 원소의 전기음성도에 따라 표기되어 있다 이를 보면 HO의 끓는점은 NH 혹은 HF에 비해 상 적으로 높음을 알 수 있다 그 이유를 제시문을 근거로 설명하시오

lt그림 2gt 2주기 원소로 이루어진 수소화합물의 끓는점

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수소결합의 이해와 적용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 수소 결합은 N(질소) O (산소) F (플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고 융해열과 기화열이 크다 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로 화학결합과는 다르며 다른 종류의 분자 간 인력 보다 훨씬 강해 수소결합 이라고 부르는데 원자들의 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다

[논제 1] 아세트산(CHCOOH)의 분자량은 gmol이다 아세트산의 분자량을 측정하기 위해 벤젠과 같은 무극성 용매에 녹여 분자량을 측정하였더니 예상했던 분자량 60의 2배인 120으로 측정되었다고 한다 그 이유를 제시문에 근거하여 설명하시오

[논제 2] 분자식이 CHO로 동일한 두 화합물 A B는 모두 물에 잘 용해되는데 이 중 하나는 상온에서 기체이고 다른 하나는 상온에서 액체로 존재한다 두 화합물의 구조식을 이용하여 물에 한 용해도가 공통적으로 높은 이유와 끓는점이 서로 다른 이유에 해 각각 논하시오

[논제 3] 멜라민(melamine CNH)은 세 분자의 시안아마이드(CNH)가 결합한 삼중화합체(trimer)이다 2008년에 이 분자가 다량 포함된 분유를 섭취한 유아에게 심각한 부작용이 나타나 세계적인 문제가 된 적이 있다 이 멜라민은 벤젠 화합물과 유사한 형태의 6각 고리형 골격을 기반으로 한 칭성이 좋은 분자이다 이 멜라민은 시아노유릭산(cyanouric acid)과 체내에서 만나 분자 간 결합을 통해 노란색의 멜라민 시아노유레이트(melamine cyanourate) 결정이 된다 이 결정의 형성으로 신장결석이 진행된다 위의 설명을 참고하여 멜라민과 시아노유릭산이 가장 강한 분자 간 결합을 형성한 구조를 제시하여라 멜라민과 시아노유릭산의 분자 간 결합에서 어떤 종류의 분자간 힘이 주로 작용하겠는가 멜라민과 시아노유릭산의 구조는 순서 로 아래와 같다

[멜라민의 구조]

[시아노유릭산의 구조]

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결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

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Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

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Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

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Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

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Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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분자 간 상호작용의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 분자들 사이에 작용하는 힘에는 쌍극자-쌍극자 힘 분산력(반 데르 발스 힘)과 수소 결합이 있다 쌍극자-쌍극자 힘이란 서로 근접한 극성 분자들이 갖고 있는 부분전하 사이에 작용하는 정전기적 인력을 말하며 공유결합 분자들 중 전기 음성도 차이에 의한 쌍극자 모멘트가 있는 극성 분자들 사이에 형성된다 쌍극자 모멘트가 0인 무극성 분자의 경우에는 일시적으로 분자 내의 전자가 한쪽으로 쏠리면서 전자 분포가 치우쳐 편극이 되면 순간적으로 쌍극자가 형성될 수 있다 이때 순간 쌍극자는 이웃한 분자의 전자 분포에 영향을 미쳐 또 다른 순간 쌍극자를 유발하게 된다 이 두 순간 쌍극자 사이에 작용하는 정전기적 인력을 분산력(반 데르 발스 힘)이라고 하며 분자량이 클수록 분산력이 커지게 된다 수소 결합이란 전기 음성도가 큰 원자에 결합된 수소 원자와 전기음성도가 큰 다른 원자에 있는 비공유 전자쌍 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨 이루어지는 결합이다

[논제 1] lt그림 1gt은 수소화합물들의 끓는점이 각 원소들의 원자 주기에 따라 차이가 있음을 나타내고 있다 다음의 각 문항에 답하시오

lt그림 1gt 14족과 17족 원소들로 이루어진 수소화합물의 끓는점

(1) 14족과 17족 원소들이 이루는 수소화합물의 끓는점 차이를 논리적으로 설명하시오

(2) 14족 수소화합물들의 끓는점이 주기의 증가에 따라 점차 증가하는 이유를 설명하시오

(3) 17족 수소화합물들의 끓는점이 2주기 수소화합물의 경우가 상 적으로 높은 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 2 분자 간 상호작용

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[논제 2] lt그림 2gt에는 2주기 원소들이 만드는 다양한 수소화합물의 끓는점이 각 원소의 전기음성도에 따라 표기되어 있다 이를 보면 HO의 끓는점은 NH 혹은 HF에 비해 상 적으로 높음을 알 수 있다 그 이유를 제시문을 근거로 설명하시오

lt그림 2gt 2주기 원소로 이루어진 수소화합물의 끓는점

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수소결합의 이해와 적용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 수소 결합은 N(질소) O (산소) F (플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고 융해열과 기화열이 크다 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로 화학결합과는 다르며 다른 종류의 분자 간 인력 보다 훨씬 강해 수소결합 이라고 부르는데 원자들의 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다

[논제 1] 아세트산(CHCOOH)의 분자량은 gmol이다 아세트산의 분자량을 측정하기 위해 벤젠과 같은 무극성 용매에 녹여 분자량을 측정하였더니 예상했던 분자량 60의 2배인 120으로 측정되었다고 한다 그 이유를 제시문에 근거하여 설명하시오

[논제 2] 분자식이 CHO로 동일한 두 화합물 A B는 모두 물에 잘 용해되는데 이 중 하나는 상온에서 기체이고 다른 하나는 상온에서 액체로 존재한다 두 화합물의 구조식을 이용하여 물에 한 용해도가 공통적으로 높은 이유와 끓는점이 서로 다른 이유에 해 각각 논하시오

[논제 3] 멜라민(melamine CNH)은 세 분자의 시안아마이드(CNH)가 결합한 삼중화합체(trimer)이다 2008년에 이 분자가 다량 포함된 분유를 섭취한 유아에게 심각한 부작용이 나타나 세계적인 문제가 된 적이 있다 이 멜라민은 벤젠 화합물과 유사한 형태의 6각 고리형 골격을 기반으로 한 칭성이 좋은 분자이다 이 멜라민은 시아노유릭산(cyanouric acid)과 체내에서 만나 분자 간 결합을 통해 노란색의 멜라민 시아노유레이트(melamine cyanourate) 결정이 된다 이 결정의 형성으로 신장결석이 진행된다 위의 설명을 참고하여 멜라민과 시아노유릭산이 가장 강한 분자 간 결합을 형성한 구조를 제시하여라 멜라민과 시아노유릭산의 분자 간 결합에서 어떤 종류의 분자간 힘이 주로 작용하겠는가 멜라민과 시아노유릭산의 구조는 순서 로 아래와 같다

[멜라민의 구조]

[시아노유릭산의 구조]

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결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

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Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

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Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

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Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

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Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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[논제 2] lt그림 2gt에는 2주기 원소들이 만드는 다양한 수소화합물의 끓는점이 각 원소의 전기음성도에 따라 표기되어 있다 이를 보면 HO의 끓는점은 NH 혹은 HF에 비해 상 적으로 높음을 알 수 있다 그 이유를 제시문을 근거로 설명하시오

lt그림 2gt 2주기 원소로 이루어진 수소화합물의 끓는점

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수소결합의 이해와 적용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 수소 결합은 N(질소) O (산소) F (플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고 융해열과 기화열이 크다 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로 화학결합과는 다르며 다른 종류의 분자 간 인력 보다 훨씬 강해 수소결합 이라고 부르는데 원자들의 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다

[논제 1] 아세트산(CHCOOH)의 분자량은 gmol이다 아세트산의 분자량을 측정하기 위해 벤젠과 같은 무극성 용매에 녹여 분자량을 측정하였더니 예상했던 분자량 60의 2배인 120으로 측정되었다고 한다 그 이유를 제시문에 근거하여 설명하시오

[논제 2] 분자식이 CHO로 동일한 두 화합물 A B는 모두 물에 잘 용해되는데 이 중 하나는 상온에서 기체이고 다른 하나는 상온에서 액체로 존재한다 두 화합물의 구조식을 이용하여 물에 한 용해도가 공통적으로 높은 이유와 끓는점이 서로 다른 이유에 해 각각 논하시오

[논제 3] 멜라민(melamine CNH)은 세 분자의 시안아마이드(CNH)가 결합한 삼중화합체(trimer)이다 2008년에 이 분자가 다량 포함된 분유를 섭취한 유아에게 심각한 부작용이 나타나 세계적인 문제가 된 적이 있다 이 멜라민은 벤젠 화합물과 유사한 형태의 6각 고리형 골격을 기반으로 한 칭성이 좋은 분자이다 이 멜라민은 시아노유릭산(cyanouric acid)과 체내에서 만나 분자 간 결합을 통해 노란색의 멜라민 시아노유레이트(melamine cyanourate) 결정이 된다 이 결정의 형성으로 신장결석이 진행된다 위의 설명을 참고하여 멜라민과 시아노유릭산이 가장 강한 분자 간 결합을 형성한 구조를 제시하여라 멜라민과 시아노유릭산의 분자 간 결합에서 어떤 종류의 분자간 힘이 주로 작용하겠는가 멜라민과 시아노유릭산의 구조는 순서 로 아래와 같다

[멜라민의 구조]

[시아노유릭산의 구조]

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결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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수소결합의 이해와 적용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 수소 결합은 N(질소) O (산소) F (플루오린) 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자간 인력(분자 사이에 끌어당기는 힘)이다 수소 결합을 하는 물질은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비해 녹는점과 끓는점이 높고 융해열과 기화열이 크다 수소 결합은 분자 내에서 일어나는 원자 간의 화학결합이 아니라 분자 사이에서 일어나는 인력에 의한 결합으로 화학결합과는 다르며 다른 종류의 분자 간 인력 보다 훨씬 강해 수소결합 이라고 부르는데 원자들의 결합보다는 약하여 열 등의 외적 요인으로도 쉽게 분리될 수 있다

[논제 1] 아세트산(CHCOOH)의 분자량은 gmol이다 아세트산의 분자량을 측정하기 위해 벤젠과 같은 무극성 용매에 녹여 분자량을 측정하였더니 예상했던 분자량 60의 2배인 120으로 측정되었다고 한다 그 이유를 제시문에 근거하여 설명하시오

