1 원자와 분자, 그리고 이온 1 원자, 이온, 분자 원자는 원자핵과 그 핵 주위를 원 궤도에 따라 움직이는 전자로 구성돼 있다. 원자핵은 양성자와 중성자로 구성돼 있는데, 양성자의 개수는 원자의 종류에 따라 달라진다. 전자는 전기적으로 음성(-)을 띠는 반면, 원 자핵은 1(양성자, 중성자)로 인해 양성(+)을 띤다. 이 둘의 힘은 서로 상쇄되어 일반적으로 원자는 전기적으 로 중성이 된다. 이온은 원자가 전자를 잃거나 얻은 상태를 말한다. 원자가 전자를 얻게 되면 2(+, -)전하를 띠게 되고, 전 자를 잃게 되면 3(+, -)전하를 띠게 된다. 금속원자는 전자를 잃어버리는 성향이 강하고, 비금속 원자는 전 자를 잃지 않으려는 성향이 강하다. 분자는 물질의 화학적 성질을 가진 최소의 입자를 말한다. 하나의 원자가 하나의 분자를 이루는 경우도 있 지만 보통은 두 개 이상의 원자가 결합하여 이루어진 전기적으로 중성인 입자이다. 원자는 다른 원자와 결합할 수 있는데 이때의 결합 방식(=물리적 결합)은 총 세 가지이다. 첫째 비금속 원자 와 금속 원자의 결합, 둘째 a금속 원자끼리의 결합, 셋째 비금속 원자끼리의 결합이 있다. 금속 원자는 전자 를 내보내기 좋아하고, 비금속 원자는 전자를 받기를 좋아한다. 그래서 금속 원자는 4(+, -)전하를 띠고, 비 금속 원자는 5(+, -)상태를 띤다. 둘 사이에는 전기적인 6(인력, 척력)이 작용하여 서로 결합하게 된다. 이 를 전기적 결합이라고 한다. 금속 원자끼리는 전자를 서로 내어놓으려고 하기 때문에 금속 사이사이를 전자가 떠돌아다니게 된다. 이 전 자가 금속 원자를 전기적 인력으로 끌어당기기 때문에 서로 결합된다. 마지막으로 비금속원자끼리는 전자를 서로 받으려고만 하고, 내놓으려고 하지 않는다. 그러나 서로 하나씩 받으면 안정된 상태가 되기 때문에 두 원자가 각각 하나의 전자를 내놓아 서로의 7(양성자, 전자)를 공유하 게 된다. 이를 공유결합이라고 한다. 2 원자량과 동위 원소 원자핵의 양성자 수에 따라서 원자의 종류가 바뀐다. 가령 양성자 수가 25개인 원자를 Z라고 하자. 그리고 양성자가 20개인 원자를 Y라고 하자. 양성자가 25개인 Z의 중성자 개수는 달라질 수 있다. 25개가 될 수도 있고, 24개가 될 수도 있다. 하지만 중성자가 25개든, 24개든 그 원자의 화학적 성질은 바뀌지 않는다. 예컨대 중성자가 25개인 Z가 전기가 통하는 도체의 성질을 가졌다면 중성자가 24개인 Z 역시 전기가 통하는 도체의 성질을 가진다. 이렇게 양성자 수는 같고, 중성자 수가 달라서 질량수가 다른 원소를 동위원소라고 한다. 동위 원소일 경우, 원자의 성격은 1(같다, 다르다) 하지만 양성자의 수가 20개인 원자는 양성자 수가 25개인 Z와는 2(같은, 다른) 성질을 가진다. 그래서 Y라 는 문자를 쓴 원자가 되는 것이다. 50 25 Z, 49 25 Z, 50 20 Y 118 2015 하드코어 독서 하드코어독서.indd 118 2014-03-25 오전 10:41:25
