【화학 영역】

2017 JDC 전국 중․고등학생 논술대회(고등학교 과학논술)

【문제1】 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오. (10점)

(가) 동소체란 한 가지 원소로만 이루어져 있으면서 서로 다른 성질을 갖는 홑원소 물질을 말한다. 흑연과 다이아몬드가 대표적인 탄소의 동소체이다. 이 둘은 모두 탄소 원자로만 이루어진 물질이지만, 탄소 원자 사이의 결합과 구조가 다르기 때문에 성질이 서로 다르다. 흑연은 6개의 탄소가 평면에서 정육각형 모양의 층을 만들고 층과 층이 여러 개 쌓여서 만들어진 물질이고 다이아몬드는 정사면체 중심에 있는 탄소 원자가 정사면체 꼭짓점에 위치한 4개의 다른 탄소 원자와 삼차원적으로 결합한 구조이다.

(나) 고체는 물질의 전기적인 성질에 따라 도체, 부도체, 반도체로 나눈다. 철, 구리와 같이 전기저항이 작아 전류가 잘 흐르는 물질은 도체라고 하며, 유리, 종이, 고무, 비닐 등과 같이 전류가 잘 흐르지 않는 물질은 부도체라고 한다, 반도체는 도체와 부도체의 중간 성질을 가진 물질로 조건에 따라 전기 전도성이 달라진다. 고체의 전기 전도성을 결정하는 것은 자유 전자로 자유 전자는 원자핵의 인력을 벗어나서 어느 정도 움직임이 자유로운 전자를 가리킨다. 이 자유 전자가 일정한 방향으로 움직이게 되면 전류가 흐르게 된다.

(다) 산화 환원 반응을 설명하기 위하여 산화수를 사용한다. 물질 내에서 원자들 사이에 전자가 완전히 이동하였다고 가정할 때 각 원자가 가지는 전하의 수를 산화수라고 한다. 생성물의 산화수가 반응물보다 더 크면(산화수 증가) 산화되었다고 하고, 생성물의 산화수가 반응물보다 더 작으면(산화수 감소) 환원되었다고 한다. 자신의 산화되면서 다른 물질을 산화시키는 물질을 산화제, 반대로 자신은 산화되면서 다른 물질을 환원시키는 물질을 환원제라고 한다.

(라) 산이 물에 녹게 되면 수소 이온이 발생한다. 수소이온이 포함되어 있을 경우 신맛을 내는 것이 일반적인 특징이며 산성의 세기를 나타낸다. 수소 원자는 다른 원자들과 결합한 상태로 있다가 물에 녹게 되면 수소원자는 이온화되어 수중에서 수소이온의 상태로 존재하게 되는데 이를 산성수용액이라고 한다.

(1) 제시문 (가),(나)를 바탕으로 탄소 원자 사이의 결합과 구조를 이용하여 흑연과 다이아몬드의 전기전도성과 밀도를 비교하시오. (3점)

※ (2)-(3) 산성 수용액에서 다음의 화학반응이 일어난다. 다음 물음에 답하시오.

[eqn: rm`Sn`(s)```+```NO _{3} ^{-} `(aq)`````` -> `````Sn ^{4+`} (aq)```+``N _{2} O`(`g)]

(2) 산화수를 이용하여 다음 화학반응식의 산화제와 환원제를 설명하시오. (3점)

(3) 위의 화학식은 전자를 잃는 산화식과 전자를 얻는 환원식인 두 개의 반쪽반응식으로 이루어진 것이다. 위 반응이 산성수용액에서 발생한다는 것을 염두에 두고 질량보존법칙을 만족하는 환원식의 반쪽반응식을 쓰시오. (필요하다면 [eqn: rm `H ^{`+`} `,``OH ^{`-} ,`H _{2} O]와 같은 물질을 이용하시오.) (4점)

【문제2】 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오. (10점)

(가) 반응 물질의 농도 곱으로 표현한 평형 상수는 보통 Kc로 나타내며, 농도 평형 상수라고 한다. 그런데 일반적으로 기체들 사이의 반응에서는 성분 기체의 압력을 쉽게 측정할 수 있으므로 농도 대신 압력을 사용하여 평형 상수를 표현하기도 하는데, 이 평형 상수는 kp로 나타내며, 압력 평형 상수라고 한다.