[논제 2] 분자식이 CHO로 동일한 두 화합물 A B는 모두 물에 잘 용해되는데 이 중 하나는 상온에서 기체이고 다른 하나는 상온에서 액체로 존재한다 두 화합물의 구조식을 이용하여 물에 한 용해도가 공통적으로 높은 이유와 끓는점이 서로 다른 이유에 해 각각 논하시오

[논제 3] 멜라민(melamine CNH)은 세 분자의 시안아마이드(CNH)가 결합한 삼중화합체(trimer)이다 2008년에 이 분자가 다량 포함된 분유를 섭취한 유아에게 심각한 부작용이 나타나 세계적인 문제가 된 적이 있다 이 멜라민은 벤젠 화합물과 유사한 형태의 6각 고리형 골격을 기반으로 한 칭성이 좋은 분자이다 이 멜라민은 시아노유릭산(cyanouric acid)과 체내에서 만나 분자 간 결합을 통해 노란색의 멜라민 시아노유레이트(melamine cyanourate) 결정이 된다 이 결정의 형성으로 신장결석이 진행된다 위의 설명을 참고하여 멜라민과 시아노유릭산이 가장 강한 분자 간 결합을 형성한 구조를 제시하여라 멜라민과 시아노유릭산의 분자 간 결합에서 어떤 종류의 분자간 힘이 주로 작용하겠는가 멜라민과 시아노유릭산의 구조는 순서 로 아래와 같다

[멜라민의 구조]

[시아노유릭산의 구조]

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결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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결정과 비결정1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 고체는 일정한 모양을 가지며 온도와 압력의 변화에 따른 부피의 변화가 매우 작다 이는 고체를 이루고 있는 분자들 간의 인력이 매우 커서 분자들이 자유롭게 이동하지 못하고 제자리에서 진동 운동만 하기 때문이다 고체를 계속 가열하면 고체를 이루는 입자들이 점점 빠르게 진동하여 마침내 입자들 간의 인력을 이기고 비교적 자유롭게 운동할 수 있는 액체 상태로 되는데 이때의 온도를 그 고체 물질의 녹는점이라고 한다 고체는 다이아몬드나 금속과 같이 입자들이 규칙적 배열을 이루고 있는 결정성 고체와 고무 플라스틱 유리와 같이 입자들이 불규칙적인 배열을 이루고 있는 비결정성 고체로 나눌 수 있다 그리고 결정을 이루는 기본 단위의 종류에 따라 분자 결정 원자 결정 이온 결정 금속 결정으로 나누기도 한다 요오드 얼음 드라이 아이스 나프탈렌 등은 약한 분자 간 인력에 의해 규칙적으로 배열된 결정을 이루는 분자 결정들이고 다이아몬드나 수정과 같은 결정은 원자들이 서로 공유결합을 형성하여 규칙적으로 배열되어 있는 원자 결정이다 소금 등은 규칙적으로 배열된 양이온과 음이온의 결합으로 이루어진 이온 결정이고 금속 결정은 금속 양이온 사이를 자유롭게 돌아다니는 자유 전자와 금속 양이온간의 정전기적 인력으로 이루어져 있다

lt나gt 고분자 물질인 폴리에틸렌은 일상에서 흔히 볼 수 있는 표적인 비결정성 고체이다 에틸렌(에텐) 분자를 이용하여 첨가 중합 반응을 시키면 아래 [그림 1]과 같이 중합체인 폴리에틸렌을 합성할 수 있다 [그림 1]에서 n의 구체적인 값이나 탄소 사슬의 길이는 반응 조건에 따라 다르지만 의 값은 수백에서 수천 정도이다 [그림 2]는 폴리에틸렌을 간단한 사슬모형분자 모델로 나타낸 것이다 현재 많이 사용되고 있는 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 구분된다

lt다gt 방해석이나 운모 같은 천연에 존재하는 특이한 성질을 가진 광물의 연구를 통하여 결정이 고유한 특정 방향을 갖고 공간적으로는 특정한 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다 결정은 반복되는 최소단위의 규칙적인 공간 배열이란 게 19세기 초에 밝혀졌으며 19세기 후반에는 결정축과 결정면의 개념이 도입되었다 이러한 결정에 관한 이론은 X선의 회절실험을 통해서 현 결정학으로 전환하게 된다 영국의 브래그 부자(W H Bragg 1862~1942 W L Bragg 1890~1971)는 원자가 규칙적으로 배열해 있을 경우 결정 내부에 원자가 배열하고 있는 평면이 무수하게 있으며 아래 [그림 3]과 같이 그 간격 d는 일정할 거라고 생각하였다 결정에 각도를 바꿔가며 X선을 입사하는 실험을 통하여 그들은 X선이 결정에 의해 회절하여 보강 간섭하는 관계식인 유명한 브래그 식(Bragg equation)을 유도해 냈다 여기서 θ는 입사광 또는 반사광과 반사평면이 이루는 각도이다 이 식에 의

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 3 고체와 액체의 성질

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

- 50 -

(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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하면 외부에서 X선의 파장과 보강 간섭을 일으키게 입사각을 조절할 수 있으므로 격자 간격 d를 구할 수 있게 된다 그리고 X선이 보강 간섭하는 각도 θ를 특별히 브래그 각(Bragg angle)이라고 부른다 결정 내부의 밀도나 원자량을 추정하면 격자 간격은 략 수 Åm 단위이므로 X선의 파장도 이 정도는 되어야 한다 만약 더 작은 간격을 가진 결정을 조사하고 싶으면 X선의 파장을 더 작게 하면 된다 물론 이를 달성하기 위해선 X선의 에너지를 높여야 한다 이러한 연구로 1915년 브래그 부자는 노벨 물리학상을 공동 수상하였고 당시 아들 브래그의 나이는 25세였다

d

θθ

반사광

첫 번째 원자층

두 번째 원자층

입사광

[그림 3]

[논제 1] 단일성분으로 이루어진 결정성 고체와 비결정성 고체인 두 가지 시료가 있다 가열하여 액체로 변화시킬 때 각각의 시료에서 가열시간에 한 시료의 온도 그래프가 다음과 같았다 두 그래프의 차이가 의미하는 바를 기술하고 그러한 차이가 나타나게 된 이유를 설명하시오

[논제 2] 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 부드럽고 투명하며 외부의 힘에 의해 쉽게 늘어나거나 찢어진다 반면에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 불투명하고 밀도가 높고 단단하며 녹는점이 높다 이렇게 물리적 성질이 다른 이유를 폴리에틸렌 사슬모형분자 모델을 이용하여 설명하시오

[논제 3] 입사광과 반사광의 파장은 λ로 동일하다 그리고 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 위상이 동일해야만 보강간섭이 일어날 수 있다 이러한 사실과 제시문에 주어진 그림을 이용하여 첫 번째 원자층과 두 번째 원자층을 통과한 빛의 X선원으로부터의 이동거리의 차(경로차)를 구한 뒤 보강 간섭이 일어날 수 있는 λ와 d 그리고 θ 사이의 관계식(브래그 식)을 도출하고 그 과정을 설명하시오

[논제 4] [논제 3]의 원리를 이용해 어떤 금속 결정의 구조가 한 변이 nm 인 체심 입방 격자의 구조로 되어 있음을 밝혀내었다 이 금속의 밀도는 gcm이다 (단 아보가드로수는 mol이다)

lt체심 입방 구조gt이 금속의 단위 격자에 들어있는 원자의 수와 원자량 그리고 원자 반경이 얼마인지 관련 물리량과 단위를 이용하여 나타내시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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액체의 성질2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있다 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있다 이때 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있기 때문에 물 분자는 극성을 가지고 있다 이러한 극성으로 인하여 물에서는 산소 쪽의 (-) 전하와 이웃한 물 분자의 수소 쪽 (+) 전하 사이에서 서로 잡아당기는 힘이 발생한다 이를 수소결합이라고 하며 수소결합 에너지는 약 kJmol로 알려져 있다 이러한 수소결합에 의해 물은 매우 독특한 성질을 보여주고 있다

lt나gt 물은 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점이나 끓는점이 매우 높다 어떤 물질이 고체 상태에서 액체 상태 또는 액체 상태에서 기체 상태로 변하기 위해서는 그 물질을 구성하는 분자들 사이의 인력을 끊어주어야 한다 분자간 인력이 강한 물질일수록 분자들 사이의 인력을 끊어 주는데 더 많은 에너지가 필요하므로 끓는점이 높다 물질 1 g의 온도를 1 높이는데 필요한 열량을 비열이라 한다 물의 비열은 418J g으로 보통 다른 액체의 비열(2Jg 정도)보다 크다 따라서 물의 온도를 높이는데 많은 열이 필요하고 반 로 물의 온도를 낮추어 주면 많은 열이 방출된다 액체는 그 표면적을 될 수 있는 로 작게 하려는 경향이 있어서 작은 양일 경우 구형을 취하게 된다 이러한 현상은 액체 분자 사이의 인력 때문에 나타나며 액체 표면에서는 표면에 수직인 방향으로 당겨지는 힘으로 나타나는데 이것을 표면장력이라 한다 풀잎이나 꽃잎 등에 맺혀 있는 물방울들은 모두 둥근 모양을 하거나 소금쟁이가 물 위에서 돌아다닐 수 있는 것은 모두 물의 표면 장력이 크기 때문이다 물에 얼음을 넣으면 얼음은 물 위에 뜬다 이것은 부분의 다른 물질과 달리 물은 고체의 밀도가 액체의 밀도(약 gcm)보다 작다는 것을 의미한다 즉 질량이 같은 경우 물의 부피보다 얼음의 부피가 더 큰 것이다 이것은 물과 얼음에서 분자의 공간적 배열이 다르기 때문에 나타나는 현상이다

[물 분자의 구조]

[논제 1] 일반적으로 표면장력()의 크기는 단위 면적당 에너지로 주어진다 물의 성질로부터 물에 표면장력이 존재함을 논술하고 표면장력 의 크기를 추정하시오

[논제 2] 온도 변화에 따른 물의 밀도가 다음 그래프와 같은 변화 양상을 띠는 이유에 해 설명하고 추운 겨울 기온이 영하로 내려가 강물이 얼어도 아래쪽에는 물이 얼지 않아 물고기가 살 수 있는 이유를 물의 특성을 종합적으로 활용하여 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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상전이곡선의 이해1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt제시문gt [그림 1]은 가장 간단한 물의 상평형 그림으로서 곡선 TB를 융해곡선 곡선 AT를 승화곡선 곡선 TC를 증발곡선이라 한다 곡선 AT TC는 증기압곡선이라고도 한다 이들 곡선 상에서는 양쪽에 있는 두 상이 평형이 된다 즉 압력을 어떤 값으로 지정하였다고 하면 2개의 상이 동시에 존재하기 위한 온도가 결정된다는 것을 뜻한다 또한 곡선으로 구획된 부분은 기체상middot액체상middot고체상 중 어느 한 상이 존재하는 것을 뜻한다 [그림 2]는 탄소의 상평형 곡선이다