1 원자와 분자, 그리고 이온 3 불꽃 반응, 분광계 원소는 다소 왜곡해서 원자라고 이해하자. 원소는 저마다의 특성이 있다. 그래서 불꽃에 넣으면 고유의 색을 띤다. 예를 들어 불꽃 속에서 나트륨은 노란색, 구리는 청록색을 띤다. 이를 불꽃 반응이라고 한다. 또한 각 원소는 여러 빛 중에 특정 빛만 흡수하는 특성이 있다. 이 특성을 이용해서 원소를 파악하는 기계가 분광계 다. 분광계는 빛(=파장)을 원소에 쏘아 특정 빛이 흡수된 부분을 검은 색으로 표시하는 장치이다. 예컨대 아 래에서 보이는 바와 같이 수소는 파장이 500nm 정도의 빛과 650nm 정도의 빛 등을 1(흡수, 반사)하는 성 격이 있다. 이렇게 스펙트럼에서 흡수되고, 반사된 빛을 통해서 그 원소가 무엇인지 알 수 있는 것이다. 의료 기계 MRI도 원소의 이런 특성을 이용하는 것이다. 과학 기술 반 드 시 기 억 하 자!! 1 원자는 양성자, 중성자, 전자로 구성돼 있다. 1( 적 성격이 결정되면 이온이 된다. )를 잃느냐 얻느냐에 따라서 전기적 성격이 결정된다. 이렇게 전기 2 3 원자의 성격은 2(양성자, 중성자, 전자)의 수에 달려 있다. 양성자의 수는 같으나 중성자의 수는 다른 것을 동위원소 라고 한다. 동위원소일 경우, 원자의 성격은 3(같다, 다르다). 분광계는 원소가 특정 빛을 흡수하고 나머지를 반사하는 특성을 원리로 활용한 것이다. 불꽃 반응 역시 이와 유사한 원 리로 나타나는 현상이다. 원소별로 흡수하는 빛의 파장이 4(같아서, 달라서) 분광계를 통해서 물질의 구성 원소를 파 악할 수 있다. 과학 기술 119 하드코어독서.indd 119 2014-03-25 오전 10:41:25
1 원자와 분자, 그리고 이온 1. 위 글의 내용과 일치하지 않는 것은? 1 비금속 원자는 이온이 되지 않으려는 성향이 강하다. 2 원자들이 결합할 때는 전기적인 힘이 작용하기도 한다. 3 같은 종류의 원자라면 어떤 상태에 있든 각 원자의 양성자 개수는 모두 같다. 4 일반적으로 원자는 중성자보다 많은 전자를 가지므로 (-)전하를 띠는 경우가 많다. 5 MRI와 분광계는 원소가 종류에 따라 특정 빛만 반사한다는 특징을 이용한 장치이다. 2. 윗글을 바탕으로 <보기>를 읽고 추론한 것으로 가장 적절한 것은? 보기 시중에는 설탕 같은 값싼 첨가물이 가미된 가짜 꿀이 많다. 설탕과 꿀 모두 포도당, 과당으 로 만들어진 것이어서 맛도 비슷하다. 그래서 이를 구별하기 위해 포도당과 과당에 있는 탄소 의 동위원소 분석법이 개발되어 사용되고 있다. 설탕과 꿀에 포함된 포도당과 과당은 탄소 동 위원소들의 비율이 다르기 때문에 이를 분석하면 꿀에 설탕이 얼마나 섞였는지를 알아낼 수 있다. 1 꿀의 순도가 높을수록 탄소 분자 간의 인력이 강할 것이다. 2 진짜 꿀과 가짜 꿀은 불꽃 반응 시 서로 다른 색이 나타날 것이다. 3 설탕이든 꿀이든 그 안에 든 탄소 동위원소들의 화학적 성질은 같을 것이다. 4 설탕과 꿀에 들어있는 탄소 동위원소들은 서로 다른 양성자 수를 가지고 있을 것이다. 5 가짜 꿀이 진짜 꿀과 비슷한 맛을 내는 이유는 두 물질이 모두 비금속 원자로 이루어져 있 기 때문이다. 120 2015 하드코어 독서 하드코어독서.indd 120 2014-03-25 오전 10:41:26
