물의 특성과 생명체에 미치는 영향

'부일논술'은 달라진 출제 경향에 맞춰 논제를 출제하고,해설을 덧붙여 통합교과형 논술의 길라잡이 역할을 하고자 합니다. 개금고 서진관,부산남고 이성건,부산사대부고 반태훈,부산진고 김정훈,성일여고 김덕곤,양운고 박경원,해강고 김태진 선생님 등 일선 고교 논술지도 교사와 부산종로학원 수리·과학논술팀이 함께 합니다. 본란에 많은 관심 부탁드립니다.

문제

다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오. 　

[1] 1969년 발명된 신소재인 '고어텍스'는 얇은 테플론 피막으로 방수성이 있으면서 수증기는 통과시키는 성질을 가지고 있어 방수용품에 널리 이용되고 있다. '고어텍스'가 가진 특이한 성질을 물의 특성과 연관지어 설명해 보라.

[2] 물의 수소결합이 생명체에게 어떤 의의를 갖는지 설명하시오.

제시문

1

지구상에 가장 흔한 물이라는 액체는 경이로움으로 가득 차 있다. 예를 들면, 물이 실온(25℃)과 1기압의 압력에서 액체로 존재하며 기체가 아니라는 것은 놀랄 만한 일이다. 물의 분자량은 18.0이며, 이처럼 작은 분자량을 갖고 있는 모든 화합물은 같은 조건에서 기체 상태로 존재한다. 세 가지 대중적인 대기 가스를 생각해 보자. N 는 분자량이 28.0, O 는 32.0, 그리고 CO2는 44.0이다. 이들 모두는 물보다 큰 분자량을 갖고 있지만, 우리는 그들을 호흡하는 것이지 마시지는 않는다.

2

두 개의 물 분자가 서로 가까이 할 때 어떤 일이 일어나는가를 생각해 보자. 반대 전하는 서로 끌어당기기 때문에 한 분자에 있는 양전하를 띤 수소 원자 중 하나는 다른 물 분자의 비결합 전자쌍에 의한 음전하 영역에 끌리게 된다. 이것이 분자 사이에 작용하는 분자 간 힘(intermolcular force)의 예인데, H2O 분자는 각각 두 개의 수소 원자와 두 개의 비결합 전자쌍을 갖고 있어서 분자 간 인력의 기회를 증폭시킨다. 이렇게 형성된 결합을 수소결합(hydrogen bond)이라 하는데, 한 분자 내의 양전하를 띠고 있는 한 원자와 다른 분자 내의 음전하를 띠는 다른 원자 사이에 작용하는 정전기적 인력이다.

물 분자의 구조

물 분자는 굽은 형으로 H-O-H가 이루는 각은 104.5도이다.

물 분자는 분자 내에 (+)전하와 (-)전하를 갖는 극성 분자이므로 극성 물질인 에탄올과는 잘 섞이지만, 무극성 물질인 기름이나 사염화탄소와는 잘 섞이지 않는다.

수소결합

전기 음성도가 큰 F, O, N 등의 원자와 다른 분자의 수소 원자 사이에 생기는 결합으로, 수소결합은 원자 사이에 이루어지는 화학 결합이 아니라 분자 사이에 작용하는 강한 인력이다.



답안 작성 길잡이

출제의도

물은 가장 흔히 볼 수 있는 물질인 동시에 신비로운 물질이다. 물의 성질에 대한 연구는 지금도 활발히 진행되고 있으며, 화학 교과에서도 물의 성질에 대해 다루고 있다. 이번 문제는 이러한 물의 성질과 연관해 일상에서 보여지는 현상들을 과학적인 지식을 바탕으로 해석할 수 있는가를 평가하고자 한다.

최근 서울대 논술에서는 이러한 경향의 문제가 많이 출제되는데, 이 유형의 문제를 해결하기 위해서는 평소 주변 사물에 대한 과학적인 관찰 및 여러 상식을 공부하는 태도가 필요하다. 문제를 통해 수험생들이 생활 속의 사물들을 과학적인 사고를 통해 바라보는 습관을 기르는 데 도움이 되었으면 한다.