[논제 1] 친구들이 갑자기 찾아온다는 연락을 받고 탄산음료라도 사 놓을 생각에 편의점에 가보니 마침 시원하게 냉장된 것이 없다고 했다 할 수 없이 탄산음료를 사서 급히 냉각시키려고 한 시간 정도 냉동실에 넣어 놓았다 친구들이 도착하여 음료를 꺼내 살짝 흔들어 보니 다행히 얼지 않고 출렁거리는 액체 상태임을 느낄 수 있었다 그런데 음료수 캔을 따는 순간 캔 속의 음료가 순간적으로 꽁꽁 얼어버리는 것이 아닌가 어떻게 이런 일이 생길 수 있는지 물의 상평형 그림을 이용하여 이유를 설명하여 보라

[논제 2] 다이아몬드는 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지며 가장 단단한 광물 중 하나로 알려져 있다 같은 탄소 동소체인 흑연 또한 산소가 없는 환경에서 약 3500 이상의 녹는점을 가지지만 흑연은 무르고 잘 부스러진다 다이아몬드와 흑연의 녹는점이 높은 이유와 함께 두 물질 간 강도의 차이가 발생하는 이유를 설명하시오 또한 [그림 2]을 참고로 이론상 다이아몬드와 흑연의 끓는점이 동일하다고 할 수 있는지에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 4 상태 변화와 상전이곡선

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

- 58 -

표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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상전이곡선의 활용2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 최근 화석연료에서 발생하는 온실가스의 배출을 줄이기 위한 직접적인 방법으로 발전소에서 발생 되는 량의 이산화탄소를 땅 밑의 공간이나 바다의 분지에 주입하여 저장하는 방안에 한 연구가 진행되고 있다 이를 위해서 연소가스에 포함된 이산화탄소를 분리 포집한 뒤 높은 압력에서 액체 상태로 만든 후 파이프나 선박을 통해 저장 공간까지 수송하여 주입한다

lt나gt 순수한 물질의 상태는 온도와 압력에 의해 결정된다 그림은 절 온도(단위 K)와 압력(단위 kPa)에 따라 이산화탄소가 고체 액체 기체 중에서 어떤 상태로 존재할 것인지 나타내는 그래프이다 예를 들어 1기압(1013kPa 여기에서 1kPa은 1000Pa 또는 1000Nm) 15에서 이산화탄소는 기체 상태로 존재한다

[논 제] 다음 그림은 우리나라 주변 바다의 수심을 나타낸 것이다 화력 발전소나 제철소에서 포집된 이산화탄소를 주입하여 저장할 후보지 A B C 세 곳을 검토하고자 한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 바탕으로 세 후보지의 타당성을 분석하여 적절한 후보지를 선정하고 그 이유를 기술하시오 (단 해수의 밀도는 gcm 수온은 로 균일하다고 가정한다)

A

B C

0 200km

온실가스 고정발생원(발전소 제철소 등)

우리나라 주변 수심 해도[단위 m]

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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용해현상의 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 한 물질(용질)이 어떤 액체물질(용매)에 녹는 정도를 용해도라고 한다 이는 용질과 용매의 성질에 의존한다 용해도를 결정하는 여러 인자 중 하나는 물질들끼리 섞이려는 자연적 경향 즉 더 무질서해지려는 경향이다 만약 이것이 용해도에 관여하는 유일한 인자라면 물질들은 서로 완전히 섞일 것이다 하지만 실제로는 그렇지 않다 왜냐하면 용질과 용매 분자 간의 상 적 인력이 용해도를 결정하는데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다 일반적으로 용질과 용매가 유사한 종류의 분자간 인력을 가지면 서로 용해하려는 경향이 있어서 잘 섞이게 된다 아세톤과 물의 액체 쌍은 모든 비율로 섞을 수 있지만 가솔린과 물의 액체 쌍은 서로 섞이지 않는 현상을 예로 들 수 있다 액체나 고체의 용해도와는 달리 기체의 용해도는 기체의 압력에 크게 영향을 받는데 액체에 한 기체의 압력을 높여 주면 액체로 녹아 들어가는 기체 분자 수도 비례하여 증가한다 즉 일정한 온도에서 일정량의 액체에 녹아 들어가는 기체의 질량은 그 기체의 압력에 비례한다 이것을 헨리의 법칙이라고 한다 이 법칙은 산소 질소 수소와 같이 용해도가 작은 기체에 잘 적용된다

lt나gt 잠수부들은 수심에 비례하는 높은 수압 하에서 이에 상응하는 고압의 기체로 호흡한다 이때 들이마신 기체 분자의 일부는 혈액 속의 물에 용해되는데 잠수 중에 수심이 바뀌게 되면 혈액에 용해될 수 있는 기체의 양이 변하게 되어 생리적인 영향을 미칠 수 있다 예를 들어 수중에서 고압으로 압축된 공기로 호흡하다가 갑자기 물 밖으로 나오면 급격한 압력 감소로 인해 혈액 속에 과포화 된 질소가 혈관 내에서 기체로 방출되면서 혈관이 파괴되는 잠수병이 발생할 수 있다

[논 제] 제시문 lt나gt에 따르자면 심해 잠수부에게는 공기를 신할 새로운 혼합기체가 요구된다 공기를 구성하는 주요 기체들의 끓는점과 부피를 나타낸 아래 표를 참고하여 잠수병을 예방하기 위해 질소 신에 산소와 혼합할 수 있는 가장 바람직한 기체를 제안하고 이유를 논술하시오

기체 N O Ar CO Ne He CH끓는점 () -196 -183 -186 -57 -246 -269 -162

분자 부피 (m) 312 294 278 518 153 115 666

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 5 용액의 총괄성

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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용액과 어는점 내림2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 설탕물을 서서히 냉각시키면 순수한 물보다 더 낮은 온도에서 언다 이 때 처음에는 거의 순수한 물만 얼기 때문에 단맛이 거의 없는 얼음이 생긴다 이러한 성질을 이용하면 겨울철에 자동차의 냉각수가 어는 것을 방지할 수 있다 순수한 물은 0에서 얼지만 에틸렌글리콜을 녹인 부동액은 영하의 날씨에서도 얼지 않기 때문이다 다른 물질이 용해된 용액은 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼기 시작한다 이때의 온도가 용액의 어는점이다 용액과 순수한 용매의 어는점의 차이를 어는점 내림()이라고 한다 용액의 어는점 내림은 용질의 종류나 성질에 관계없이 용질의 양 또는 농도에만 의존한다 즉 몰랄 농도에 비례한다

(몰랄농도m 용매의질량 kg용질의몰수 mol 이다)

times

여기서 는 용액의 농도가 m일 때의 어는점 내림이며 몰랄 내림 상수라고 한다

lt나gt 위 제시문 lt가gt의 경우는 비전해질 용액의 어는점 내림에 한 설명이다 전해질 용액의 경우에는 한 가지 특성을 더 고려하여야 한다 전해질의 경우 물(용매)에서 양이온과 음이온으로 해리되는 특성 때문에 전해질 용액의 어는점 내림은 전해질의 몰랄 농도가 아닌 해리된 이온 전체의 몰랄 농도에 의해 결정된다 이를 표현하기 위해 반트호프 인자 (Vant Hoff factor )를 이용한다 예를 들어 비전해질인 설탕은 물에서 설탕 자체로 해리되므로 인 반면 전해질인 NaCl은 Na와 Cl로 분리되어 해리되므로 이다

[논제 1] 전해질 NaCl과 MgSO의 예측되는 반트호프 인자 는 모두 2이다 그러나 아래 표에서 볼 수 있는 바와 같이 어는점 내림의 측정값으로부터 얻어진 실제 두 전해질의 는 (1) 용액의 몰랄 농도(000500~0500m)와 (2) 전해질의 종류(NaCl 또는 MgSO)에 따라 크게 다르다 그 이유를 전하를 띠고 있는 물체 사이에 작용하는 힘에 해 기술한 쿨롱의 법칙을 이용하여 논하시오

표 1 수용액의 어는점 내림을 측정함으로써 얻어진 반트호프 인자

몰랄 농도 (m)반트호프 인자

NaCl MgSO000500 196 17200100 194 15300200 192 14400500 189 1300100 187 1210200 184 1120500 181 107

[논제 2] 겨울철 자동차용 냉각수가 얼지 않도록 넣어주는 부동액은 용액의 어는점 내림 현상을 이용한다 500g의 물에 500cm의 비전해질 A(밀도 gcm)가 함유된 부동액을 제조하였다 이때 부동액의 어는점이 -337로 측정되었다면 비전해질 A의 분자량은 얼마인지 구하시오 (단 물 용매의 몰랄 어는점 내림 상수 186m)

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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용액과 삼투현상3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 그림과 같이 반투막을 통해 농도가 묽은 용액의 용매 분자가 농도가 더 진한 용액 쪽으로 이동하는 현상을 삼투라고 한다 이 때 양쪽 액면의 높이가 같아지려면 외부에서 설탕 용액 쪽에 압력을 가해주어야 하는데 이 때 필요한 압력을 삼투압이라고 한다 삼투압은 두 용액의 높이차()를 측정하여 계산할 수 있는데 두 용액의 농도차가 일정 이상에서는 가 매우 커지므로 삼투압 측정이 어렵다

lt나gt 네덜란드의 과학자 판트 호프(vanrsquot Hoff JH 1852~1911)는 실험을 통해 묽은 용액의 삼투압은 용매나 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절 온도에 비례한다는 것을 알아내었고 이것을 판트 호프의 법칙이라고 한다