a A(g) + b B(g) ⇌ c C(g) + d D(g)

이 반응의 압력 평형 상수는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

Kp = [eqn: {P _{C}^{c} P _{D}^{d} `} over {P _{A}^{a} P _{B}^{b}}]

이상 기체 상태 방정식 PV=nRT에서 기체의 압력 P = [eqn: {nRT} over {V}]이므로 몰 농도를 C라고 하면, C=[eqn: {n} over {V}]이므로 P = CRT 이다. 따라서, 농도 평형 상수 Kc와 kp는 다음과 같은 관계가 성립한다.

Kp = Kc (RT)△n

(△n = (c+d) -(a+b) )

(나) 화학 반응식으로부터 계산하여 얻을 수 있는 생성 물질의 양에 대한 실제로 얻어낼 수 있는 생성 물질의 비율을 수득률이라고 한다.

수득률(%) = [eqn: {실제`얻어지는`생성`물질의`양(실험값)} over {반응`물질이`모두`반응할`때`얻어지는`생성`물질의`양(계산값)} TIMES 100]

화학 반응을 통해 얻는 생성 물질의 수득률을 높이기 위해서는 르샤틀리에 원리를 이용하면 된다. 즉, 온도와 압력 조건을 변화시켜서 화학 평형이 최대한 정반응 쪽으로 이동하도록 조절하면 된다.

(다) 질소는 단백질의 성분 원소로, 생명체에게는 매우 중요한 물질이다. 질소는 공기 중의 78% 정도를 차지하고 있지만, 분자 상태의 질소(N2)는 매우 안정하기 때문에 화합물을 형성하지 않아 생명체가 그대로 이용하기는 어렵다. 질소를 이용할 수 있게 하려면 질소 고정이라는 과정을 통해 질소 화합물로 만들어 주어야 한다. 따라서 분자 상태의 질소(N2)를 수소(H2)와의 화학 반응을 통해 암모니아(NH3)로 합성하는 하버법은 비료, 화약, 플라스틱, 의약품 등의 제조에 없어서는 안 될 매우 중요한 공정이다.

※ 다음은 질소와 수소가 반응하여 암모니아를 생성할 때의 반응식을 나타낸 것이고, 그래프는 이 반응에서 온도와 압력에 따른 암모니아의 수득률의 변화를 나타낸 것이다.

a N2(g) + b H2(g) ⇌ c NH3(g) + Q (kJ/mol)

(1) 암모니아 생성 반응식에서 a+b와 c의 관계(부등호)와 Q의 부호를 쓰시오. (2점)

(2) 721K, 10L의 반응 용기에 1몰의 H2와 1몰의 I2가 반응하였다. 이 온도에서 평형상수(Kc)는 100 이다.

( 단, 기체상수(R) = 0.082 L·atm/mol·K 이고, 기체 H2, I2, HI는 이상기체처럼 행동한다. )

(2-1) Kp는 얼마인가? (2점)

(2-2) 용기 내의 전체 압력은 얼마인가? (2점)

(2-3) 평형 상태에서 반응하지 않고 남은 H2의 몰 수는 얼마인가? (2점)

(2-4) 평형 상태에서 각 성분의 부분 압력은 얼마인가? (2점)

2017 JDC 전국 중고등학생 논술대회 과학논술 모범답안

【화학 영역】

【문제1】

【문제1】의 (1)번 문항은 제시문(가)와 (나)를 활용하여 물질의 결합 구조에 의한 물리적 성질을 추측하도록 하였다. (2)번 문항은 제시문 (다)에 제시된 산화수, 산화제, 환원제와 같은 기본적인 개념을 이용하여 화학반응식에 제시된 화합물의 산화-환원을 설명하도록 하였다. (1),(2)번 문항은 화학Ⅰ 교과서에 제시된 내용이었고 제시문의 내용을 참고하여 해결할 수 있는 문항으로 학생들이 기본 개념을 제대로 이해하고 있는지를 평가하고자 하였다, (3)번 문항은 용액의 액성에 따른 환원 반응식을 만들어보도록 하였다. 화학Ⅰ단원에서 배운 적이 없을 지라도 유추할 수 있는 내용을 제시함으로서 화학반응식을 완성시킬 수 있는 추론 능력을 평가하고자 하였다.

