[기출문제] 연세대 신촌캠퍼스 일반화학 2022-1 중간 기출문제 (정답 포함)

1. 고체나 액체의 경우 온도가 올라가면 일반적으로 용해도가 증가하나 기체의 경우 용해도가 낮아진다. 이유에 대해서 설명하라.

2. 4주기 전이금속의 경우 전자 배치에서 다른 원자에 비해 예외가 존재한다. 그 원소의 전자배치를 쓰고 그 이유에 대해서 설명하라.

3. 왜 원자의 최외각 전자가 화학 반응에서 중요한지 오비탈 에너지 및 다양한 관점과 관련지어 서술하라.

[1]
1. 고체·액체 용질의 용해 과정은 대부분 흡열(ΔH > 0)

고체나 액체가 용해될 때는 결정 격자나 분자 간 인력을 끊고 용매와 새로운 상호작용을 형성해야 합니다.
→ 이 과정은 보통 에너지를 흡수(흡열) 해야 함.

따라서 온도가 올라가면(열을 공급하면)
→ 흡열 반응의 평형이 오른쪽(용해 방향)으로 이동
→ 용해도가 증가

2. 기체의 용해는 대부분 발열(ΔH < 0)

기체 분자가 물 속에 들어가면,

기체 분자 운동이 제한됨(엔트로피 감소)

용매(특히 물)와 상호작용(주로 반데르발스력)을 형성하면서 열이 방출되는 경향(발열)

→ 즉, 기체가 액체에 녹는 과정은 발열 반응.

Le Chatelier의 원리에 따라
온도가 올라가면(열이 많아지면)
→ 시스템은 열을 흡수하려고 발열 방향(용해)와 반대쪽인 기체 상태로 돌아감
→ 용해도 감소

3. 엔트로피(S)의 관점에서도 기체는 용해되기 싫어함

기체 분자는 기체 상태가 가장 무질서(엔트로피 최대).

기체가 용액 속에 녹으면
→ 자유도로 제한됨
→ 엔트로피 감소 (불리한 변화)

온도가 올라가면
→ 엔트로피를 증가시키는 방향(기체로 빠져나감)이 유리
→ 기체의 용해도 감소

[2]
1. 크롬(Cr, 원자번호 24)
정상 규칙대로라면:
4s² 3d⁴

실제 전자배치(예외):
4s¹ 3d⁵

이유:
반쯤 채워진(d⁵) 준위는 특히 안정하다.
3d 오비탈은 다섯 개(dxy, dyz, dzx, dx²−y², dz²)인데, 각각에 한 개씩 전자를 넣은 ‘반충전(half-filled)’ 상태는
1)전자 간 반발 최소화
2)교환에너지(exchange energy) 증가
3)전자배치의 대칭성 증가
-> 에너지적으로 더 안정함

따라서 4s의 전자 1개가 3d로 이동하여 4s¹ 3d⁵가 된다.

2. 구리(Cu, 원자번호 29)
정상 규칙대로라면:
4s² 3d⁹

실제 전자배치(예외):
4s¹ 3d¹⁰

이유:
d 오비탈이 완전히 채워진(d¹⁰) 상태는 매우 안정하다.
3d¹⁰은
1)전자구름이 완전 대칭
2)교환에너지 증가
3)전자 간 반발 최소화
-> 에너지 최저 상태

그래서 4s의 전자 하나가 3d로 이동하여 4s¹ 3d¹⁰을 만든다.

[정리]
4주기 전이원소 중 크롬(Cr)과 구리(Cu)는 전자배치에서 규칙의 예외가 나타난다.
Cr은 정상 배치 4s² 3d⁴가 아니라 4s¹ 3d⁵로, 이는 반쯤 채워진 d⁵ 배치가 더 안정하기 때문이다.
Cu는 4s² 3d⁹ 대신 4s¹ 3d¹⁰으로 배치되며, d 오비탈이 완전히 채워진(d¹⁰) 상태가 특히 안정하기 때문이다.

[3]
화학 반응에서 최외각 전자가 가장 중요한 이유는, 이 전자들이 가장 바깥에 위치해 핵과의 인력이 약하고 에너지가 높아 다른 원자와 상호작용하기 쉬운 전자이기 때문이다. 대부분의 화학 반응은 원자가 안정한 전자배치(예: 옥텟)을 얻기 위해 최외각 전자를 주고받거나 공유하는 과정이다. 또한 화학결합은 최외각 원자오비탈의 중첩으로 이루어지므로 결합 형성과 반응성은 모두 최외각 전자의 성질에 의해 결정된다. 이온화 에너지, 전자친화도, 전기음성도, 반응성 등 주기적 성질 또한 최외각 전자와 핵 사이의 상호작용에서 기원한다.