기체 상수 기압ㆍLmolㆍK용액 L 속에 용질이 몰 녹아 있으면 몰 농도 는

이고 이므로 위 식은 다음과 같이 나타낼 수

있다

용질의 질량 용질의 분자량

[논 제] 다음은 미생물로부터 미지 효소를 분리 정제한 후에 삼투압을 이용하여 분자량을 측정하는 실험에 관한 것이다

(1) 정제된 미지의 효소 10g을 100mL의 증류수에 녹인 용액의 삼투압이 27에서 timesatm이었다 이 미지 효소의 분자량을 구하시오

(2) 만약 이 효소가 순수 증류수에서는 침전 등으로 인해 불안정하다면 삼투압을 이용한 분자량 측정을 어떻게 하면 되겠는가

(3) 삼투현상을 이용하여 미지 효소를 농축시킬 수 있는 방법을 설명하라

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

- 50 -

(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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반응열과 엔탈피 변화1

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 반응열과 반응 엔탈피

은 이온과 염화 이온은 수용액 상태에서 반응하여 백색의 고체 염화은으로 침전된다 25 열량계에서 M AgNO mL에 M NaCl mL를 가하여 반응시켰더니 백색 AgCl 침전이 생기고 혼합 수용액의 온도는 326로 상승하였다 이 반응의 kJmol 값을 계산하시오 (단 혼합 수용액의 비열은 Jg 밀도는 gmL이고 열량계 자체에서 흡수하는 열은 무시할 정도로 작다고 가정한다)

(2) 결합 에너지와 반응 엔탈피

주어진 결합 에너지 자료를 활용하여 K에서 다음 반응의 에너지 경로도를 그리시오CH kJmol ClCl kJmolCCl kJmol HH kJmol

CHg Clg rarr CHClg Hg

(3) 반응 경로와 반응 엔탈피

헤스의 법칙은 lsquo물질이 반응할 때 처음 상태와 나중 상태가 같으면 한 단계로 일어나거나 또는 여러 단계로 일어나도 반응 경로에 관계없이 반응의 총 엔탈피 변화는 같다rsquo는 것으로 열역학 제1법칙인 에너지 보존에 관한 필연적인 결과이다 본(Born)과 하버(Haber)는 이 헤스의 법칙을 이온성 고체의 생성 엔탈피에 적용하여 설명하였다 Nas과 Clg로부터 NaCls이 형성되는 과정의 에너지 변화에 해 논하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 6 화학 열역학(1)

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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엔트로피 변화2

다음 문제에 각각 답하시오

(1) 열역학적 엔트로피

에서의 얼음의 녹음 현상에 해 고찰하여 보자HOs rarr HOl kJmol

(2) 통계학적 엔트로피

1877년 볼츠만은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고 엔트로피를 확률적인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명하였다 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 를 ln로 표현하였다 여기서 는 볼츠만 상수(timesJK)이며 는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이다 기체 분자의 확산이 자발적 현상임을 보이시오

(3) 열역학 제2법칙의 적용

다음 표의 내용과 같이 염화칼슘과 염화나트륨의 용해과정에서 엔트로피(용해)값이 서로 반 인 이유를 이온이 수화되는 과정을 통해 설명하시오

CaCl NaCl용해 JKㆍmol JKㆍmol

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

- 47 -

[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

- 50 -

(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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자유에너지 변화3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 깁스 자유에너지(Gibbs free energy) 는 반응의 자발성을 나타내는 척도로 사용되어 화학반응의 자유에너지 변화 가 0보다 작으면 자발적 반응을 0보다 크면 비자발적인 반응을 그리고 0이면 평형상태에 있는 반응을 의미한다 또한 상태함수인 에도 엔탈피에서와 같이 헤스의 법칙을 적용할 수 있다 엔트로피(entropy) 는 물질의 무질서도를 나타내는 척도이며 엔트로피의 변화를 로 나타낸다 예를 들어 한 용기에서 두 기체 사이를 분리하고 있는 칸막이를 제거하면 두 기체가 섞이고 이때 lsquo엔트로피가 증가( )하였다rsquo라고 말한다 사이에는 깁스-헬름홀츠(Gibbs-Helmholtz) 식인 다음과 같은 관계가 성립한다

여기서 는 절 온도(K)이다

(1) 상전이의 자발성과 상평형

다음의 열역학 자료를 이용하여 브롬(Br)의 정상 끓는점을 예측하시오 단 와 는 온도에 무관하다고 가정하시오

Brl BrgkJmol 0 30

JmolsdotK 145 245

(2) 용해 현상의 자발성

물을 용매로 사용하는 경우 KBrs의 온도에 따른 용해도는 아래 그래프와 같다 KBr이 물에 용해되는 과정에서 엔탈피 증감에 해서 기술하고 상온에서 KBr이 물에 자발적으로 녹는 이유에 해서 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 7 화학 열역학(2)

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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(3) 비자발 현상의 자발성

다음 반응을 통해 산화철(III)로부터 금속 철을 얻는 과정을 생각해보자

FeO rarr Fe O ∆ kJ

이 반응은 비자발적이고 심지어 의 고온에서도 ∆는 여전히 양수이며 비자발적이다 따라서 이 반응을 통해 금속 철을 생산하기 위해서는 매우 많은 에너지가 필요하게 되어 비효율적이다

다음 열화학반응식을 활용하여 금속 철을 생산하기 위해 FeO를 직접 환원시키지 않고 CO를 이용하여 환원시키는 이유에 해 논하시오

CO O rarr CO ∆ kJ

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

- 52 -

[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

- 53 -

산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

- 54 -

산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

- 58 -

표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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반응속도와 속도법칙1

화학 반응의 일반적인 반응 속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다 aA bB cC dD

Rate Am B n여기서 상수 m과 n은 실험적으로 얻어지는 값이다

다음 표는 어떤 반응 물질 A와 B의 초기 반응 속도를 나타낸 것이다 (단 실험은 25에서 진행하였다)

실 험반응 물질의 초기 농도(M)

초기 반응 속도(Ms)A B

1 times times times

2 times times times

3 times times times

① 위 반응의 속도식을 나타내고 반응 속도 상수값 를 구하시오

② 반응 물질의 농도가 각각 A timesM B timesM 일 때 초기 반응 속도를 구하시오

반응속도와 반응메커니즘2

일산화질소(NO )와 산소(O)가 반응하여 이산화질소(NO)를 생성하는 반응에 해 살펴보자 이 반응의 반응 메커니즘은 다음과 같다

단계 NO NO

NO 빠름

단계 NO O NO 느림

전체 반응 NO O NO 전체 반응의 반응 속도식을 나타내시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 8 화학 반응 속도론

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

- 55 -

염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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아레니우스의 속도상수식3

아레니우스의 반응 속도 상수식은 다음과 같다

∙

여기서 는 충돌에 관련된 상수이고 과 는 각각 기체 상수와 절 온도이다

위 관계식을 활용하여 반응속도를 증가시킬 수 있는 방법에 해 논하시오

적분속도법칙의 활용4

화학 반응에서의 반응 속도는 단위 시간 동안 감소하는 반응물의 농도 또는 단위 시간 동안 증가하는 생성물의 농도로 나타낼 수 있다 즉

반응속도 반응시간반응물의농도감소량반응물

반응시간생성물의농도증가량생성물

이다 따라서 반응 속도는 반응물의 종류에 따라 달라지고 같은 반응이라도 반응물의 농도에 따라 달라진다 반응 aA bB rarr cC dD 에서의 반응 속도()는 반응 속도 상수 를 써서 다음과 같은 반응 속도식 AB 으로 나타낼 수 있다 반응 속도식에서 농도의 지수인 과 의 합을 전체 반응차수라고 하고 이는 실험에 의해서만 알아낼 수 있으며 화학 반응식으로부터는 예측할 수 없다

화합물 AB가 A와 B로 분해되는 반응의 초기 속도를 측정한 결과는 표와 같았다 AB의 초기 농도가 molL 일 때 이 농도가 molL 로 떨어질 때까지 걸리는 시간은 얼마인지 논술하시오 (적분공식

을 사용하시오)

AB (molL ) 초기 속도 (molLsdots)

0200 times

0400 times

0600 times

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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화학 평형에 대한 이해1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 일반적인 화학반응에서 반응물과 생성물사이에는 동적인 화학평형이 이루어지며 이러한 평형은 평형상수로 나타내어진다 다음 화학식은 A분자 a개와 B분자 b개가 반응을 하여 c와 d개의 C D 생성물을 각각 만들어 내는 화학반응식이다

aA bB cC dD 여기서 양쪽 화살표()는 가역반응을 의미하며 이때 화학평형상수 K는 다음과 같이 표현된다

A B C D

A B C D 는 각 화학종의 몰농도이다 주어진 화학반응에 하여 K는 상수이지만 평형상태에서 개별 화학종의 농도는 조건에 따라 변할 수 있다

[논 제] 용질 A와 B가 녹아있는 혼합 용액이 있고 다음과 같은 화학반응식에 따라 화학 평형상태에 있다고 가정하자

A B

위 반응의 평형 상수()를 식으로 나타내시오 그리고 온도를 일정하게 유지하면서 용매를 추가하여 용액의 부피를 배로 증가시킨 뒤( ) 다시 평형에 도달하도록 놔두었다면 A와 B의 농도에는 각각 어떤 변화가 생길지 평형 상수 식을 바탕으로 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 9 화학 평형

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

- 47 -

[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

- 50 -

(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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평형 이동의 원리2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt 우리 주변에서 일어나는 화학 반응들은 석회 동굴의 형성이나 철이 녹스는 것 등과 같이 오랜 시간이 걸리는 느린 반응도 있고 파티 장에서 폭죽의 끈을 잡아당기면 순식간에 폭발하는 반응이나 연소 반응과 같은 빠른 반응도 있다 반응속도는 증가하는 생성물의 변화량이나 감소하는 반응물의 변화량으로 정의되는데 일반적으로 온도가 올라가면 반응속도가 커진다 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질을 이루는 성분입자들이 서로 충돌해야 한다 반응 물질의 농도가 크면 같은 부피 속에 들어 있는 입자수가 많아져서 충돌 횟수가 많아지고 그 결과 반응 속도가 빨라진다 온도() 의존성 충돌횟수()는 반응물의 농도뿐만 아니라 분자의 평균속력에도 비례한다고 알려져 있다 한편 반응이 일어나기 위해서는 반응 물질의 입자들이 충분한 에너지를 가지고 충돌해야 한다 화학 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지 즉 극복해야 할 에너지를 활성화에너지()라고 한다 온도가 높아지면 입자 운동이 활발해지며 반응을 일으키는 데 충분한 에너지를 가진 입자들의 수도 많아지므로 반응속도가 빨라진다 결국 반응속도는 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다