(1)번 문항

가. 논제해설

다이아몬드와 흑연의 구조를 탄소의 원자가전자의 결합으로 설명하여야 했다. 원자가전자가 남아 자유전자로 존재하면 전기전도성이 있는 도체, 원자가전자가 모두 결합에 참여하여 자유전자의 없는 물질은 부도체이다. 밀도의 정의에 의해 층간 사이가 비교적 넓은 흑연의 밀도가 더 작다.

나. 예시답안

원자와 원자 사이의 결합은 원자가 전자에 의해 만들어 지는데. 탄소는 4개의 원자가 전자를 갖고 있기 때문에 최대 4개의 결합을 형성할 수 있다. 흑연에서 정육각형 모양의 층상 구조로 탄소 원자 1개는 이웃한 탄소 원자 3개와 결합하기 위해 3개의 원자가 전자를 사용하고, 나머지 1개의 전자는 여러 개의 탄소 원자로 이루어진 판 위를 자유롭게 이동할 수 있다. 이 전자가 전하를 운반할 수 있으므로 흑연은 도체이다. 반면에 다이아몬드는 정사면체 구조로 탄소원자 1개는 이웃한 탄소 원자 4개와 결합하기 위해 4개의 원자가 전자를 사용하므로 자유롭게 이동할 수 있는 전자가 없다. 따라서 다이아몬드는 전기가 통하지 않는 부도체이다.

다이아몬드는 탄소원자들이 서로 정사면체 모양으로 강하게 결합된 그물구조의 물질로 공을 빽빽하게 쌓아올렸을 때의 구조와 같고, 흑연은 층과 층 사이에 비교적 넓은 공간이 비어있는 구조이다. 따라서 밀도는 흑연보다 다이아몬드가 더 크다.

다. 평가

대부분의 학생들이 반응에 참여하지 않은 원자가 전자를 자유전자로 보고 전기 전도성을 정확히 유추하였으나 밀도의 경우 구조에 대한 해석의 잘못으로 흑연의 밀도가 다이아몬드보다 크다고 답한 학생들이 있었다.

(2)번 문항

가. 논제해설

교과서에서 배운 산화수를 구하는 규칙에 의해 각 화합물을 구성하는 원자들의 산화수를 정확히 예측한다. 산화수가 증가하는 화합물인 [eqn: rm`Sn]이 환원제, 산화수가 감소하는 화합물인 [eqn: rm `NO` _{3} ^{-}]가 산화제임을 설명한다.

나. 예시답안

반응물인 Sn의 산화수는 0, [eqn: rm `NO` _{3} ^{-}]에서 N의 산화수는 +5, O는 –2, 생성물인 [eqn: rm`Sn ^{4+}]의 산화수는 +4, [eqn: rm `N _{2} O]에서 N의 산화수는 +1, O는 –2이다. [eqn: rm`Sn]의 산화수는 0에서 4로 증가하여 산화되었고, N의 산화수는 +5에서 +1로 감소하여 환원됨을 알 수 있다. 따라서 자신이 산화되며 다른 물질을 환원시킨 [eqn: rm`Sn]이 환원제, 자신이 환원되며 다른 물질을 산화시킨 [eqn: rm `NO` _{3} ^{-}]가 산화제이다.

다. 평가

계산을 실수하여 [eqn: rm `N _{2} O]에서 N의 산화수를 +4로 표기한 학생들이 몇몇 있어 감점의 대상이 되었다.

(3)번 문항

가. 논제해설

환원되는 물질의 반쪽 반응식을 정확히 쓰고 화학Ⅰ 산화-환원반응 단원에서 제시되지 않은 용액의 액성에 따른 화학반응식을 완성하기 위해 제시문(라)를 활용하여 해석한다. 산성수용액이라는 조건에 의해 힌트로 주어진 3가지 물질 중 [eqn: rm`H ^{+}]와 [eqn: rm`H _{2} O]를 사용하여 화학반응식을 구성해야 했다. 질량보존법칙에 의해 반응물과 생성물의 계수까지 맞추면 정답으로 인정하였다.

