[2028학년도] 수능 통합과학 예시 문항_11~15번 풀이

11. 그림은 어느 별의 내부 구조와 각 영역에서 가장 큰 질량비를 차지하는 원소를 나타낸 것이다. X, Y, Z는 규소, 철, 탄소를 순서 없이 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

주어진 그림은 질량이 태양보다 매우 큰 별의 내부 성층 구조를 보여줍니다. 중심부로 갈수록 더 높은 온도에서 일어나는 핵융합 반응의 결과물인 무거운 원소들이 분포합니다. 별 내부의 원소 생성 순서는 가벼운 것부터 수소 → 헬륨 → 탄소 → 산소 → 네온/마그네슘 → 규소 → 철 순입니다. 따라서 X는 헬륨층과 산소층 사이에 위치하므로 탄소(C), Y는 산소층 안쪽이자 가장 중심부 바로 바깥층이므로 규소(Si), Z은 별의 가장 중심부이므로 최종 생성물인 철(Fe)입니다.

 

ㄱ. 중심부의 온도는 이 별이 태양보다 높다.

→ O(중심부에 철(Z)이 만들어질 정도로 핵융합 반응이 진행되었으므로, 이 별은 질량이 태양보다 매우 큰 별입니다. 철을 생성하는 단계까지 가려면 태양의 중심부 온도보다 훨씬 더 높은 온도가 필요하므로 올바른 설명입니다)

 

ㄴ. X와 Y는 같은 족 원소이다.

→ O(X는 탄소(C)이고, Y는 규소(Si)입니다. 교과서의 주기율표에 따르면 탄소와 규소는 모두 원자가 전자 수가 4개인 14족 원소에 해당하므로 올바른 설명입니다)

 

ㄷ. 지구를 구성하는 원소의 질량비는 Y가 Z보다 크다.

→ X(Y는 규소(Si)이고 Z는 철(Fe)입니다. 지구 전체를 구성하는 원소의 질량비는 철(약 35%)이 가장 크고, 그다음이 산소(약 30%), 규소(약 15%) 순입니다. 따라서 Y(규소)의 질량비가 Z(철)보다 작으므로 틀린 설명입니다)

 

정답은 ㄱ, ㄴ으로, ③입니다.

 

💡 별 내부의 원소 생성 순서(탄소 → 산소 → 규소 → 철)를 바탕으로 기호 X, Y, Z가 각각 어떤 원소인지 정확하게 찾아내는 것이 핵심인 문항이었습니다. 이를 화학 단원의 '주기율표(14족 원소)' 개념 및 지구과학 단원의 '지구 구성 물질 질량비'와 정확하게 융합하여 해석할 수 있어야 합니다.

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12. 그림은 XCla 수용액에 금속 Y를 넣어 반응을 완결시켰을 때, 반응 전과 후 수용액에 존재하는 모든 이온을 모형으로 나타낸 것이다. ●, ■, ▲는 각각 Xa+, Yb+, C1- 중 하나이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, X와 Y는 임의의 원소 기호이다.)

반응 전후 모형을 비교하면 동그라미(O) 모양의 이온은 반응 전 6개에서 반응 후 6개로 개수가 변하지 않았습니다. 따라서 ● 는 반응에 참여하지 않은 구경꾼 이온인 염화 이온(Cl-)입니다.

 

반응 전: 수용액은 Xa+(■) 4개와 Cl-(●) 6개로 이루어져 있습니다. 수용액은 전기적으로 중성이어야 하므로 양이온과 음이온의 총 전하량의 합은 0이 되어야 합니다. (+a)×4+(-1)×6=0→4a=6→a=1.5

 

반응 후: 수용액은 새롭게 녹아 들어온 Yb+(▲) 2개와 Cl-(●) 6개로 이루어져 있습니다. 마찬가지로 전기적 중성을 만족해야 합니다. (+b)×2+(-1)×6=0→2b=6→b=3

따라서 a와 b의 비율은 a:b=1.5:3=1:2입니다.

 

ㄱ. ●는 Cl-이다.

→ O(모형에서 반응 전후로 개수가 변하지 않는 O는 구경꾼 이온인 Cl-가 맞습니다)

 

ㄴ. 이 반응에서 Y는 산소를 얻어 산화된다.

→ X(산화·환원은 산소의 이동뿐만 아니라 전자의 이동으로도 정의됩니다. 금속 Y는 수용액 속에서 반응하면서 '전자를 잃고' 양이온(Y3+)이 되며 산화한 것입니다. 산소가 관여하는 반응이 아니므로 틀린 설명입니다)

 

ㄷ. a:b=3:2이다.

→ X(앞선 전하량 보존 분석을 통해 구한 비율은 a:b=1:2이므로 틀린 설명입니다)

 

정답은 ①입니다.