반응속도prop times

여기서 은 기체상수이고 는 온도이다

lt나gt [그림]과 같이 휘발성 액체가 들어 있는 비커를 밀폐된 공간에 놓아두면 액체 표면으로부터 증발이 일어나서 기체 상태의 분자 수가 점점 많아지게 되고 생성된 기체 분자 중 일부는 액체 상태로 돌아간다 그러다가 일정한 시간이 지나면 액체 분자들이 증발하는 속도와 기체 분자들이 응결하는 속도가 같아지는데 이렇게 물질이 두 상태 사이에서 평형을 이루고 있는 상태를 상평형이라 한다 생활 속에서 볼 수 있는 상평형의 예로는 0에서의 물과 얼음 사이의 평형이 있다 영상의 기온에서는 얼음이 물로 변하면서 에너지를 흡수하고 영하의 온도에서는 물이 얼음으로 바뀌면서 에너지를 내어 놓는다 0에서는 물이 얼음으로 변하는 속도와 얼음이 물로 변하는 속도가 같아져서 평형상태가 된다 화학 반응 중에도 이와 같이 평형에 도달할 수 있는 반응이 있다 예를 들어 0에서 무색이었던 사산화이질소(NO)가 25에서는 적갈색의 이산화질소(NO)로 변한다 또한 100에 있던 적갈색의 NO는 25에서는 무색의 NO로 바뀌는 것을 볼 수 있다 25에서는 위 두 반응이 동시에 일어날 수 있으므로 다음과 같이 하나의 반응식으로 나타낸다

NOg 무색 NOg 적갈색 이와 같이 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응을 가역 반응이라고 하며 (평형 반응이라고도 한다) 한쪽으로만 진행되는 반응을 비가역 반응이라고 한다 평형 반응에서 반응물과 생성물의 농도 변화가 없는 상태(즉 반응물에서 생성물로 변하는 속도와 생성물에서 반응물로 변하는 속도가 같은 상태)를 평형 상태라고 한다 평형 상태에서의 생성물의 농도와 반응물의 농도비를 평형상수라 부르며 이 값은 온도의 함수이다 평형 상태에 있는 물질에 외부 자극을 주면 평형이 깨어지게 되지만 일정한 시간이 지나면 새로운 평형 상태에 도달하게 된다 이 때 새로운 평형에 도달하기 위해서는 정반응 또는 역반응이 우세하게 일어나야 하는데 그 방향은 르샤틀리에의 원리로 설명할 수 있다 르샤틀리에의 원리는 lsquo평형 상태에 있는 계에 외부 자극을 주면 계는 그 외부자극을 상쇄시키는 방향으로 스스로 조절한다rsquo는 것이다

[그림]

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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lt다gt 겨울철 눈이 내리지 않는 주말에도 스키를 즐길 수 있는 스키장이 있다 그러한 곳에서 스키를 탈 수 있는 눈은 인공적으로 량 생산이 가능하다 인공 눈을 만드는 장치에는 약 20 기압의 압력으로 압축된 공기와 물이 혼합되어 있다 이 장치는 물을 수증기로 변화시켜 공기와 함께 기 중으로 분사(spray)한다 이때 장치 내부와

기의 압력 차이 때문에 분사되는 공기와 수증기는 매우 빠르게 팽창하면서 인공 눈이 만들어진다 이 과정은 매우 빠른 시간에 이루어지므로 주위로의 열 이동은 없다고 가정할 수 있다

[논제 1] 암모니아를 생산하는 공장을 설계하려고 한다 질소와 수소로부터 암모니아가 만들어지는 과정은 발열반응으로 열화학반응식은 다음과 같다

Ng Hg NHg Δ kJ암모니아를 량으로 생산하려면 체로 300~500기압의 높은 압력과 400 정도의 고온에서 공장을 가동해야 한다고 한다 수소와 질소로부터 암모니아를 제조하기 위해 공장에서 300~500기압의 고압과 400 정도의 고온을 유지하는 이유를 설명하시오 아래 표에 제시된 300기압에서의 온도에 따른 수득률 값과 제시문에 주어진 내용을 활용하시오

온도 () 200 300 400 500 600

수득률 () 76 60 47 26 13

[논제 2] 야외에서 흔히 사용되는 부탄가스통 안에는 액체 부탄과 기체 부탄이 혼합되어 있으며 기체는 기압보다 높은 압력으로 압축되어 평형을 유지하고 있다 이 부탄가스 연료를 사용하여 조리할 때 통이 차가워지는 이유를 논리적으로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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화학 반응론 종합3

단일과정 반응인 A B C 에서 반응열은 kJmol이다 에서 같은 농도(M)의 B와 C가 반응할 때 초기 반응속도는 timesMs로 측정되었다 그리고 이 역반응에 한 활성화 에너지는 kJmol이었고 반응이 평형에 도달했을 때 C의 농도는 M이었다 다음 물음에 답하시오

(1) 위 반응의 반응 경로에 따른 에너지 변화 양상을 도시하고 정반응의 활성화 에너지를 구하시오

(2) 위 반응의 평형상수를 구하시오

(3) 위 반응의 정반응과 역반응의 속도상수를 각각 구하시오(단위를 명시하시오)

(4) 위 반응의 평형에서 온도가 상승했을 때 정반응과 역반응의 속도상수는 각각 어떻게 변하겠는가 이때 평형상수의 변화에 해서도 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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열역학적 vs 속도론적 자발성1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 플러렌과 탄소나노튜브는 다이아몬드와 같이 탄소로 구성되어 있지만 원자들의 배열방법이 달라서 독특한 성질을 가지고 있다 플러렌은 탄소 원자들이 육각형과 오각형의 이중결합 고리로 연결된 구형 분자로 탄소 원자 60개가 축구공 모양의 배열로 이루어진 C 분자뿐만 아니라 다양한 크기의 분자로 존재한다 탄소나노튜브는 탄소 원자가 시험관 모양으로 배열되어 있는 분자로 철강보다 강도가 크고 다이아몬드보다 열전도도가 크며 구조에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 갖는다 플러렌과 탄소나노튜브는 수소를 잘 흡착시키는 팔라듐 금속을 표면에 도핑(불순물 첨가)하여 안전한 수소저장 물질로 사용되거나 반도체 나노섬유 생체 센서 등에 활용될 수 있다

lt나gt 탄소 원자 세 개가 고리 모양으로 결합된 싸이클로프로페인(CH)은 탄소 원자 사이의 결합각이 로 메테인(CH)의 두 CH 결합 사이의 각인 보다 훨씬 작다 실제 결합궤도함수는 탄소 원자 사이의 결합각이 에 가까워지려는 경향 때문에 오른쪽 그림과 같이 삼각형 바깥쪽에 형성된다 삼각형 또는 사각형의 고리형 탄화수소에서 결합각이 에 가까워지려는 경향성을 고리 스트레인(ring strain)이라고 하며 이것이 커질수록 고리형 탄화수소가 불안정해지고 반응성이 커진다

lt다gt 불포화 결합을 지닌 탄화수소인 에텐(CH)은 4개의 수소와 2개의 탄소가 같은 면에 존재하는 분자로 아래 그림과 같은 친전자성 첨가반응이 잘 일어난다

lt라gt 반응속도는 물질들 사이에서 반응이 일어나는 빠르기를 뜻하며 반응이 진행될 때 변하는 단위시간 당 반응물 또는 생성물의 양으로 정의된다 반응속도는 반응할 물질이 주어진 공간에 얼마나 존재하는지를 나타내는 농도와 반응이 일어나는데 필요한 최소 에너지의 양을 나타내는 활성화에너지 등에 의하여 결정된다 반응물의 농도가 증가하면 반응물의 충돌 빈도가 커지고 온도가 높아지면 활성화에너지보다 큰 에너지를 가진 분자가 많아져 반응이 빨라지게 된다

[CH의 결합구조]

[C의 결합구조]

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 10 화학 반응의 자발성

- 47 -

[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

- 50 -

(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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[논제 1] 두 개의 플러렌 C과 C 중에서 어느 것이 친전자성 첨가반응의 반응성이 클지 예측하고 그 근거를 논술하시오

[논제 2] 탄소나노튜브에 어떤 금속 M을 도핑하려고 한다 금속 M이 도핑되는 위치에 따른 생성물의 상 적 에너지와 각 생성물이 만들어지는 활성화에너지는 아래 그림과 같다고 가정하자 낮은 온도에서는 탄소나노튜브의 옆면에 금속이 도핑 된 생성물 B가 많이 만들어지고 높은 온도에서는 탄소나노튜브 끝의 볼록한 면에 금속이 도핑 된 생성물 A가 많아진다 생성물 A B가 만들어질 때 에너지 변화에 차이가 생기는 이유 그리고 온도에 따라 금속이 탄소나노튜브에 도핑 되는 위치가 달라지는 이유에 해 논술하시오 (단 금속 M의 농도는 일정하다)

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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열역학 데이터와 자발성2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt제시문gt 어떤 계에서 화학 및 물리적 변화의 자발성은 두 가지 인자 즉 열(엔탈피 )의 방출과 흡수 그리고 분자 무질서도(엔트로피 )의 증가와 감소에 의해 결정된다 어떤 과정이 자발적이라면 엔탈피는 감소하고(≺ ) 엔트로피는 증가하는 변화를 의미한다(≻ ) 그러나 어떤 경우에는 그 과정이 엔탈피 변화에 해 불리함에도 불구하고 자발적일 수도 있다 이는 엔트로피의 증가가 엔탈피 변화에 한 불리함을 상쇄시키기 때문이라고 볼 수 있다 그렇다면 열과 무질서도의 두 가지 변화는 변화의 자발성에 얼마나 기여하는 것일까 화학 반응 등의 자발성을 판별할 때는 그 두 가지 인자를 고려하기 위하여 Gibbs 자유에너지 변화()라는 값을 정의하여 이용한다

자유에너지 변화는 물리화학적 과정의 자발성 판별에 한 일반적 기준이다 값이 음수이면 그 과정은 자발적이고 값이 양수이면 그 과정은 비자발적이다 만약 값이 0이면 그 과정은 평형 놓여 있다고 볼 수 있다 단 엔탈피와 엔트로피의 변화는 온도 변화에 영향을 받지 않아 거의 일정하다

[논 제] 화학 평형 상태(평형 상수 )를 열역학적으로 접근하여 이해하면 표준상태( atm M)에서 자발적 반응의 깁스 자유에너지 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (단 기체상수 ≒ JmolsdotK이고 및 값은 온도 변화와 무관하다고 가정한다)