1 원자와 분자, 그리고 이온 3. <보기>는 a에 대한 수업 내용이다. 윗글을 바탕으로 <보기>를 이해한 것으로 가장 적 절한 것은? 보기 유롭게 움직이기 때문입니다. 금속 원자들이 서로 결합하는 현상을 금속 결합이라 합니다. 이때, 금속 원자의 전자들은 핵과의 결합력이 약 하기 때문에 특정 원자에 묶이지 않고 여러 원자들 주변 을 자유롭게 떠다니게 되지요. 일반적으로 금속은 열이 나 전류가 잘 전달되는 높은 전도성, 호일처럼 얇게 펼 수 있는 퍼짐성, 철사처럼 가늘게 뽑을 수 있는 뽑힘성이 있는데, 이런 특징들은 모두 오른쪽 그림처럼 전자가 자 과학 기술 1 금속 원자의 전자들은 자유로운 움직임 때문에 금속 원자끼리의 결합을 방해한다. 2 금속에서 전기의 전도성이 높은 이유는 양성자의 크기가 전자의 크기보다 크기 때문이다. 3 호일이 얇게 퍼지면서도 잘 부서지지 않는 것은 양성자들이 화학적으로 잘 고정되어 있 기 때문이다. 4 철사가 길게 뽑히면서도 잘 끊어지지 않는 것은 전자들이 자유롭게 움직이면서도 인력을 만들기 때문이다. 5 프라이팬이나 냄비 등을 금속으로 만드는 이유도 금속 원자들이 서로 공유결합되어 열을 잘 전달하기 때문이다. 과학 기술 121 하드코어독서.indd 121 2014-03-25 오전 10:41:26
1 기체, 액체, 고체의 온도와 부피 물질은 온도에 따라 상변화(=상태변화)를 한다. 그래서 일정 온도 아래에서는 고체 상태, 그 위에서는 액체 상태, 그보다 더 높은 온도에서는 기체 상태로 존재한다. 물의 경우, 0 이하에서는 고체인 얼음, 0~100 까 지는 액체 상태인 물, 100 이상에서는 기체 상태인 수증기로 존재하는 것이 그 예이다. 물질은 분자 상태로 존재하는데, 고체 상태에서는 분자 간의 인력이 강하게 작용하여 서로 떨어지지 않으려 한다. 하지만 분자에 열에너지를 주면, 즉 온도를 높여주면, 에너지를 가진 분자는 움직이려고 한다. 그래서 분 자 간의 인력보다 운동력이 더 1(커지면, 작아지면) 물질은 액체 상태가 된다. 열에너지를 더 공급해서 운동 성이 더욱 2(활발해지면, 저하되면) 물질은 기체 상태로 존재하게 된다. 2 일반적으로 고체 상태에서는 분자들이 서로를 끌어당겨 오밀조밀하게 붙어 있는다. 그래서 부피가 가장 3( 크다, 작다). 하지만 액체 상태가 되면 분자들이 서로 끌어당기는 힘이 운동력이 의해서 상쇄되고, 그만큼 분 자 간의 간격이 4(넓어진다, 좁아진다). 즉 부피가 더 늘어난다. 기체 상태가 되면 분자 간의 인력이 거의 작 용되지 않기 때문에 부피가 매우 크게 5(늘어난다, 줄어든다). 여기서 알 수 있는 바, 기체에 온도를 높이면 부피는 커지는 것이다. 기체의 부피와 압력 공기, 즉 기체들로 가득 채운 풍선이 있다고 하자. 그런데 이 풍선을 터지지 않을 만큼만 눌러주면 어떻게 될 까? 어느 정도 풍선의 부피는 작아질 것이다. 그러나 누르면 누를수록 풍선의 반발력은 더 세어진다. 즉 기체 의 부피를 줄일수록 기체의 압력은 더 1(커지는, 작아지는) 것이다. 앞서 온도와 부피 간의 관계에서 둘이 서 로 2(비례, 반비례) 관계인 것을 알았다. 또한 부피와 압력 간의 관계에서 둘이 서로 3(비례, 반비례) 관계인 것도 알았다. 그럼 온도와 압력 간의 관계는 어떠할까? 압력은 누르는 힘이다. 침대에 누워있는데 동생이나 엄마가 위에서 덮친다면 누르는 힘을 느낀다. 이를 압력 이라고 한다. 압력은 흔히 위에서 아래로 작용하는 힘이라고 이해하고 있지만 실상은 사방에서 존재한다. 가 령 수영장에 들어가 보면 온몸이 물에 의해 눌린다는 느낌을 받는다. 즉 수압이 사방에서 우리 몸에 작용하 는 것이다. 평상시에도 우리는 공기의 압력을 받는다. 이를 대기압이라고 한다. 하지만 우리 몸이 대기압에 적 응되어서 느끼지 못할 뿐이다. 다만 조금만 열심히 달리면 얼굴에 공기의 압력을 느낄 수 있을 것이다. 즉 공 기 분자들이 우리 얼굴을 누르는 것이 바로 공기의 압력이다. 