 

💡 수용액의 금속 이온화 반응을 모형으로 해석할 때, 구경꾼 이온을 기준으로 삼아 각 입자의 '정확한 개수'를 파악하는 것이 우선입니다. 이를 바탕으로 수용액의 전하량 보존 법칙을 적용해 이온의 전하량 비를 계산해 내고, 산소의 결합이 아닌 전자의 잃고 얻음으로 산화·환원을 명확히 정의할 수 있어야 합니다.

 

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13. 그림 (가)는 우주를 구성하는 원소의 질량비를, (나)는 별 S와 원소 ㉠, ㉡의 스펙트럼을 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

(가) 우주를 구성하는 원소의 질량비는 수소가 약 74%, 헬륨이 약 24%를 차지합니다. 따라서 질량비가 가장 큰 ㉠은 수소(H), 두 번째로 큰 ㉡은 헬륨(He)입니다.

 

(나) 별 S의 스펙트럼(연속 스펙트럼 바탕에 검은 선이 나타나는 흡수 스펙트럼)을 보면, 원소 ㉠(수소)과 ㉡(헬륨)의 방출선 위치와 정확히 일치하는 곳에 흡수선이 나타납니다. 이를 통해 별 S의 대기 성분에 수소와 헬륨이 포함되어 있음을 파악할 수 있습니다.

 

ㄱ. ㉠ 원자는 빅뱅 이후 약 38만 년이 지난 뒤 형성되었다.

→ O(빅뱅 우주론에 따르면 빅뱅 이후 우주가 계속 팽창하며 식어감에 따라 약 38만 년이 지났을 때 우주의 온도가 약 3000 K로 낮아졌습니다. 이때 전자가 원자핵(수소 원자핵, 헬륨 원자핵)과 결합하여 비로소 중성의 수소(㉠) 원자와 헬륨 원자가 형성되었으므로 올바른 설명입니다)

 

ㄴ. 우주를 구성하는 ㉡의 대부분은 별 내부의 핵융합 반응으로 만들어졌다.

→ X(우주 전체 질량의 약 24%를 차지하는 막대한 양의 헬륨(㉡) 대부분은 별의 내부가 아니라, 빅뱅 직후 약 3분경에 일어난 초기 우주의 핵융합 반응을 통해 만들어졌습니다. 별 내부의 핵융합 반응으로도 헬륨이 생성되지만, 우주 전체 분포에서 차지하는 비중은 초기 우주에서 만들어진 양이 압도적이므로 틀린 설명입니다)

 

ㄷ. S의 대기는 ㉠과 ㉡으로만 구성되어 있다.

→ X((나)에 제시된 별 S의 스펙트럼을 자세히 보면, ㉠(수소)과 ㉡(헬륨)의 스펙트럼 선 위치와 일치하는 선들 외에도 다른 위치에 나타나는 여러 개의 흡수선이 추가로 존재합니다. 이는 별 S의 대기에 수소와 헬륨 외의 다른 원소들도 포함되어 있다는 것을 의미하므로 틀린 설명입니다)

 

정답은 ㄱ으로, ①입니다.

 

💡 우주를 구성하는 두 주요 원소(수소, 헬륨)의 질량비와 그들이 형성된 정확한 시기(빅뱅 후 3분 vs 38만 년)를 구분하는 것이 중요합니다. 또한 여러 스펙트럼을 대조하여 별의 대기 구성 성분을 찾아내는 스펙트럼 분석 방법을 시각적으로 정확히 해석할 수 있어야 합니다.

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14. 다음은 전자껍질 모형을 이용한 원소의 전자 배치와 관련된 탐구 활동이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, X, Y, Z는 임의의 원소 기호이다.)

산소(O)의 원자 번호는 8번이며, 제시된 전자 배치 규칙에 따라 첫 번째 껍질에 2개, 두 번째 껍질에 6개의 전자가 배치됩니다. 따라서 전자가 들어 있는 전자껍질 수는 2, 원자가 전자 수는 6이므로 그 비율은 6/2=3입니다.

표에서 산소(O)에 해당하는 값이 9a로 주어졌으므로, 9a=3에서 a=1/3임을 알 수 있습니다.

이를 바탕으로 원자 번호 7~17 중 나머지 원자 X, Y, Z의 비율과 정체를 알아낼 수 있습니다.

 

X: 비율이 6a=6×1/3=2입니다. 주어진 원자 번호(7~17) 범위에서 껍질 수 대비 원자가 전자 수가 2인 원소는 황(S)(3주기, 원자가 전자 6개, 6/3=2)입니다.

 

Y: 비율이 3a=3×1/3=1입니다. 해당하는 원소는 알루미늄(Al)(3주기, 원자가 전자 3개, 3/3=1)입니다.

