Ⅱ-1. 원자의 구조

04. 원자 구조

정답과 해설

[정답] ③

러더퍼드는 [eqn: alpha] 입자 산란 실험에서 대부분의 [eqn: alpha] 입자가 금박을 그대로 통과하고, 극히 일부의 [eqn: alpha] 입자가 크게 휘거나 튕겨 나오는 현상을 관찰하였다. 이를 바탕으로 러더퍼드는 원자의 중심에 원자 질량의 대부분을 차지하는 크기가 작은 (+)전하를 띤 원자핵이 있음을 발견하여, 이를 원자핵이라고 하였다.

해설

[정답] ④

④ 금([eqn: rm _{79} rm `Au])은 양성자 수가 79이고, 알루미늄([eqn: rm _{13} rm `Al])은 양성자 수가 13이므로 금은 알루미늄보다 원자핵의 전하량이 6배 정도 크다. 민수는 금박 대신 알루미늄박으로 실험하였으므로 민수가 세운 가설로 적절한 것은 경로가 휘거나 튕겨 나온 α 입자의 수는 원자핵의 전하량에 따라 달라진다는 것이다.

해설

① 음전하를 띠는 입자가 질량이 크고 원자핵과 같이 좁은 공간에 모여 있다면 (+)전하를 띠는 입자와 인력이 작용하기 때문에 실험과 같은 결과가 얻어지지 않는다.

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②, ⑤ 원자핵 주변에서의 전자의 위치에 대한 오비탈 모형의 내용으로, 실험 결과와는 관련이 없다.

③ 원자핵 주위의 전자의 운동에 관련된 보어 모형의 내용으로, 실험 결과와는 관련이 없다.

[정답] ②

② 톰슨은 음극선 실험을 통해 음극선이 (-)전하를 띤 입자의 흐름이라는 것을 알아내고, 이 입자를 전자라고 하였다. 또한 이 결과를 근거로 (+)전하를 띠는 공 모양의 물질에 (-)전하를 띠는 전자가 박혀 있는 원자 모형을 제안하였다.

해설

① 돌턴의 원자 모형으로, 더 이상 쪼갤 수 없는 단단한 공과 같은 모형이다.

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③ 러더퍼드의 원자 모형으로, 부피가 작고 밀도가 큰 (+)전하를 띠는 원자핵이 중심에 있고, 그 주위를 (-)전하를 띠는 전자가 돌고 있는 모형이다.

④ 보어의 원자 모형으로, 전자는 원자핵 주위의 특정한 에너지 준위를 가진 궤도 상에서만 원운동하고 있는 모형이다.

⑤ 현대의 원자 모형으로, 특정 위치에서 전자가 발견될 확률을 나타내며 전자가 원자핵 주위에 구름처럼 퍼져 있는 모형이다.

[정답] ②

A는 현대적 원자 모형, B는 톰슨 원자 모형, C는 보어 원자 모형이다. A, B, C 중 원자의 에너지의 불연속성이 나타나지 않은 B는 수소 원자의 선 스펙트럼을 설명할 수 없다. 또 A와 C 중 전자의 존재를 확률 분포로 설명할 수 있는 것은 현대적 원자 모형이다. 따라서 (가)는 A, (나)는 C, (다)는 B이다.

해설

[정답] ①

ㄱ. 중성 원자에서는 전자 수와 양성자 수가 같으므로 ○는 양성자, ●는 중성자, 는 전자이다. X와 Y는 양성자 수는 같고 중성자 수가 다르므로 동위 원소이다.

해설

ㄴ. 질량수는 양성자 수와 중성자 수의 합이므로 Y와 Z의 질량수는 3으로 같다.

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ㄷ. Z는 양성자가 2개, 질량수가 3이므로 원자 번호와 질량수를 표시하면 [eqn: pile{2#3}]Z이다.

[정답] ①

각 빈 칸에 알맞은 낱말은 가로 1번은 원자가 전자, 세로 1번은 원자량, 2번은 양성자, 3번은 전자, 4번은 중성자이다. 따라서 Na의 원자가전자 수 [eqn: x]는 1이다.