전체 계 계 ln

다음 그래프는 반응 Ag B g C g에 한 압력 평형 상수 의 온도 의존성을 나타낸 것이다 온도 에서 ln ≻ 일 때 다음 문항에 답하시오

(1) 이 반응의 표준 엔탈피()는 몇 kJmol인지 구하시오

(2) 어떤 반응의 전체 엔트로피 변화량(전체)은 반응이 일어나는 계의 엔트로피 변화량(계)과 계와 열적 평형을 이루고 있는 주위의 엔트로피 변화량(주위)의 합으로 나타낼 수 있다 온도 에서 정반응에 의한 각 엔트로피 변화의 방향성에 해 논하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

- 50 -

(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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생체에너지 이용과 자발성3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 헤스(Hess)는 총열량 불변의 법칙을 제안하며 다음과 같이 화학적으로 짝지은 일련의 반응들의 전체 자유에너지 변화는 개별 단계의 자유에너지 변화의 합과 같음을 보였다

kJmol kJmol

kJmol

lt나gt ATP는 고에너지 인산화 화합물로 생체 내 부분 생리활성의 주 에너지로 사용되는 화합물이다

[그림] ATP의 구조

ATP HO ADP Pi H(에너지변화량(prime ) = kJmol at atm and pH )

시장 거래가 공통의 통화를 사용함으로써 수월해지듯이 세포 내에서 이루어지는 사는 ATP라는 공통의 에너지 통화를 사용함으로써 수월해진다

한편 유기호흡을 통해 세포내에서 이루어지는 포도당의 산화 반응은 다음과 같이 ATP에 의해 매개된다CHO H ADP HPO OrarrATP CO HO

이는 공기 중에서 포도당이 완전 산화되는 과정과는 차이가 있다CHOs OgrarrCOg HOl kJmol

[논 제] 제시문 lt나gt의 ATP 가수분해와 관련된 다음 질문에 답하시오

(1) ATP 가수분해 반응은 반응에너지 측면에서 고려할 경우 충분히 일어날 수 있는 반응이다 그러나 실제로 ATP의 가수분해 반응은 기 한 것만큼 잘 진행되지 않는다 즉 열역학적 관점에서 가능한 화학반응이라도 실제로는 반응이 일어나지 않는 경우가 흔히 관찰된다 그 이유는 무엇이며 이를 극복하는 방법은 무엇인가

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(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

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산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

- 68 -

- 69 -

- 50 -

(2) 다수 생물학적 반응은 에너지를 필요로 하기 때문에 체온 상태에서 자발적이지 못하다 예컨 당 분해 경로의 첫 번째 단계는 다음과 같은 lsquo(포도당) rarr (포도당-6-인산)rsquo으로의 전환을 포함한다

포도당 HPO rarr 포도당인산염 HO kJmol 이 과정은 에너지를 필요로 하기 때문에 반응물과 생성물이 표준상태에 있다면 반응이 자발적으로 일어나지 못한다 이와 같이 열역학적으로 불가능한 반응을 조절하기 위한 생체내의 기작에 해 설명하시오

(3) 생체 내에서 에너지 사의 주된 매개체는 ATP이다 ADP에서 ATP가 만들어지는 과정은 비자발적이다 세포는 어떤 방법을 이용하여 ATP 합성을 유도하는지 간단히 설명하시오

- 51 -

산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

- 52 -

[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

- 54 -

산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

- 58 -

표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

- 64 -

지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

- 68 -

- 69 -

- 51 -

산과 염기1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

우리 주변에서 산성 및 염기성 화합물들은 식초 암모니아수 등의 생활용품으로부터 황산 염산 등의 공업원료

까지 다양한 용도로 이용되고 있다 브뢴스테드(Broumlnsted)와 로우리(Lowry)의 설명에 의하면 다른 물질에게 수

소이온(양성자)을 내놓는 물질이 산(acid) 다른 물질로부터 수소이온을 받아들이는 물질이 염기(base)로 정의된

다 또한 임의의 산 HA가 수용액에서 이온화되어 평형을 이루는 반응을 아래와 같은 반응식으로 표현할 때 산

의 이온화 상수()는 아래의 평형농도 관계식으로 정의된다(아래에서 산 HA의 짝염기는 A이다)

HAaq HOl HO aq Aaq HAHO A

lt나gt

루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여 비공유 전자쌍을 이용하

여 산과 염기를 정의하였다 즉 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기 공

유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다 루이스의 산-염기 정의는 아레니

우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다

수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로 브뢴스테드-로우리 염기는 루

이스 염기에 포함된다 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄

수 있으므로 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다

[논제 1] 다음은 포름산(HCOOH)과 아세트산(CHCOOH)이 25 수용액에서 이온화될 때의 반응식을 나타낸 것

이다 각 반응의 이온화 상수(Ka) 값이 아래와 같다고 가정하자

HCOOH HO HCOO HO times

CHCOOH HO CHCOO HO times 이때 포름산과 아세트산 중 어느 것이 더 강한 산인지 설명하여라 또한 각각의 산에 한 짝염기 중 어느 것

이 더 강한 염기인지 설명하여라

[논제 2] 수소이온 농도지수(pH)는 수용액의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 일반적 수치로 사용된다 문제 1

에 제시된 이온화 상수 값을 이용하여 25에서 10M(몰농도) 아세트산 수용액의 pH 값을 계산하고자 한다 그

과정을 보여라

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 11 산과 염기

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[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

- 68 -

- 69 -

- 52 -

[논제 3] 아래에 예시된 화합물들로 25에서 각각 10M 수용액을 만들었다고 하자 각 화합물을 구성하는 원자

들의 종류와 분자구조 그리고 원자 간 결합의 특성을 이용하여 아래의 질문들에 하여 각각 답하여라

(1) 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아닌 약

한 산성을 띤다 두 화합물의 액성이 다른 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하고 붕산이 약한 산성을

띠는 이유를 화학반응식을 이용하여 설명하시오

(2) HF와 HCl 중 보다 강한 산은 무엇인지 답하고 그 이유를 설명하여라

(3) CHCOOH vs CFCOOH CHOH vs CHCOOH HNO vs HNO의 산의 세기를 각각 비교하라

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

- 54 -

산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

- 58 -

표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

- 61 -

무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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산-염기의 구조와 반응2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

아미노산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH) 곁가지 (R )를 가지고 있다 이 곁가지에 따라

아미노산의 종류가 결정된다

아미노산은 수용액의 액성에 따라 분자의 존재 형태가 달라지는데 산성 용액에서는 아미노기를 구성하는 질소

원자의 비공유 전자쌍이 수소이온과 결합하는 염기로 작용하므로 수소 이온을 받고 염기성 용액에서는 카복시기

가 산으로 작용하므로 수소 이온을 내어놓는다 아래 그림과 같이 아미노산은 물에 녹아 있을 때 분자 내에 음이

온 CO 와 양이온 NH 를 가지는 양쪽성 이온의 상태로 존재한다

[논 제] 아스파르트산은 중심탄소에 아미노기 (NH) 카복시기 (COH ) 곁가지 (CH COH ) 가 연결된 형태의 천연 아미노산이다 아스파르트산

과 염산이 반응하면 다음 구조와 같은 아스파르트산 염산염을 생성한다 아스파

르트산 염산염 10몰을 물에 녹인 10L 용액을 X 용액 NaOH (화학식량 40)

80g을 물에 녹인 10L용액을 Y 용액이라 하자

X 용액 010L와 Y 용액 010L를 혼합하여 중화반응을 완결시킨 후 생성된 아스파르트산 분자 또는 이온의

구조를 루이스 전자점식으로 그리시오 (산의 세기 NH ≺ COH ≺ COH)

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

- 61 -

무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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산의 이온화 평형1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

lt가gt

약산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 다음과 같은 이온화 평형을 이룬다

HAaq HOl HO aq Aaq이 반응의 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다

HAHO HO A

약산 수용액에서 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 취급하여 HO 라 놓으면 위의 식은 다음과 같이

나타낼 수 있다

HAHO A

이 때 를 이온화 상수라 하는데 는 온도 의존성 상수로서 그 크기가 클수록 강한 산이라 할 수 있다

lt나gt

1884년 프랑스의 화학자 르 샤틀리에는 화학평형에 관한 규칙성을 연구하여 lsquo가역 반응이 평형 상태에 있을

때 온도 압력 농도 등과 같은 조건을 변화시키면 그 조건의 변화를 감소시키는 쪽으로 평형이 이동하여 새로운

평형에 도달한다rsquo라는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동 법칙이라

고 한다

[논제 1] 물에 녹은 약한 산은 수용액에서 일어나는 화학 평형의 모형으로 볼 수 있다 M의 HF 수용액

( times)이 물에 녹아 있을 때 HF의 이온화도()를 구해보고 M의 HF와 M의 NaF가 들어 있

는 용액에서 HF의 이온화도()와 비교하여 르 샤틀리에 원리가 성립함을 논하시오

[논제 2] 혈액 내 산소 전달에 관여하는 헤모글로빈(Hb)은 다음 반응식과 같이 산소와 결합한다

HbHaq Og HbOaq Haq호흡을 통해 이산화탄소가 과도하게 배출되어 혈액 내 이산화탄소의 농도가 정상 범위 아래로 떨어지는 증상을

보이는 과호흡증인 사람은 신체의 각 세포에서 헤모글로빈에 결합된 산소가 잘 떨어지지 않아 문제가 된다고 한

다 그 이유를 설명하시오

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 12 산-염기 평형

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염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

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표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

- 66 -

면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

- 67 -

이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

- 68 -

- 69 -

- 55 -

염의 가수분해2

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

일반적으로 산과 염기를 반응시키면 산과 염기의 성질이 사라지는데 이것은 산과 염기가 반응하여 물과 염이

생성되기 때문이다 이러한 반응을 중화반응이라고 하는데 이때 물은 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온의