 

Z: 비율이 a=1/3입니다. 해당하는 원소는 나트륨(Na)(3주기, 원자가 전자 1개, 1/3입니다.

 

ㄱ. Z는 전자 2개를 잃으면 네온(Ne)의 전자 배치를 갖는다.

→ X(Z는 나트륨(Na, 11번)입니다. 나트륨은 원자가 전자가 1개이므로, 전자 1개를 잃어야 안정한 네온(Ne, 10번)의 전자 배치를 갖는 양이온(Na+)이 됩니다. 따라서 2개를 잃는다는 설명은 틀렸습니다. 참고로 전자 2개를 잃어 네온의 전자 배치를 갖는 것은 12번 마그네슘입니다)

 

ㄴ. XO2는 공유 결합 화합물이다.

→ O(X는 황(S)이므로 XO2는 이산화 황(SO2)이 됩니다. 비금속 원소인 황(S)과 비금속 원소인 산소(O)가 전자를 공유하여 결합한 공유 결합 화합물이 맞으므로 올바른 설명입니다)

 

ㄷ. Y와 산소(O)가 결합하여 형성된 안정한 화합물은 액체 상태에서 전기 전도성이 있다.

→ O(Y는 알루미늄(Al)이므로, 금속 원소인 알루미늄과 비금속 원소인 산소가 결합한 화합물(산화 알루미늄, Al2O3)은 이온 결합 화합물입니다. 이온 결합 화합물은 고체 상태에서는 전기가 통하지 않지만, 액체 상태(용융 상태)에서는 이온이 자유롭게 이동할 수 있어 전기 전도성이 있으므로 올바른 설명입니다)

 

정답은 ㄴ, ㄷ으로, ④입니다.

 

💡 주어진 분수식의 의미를 파악하고, 산소(O)의 전자 배치를 통해 미지수 a의 값을 정확히 계산해 내는 것이 첫 번째 관문입니다. 이후 계산된 비율을 바탕으로 주기율표 내 7번~17번 사이의 원소 중 X, Y, Z의 정체(S, Al, Na)를 역추적하여, 각 원소의 이온 형성 원리와 화학 결합 성질(이온 결합, 공유 결합)을 종합적으로 파악할 수 있어야 완벽하게 풀 수 있는 고난도 문항입니다.

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15. 그림은 지구시스템을 구성하는 각 권역 사이의 탄소 순환 과정을, 표는 탄소의 이동 과정 ㉠, ㉡, ㉢의 예를 나타낸 것이다. A, B, C는 기권, 수권, 지권을 순서 없이 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

과정 ㉠ (산호 골격 생성): 바닷물 속 탄산 이온을 이용해 산호 골격이 만들어지는 것은 '수권'에서 '지권'으로의 이동입니다. 모형에서 ㉠ 화살표가 '권역 A'에서 '권역 B(지권)'로 향하고 있으므로 A는 수권입니다.

 

과정 ㉡ (석탄의 생성): 생물의 유해가 묻혀 석탄이 되는 것은 '생물권'에서 '지권'으로의 이동입니다. 모형에서 ㉡ 화살표가 '생물권'에서 '권역 B'를 향하고 있으므로 B는 지권입니다.

 

과정 ㉢ (ⓐ): 모형에서 ㉢ 화살표는 권역 C(기권)에서 권역 A(수권)를 향하고 있습니다. 즉, ⓐ는 대기 중의 이산화 탄소가 바다에 녹아들어가는 용해 과정입니다.

 

남은 C는 기권이 됩니다.

 

ㄱ. A는 수권이다.

→ O(분석한 대로 A는 수권이 맞으므로 올바른 설명입니다)

 

ㄴ. 침전에 의해 석회암이 생성되는 과정은 B의 탄소량을 증가시킨다.

→ O(B는 지권입니다. 탄산 이온이 침전되어 지권에 석회암 형태로 쌓이게 되므로, 지권(B) 내부에 저장되는 탄소의 양은 증가합니다)

 

ㄷ. ‘육상 식물의 광합성’은 ⓐ에 해당한다.

→ X(육상 식물의 광합성은 기권(C)의 탄소가 생물권으로 이동하는 과정입니다. 하지만 ⓐ(㉢)는 기권(C)에서 수권(A)으로 이동하는 용해 과정의 화살표이므로 전혀 다른 과정입니다)

 

정답은 ③입니다.

 

💡 모형에 그려진 화살표의 시작점과 도착점을 꼼꼼히 확인하는 것이 핵심이었습니다. ㉡ 화살표(생물권→B)를 통해 B가 지권임을 먼저 확정하고, ㉠ 화살표(A→B)를 통해 A가 수권임을 연쇄적으로 찾아내면 <보기>의 함정을 완벽하게 피할 수 있습니다.