[기출문제] 연세대 신촌캠 일반화학 2022-1 기말 기출문제 (정답 포함)

1.    전자친화도(EA):
기체 상태의 중성 원자가 전자 1개를 받아들이며 음이온이 될 때 방출되는 에너지
2주기 원자에서 전자친화도는 Li에서 F로 갈수록 일반적으로 증가하지만, Be, N, Ne에서는 예외를 보인다.
Be와 Ne은 각각 폐각(2s², 2p⁶) 구조로 안정하여 전자를 추가할 때 에너지가 필요하고, N은 반쯤 채워진 2p³ 오비탈 구조의 안정성 때문에 전자친화도가 거의 0 또는 음수이다.
따라서 2주기 원자들의 전자친화도 부호는 Li(+), Be(−), B(+), C(+), N(−), O(+), F(+), Ne(−)로 변화한다.

 

2. 
1) 평면 분자인가? → 아니다 (비평면)

가운데 C는 sp 혼성(선형)이고, 남은 두 개의 서로 직교(⊥) 하는 p 오비탈(예: pₓ, pᵧ)이 각각 양끝 C와 두 개의 π 결합을 만듭니다.
그 결과, 왼쪽 CH₂가 놓인 평면과 오른쪽 CH₂가 놓인 평면이 서로 직각입니다(대칭: D₂d). 전체 분자는 한 평면에 놓일 수 없으므로 평면 분자가 아닙니다.

2) π 전자는 편재화(localized)인가, 비편재화(delocalized)인가? → 편재화(국소화)

두 π 결합은 서로 직교하는 p 오비탈들로 형성되어 서로 겹침(overlap)이 0입니다.

따라서 세 탄소에 걸친 연속적인 p-오비탈 겹침(=정의상 공명/공액)이 형성되지 못하고, 각각의 C=C에 국한된 두 개의 독립적인 π 결합으로 존재합니다.

즉, 알렌의 π 전자는 각 이중결합에 편재화되어 있고, 벤젠처럼 고리 전체에 퍼지는 비편재화(공명) 체계는 형성되지 않습니다.

 

3. 
1) 온도–증기압 곡선(정성적 스케치)

두 물질 모두 온도가 오를수록 증기압이 증가(오목한 곡선).

1 atm에서 만나는 온도는 ¹H₂O가 100 ℃, ²H₂O가 101.4 ℃.

같은 온도에서의 증기압 비교: ²H₂O의 증기압 < ¹H₂O의 증기압 → 곡선이 항상 아래쪽에 위치.

Clausius–Clapeyron식에서 기울기(ln p 대 1/T 그래프의 기울기 = −ΔH_vap/R) 관점으로 말하면, ²H₂O의 ΔH_vap가 더 커서 기울기 절댓값이 더 큼 → 온도–증기압 곡선은 ¹H₂O보다 더 “느리게” 올라감(같은 T에서 p가 더 낮음).

2) 분자간 인력의 크기와 지배적 약한 상호작용

더 큰 분자간 인력: ²H₂O(D₂O).

수소가 중수소로 치환되면 O–D 진동수가 낮아져 영점진동에너지(ZPE)가 감소 → 결합 및 수소결합망의 유효 퍼텐셜 우물이 약간 더 깊어짐(핵 양자효과).

그 결과 수소결합이 조금 더 강해지고 증발 엔탈피(ΔH_vap)↑ → 증기압↓, 끓는점↑(101.4 ℃).

주요 약한 상호작용: 수소결합(H-bonding) 이 지배적이며, 그 외에 쌍극자–쌍극자, 분산력도 있으나 물의 끓는점 차이를 설명하는 핵심은 수소결합 강도 차이(동위원소 효과) 입니다.

 

4. 
① 기체 분자는 매우 작고, 그 부피는 무시할 수 있다.

→ 개개의 기체 분자의 실제 부피는 전체 기체가 차지하는 부피에 비해 무시할 만큼 작다.
즉, 기체는 대부분이 빈 공간이다.

② 기체 분자들은 서로 충돌하지 않는 한 인력이 없다.

→ 분자 간에는 인력이나 반발력 같은 상호작용이 존재하지 않는다.
충돌 시에만 짧은 시간 동안 상호작용이 일어난다.

③ 기체 분자들은 무작위로, 모든 방향으로 직선 운동한다.

→ 분자들은 불규칙하고 직선적인 운동을 하며, 벽이나 다른 분자와 충돌할 때 방향이 바뀐다.

④ 분자 간 충돌과 벽과의 충돌은 완전 탄성 충돌이다.

→ 충돌 시 운동에너지는 손실되지 않고 보존된다.
즉, 충돌 후에도 총 운동에너지는 일정하다.

⑤ 기체의 평균 운동에너지는 절대온도에 비례한다.

→ 한 분자의 평균 운동에너지는

E_k = 1.5*k*T

로 주어지며, 온도가 같으면 모든 이상기체는 같은 평균 운동에너지를 가진다.

 

5. Pentane(n-펜탄) 의 끓는점이 더 높습니다.

끓는점은 주로 분자 간 분산력(런던 분산력, London dispersion force) 의 크기에 의해 결정됩니다.

n-Pentane은 길게 늘어난 직쇄형 구조 → 분자 간 접촉면적이 큽니다.

Neopentane(2,2-dimethylpropane) 은 공 모양(compact) 구조 → 표면적이 작습니다.

접촉면적이 큰 분자일수록 분산력이 강하고, 분자 간 인력이 커져서 끓는점이 상승합니다.

분산력은 분자의 극성화 가능성(Polarizability) 과 접촉면적에 비례합니다.

직선형 구조는 같은 부피라도 더 큰 표면적을 가지므로 분자 간 인력이 강합니다.

따라서, Pentane과 2,2-Dimethylpropane은 같은 분자식을 가지지만, n-Pentane은 직쇄형 구조로 분자 간 접촉면적이 크고 분산력이 강해 끓는점이 더 높습니다.  반면, 2,2-Dimethylpropane은 구형에 가까워 분자 간 인력이 약하여 끓는점이 낮습니다.

 

6. 
n형 실리콘은 5가 원소를 도핑하여 전도대 아래에 도너 준위를 형성하고, 전자를 쉽게 전도대로 올려 전자가 주된 전하운반자가 된다. 따라서 페르미 준위는 전도대에 가까워진다.
반면 p형 실리콘은 3가 원소를 도핑하여 가전자대 위에 억셉터 준위를 만들고, 전자가 억셉터로 이동하면서 정공이 생성되어 정공이 주된 전하운반자가 된다. 이때 페르미 준위는 가전자대 근처로 내려간다.