온도가 높아지면 분자들은 더욱 활발하게 운동한다. 그렇기 때문에 분자들의 누르는 힘은 더 4(강해진다, 약해진다). 즉 온도와 압력은 5(비례, 반비례) 관계인 것이다. 3 밀도 밀도란 물질의 질량을 부피로 나눈 값으로 물질마다 고유한 값을 지닌다. 조금 왜곡해서 분자들이 얼마나 빽빽하게 있느냐의 문제다. 1cm3에 동일한 무게의 분자 100개가 있는 것과 1cm3에 분자 200개가 있는 것을 비 교해 보면 후자가 밀도가 더 크다. 밀도가 큰 것이 동일 면적 당 분자가 더 많이 들어 있기 때문에 더 무겁다. 그래서 밀도가 높은 것은 아래로 가라앉는다. 동일 온도의 물과 기름의 경우, 물이 밀도가 더 높기 때문에 물 이 아래로 가라앉고, 기름이 위로 둥둥 뜨는 것이다. 이는 액체에만 적용되는 것은 아니다. 놀이동산에 가면 122 2015 하드코어 독서 하드코어독서.indd 122 2014-03-25 오전 10:41:26
헬륨가스를 넣은 풍선을 볼 수 있는데, 헬륨가스는 일반적으로 공기보다 밀도가 1(크다, 작다). 그래서 풍선 이 위로 둥둥 뜨게 된다. 온도가 높아지면 분자들이 더욱 활발하게 운동해서 부피가 더 커진다. 부피는 더 커졌고, 분자의 수는 2(더 많아진다, 동일하다). 따라서 밀도는 전보다 더 3(커진다, 작아진다) 4 이상 기체와 실제 기체 기체의 움직임을 예측하기는 쉽지 않다. 기체 분자 간에 작용하는 인력과 반발력을 계산하기 어렵기 때문이 다. 그래서 과학자들은 부피도 없고, 분자 간 인력과 반발력이 없다고 가정한 이상 기체를 고안해 냈다. 물론 이 기체는 현실적으로 존재하진 않는다. 이상 기체는 앞서서 언급한 것처럼 온도가 높아지면 부피가 커지고, 압력도 높아진다. 즉 이상 기체의 특성을 수식으로 나타내면 다음처럼 표시할 수 있다. P= RT V (R: 기체 상수) * P = 기체의 압력, V = 기체의 부피, R = 기체 상수 T = 절대 온도 과학 기술 하지만 이는 실제 기체의 특성과는 거리가 있다. 그래서 과학자들은 실제 기체의 움직임을 예측하기 위해서 위의 수식을 보정했다. 기체 분자의 인력과 반발력까지 감안해서 다음과 같은 식을 도출하였다. P= RT а V-b - V 2 여기서 b는 기체의 부피를 의미한다. 이상 기체는 부피가 없다고 가정했지만 실제 기체에서는 부피가 존재한 다. 이런 간극을 줄이기 위해서 부피 V에서 b만큼 빼 준 것이다. 그리고 а 는 분자 간의 인력과 반발력을 고려한 것이다. 이것을 빼줬기 때문에 실제 기체의 움직임을 좀 더 정확하게 예측할 수 있게 되었다. V 2 반 드 시 기 억 하 자!! 1 2 3 4 물질은 온도에 따라서 기체, 액체, 고체로 바뀐다. 이를 물질의 1( )라고 한다. 온도가 올라갈수록 물질 분자의 움 직임은 더 2(활발해져, 정체되어) 분자들 간의 거리가 더 3(좁아진다, 넓어진다) 압력이란 분자들이 누르는 힘을 뜻한다. 압력은 대기압이나 수압처럼 4(일방향, 사방)으로 가해질 수도 있고, 누워있 는 나를 동생이 내리누르는 것처럼 5(일방향, 사방)으로 가해질 수도 있다. 밀도란 분자들이 빽빽한 정도를 말한다. 밀도가 높으면 6(위로 뜨고, 아래로 가라앉고), 밀도가 낮으면 7(위로 뜬다, 아래로 가라앉는다). 이상 기체란 기체 분자의 부피, 인력, 반발력 등을 고려하지 않은 것으로 현실 속에 존재하지 않는다. 과학 기술 123 하드코어독서.indd 123 2014-03-25 오전 10:41:26