해설

[정답] ①

ㄱ. X 이온과 Y 이온의 원자핵을 구성하는 입자가 [eqn: a], [eqn: b]이므로 [eqn: c]는 전자이다. 이때 Y 이온의 구성 입자 수에서 [eqn: a]가 양성자라고 하면 양성자 수와 전자 수가 같아지게 되어 이온이 될 수 없으므로 [eqn: a]는 중성자이어야 한다.

해설

ㄴ. [eqn: a]는 중성자이므로, [eqn: b]는 양성자이다. X 이온의 구성 입자는 양성자 수가 11, 중성자 수가 12, 전자 수가 10이므로 X 이온은 [eqn: rm _{11} ^{23} rm `X ^{+}]로 나타낼 수 있다.

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ㄷ. X 이온과 Y 이온은 전자 수가 같고, 양성자 수는 X 이온이 Y 이온보다 많으므로 이온 반지름은 핵전하량이 작은 Y 이온이 X 이온보다 크다.

[정답] ③

원자의 구성 입자 중 전하가 있는 입자는 양성자와 전자이고, 원자핵의 성분은 양성자와 중성자이다. 따라서 A는 양성자, B는 전자, C는 중성자이며, 표를 완성하면 다음과 같다.

해설

ㄱ. A는 원자핵의 성분이면서 전하를 띠는 입자이므로 양성자이다.

ㄷ. 질량수는 원자핵에 들어 있는 양성자 수와 중성자 수를 합한 수이다. X의 질량수는 15, 양성자 수([eqn: a])는 7이므로 중성자 수([eqn: b])는 8이다. Y의 질량수는 18, 중성자 수는 10이므로 양성자 수([eqn: c])는 8이다. 또한 [eqn: rm Y^{ -}]는 전자 수가 양성자 수보다 1개 더 많으므로 전자 수([eqn: d])는 9이다. 따라서 [eqn: a+d=b+c=16]이다.

ㄴ. 원자는 전기적으로 중성이므로 양성자 수와 전자 수가 같다. X의 전자 수가 7이므로 양성자 수도 7이다. 따라서 X의 원자 번호는 7이다.

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[정답] ②

원자는 전기적으로 중성이므로 양성자수와 전자 수가 같으며, 질량수는 원자핵을 구성하는 양성자수와 중성자수를 합한 값과 같다. 원자 X, Y, Z의 양성자수가 각각 [eqn: x], [eqn: y], [eqn: z]라고 할 때 전자 수도 각각 [eqn: x], [eqn: y], [eqn: z]이므로 다음과 같은 식이 성립한다.

해설

X : [eqn: {질량수} over {전자``수} = {6+x} over {x} =2], Y : [eqn: {질량수} over {전자``수} = {7+y} over {y} =2], Z : [eqn: {질량수} over {전자``수} = {8+z} over {z} = {7} over {3}]

따라서 [eqn: x=6], [eqn: y=7], [eqn: z=6]이다.

ㄴ. X와 Z는 양성자수가 6으로 같으나 중성자수가 달라 질량수가 다른 원소이므로 동위 원소이다.

ㄱ. Y는 양성자수가 7, 중성자수가 7, 질량수가 14이므로 [eqn: {} _{7} ^{14} rm N]이다.

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ㄷ. Z는 양성자수가 6, 중성자수가 8, 질량수가 14이므로 Y와 Z의 질량수는 같다.

[정답] ④

Z는 2주기 원소이므로 [eqn: rm Z^-]은 [eqn: rm F^-]이며, 양성자수는 9, 전자 수는 10이다. [eqn: rm Z^-]에서 ㉡의 수가 ㉠과 ㉢의 수보다 1 적으므로 ㉡은 양성자이며, [eqn: b]=9이다. 만일 [eqn: a]=5이면 Y에서 ㉡은 [eqn: 1 over 2 ( a+ b) = 1over 2 (5+9)=7]이므로 ㉠은 전자이다. 만일 [eqn: a]=6이면 [eqn: {1} over {2} (a+b)= {1} over {2} (6+9)=7.5]가 되는데, 양성자수, 중성자수, 전자 수는 자연수이므로 맞지 않다. 따라서 [eqn: a]=5, [eqn: b]=7, ㉠은 전자, ㉡은 양성자, ㉢ 중성자이다.

