21학년도 6월 화학 2 20번 풀이

개인적으로 평가원 문항 중 손에 꼽히는 난이도와 퀄리티라고 생각합니당

이 문항에 대하여 크고 작은 요소 모두 다뤄보겠습니다!

1. 풀이

1) 초기 상태 (가) 과정에서 A와 B는 합쳐서 8.1개, He은 1.8개 존재합니다.

2) (나) 과정과 (나)의 결과를 보면, 반응 후 D의 몰 분율이 0.5이고, 반응식에서 C와 D는 계수비대로 생성되어 존재하므로, C의 몰 분율이 0.4임을 알 수 있습니다. 또한 A와 B 중 남은 물질은 0.1의 몰 분율로 존재합니다.

3) (다) 과정과 (다)의 결과를 보면, 온도를 올린 상태에서 C의 부분 압력이 0.6atm입니다. 

(다) 과정 후의 상태를 생각해보면 피스톤은 실린더 중간에서 멈추고, 온도를 올리더라도 좌우 몰수가 변하지 않기 때문에 피스톤의 위치는 변하지 않습니다. 즉 피스톤 왼쪽의 부피는 일정하고, 온도를 올렸을 때 압력이 그에 비례하여 배수가 되었음을 알 수 있습니다. 즉, 원래 온도인 TK에서 C의 부분 압력은 0.6* 0.6=0.36atm입니다.

돌턴의 부분 압력 법칙에 따라, C의 부분 압력은 혼합 기체의 압력에 C의 몰 분율을 곱한 값과 같고, 따라서 혼합 기체의 압력은 C의 부분 압력을 C의 몰 분율로 나누어 구할 수 있습니다. 

2)에서 C의 몰 분율이 0.4이고, 3)에서 C의 부분 압력이 (TK에서) 0.36atm이므로 TK에서 반응 후 피스톤 왼쪽의 전체 압력은 0.9atm입니다.

여기서 반응 후 전체 기체의 몰수를 구할 수 있습니다.

첫 번째 방법으로, 피스톤 왼쪽과 오른쪽 부피의 합은 사실상 강철 용기, 12L로 일정합니다. 따라서 반응 후 He을 포함한 실린더 내의 모든 기체는 10.8개이고, He은 1.8개이므로, 반응 후 (A또는B)+C+D는 9개입니다.

두 번째 방법으로, 피스톤 왼쪽의 압력과 오른쪽의 압력은 같으므로, He의 압력도 0.9atm임을 알 수 있고, He은 비활성기체로 압력과 부피를 곱한 값이 1.8로 일정하여 부피가 2L임을 알 수 있습니다. 따라서 왼쪽의 부피는 12-2=10L이고, 왼쪽은 전체 9개입니다.

2)에서 각 몰 분율을 구했습니다. 전체 개수도 알기 때문에 각각의 개수를 알 수 있습니다. (A 또는 B)는 0.9개, C는 3.6개, D는 4.5개 존재합니다. 

그런데 반응 전 A와 B가 합쳐서 8.1개 존재했고, 반응 후 (A 또는 B)는 0.9개 존재하므로 반응물의 반응량은 7.2입니다. 생성물의 생성량이 8.1이므로 반응 비는 반응물 : 생성물 = 8 : 9이고, 이는 반응식에서 (1+x) : (4+5)와 같습니다. 

따라서 x=7입니다.

2. 풀이 중요 포인트

1) 초기에 생성물이 없고, 생성물이 두 가지 이상일 때 반응 후 생성물은 계수비대로 몰수가 존재합니다. 이는 기체 단원에만 쓰이지 않고, 화학 평형과 반응 속도 문제에서도 쓰입니다.

2) 압력과 부피를 곱한 값을 몰수로 이해하고, 온도가 바뀌어도 원래 온도에서의 값을 생각합니다. 이는 이미 4번 이상 기출된 소재입니다.

3) 전체 압력에 몰 분율을 곱하면 부분 압력을 알 수 있음을 통해서, 부분 압력을 몰 분율로 나누면 전체 압력을 알 수 있다는 것도 중요합니다. 

4) 실린더를 피스톤으로 갈라놓은 이 실험 장치도 특이합니다. 전체 부피가 일정하므로 피스톤을 생각하며 여러 조건을 뽑을 수 있습니다. 이 장치도 이미 여러 번 기출된 바 있습니다.

5) 각 성분 기체의 조성은 모르지만 전체 몰수를 아는 경우가 이 문제의 주요 소재입니다. 한계반응물을 가정하고 풀 수 도 있지만 두 경우 모두 가능하므로, 큰 의미가 없고, 합을 아는 경우 문제 풀이의 재밌는 점은 각 물질이 얼마나 있는지 알 필요 없다는 것이 되겠습니다. 물론 조성을 묻는 문제도 나올 수 있긴 합니다.

이 소재를 21학년도 수능 16번에 연계하였다고 생각합니다.

3. 야매

A와 B가 반응하여 C와 D가 생성되는 반응의 경우 화2에서는 많은 경우가 탄화수소이고, 또 점화장치가 달린 실험장치일 때 많은 경우 탄화수소의 반응임을 기출에서 눈치 챌 수 있습니다. 탄화수소의 연소 반응식은 잘 알려져 있고, 이에따라 x를 굉장히 논리적으로 찍을(...) 수 있습니다. 

탄화수소를 CmHn이라 할 때, O2의 계수는 m+n/4이고, CO2의 계수는 m, H2O의 계수는 n/2입니다.

즉 생성물의 계수가 a,b일 때 O2의 계수는 a+b/2이거나 a/2+b입니다.

반응식에서 A의 계수가 1인걸 보아 A가 탄화수소인 것 같고, B가 산소같습니다. 생성물의 계수가 4와 5이므로, x는 2+5이거나 4+5/2입니다. 분수가 답일리가 없으니 답은 7입니다

물론 야매에 불과하고 꼭 탄화수소가 나온다는 보장은 없습니다. 실제로 수능에서는 계수를 묻지 않거나 하는 등 계수를 찍어서 맞추더라도 풀이에 영향이 적은 구조입니다. 

다시풀어도 재밌네용 화2