나. 예시답안

환원되는 물질의 반쪽 반응식은

[eqn: rm `NO _{3} ^{-} `````` -> `````N _{2} O] 이다.

산성수용액에서 발생하기 때문에 [eqn: rm`H ^{+}]와 [eqn: rm`H _{2} O]를 사용하여 계수를 맞춘다.

[eqn: rm ``2NO _{3} ^{-`} `(aq)``+```10H ^{+`} (aq)`````+`8`e ^{-} `````` -> ```````N _{2} O(g)``````+`````5H _{2} O(l)]

다. 평가

화학Ⅱ를 배우지 않은 대부분의 학생들이 문제를 어려워하였고, 답안을 작성한 학생들 중 다른 화합물은 모두 사용하였으나 전자를 표기하지 않아 반쪽 화학반응식을 완성하지 못한 경우도 있었다.

【문제2】

【문제2】의 (1)번 문항은 제시문 (나)와 (다)를 통해 온도와 압력에 따른 암모니아의 수득률 변화 그래프를 해석하고, 반응식 계수 사이의 관계와 반응열의 부호를 예측하도록 하였다. (2)번 문항은 제시문 (가)에 제시된 압력 평형 상수와 농도 평형 상수 관계를 이용하여 화학 반응을 해석하도록 하였다. (1),(2)번 문항은 화학 Ⅱ 교과서에 제시된 내용이었고 제시문의 내용을 참고하여 해결할 수 있는 문항으로 학생들이 기본 개념을 제대로 이해하고 있는지를 평가하고자 하였다. 특히, (2)-①번 문항은 화학 Ⅱ 단원에서 배운 적이 없을 지라도 유추할 수 있는 내용을 제시함으로써 압력 평형 상수를 구할 수 있는 추론 능력을 평가하고자 하였다.

(1)번 문항

가. 논제해설

온도와 압력에 따른 암모니아의 수득률 변화 그래프를 해석해 암모니아 합성 반응식의 각 계수들 관계와 반응열을 예측한다.

나. 예시답안

압력이 증가하면 정반응이 진행되어 수득률이 증가한다. 그러므로 a + b > c 이다. 온도가 감소하면 정반응이 진행되어 수득률이 증가한다. 그러므로 암모니아가 생성되는 반응은 발열 반응이다. 그러므로 Q > 0 이다.

다. 평가

대부분의 학생들이 압력과 온도 변화에 따른 수득률 변화를 정확히 예측하였으나 발열 반응인 경우 Q의 부호를 △H<0으로 생각해 실수하였다.

(2)번 문항

가. 논제해설

제시문을 읽고 압력 평형 상수 유츄하고, 평형 상태에서의 전체 압력, 반응 후 남은 H2 몰 수, 각 성분의 부분 압력을 계산한다.

나. 예시답안

H2(g) + I2(g) ⇌ 2HI(g)

반응식에서 반응 물질의 계수합과 생성 물질의 계수가 같으므로 반응의 진행에 관계없이 전체 몰 수는 항상 같다.

① 화학 반응식 양변에서 기체의 몰 수나 부피는 같으므로 이 반응은 부피나 압력의 영향을 받지 않는다. 따라서 Kc 와 Kp 는 같다.

∴ Kp = 100

② 반응의 진행에 관계없이 전체 몰 수는 같다.

전체 몰 수 = 1 + 1 = 2

PV = nRT

P × 10L = 2mol × 0.082L·atm/mol·K × 721K

∴ P = 11.8 기압

③

	H2(g)	+	I2(g)	⇌	2HI(g)
처음 몰 수	1		1		0
반응 몰 수	-x		-x		+2x
남은 몰 수	1-x		1-x		2x

Kc = [eqn: {(2x) ^{2}} over {(1-x) ^{2}}] = 100 , x = 0.83 몰

∴ 남은 H2의 몰 수 = 1 - 0.83 = 0.17 몰

④ P(H2)= 11.8 × [eqn: {0.17} over {2}] = 1.003 기압

P(I2)= 11.8 × [eqn: {0.17} over {2}] = 1.003 기압

P(HI)= 11.8 – 1.003 – 1.003 = 9.794 기압

다. 평가

계산 과정에서 실수한 학생들이 있어 감점 되었다.