결합으로 생성된다 또한 강산과 약염기가 만나면 약한 산성을 띠는 염이 형성되고 약산과 강염기가 만나면 약

한 염기성을 띠는 염이 형성된다

[논 제] 탄산수소나트륨(NaHCO)가 산성을 띠는지 염기성을 띠는지 판별하고 그 근거에 해 논술하시오

완충용액과 pH 조절3

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

우리 몸이 격렬히 운동을 하게 되면 근육에서 약산의 일종인 젖산(=386)이 생성된다 적당한 젖산의 증가

는 혈액의 H 변화 없이 완충 작용에 의하여 조절될 수 있으나 과도한 양의 젖산은 완충용액의 완충용량을 넘

어서게 된다 또한 우리 몸은 운동 중에 근육세포의 산소호흡 결과로 이산화탄소(CO)가 발생하게 된다 생성된

이산화탄소는 다음과 같은 반응을 통하여 탄산으로 변화하고 혈액을 통해 폐로 이동하여 몸 밖으로 배출된다CO HO HCO

[논제 1] 탄산완충용액은 혈액이 사용하는 가장 주요한 H 조절 방법의 하나이다 이는 탄산(HCO)을 약산으

로 탄산수소이온(HCO)을 짝염기로 사용한다 탄산은 이온화 상수 가 times ( )인 약산이다 같

은 농도의 탄산과 탄산수소이온이 섞여 있는 완충용액의 H를 기술하고 여기에 탄산수소이온을 추가로 넣어주

면 H가 어떻게 변화할 것인지 그리고 그 이유가 무엇인지 논술하시오

[논제 2] 실제 여러분 혈액 내 탄산의 농도는 략 00025M 이다 그렇다면 혈액의 H 를 정상으로 유지

시키기 위한 혈액 내 탄산수소이온의 농도는 얼마가 되어야 하는가 여기서 얻어진 신체 내 탄산과 탄산수소이

온의 농도 차이가 혈액의 H를 정상으로 유지시키기 위해서 어떻게 기능을 할 것으로 예상되는지 논술하시오

단 혈액의 H는 탄산완충용액에 의해서만 조절된다고 가정하시오

- 56 -

산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

- 57 -

산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

- 58 -

표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

- 59 -

화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

- 60 -

[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

- 61 -

무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

- 62 -

[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

- 63 -

소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

- 64 -

지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

- 68 -

- 69 -

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산화수와 산화-환원1

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오

전자를 잃는 반응을 산화 반응 전자를 얻는 반응을 환원 반응이라 한다 산화 환원 반응을 설명하기 위하여

산화수를 사용한다 산화수는 어떤 물질 속에서 원소가 어느 정도로 산화되었는지를 나타내는 가상적인 전하량으

로 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하수로 나타낸다

[논제 1] 메탄올(CHOH)은 포름알데하이드(HCHO )를 거쳐 포름산(HCOOH)으로 산화될 수 있다 각각의 변환

과정이 산화 반응에 해당한다는 점을 산화수를 이용하여 논하시오

[논제 2] 포름알데하이드(HCHO )의 포름산(HCOOH) 변환 반응을 바탕으로 포름알데하이드 6g을 녹인 수용액과 1몰(mole)의 Cu 이온을 가지는 구리 화합물을 반응시켜 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전을 얻었다 이때 얻을 수 있는 산화구리(Ⅰ) (CuO ) 침전의 최 량은 몇 g인지 추론하시오 (H O Cu의 원자량은 각각 gmol이다)

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 13 산화-환원

- 57 -

산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

- 58 -

표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

- 63 -

소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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- 69 -

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산화-환원 균형 반응식2

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

lt가gt

산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다 두 반응은 반드시 함께

발생한다

lt나gt

산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가

지 기준은 만족하여야만 한다 첫째 질량 균형이 잡혀야 한다 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다 둘

째 전하 균형이 잡혀야 한다 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다 균형 화학식 단위 방

정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아

닐 수도 있지만 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다

lt다gt

산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다 염기성 용액에

서 OH 또는 HO만 첨가될 수 있다

[논제 1] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다 MnO 이온 자신은 Mn

이온으로 환원된다 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하시오

[논제 2] 위 반응이 염기 조건에서도 발생한다고 가정했을 때 이 반응에 한 균형 알짜 이온 반응식을 제시하

시오

[논제 3] 0100M FeSO 용액 400mL를 산화시키는데 필요한 00200M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인가

(이 반응은 산 용액 조건에서 발생한다고 가정하시오)

- 58 -

표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

- 62 -

[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

- 68 -

- 69 -

- 58 -

표준 산화 환원 전위1

다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오

철 부식의 제 1단계는 철 표면에 물이 닿아 다음과 같은 산화-환원 반응이 일어나는 것이다

Fes Og Haq rarr Feaq HOl한편 표준 전지 전위는 두 반쪽 전지의 표준 환원 전위를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다

전지 전위 환원전극 전위 산화전극 전위

전지 반응의 전지 전위와 자유 에너지 변화 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다

전지

( 전지 반응에 관여한 전자의 몰수 패러데이 상수 Cmol )

[논제 1] 위 산화-환원 반응을 산화환원 반쪽 반응식으로 표현하고 산화제와 환원제로 사용된 물질을 각각 지

칭하시오

[논제 2] 철 표면에 각각 주석(Sn )과 아연(Zn )을 입혀 도금한 음료수 캔에서 도금 층 일부가 못에 긁혀 철이 노

출되는 일이 발생하였다 긁힌 부분을 방치하였을 때 어느 음료수 캔이 더 빨리 녹슬게 되는지 아래 표를 참조

하여 설명하시오 앞에서 답한 음료수 캔의 반응 과정에서 출입하는 자유에너지의 변화량()을 계산하시오

반쪽 반응 값(V )

Haq e rarr Hg 0

Feaq e rarr Fes -044

Snaq e rarr Sns -014

Znaq e rarr Zns -076

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 14 산화-환원 평형

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화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

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[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

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무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

- 67 -

이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

- 68 -

- 69 -

- 59 -

화학 전지의 구조와 원리2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

메탄올 연료전지는 닫힌 계 내에서 반응하는 화학전지와 달리 연속적으로 공급되는 메탄올과 산소가 갖고 있

는 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다 연료전지의 구성 및 작동은 공기극(환원

전극)에는 산소가 연료극(산화전극)에는 메탄올과 물이 공급되면서 전기화학 반응이 진행돼 전기 열 물 이산화

탄소가 발생한다 두 전극 사이에는 이온만 통과시키는 분리막이 설치되게 된다

lt나gt

미생물 연료전지는 미생물이 폐수를 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 것이다 폐수를 분해하면서 전기

를 발생시키는 연구는 지난 1960년 미 항공우주국에서 우주선 폐수처리를 위해 시작했다 일반적으로 산소를

호흡하는 미생물은 유기물을 분해하면서 발생한 전자를 세포막 내에서 산소로 전달하면서 에너지를 만든다 이

전자를 뽑아낼 수 있다면 전기를 생산하는 셈이 된다 산소를 호흡하는 일반적인 미생물들은 세포 안에서 전자가

전달되기 때문에 벤젠화합물과 같은 전자 전달 매개체를 넣어줘 세포 내부의 전자를 뽑아낸다 지난해 세계적인

주목을 받은 설탕을 연료로 하는 로봇도 이와 같은 미생물 연료전지를 이용한 것이다

lt다gt

전기 화학적 반응에 있어 표준상태( atm M)에서의 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타낼 수 있

다

여기서 은 산화-환원 과정에서 이동한 전자의 몰수를 는 패러데이 상수로서 1몰의 전자가 지닌 전하량

(C )을 는 표준 전위(환원 산화)를 의미한다

[논제 1] 메탄올을 주 연료로 사용하는 미생물 연료전지를 구상하였다 구상한 전지의 구조와 반응 양상을 모식

적으로 나타낸 후 각 전극에서 일어나는 화학 반응을 바탕으로 전기 에너지가 형성되는 원리와 과정에 해 설

명하시오

- 60 -

[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

- 61 -

무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

- 62 -

[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

- 63 -

소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

- 64 -

지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

- 65 -

무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

- 66 -

면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

- 68 -

- 69 -

- 60 -

[논제 2] 다음은 생화학적 전기 화학 반응과 각 반쪽 반응의 표준 환원 전위()이다

Fe CHCOCO H rarr cytochrome cFe CHCHOHCO

H e rarr V ( 7)

Fe e rarr Fe V ( 7)

표준 상태 H 7인 조건에서 위 반응의 자유 에너지 변화량을 구하고 반응의 자발성에 해 논하시오

- 61 -

무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

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무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

- 67 -

이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

- 68 -

- 69 -

- 61 -

무기착물과 배위결합1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

화학 결합의 종류에는 크게 공유 결합 이온 결합 금속 결합 그리고 배위 결합(혹은 배위 공유 결합)이 있다

특히 한쪽 원자가 비공유 전자쌍을 일방적으로 제공하여 이루어지는 결합을 배위 결합이라고 한다 이러한 배위

결합은 다양한 화합물에서 발견되며 그 중 가장 표적인 것이 금속을 포함하는 배위 화합물들로 착물이라고도

한다 부분의 착물은 그 중심 금속 이온에 분자(CO NH HO 피리딘 등) 혹은 이온

(Br Cl H CO OH 등)이 전자쌍을 제공하면서 이루어지는데 용액 내에서 생성된 착물은 이온 형태나

중성 상태 혹은 고체 상태로 존재한다 이때 중심 금속과 배위 결합을 이루는 분자 혹은 이온들을 리간드라고

한다 이러한 착물들은 다양한 종류의 구조로 존재할 수 있는데 그 중 가장 표적인 구조가 [그림 1]의 팔면체

와 사각평면 구조이다

[그림 1] 표적인 착물의 구조 팔면체(A)와 사각평면(B)

lt나gt

리간드는 배위 결합으로 이루어진 착물의 중심 금속 이온 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다 이들

이 리간드로 작용하기 위해서는 하나의 원자가 반드시 한 개 이상의 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하고 이들

중 한 개의 전자쌍만 배위 결합에 참여해야 한다 그리고 리간드는 중심 금속과 안정한 배위 결합을 하고 있기

때문에 용액 상에서 쉽게 해리되지 않는다 특히 리간드들 가운데 중심 금속에 한 개의 배위 결합을 이루는 경우

를 한 자리 리간드라 한다 반면에 크기가 큰 분자들은 한 개 이상의 원자에서 배위 결합이 가능하다 가령 에틸

렌다이아민(NH CH CH NH)과 같이 두 개의 배위 결합이 가능한 리간드를 두 자리 리간드라 하고 다이

에틸렌트라이아민(NH CH CH NHCH CH NH)과 같이 세 개의 배위결합이 가능한 리간드를 세 자

리 리간드라 한다([그림 2]) 하나의 중심 금속이 두 자리 또는 그 이상의 리간드로 배위된 착물을 킬레이트라고

부르는데 이들 킬레이트는 매우 안정하다 또한 킬레이트를 형성할 수 있는 리간드를 킬레이트 리간드라 하고

킬레이트 형성 시 킬레이트 리간드는 중심 금속과 고리모양 구조를 형성한다([그림 3])