논제파악

1.현실에서 보여지는 '고어텍스'의 기능을 바탕으로 '고어텍스'가 가진 과학적 특징을 유추해 내고 그것을 제시문에 나온 물의 성질과 연관해 설명하는 문제이다. 제시문에 대한 정확한 이해와 물에 대한 과학적 지식이 필요한 문제이다.

2.물이 가진 특이한 성질은 지구의 환경 유지와 생물체 내의 화학 변화 등 생물계에 지대한 영향을 미친다. 생물 교과에서 이와 같은 내용을 다루는데 여러 측면에서 창의적으로 문제를 해결해 나갈 수 있다.

제시문 분석

1.물의 끓는점이 질량에 비해 비정상적으로 높다는 것을 알 수 있다. 이것은 물이 극성을 띠고 있는 것은 물 분자 간에 서로 잡아당기는 힘이 작용하기 때문이다. 제시문 (나)에 그 이유가 제시되어 있다. 물이 상온에서 액체로 존재하지 않았다면 지구상에 생명체가 존재할 수 없을 만큼 이런 물의 성질은 중요한 의의를 갖는다.

2.물의 수소결합에 대한 설명이다. 제시문에서는 수소결합이 어떤 원리로 발생하게 되는지를 알 수 있다. 수소결합은 정전기의 일종으로 그리 크지 않은 힘이지만, 이 힘이 미치는 영향은 대단히 크다.

해결전략

1.물의 수소결합은 물 분자 사이에 작용해 물 분자들을 서로 끌어당기게 만든다. 이슬이 둥그런 물방울로 맺히는 것도 이와 같은 이유 때문이다. 즉, 물 분자들은 액체로 있을 때는 주변의 분자들과 뭉쳐서 물방울의 형태로 존재하는 것이다. 즉 수증기가 된 물은 각 분자가 서로 떨어져 존재하지만 액체일 때 물은 여러 분자가 한 덩어리로 뭉치게 된다. '고어텍스'는 이런 물의 성질을 이용한 것이기 때문에 이를 이용해 '고어텍스'가 가진 특성을 유추할 수 있다.

2.제시문에서도 알 수 있듯이 물은 수소결합 때문에 높은 비열을 갖는다. 물은 내부에 많은 열을 저장할 수 있는데, 겨울의 바닷물이 따뜻한 것도 이 때문이다. 또 생명체 내에서 물은 액체로 존재해 여러 효소 작용의 바탕이 되며 땀에 의한 체온 조절 또한 물의 증발을 통해 이루어진다. 그리고 물은 얼면서 밀도가 작아져, 호수의 물은 위에서부터 어는데 이 또한 호수 생태계에 있어서 절대적인 것이다.

예시개요

[1]서론 - 물 분자 간의 수소결합으로 인해 액체의 물은 표면장력을 가진다.
　 본론 - '고어텍스'는 물 분자 정도가 통과할 만한 작은 구멍을 지니고 있다.
　 결론 - '고어텍스'의 기능은 물의 표면장력을 이용한 것이다.

[2]서론 - 물은 지구상에서 가장 흔한 물질이자 가장 중요한 물질이다.
　 본론 - 1)물의 비열이 높아 지구상의 에너지 순환에 중추적인 역할을 한다. 2)체내에서 물은 효소 반응의 바탕이 되고 체온 조절을 돕는다. 3)물은 위에서부터 얼기 때문에 호수 생태계가 유지될 수 있다.
　 결론 - 물의 수소결합은 지구 환경과 생물계에 있어 필수적이다.

예시답안

1

물 분자는 극성을 띠고 있어 각 분자 사이에 수소결합을 형성한다. 각 분자 사이에 발생하는 인력은 액체상의 물 분자를 서로 뭉치게 만든다. 이슬이 둥그런 물방울 형태로 맺히고, 컵에 물이 가득 차도 둥그런 모양으로 솟아 오르면서 넘치지 않는 것은 모두 이런 물 분자 간의 힘 때문인데 이를 표면장력이라 한다.

