물과 생명, 수소결합으로 풀어라

최원호/서울 중등고 화학교사

교과서로 끝내는 과학 논술/물의 특성과 생명 (11학년 화학I-물 단원)

사례 1: 지구는 그 표면의 약 70%를 물이 덮고 있으며, 그 행성에 살고 있는 인간들의 몸 또한 물이 차지하고 있는 비율이 대략 체중의 3분의 2에 해당할 정도로 물이 차지하는 비중이 커서 사람은 물을 공급받지 못하면 며칠을 살기 어려울 정도다. 물은 지구상에 가장 흔한 화합물 중 하나지만 그 가치로 보면 지구상의 모든 생물들이 존재하고 번성하는 밑거름이라 할 정도로 중요하다.

사례 2: 인간의 역사에서 4대 문명의 발상지라고 일컫는 지역은 공통적으로 물을 구하기 쉬운 지리적 조건을 가지고 있다. 물은 생활용수, 식수, 농업용수 뿐 아니라 식량의 근원지로서 역할을 해왔다. 그리고 문명이 발달하면서 물은 교역을 위해 필요한 배를 띄우는 장소를 제공하였기 때문에 물은 인간의 역사에서 빼놓을 수 없는 중요한 요소이다.

1) 제시문의 정보를 이용하여 지구상에서 인간이 생명을 유지할 수 있는 이유를 물의 여러 특성(비열, 기화열, 밀도, 표면장력, 용해도)으로 나누어 인간 몸의 관점에서 설명하고 2)인간과 함께 번성하는 자연환경이 안정적으로 유지될 수 있는 이유를 위에서 제시된 물의 특성으로 나누어 설명하라. 그리고 3)위에서 열거된 물의 특성이 나타나는 본질적인 이유를 분자적 수준에서 설명하라.

제시문 1 : 지구 표면의 70%가 바다로 덮여 있으며, 지구상의 물을 모두 모으면 평평한 지구를 3000m 두께로 쌓을 수 있다고 한다.

제시문 2 : 물 분자는 산소 원자와 수소 원자가 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고, 이 전자쌍을 공유함으로써 결합하고 있다. 이 때 수소 원자 두개는 산소 원자에 굽은 구조로 붙어 있다.

제시문 3 : 물 분자를 구성하는 산소와 수소 원자가 공유하고 있는 전자쌍은 실제로는 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있다. 그것은 산소 원자가 수소 원자보다 전자쌍을 더 강하게 끌어당기기 때문이다. 그래서 산소 원자 주위에는 부분적인 (-)전하가, 수소 원자 주위에는 부분적인 (+)전하가 발생하게 된다.

제시문 4 : 분자들 사이의 인력은 분자량과 비례한다. 그런데 주기율표에서 산소가 속해있는 16족 원소들의 수소화합물의 끓는점을 조사해보면 분자량이 가장 작은 물이 끓는점이 가장 높은 특이한 현상이 나타난다. 이와 비슷한 현상이 나타나는 원소는 전기음성도가 큰 질소, 산소, 플루오르이었으며, 이 원소들이 수소와 결합하여 극성분자를 만들 때에 분자 사이의 인력이 증가하는 현상이 나타난다. 분자 사이에 나타나는 이 추가적인 인력을 수소결합이라고 부른다.

제시문 5 : 이산화탄소는 탄소 원자 양쪽에 산소 원자 두 개가 붙어 있는 직선 모양의 분자로 분자 사이의 인력이 적기 때문에 고체 이산화탄소인 드라이아이스를 실온과 대기압 상태에 두면 금방 승화되어 버린다.

제시문 6 : 우리 몸에서 열을 외부로 발산하는 방식으로는 첫째, 몸 속의 열을 상대적으로 온도가 낮은 부위인 피부로 이동시키는 방식과 둘째, 땀의 형태로 물을 공기 중으로 발산시키는 방식이 있다. 특히 주변의 온도가 피부 온도보다 높을 경우 피부를 통한 열의 발산은 더 중요해진다.

제시문 7 : 소금쟁이는 발목 마디에 잔털이 많고 다리가 얇고 길다. 얇은 구리철사로 소금쟁이 다리 모양을 흉내 내어 만들어 물에 띄우면 소금쟁이처럼 물 위에 띄울 수 있다. 하지만 물에 알코올 한 방울을 떨어뜨리면 소금쟁이 모형은 물에 가라앉아 버린다.

제시문 8 : 바닷물에는 수많은 물질들이 녹아 있어 순수한 물을 만들기 위해서는 여러 과정을 거친다. 우선 물을 끓여 식히면 물과 함께 끓지 못하는 다른 물질로부터 물을 분리해낼 수 있다. 그래도 물 속에 녹아 있을 수 있는 다른 이온들을 분리해내기 위해 이온교환수지에 통과시켜 양이온은 수소이온으로, 음이온은 수산화이온으로 교환하여 순수한 물을 얻는다. 때로는 물분자만을 통과시키는 미세한 크기의 필터에 통과시키기도 한다.

제시문 9 : 매일매일 변하는 날씨의 연중 평균을 기후라고 한다. 일반적으로 대륙 중심에 속해있는 나라보다 바다를 접하고 있는 나라의 기후가 일정한 편이다.

제시문 10 : 지구는 많은 태양열을 받으면서도 낮과 밤의 기온 차이가 얼마 되지 않지만, 달은 일교차가 250℃나 된다. 또한 내륙지역의 일교차는 해안을 끼고 있는 지역보다 크며, 특히 바다의 표면에서 바닷속으로 들어갈수록 일교차는 더욱 줄어들어 수온이 거의 일정해진다.

논술팁 물은 인간을 포함하여 자연환경이 안정적으로 존재할 수 있는 매우 중요한 물질이다. 물이 가진 특성은 비열, 밀도, 기화열, 표면장력, 용해성 등의 다양한 특성으로 표현되어 인간의 몸이 일정한 상태를 유지할 수 있고 주위 자연환경도 생명이 존재할 수 있는 환경을 유지할 수 있다. 그리고 생명과 관련되는 물의 다양한 특성들은 나타나는 그 형태는 다양하지만 본질적으로는 물 분자의 인력과 관련되어 있다. 물은 분자량이 비슷한 다른 분자들에 비하여 분자간의 인력이 큰데, 그 이유는 물 분자는 극성분자이면서도 수소결합이 가능하기 때문이다. 이 논제를 해결하기 위해서는 수소결합을 통해 나타나는 물의 특성을 분류하고 각 특성과 관련되어 우리 몸의 생명이 유지되고 자연현상이 일정하게 유지될 수 있는 사례를 한 개씩 찾아내어야 한다. 그리고 제시한 물의 특성이 수소결합과 관련돼 있다는 점을 하나씩 차례대로 설명해야 한다. 이 때 제시문에 최소한의 사례가 제시되어 있기 때문에 자신이 생각한 사례가 제시문과 물의 동일한 성질로 설명되는지 판단하고 글을 써나가야 할 것이다.

최원호/서울 중동고 화학교사

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