고등 통합과학 산화 환원 반응과 에너지 출입 예상문제

산화 환원 반응과 에너지 출입
{유형 분석}
금속의 반응성 차이를 이용한 화학 전지에서 산화·환원 전극과 전자의 이동 방향, 에너지 전환을 이해하고 있는지 확인하는 문항이다.
{자료 분석}
Zn은 Cu보다 반응성이 커서 $\text{Zn}\to {\text{Zn}}^{2+}+2e^{-}$로 산화되며, 이때 방출된 전자는 도선을 따라 Cu 전극으로 이동하여 용액 속 ${\text{H}}^{+}$이 $2{\text{H}}^{+}+2e^{-}\to {\text{H}}_2$로 환원된다. 이 반응은 자발적인 산화 환원 반응으로, 반응이 진행되며 방출되는 화학 에너지가 전기 에너지로 전환되어 전류계에 전류가 흐른다.
{정답 찾기}
① Zn 전극은 전자를 잃고 산화된다. (X)
② Cu 전극 자체는 반응하지 않으며, 전극 표면에서 용액 속 ${\text{H}}^{+}$이 환원된다. (X)
③ 전자는 산화가 일어나는 Zn(−극)에서 도선을 따라 Cu(+극)로 이동한다. (X)
④ 자발적인 산화 환원 반응에서 방출되는 화학 에너지가 전기 에너지로 전환된다. (O)
⑤ 이 반응은 자발적으로 일어나는 발열성 산화 환원 반응으로, 외부 에너지 공급이 필요하지 않다. (X)
{오답 피하기}
화학 전지에서 전자는 항상 산화가 일어나는 (−)극에서 환원이 일어나는 (+)극으로 도선을 통해 이동한다는 방향을 정확히 기억해야 한다.

[최종 정답]
정답은 4번 「이 장치는 산화 환원 반응에서 방출되는 화학 에너지를 전기 에너지로 전환한다.」이다.

산화 환원 반응과 에너지 출입
{유형 분석}
화학 전지(볼타 전지)에서 일어나는 산화 환원 반응과 에너지 전환을 이해하는 문항이다.
{자료 분석}
반응성이 큰 Zn은 (-)극에서 전자를 잃고 산화되어 ${\text{Zn}}^{2+}$으로 녹아 나오고, 이 전자는 도선을 따라 Cu판((+)극)으로 이동하여 용액 속 ${\text{H}}^{+}$이 전자를 얻어 환원되며 수소 기체가 발생한다. 이 과정에서 화학 에너지가 전기 에너지로 전환된다.
{정답 찾기}
ㄱ. Zn판에서는 $\text{Zn}\to {\text{Zn}}^{2+}+2e^{-}$의 산화 반응이 일어난다. (O)
ㄴ. 전해질이 묽은 황산이므로 Cu판에서는 ${\text{Cu}}^{2+}$이 아니라 ${\text{H}}^{+}$이 환원되어 수소 기체가 발생하며, Cu판 자체의 질량은 변하지 않는다. (X)
ㄷ. 이 장치는 산화 환원 반응에서 방출되는 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하는 화학 전지이다. (O)
따라서 옳은 것은 ㄱ, ㄷ이다.
{오답 피하기}
Zn-CuSO4 수용액 반응(금속 치환 반응)과 달리, 이 전지의 전해질은 묽은 황산이므로 Cu판에서 구리가 석출되는 것이 아니라 수소 기체가 발생한다는 점에 유의해야 한다.

[최종 정답]
정답은 4번 「ㄱ, ㄷ」이다.

산화 환원 반응과 에너지 출입
{유형 분석}
연소 반응의 에너지 준위 그림을 통해 발열 반응 여부를 판단하고, 연소가 산화 환원 반응임을 함께 이해하고 있는지 확인하는 문항이다.
{자료 분석}
그림에서 반응물의 에너지 준위가 생성물의 에너지 준위보다 높으므로, 반응이 진행되면서 에너지가 방출되는 발열 반응임을 알 수 있다. 연료가 산소와 반응하여 연소되는 과정에서 연료를 구성하는 탄소와 수소는 산화되고, 산소는 환원된다.
{정답 찾기}
ㄱ. 반응물의 에너지 준위가 생성물보다 높아 반응이 진행되며 에너지가 방출되므로 발열 반응이다. (O)
ㄴ. 연료는 산소에 의해 산화되어 CO2와 H2O가 되므로 이 반응은 산화 환원 반응이다. (O)
ㄷ. 발열 반응은 반응 중 방출된 에너지가 주위로 전달되므로 주위의 온도는 높아진다. 낮아진다는 설명은 옳지 않다. (X)
{오답 피하기}
발열 반응에서는 화학 에너지가 열에너지로 전환되어 주위로 방출되므로 주위의 온도가 상승한다는 점에 유의해야 한다.