2016학년도 수시 논술전형 대비

Chapter 15 무기유기 화학

- 62 -

[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

- 63 -

소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

- 64 -

지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

- 65 -

무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

- 66 -

면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

- 67 -

이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

- 68 -

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[그림 2] 한 자리 리간드(A) 두 자리 리간드(B) 그리고 세 자리 리간드(C)의 예

[그림 3] 에틸렌다이아민과 코발트 금속으로 형성된 킬레이트

lt다gt

탄소 화합물과 마찬가지로 착물도 그 구조에 따라 다양한 형태의 이성질체를 갖는다 이성질체란 분자식은 같

으나 구조식이 다른 두 가지 이상의 물질로서 구조와 물리적 성질이 서로 다른 화합물을 말한다 특히 배위 결합

을 절단하지 않고는 서로 전환되지 못하는 경우를 기하 이성질체라 한다 착물에서 동종의 리간드가 인접한 방향

에서 배위 결합을 하고 있는 경우를 시스(cis)형이라 하고 중심 금속의 반 방향으로 배위 결합을 하고 있는 경

우를 트랜스(trans)형이라 한다([그림 4])

[그림 4] 팔면체 구조를 가지는 착물의 기하이성질체 시스형(A)과 트랜스형(B)

[논제 1] Co와 물(HO )이 반응하면 CoHO를 형성한다 제시문 lt가gt와 lt나gt를 근거로 이 반응이 루이스

산-염기 반응임을 논술하시오

[논제 2] 생체 내에서 표적인 착물은 헤모글로빈이다 헤모글로빈은 적혈구 속에서 산소와 이산화탄소를 운반

하는 복합 단백질로 네 개의 글로빈 단백질과 철(Fe)을 포함하고 있는 네 개의 헴(heme) 색소로 이루어져있다

헴 색소에는 포르피린이라는 평면의 네 자리 리간드가 포함되고 포르피린의 질소 원자 네 개는 철(Fe) 이온과

배위 결합을 한다 또한 헴은 아래 [그림 5]와 같이 FeN 배위 결합을 통하여 글로빈 단백질에 결합되어 헤모

글로빈을 형성한다 헤모글로빈의 철(Fe)이 산소(O)와 배위 결합하여 산소헤모글로빈을 만들고 생체 내에서 산

- 63 -

소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

- 64 -

지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

- 65 -

무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

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면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

- 68 -

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소를 운반한다 산소헤모글로빈에 존재하는 철(Fe)의 산화수를 결정하고 그 근거를 설명하시오

[그림 5] 포르피린(A)과 산소헤모글로빈(B)

[논제 3] PtNHOH는 사각평면 형태의 착물이다 이 화합물에 두 자리 리간드인 에틸렌다이아민을 같은 몰

수로 첨가하면 치환반응은 일어나지만 킬레이트가 형성되지 않는다 이 착물의 구조를 예측하고 설명하시오

[논제 4] 화학반응에서 무질서도의 척도는 엔트로피로 나타낸다 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로 되는 것은

엔트로피가 작은 상태에서 큰 상태로 되는 것을 뜻하고 반응의 엔트로피 변화는 무질서도의 변화를 통하여 쉽게

예측될 수 있다 일반적으로 엔트로피가 증가하는 방향으로 반응이 유리하다 예를 들어 다음의 화학 반응식을

보면 킬레이트를 포함하는 반응의 평형상수()가 그렇지 않은 경우보다 큼을 알 수 있다 그 이유를 논술하시오

CdHO en CdenHO HOen 에틸렌디아민

log

CdHO NH CdNHHO HO log

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지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

- 65 -

무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

- 66 -

면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

- 67 -

이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

- 68 -

- 69 -

- 64 -

지방산의 구조와 성질2

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

호두 아몬드 옥수수 참깨 아마 씨 등에서 식물성 기름을 얻을 수 있다 동물성 기름은 상온에서 쉽게 경화

되는 것들이 많고 이것을 지방이라 한다 기름과 지방은 트라이글리세라이드이다 트라이글리세라이드는 글리세

린으로도 불리는 글리세롤 분자 1개와 3개의 지방산이 결합한 물질이다 식물성 기름과 동물성 기름의 성질은 트

라이글리세라이드에 결합되어 있는 지방산에 의해 결정된다 lt표1gt에 지방산의 구조와 녹는점에 관한 자료를 제

시하였다

[논 제] 제시문을 바탕으로 지방산의 구조에 따른 녹는점의 변화를 추론하고 그 이유를 설명하시오 그리고 상온

에서 액상인 식물성 기름을 경화시키는 방법을 추론하시오

- 65 -

무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

- 66 -

면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

- 67 -

이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

- 68 -

- 69 -

- 65 -

무기유기 화합물의 성질3

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt

수소(H)나 염소(Cl)와 같은 비금속의 홑원소 물질은 두 개의 원자가 전자를 서로 공유하여 분자를 형성한다

물(HO )이나 염화수소(HCl ) 탄소화합물인 에테인(CH)과 같은 화합물의 경우도 전자를 서로 공유하여 공유결

합을 형성한다 원자들이 전자를 서로 주고받거나 공유하여 화학결합이 형성되면 화합물을 이루는 원자들은 옥텟

규칙을 만족시키고 물질은 화학 결합을 통해 더 안정화된다 분자 중에는 삼플루오린화붕소(BF)와 같이 옥텟

규칙을 만족시키지 못하는 분자들도 있다 BF 분자는 lt그림 1gt에서처럼 NH로부터 비공유 전자쌍을 일방적으

로 제공받아서 옥텟을 만족시키기도 하는데 이를 배위결합이라고 한다 금속 양이온의 비어 있는 -오비탈에 리

간드의 비공유 전자쌍이 배위결합한 몇 가지 화합물의 구조가 lt그림 2gt에 제시되어 있다

[그림 1] BF와 NH의 배위결합(구조식의 화살표는 전자가 제공되는 방향을 나타냄)

[그림 2] 금속 양이온이 포함된 배위결합 화합물(헥사암민코발트(좌) 트리스아세틸아세토나토철(우))

lt나gt

뉴욕 시의 공공도서관은 책 선반의 길이가 88마일에 이르는데 이 중 36마일 정도의 선반 위에 놓인 책들의

종이가 표지 사이에서 서서히 분해되고 있다 15-18세기에 발간된 책들은 여전히 보존상태가 우수한 반면 19세

기 이후에 발간된 책들은 오히려 분해되고 있다 19세기에는 종이를 량으로 생산하기 위하여 종이를 제조할 때

많은 양의 명반(AlSO)을 첨가하였는데 이 명반이 공기 중의 수증기와 반응하여 종이를 분해하는 데 결정적

인 작용을 하고 있다 종이는 주로 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 고분자로 이루어지는데 고분자는 작은 분자량의

단량체가 반복적으로 길게 이어져서 만들어진 분자량이 큰 화합물을 말한다

lt다gt

- 66 -

면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

- 67 -

이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

- 68 -

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- 66 -

면(Cotton)은 부분 lt그림 3gt과 같은 셀룰로스 섬유질로 이루어져 있다 면과 같은 섬유 직물에 염료가 직접

물들기 힘들 경우 염료를 고착시키기 위하여 매염제를 처리하는 경우가 많다 매염제 처리를 하면 섬유에 한

염료의 염착량(실이나 천에 염료가 염색이 되는 정도)이 높아지거나 세탁에 한 견뢰도(세탁으로 인한 탈색에

한 저항도)가 높아지는 것으로 알려져 있다 매염제로는 FeSO FeCl CuSO 와 같은 금속염이 사용될 수

있다 lt그림 4gt는 알리자린의 분자구조로서 알리자린은 꼭두서니 뿌리에서 추출되는 천연 염료 물질로 오랫동안

직물의 붉은색 염색에 사용되어 왔다

[그림 3] 셀룰로스의 구조

[그림 4] 알리자린의 구조

lt라gt

산소를 포함하고 있는 탄소화합물은 산소의 결합 형태에 따라 lt그림 4gt와 같이 에터(ether)나 에스터(ester)

등이 있다 이들 화합물에 존재하는 탄소와 산소 사이의 결합은 lt그림 5gt와 lt그림 6gt에서처럼 산(H)과 물에

의해 가수분해 되어 끊어질 수 있다

[그림 4] 에터(좌)와 에스터(우)의 분자구조

[그림 5] 에터의 가수분해 반응

[그림 6] 에스터의 가수분해 반응

lt마gt

이온결합 화합물은 물에 녹아서 양이온과 음이온으로 해리될 수 있으며 해리된 이온들은 아래 화학 반응식에

서처럼 물과 반응하여 Haq 또는 OHaq를 생성한다 이 때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는데 정

반응과 역반응의 속도가 같아져서 더 이상 반응물과 생성물의 농도에 변화가 없는 상태를 평형상태라고 한다 평

형상태에서 반응물과 생성물의 농도곱의 비를 평형상수라고 하며 몇 가지 이온종이 물과 반응할 때의 평형상수

(25)가 lt표 1gt에 제시되어 있다

X naq HOl X OHnaq Haq 평형상수 X nX OHn H

Y maq HOl YH maq OHaq 평형상수 Y mYH m OH

(X OHn H X n YH m OH Y m 는 각 이온종의 농도를 의미함)

lt이온과 물의 반응식 및 평형상수 표현gt

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

- 68 -

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이온종 Fe Al SO PO평형상수(25) times times times times

[표 1] 물과 반응할 때 각 이온종의 평형상수

[논제 1] BeH는 CHC Be를 열처리하거나 CHBe와 LiAlH를 에탄올 용매에서 반응시켜 제조할 수 있

는데 흰색의 고분자 형태를 갖는다 위의 제시문을 토 로 BeH가 고분자 형태가 되는 원인을 추론하고 그 분

자 구조와 결합 형태를 개략적으로 제시하시오

[논제 2] 위의 제시문을 토 로 lt나gt에서 기술한 19세기 이후에 발간된 서적의 종이가 분해되는 현상의 원인을

추론하고 분해 과정을 완화시킬 수 있는 방안을 제시하시오

[논제 3] 위의 제시문을 토 로 (다)에서 기술한 면 소재의 섬유에 금속염으로 매염제 처리를 할 경우에 알리자린

염료의 염착량과 견뢰도가 높아지는 현상의 원인을 추론하고 이를 화학적 구조로 설명하시오

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