신소재인 '고어텍스'는 수증기는 통과시키지만 액체의 물은 통과시키지 않는다. 그렇다면 수증기 상태의 물과 액체 상태의 물 사이에 어떤 차이점이 존재한다는 것을 알 수 있는데, 바로 물의 표면장력이 이를 설명할 수 있다. 수증기 상태의 물은 각 분자가 서로 떨어져 존재하지만 액체 상태의 물은 표면장력 때문에 여러 개의 물 분자가 서로 뭉쳐있게 된다. 만일 수증기 분자 하나가 통과할 만한 구멍이 있다면, 그 구멍으로 수증기는 통과할 수 있지만 액체상의 물은 표면장력 때문에 통과하지 못할 것이다. 따라서 고어텍스에는 물 분자 크기 정도의 입자가 쉽게 통과할 수 있는 구멍이 수없이 뚫려있다고 예상할 수 있다.

고어텍스는 물의 표면장력이라는 성질을 이용해 수증기는 통과시키고 액체의 물은 통과시키지 않는 신소재이다. 고어텍스의 이런 기능은 방수용품 뿐 아니라 의학이나 공업 분야에 널리 이용될 수 있을 것이다.

2

지구를 덮고 있는 것은 3분의 2가 바다이다. 해수의 96% 이상이 물이라고 할 수 있다. 이처럼 물은 지구상에서 가장 흔한 물질이지만 만약 물이 없다면, 지구상에는 바이러스 한 마리도 생존하지 못할 만큼 중요한 물질이기도 하다.

물과 비슷한 분자량을 가진 물질 중에 상온에서 액체로 존재하는 물질은 없다. 그것은 물 분자 사이에 형성된 수소결합 때문인데, 이 결합으로 인한 힘이 물 분자를 붙들어 쉽게 온도가 올라가지 못하도록 한다. 따라서 물은 비열이 높아 쉽게 뜨거워지거나 차가워지지 않는다. 이런 성질 때문에 바닷물은 추운 고위도 지방에 부족한 열을 공급하고 더운 저위도 지방에 열을 식혀주는 역할을 하면서 지구 전체의 대기 및 에너지 순환에 큰 역할을 한다.

또한, 물은 생물체 내에서 중요한 역할을 하는데 우리 몸에서 모든 화학반응은 물을 매개로 하여 일어난다. 물이 가진 특성으로 인해 화학반응이 촉진되고, 물의 비열이 높기 때문에 체온을 유지할 수 있다. 그리고, 땀을 통한 체온 조절은 물의 기화열이 크기 때문이다.

이뿐만 아니라 생태계에서도 물의 특수한 성질이 절대적인 역할을 한다. 물은 특이하게 4℃일 때가 가장 밀도가 크고 온도가 내려가 얼음이 되면 부피가 증가해 밀도가 감소한다. 이것은 물이 얼음으로 될 때 분자들이 육각형의 형태로 배열되기 때문이다. 이런 물의 성질 때문에 호수나 강에 있는 물은 위에서부터 얼게 된다. 만일 물이 밑에서부터 얼게 된다면 그 속에 살고 있는 수많은 생물들은 추운 겨울을 넘기지 못하고 모두 얼어 죽게 될 것이다.

이렇게 물은 지구 생태계 및 환경 유지에 없어서는 안 될 존재이다. 물이 이러한 역할을 할 수 있는 것은 물이 가진 특수한 성질 때문인데, 그 성질은 수소 원자 두 개와 산소 원자 한 개로 이루어진 물 분자의 구조에서 기인한 것이다. 물 분자의 아주 미세한 힘이 합쳐 모든 생물계와 지구 환경을 지탱하는 중추적인 역할을 하고 있는 것이다.

생각해 볼 과제

수소 결합이 존재하는 물질은 어떤 것이 있을까?
분자 사이 인력은 어떤 것이 있을까?

기출문제

△2008 연세대 논술모의고사(자연계열 문제 3)
△2001 서울대 정시 구술면접(공학계열)