[최종 정답]
정답은 3번 「ㄱ, ㄴ」이다.

산화 환원 반응과 에너지 출입
{유형 분석}
화학 전지에서 산화 전극과 환원 전극의 반응, 전자의 이동 방향, 에너지 전환을 종합적으로 이해하는 문항이다.
{자료 분석}
이 전지에서 Zn은 Cu보다 반응성이 커서 전자를 잃고 산화되어 (-)극(산화 전극)이 되고, Cu판에서는 수용액 속 H⁺이 전자를 얻어 환원되어 (+)극(환원 전극)이 된다. 전자는 반응성이 큰 Zn판에서 도선을 통해 Cu판으로 이동하며, 이 과정에서 산화 환원 반응이 진행되면서 화학 에너지가 전기 에너지로 전환된다.
{정답 찾기}
ㄱ. Zn판은 (-)극으로, 전자를 잃는 산화 반응이 일어난다. (O)
ㄴ. 전자는 (-)극인 Zn판에서 (+)극인 Cu판으로 도선을 통해 이동한다. Cu판에서 Zn판으로 이동한다는 설명은 방향이 반대이다. (X)
ㄷ. 이 전지에서는 자발적인 산화 환원 반응이 일어나며 화학 에너지가 전기 에너지로 전환되는 발열 반응이다. (O)
따라서 옳은 것은 ㄱ, ㄷ이다.
{오답 피하기}
화학 전지에서 전자는 반응성이 큰 금속(산화되는 (-)극)에서 반응성이 작은 금속((+)극)으로 이동한다는 방향을 반대로 착각하지 않도록 유의해야 한다.

[최종 정답]
정답은 4번 「ㄱ, ㄷ」이다.

산화 환원 반응과 에너지 출입
{유형 분석}
아연-구리 화학 전지의 작동 원리를 산화 환원 반응과 전자의 이동 방향으로 설명할 수 있는지 평가한다.

{자료 분석}
아연은 구리보다 반응성이 커서 아연판에서는 아연 원자가 전자를 잃고 ${\text{Zn}}^{2+}$으로 산화되어 용액 속으로 녹아 나온다(산화 전극, (-)극). 이때 방출된 전자는 도선을 따라 구리판으로 이동하고, 구리판 주변의 ${\text{Cu}}^{2+}$이 이 전자를 받아 Cu로 환원되어 구리판 표면에 석출된다(환원 전극, (+)극). 따라서 시간이 지날수록 구리판의 질량은 증가하고, 전자는 아연판에서 구리판 방향으로 이동한다.

{정답 찾기}
ㄱ. 아연판에서는 Zn이 전자를 잃는 산화 반응이 일어난다. (O)
ㄴ. 구리판에는 ${\text{Cu}}^{2+}$이 환원되어 Cu가 석출되므로 질량이 증가한다. (O)
ㄷ. 전자는 반응성이 큰 아연판에서 구리판 방향으로 이동하므로, '구리판에서 아연판으로 이동한다'는 설명은 옳지 않다. (X)

{오답 피하기}
화학 전지에서 전자는 (-)극(산화 전극)에서 (+)극(환원 전극)으로 도선을 따라 이동하며, 전류의 방향은 이와 반대라는 점을 혼동하지 않아야 한다.

[최종 정답]
정답은 5번 「ㄱ, ㄴ」이다.