해설

ㄴ. 질량수는 원자핵을 구성하는 양성자수와 중성자수를 더한 값과 같다. X의 양성자는 5, 중성자는 6이므로 질량수는 11이다.

ㄷ. 중성자수는 X 6, Y 8, Z 10이므로 중성자수는 Z가 가장 크다.

ㄱ. ㉠은 전자이다.

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[정답] ⑤

ㄱ. X의 양성자수는 전자 수와 같은 6이고, 중성자수가 6이므로 질량수 ㉠은 12이다.

해설

ㄴ. Y의 질량수가 13이고, 중성자수가 7이므로 양성자수는 6이다. 이로부터 Y와 X는 양성자수가 같고 중성자수가 다른 동위 원소이다.

ㄷ. Z의 질량수가 17이고, 중성자수가 9이므로 양성자수는 8이다. 이로부터 Z의 전자 수는 양성자수와 같은 8이므로 Z 원자가 전자 2개를 얻어 형성된 Z2-의 전자 수는 10이다.

[정답] ②

ㄴ. [eqn: rm ^{13} rm C]의 원자 번호는 6이므로 양성자 수는 6이고, 중성자 수는 7(=13-6)이다. 또 [eqn: rm ^{14} rm N]의 원자 번호는 7이므로 양성자 수는 7이고, 중성자 수는 7(=14-7)이다. 따라서 중성자 수는 [eqn: rm ^{13} rm C]와 [eqn: rm ^{14} rm N]가 같다.

해설

ㄱ. [eqn: rm^15 rmN]와 [eqn: rm ^{14} rm N]의 원자 번호는 같으므로 원자를 구성하는 양성자 수와 전자 수는 서로 같다.

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ㄷ. [eqn: rm ^{12} rm C]와 [eqn: rm ^{13} rm C]의 전자 수가 같고, [eqn: rm ^{16} rm O]와 [eqn: rm ^{18} rm O]의 전자 수가 같다. 따라서 [eqn: rm ^{12} rm C][eqn: rm ^{16} rm O_2]와 [eqn: rm ^{13} rm C][eqn: rm ^{18} rm O_2]의 화학 결합의 종류는 같다.

[정답] ③

동위 원소는 양성자 수는 같으나 중성자 수가 달라 질량수가 다른 원소로, 화학적 성질은 같지만 물리적 성질이 다르다.

해설

ㄱ. 존재 비율을 각각 [eqn: {} ^{a} rm X]는 [eqn: x], [eqn: {} ^{a+2} rm X]는 [eqn: y]라고 할 때, [eqn: {} ^{a} rm X _{2}]의 존재 비율은 [eqn: x ^{2} = {1} over {4}], [eqn: {} ^{a+2} rm X _{2}]의 존재 비율은 [eqn: y ^{2} = {1} over {4}]이다. 따라서 [eqn: {} ^{a} rm X]와 [eqn: {} ^{a+2} rm X]의 존재 비율은 모두 [eqn: {1} over {2}]로 같다.

ㄷ. [eqn: {} ^{a} rm X]와 [eqn: {} ^{a+2} rm X]는 동위 원소로 화학적 성질이 같다.

ㄴ. [eqn: {} ^{a} rm X]와 [eqn: {} ^{a+2} rm X]는 동위 원소이므로 중성자 수가 다르다.