산화 환원 반응과 에너지 출입
{유형 분석}
수소 연료 전지에서 일어나는 전자 이동과 에너지 전환을 이해하는 문항이다.
{자료 분석}
수소는 전자를 잃어 산화되고 산소는 전자를 얻어 환원되며, 전체적으로 물이 생성된다. 이때 화학 에너지가 전기 에너지로 직접 전환되어 외부 회로에서 이용된다.
{정답 찾기}
① H₂는 전자를 잃으므로 산화된다. (O)
② 연료 전지의 전체 반응은 에너지를 방출하며, 작동을 위해 외부에서 열을 계속 공급해야 하는 흡열 반응이 아니다. (X, 정답)
③ O₂는 전자를 얻으므로 환원된다. (O)
④ 화학 에너지가 전기 에너지로 전환되어 이용된다. (O)
⑤ 전자의 이동이 일어나는 산화 환원 반응이다. (O)
{오답 피하기}
연료 전지는 연소를 거쳐 열에너지로 바꾼 뒤 발전하는 장치가 아니라, 산화 환원 반응의 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 전환하는 장치이다.

[최종 정답]
정답은 2번 「이 반응은 흡열 반응이므로 전지가 작동하려면 외부에서 계속 열을 공급해야 한다.」이다.

산화 환원 반응과 에너지 출입
{유형 분석}
금속의 반응성 차이를 이용한 화학 전지에서 산화 환원 반응과 전자의 이동 방향을 분석하여 화학 에너지가 전기 에너지로 전환되는 원리를 이해하는 능력을 평가한다.
{자료 분석}
아연은 구리보다 반응성이 커서 아연판에서 Zn이 전자를 잃고 Zn${}^{2+}$으로 산화된다. 이때 나온 전자는 도선을 따라 구리판으로 이동하고, 구리판에서는 용액 속 Cu${}^{2+}$이 전자를 얻어 Cu로 환원되어 석출된다. 이 과정에서 화학 에너지가 전기 에너지로 전환되어 전류가 흐른다.
{정답 찾기}
① 아연판에서는 Zn이 산화되는 반응이 일어난다. (X)
② 화학 전지는 화학 에너지가 전기 에너지로 전환되는 장치이며, 에너지가 소모 없이 새로 생성되는 것이 아니라 형태가 전환되는 것이다(에너지 보존 법칙). (X)
③ 전자는 산화가 일어나는 아연판에서 환원이 일어나는 구리판으로 이동한다. (X)
④ 구리판에서 Cu${}^{2+}$이 전자를 얻어 Cu로 석출되는 환원 반응이 일어난다. (O)
⑤ 아연판에서는 Zn이 계속 산화되어 용액 속으로 녹아 나가므로 아연판의 질량은 시간이 지날수록 감소한다. (X)

[최종 정답]
정답은 4번 「구리판에서는 Cu${}^{2+}$이 전자를 얻어 Cu로 석출된다.」이다.

산화 환원 반응과 에너지 출입
{유형 분석}
화학 전지에서 일어나는 산화 환원 반응과 전자의 이동 방향을 이해하고 있는지 확인하는 문항이다.
{자료 분석}
반응성이 큰 Zn은 전자를 잃고 산화되어 ${\text{Zn}}^{2+}$으로 용액에 녹아 나가며(Zn → ${\text{Zn}}^{2+}$ + $2e^{-}$), 이때 방출된 전자는 도선을 통해 반응성이 작은 Cu판으로 이동한다. Cu판 표면에서는 용액 속의 ${\text{H}}^{+}$이 전자를 얻어 환원되어 수소 기체가 발생한다($2{\text{H}}^{+}+2e^{-}\to {\text{H}}_2$). 이 전지는 산화 환원 반응에서 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하는 장치이다.
{정답 찾기}
① Zn은 반응이 진행될수록 계속 산화되어 용액 속으로 녹아 나가므로 Zn판의 질량은 점점 감소한다. 옳은 설명이다.
② Zn판에서는 산화 반응이 일어나므로 옳지 않다.
③ Cu판에서는 ${\text{H}}^{+}$의 환원 반응이 일어나므로 옳지 않다.
④ 전자는 산화가 일어나는 Zn판에서 Cu판으로 이동하므로 방향이 반대이다. 옳지 않다.
⑤ 이 전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하는 장치이므로 옳지 않다.
따라서 정답은 ①이다.
{오답 피하기}
전지에서 전자는 항상 산화가 일어나는 전극(이 경우 Zn)에서 환원이 일어나는 전극(Cu)으로 도선을 따라 이동한다는 방향을 혼동하지 않아야 한다.

[최종 정답]
정답은 1번 「이 전지가 작동하는 동안 Zn판의 질량은 점점 감소한다.」이다.