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[정답] ③

만일 (가)가 양성자라면 ㉢의 원자 번호는 20이 되므로 A~D는 3주기 원소라는 제시된 조건에 맞지 않다. 따라서 (가)는 중성자 수, (나)는 양성자 수이다. A는 B의 동위 원소이므로 A와 B는 양성자 수가 같다. 제시된 ㉠, ㉡, ㉣의 양성자 수는 모두 다르므로 ㉢은 A, B 중 하나이다. 또한 C와 D는 [eqn: {중성자``수}over{전자``수}]□ □인데 ㉠은 1이 아니므로 ㉠도 A, B 중 하나이고, 질량수는 ㉢이 ㉠보다 크므로 ㉠은 A, ㉢은 B이다. 따라서 ㉡과 ㉣은 [eqn: {중성자``수}over{전자``수}]□ □이다. 표는 A~D에 대한 자료이다.

해설

ㄱ. (가)는 중성자 수이다.

ㄴ. B는 양성자 수 17, 중성자 수 20이므로 질량수는 37이다.

ㄷ. D의 양성자 수는 16이므로 원자 번호는 16이다.

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[정답] ④

[eqn: {}^{1} rmH]에는 양성자가 1개가 있고, [eqn: {}^{4} rmHe]에는 양성자 2개, 중성자 2개가 있다. 또한 [eqn: {}^{12} rmC]에는 양성자 6개, 중성자 6개가 있고, [eqn: {}^{13} rmC]에는 양성자 6개, 중성자 7개가 있다.

해설

용기 속에는 [eqn: {}^{4} rmHe] 0.1몰, [eqn: {}^{12} rmC] 0.2몰, [eqn: {}^{13} rmC] 0.2몰, [eqn: {}^{1} rmH] 1.6몰이 있다.

전체 중성자 수는 0.1몰×2+0.2몰×6+0.2몰×7=2.8몰 이다.

전체 양성자 수는 0.1몰×2+0.2몰×6+0.2몰×6+1.6몰×1

=4.2몰이다.

따라서 [eqn: {전체``중성자`수} over {전체``양성자`수} `=` {2.8} over {4.2} = {2} over {3}]이다.

[정답] ④

[eqn: {}^{1}rmH _{ 2} ^{ 16}O]의 분자량은 18이고, [eqn: {}^{1}rmH _{ 2} ^{ 18}O]의 분자량은 20이며, (가)와 (나)의 용기 속 기체의 온도와 압력이 같으므로 각 용기 속에 들어 있는 기체의 양(mol)이 같다. 따라서 (가) 용기 속 [eqn: {}^{1}rmH _{ 2} ^{ 16}O]의 양(mol)을 [eqn: x], (나) 용기 속 [eqn: {}^{1}rmH _{ 2} ^{ 16}O]의 양(mol)을 [eqn: y], [eqn: {}^{1}rmH _{ 2} ^{ 18}O]의 양(mol)을 [eqn: x]-[eqn: y]라고 하면, 두 용액 속 기체의 질량비는 다음과 같다.

해설

(가) : (나)=18×[eqn: x] : 18×[eqn: y]+20×([eqn: x]-[eqn: y])=45 : 46

∴ [eqn: x] : [eqn: y]=5 : 4

[eqn: {}^{1}rmH]의 중성자수는 0, [eqn: {}^{16}rmO]의 중성자수는 8, [eqn: {}^{18}rmO]의 중성자수는 10이므로 (나)에 들어 있는 기체의 전체 중성자수 : 전체 양성자수=42 : 50=21 : 25이며, [eqn: { 전체~중성자수} over {전체~양성자수 }= { 21} over { 25}]이다.

[정답] ④

동위 원소는 양성자수가 같고 질량수가 다른 원소이다. 질량수는 양성자수+중성자수 이므로 질량수가 큰 동위 원소의 중성자수가 크다. 또 평균 원자량은 각 원자의 원자량에 존재 비율을 고려하여 구한 평균값이다.

해설

ㄴ. 동위 원소에서 질량수가 클수록 중성자수가 크다.

ㄷ. 12C와 13C의 존재 비율을 고려하여 구한 평균값이 12.01로 12C의 질량수에 가까운 것으로 보아 자연계에서 존재 비율은 12C가 13C보다 크다.

ㄱ. 동위 원소는 양성자수가 같으므로 [eqn: a]=[eqn: b]이다.

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