4. 윗글을 바탕으로 추론할 수 있는 내용이 아닌 것은? 1 물질은 날이 더워지면 팽창하고 식으면 수축하는 상태변화를 겪을 것이다. 2 풍선 내부에 공기에 열을 계속 공급할수록 풍선의 크기는 점점 더 커질 것이다. 3 이상 기체는 온도가 높이지면 부피가 커지지만 실제 기체는 부피가 작아질 것이다. 4 고도가 높아질수록 대기압이 낮아진다면 하늘 위로 올라가는 풍선은 더욱 더 커질 것이다. 5 겨울철에 실내에서 팽팽했던 풍선을 차가운 실외로 가지고 나가면 풍선이 쭈글쭈글해 질 것이다. 5. 윗글을 바탕으로 <보기>의 일화에 대해 이해한 것으로 가장 적절한 것은? 보기 그리스의 과학자 아르키메데스는 왕의 명령에 따라 왕관이 순금으로 만든 것인지를 조사하 라는 명령을 받는다. 우연히 목욕탕에서 욕조의 물이 흘러넘치는 것을 보고 깨달음을 얻는 다. 그 깨달음은 가득 찬 욕조에서는 물질을 물에 넣으면 그 물질의 부피만큼 물이 넘친다는 것이다. 아르키메데스는 왕관과 똑같은 무게의 금덩어리와 은덩어리를 물에 넣어 보았다. 그 결과 은덩어리를 넣은 쪽의 물이 더 많이 흘러넘쳤다. 이번에는 왕관을 물에 집어넣고 같은 무게의 금덩어리와 넘친 물의 양을 비교하였다. 그러자 왕관을 넣은 쪽에서 더 많은 양의 물 이 넘쳤다. 1 은은 금보다 밀도가 크다. 2 왕관은 순금으로 만들어진 것이다. 3 같은 무게라면 금이 은보다 부피가 크다. 4 액체 상태에서는 은이 금보다 위에 뜨게 될 것이다. 5 금보다 더 많은 양의 은으로 왕관을 만들었을 것이다. 6. 윗글을 바탕으로 <보기>의 열기구 의 원리에 대해 이해한 것으로 적절하지 않은 것은? 보기 열기구의 구조는 입구가 밑으로 열린 아주 커다란 풍선 형태의 주머니, 풍선 속 공기를 가열 하기 위한 버너, 사람이 탈 수 있는 바구니로 구성되어 있다. 열기구가 뜨기 위해서는 주머니 에 공기를 넣은 후 그 공기를 가열하여 온도를 높여야 한다. 온도를 높이면 주머니 속 공기의 밀도는 처음보다 낮아지게 된다. 그렇게 되면 주머니는 위로 뜨게 된다. 1 열기구를 가열하면 주머니 속 공기 분자들의 움직임은 빨라지겠군. 2 열기구를 다시 밑으로 내려오게 하려면 풍선 속 공기를 식히면 되겠군. 3 기체의 부피와 온도가 서로 반비례 관계였다면 열기구는 제대로 작동하지 않겠군. 4 온도가 올라감과 동시에 열기구 주머니 속의 공기 분자들 사이의 거리는 넓어지겠군. 5 열기구가 뜨는 이유는 밀도가 큰 물질이 밀도가 작은 물질보다 위로 올라가기 때문이겠군. 124 2015 하드코어 독서 하드코어독서.indd 124 2014-03-25 오전 10:41:27
원자는 중심을 이루는 원자핵과 그 주위를 쉬지 않고 도는 전자로 구성돼 있다. 러더퍼 드와 채드윅은 실험으로 원자핵은 양전하를 띤 양성자라는 알갱이와, 전하를 띠지 않는 중성자라는 알갱이로 구성되고, 한편 전자는 음성자로 이뤄진다는 사실을 알았다. 그들 은 또한 전자는 양성자나 중성자에 비해 매우 가볍기 때문에 원자의 질량에 거의 영향을 주지 않으며, 양성자와 중성자의 질량이 곧 원자의 질량이라는 사실도 깨달았다. 하지만 그것이 너무나도 작은 값이어서 측정이 어렵기 때문에 양성자와 중성자 개수의 합을 우 리는 원자의 질량수라고 부른다. 원자는 본래는 전기적으로 중성이지만, 전자를 내보내거나 받아들임으로써 전체적으 로 양전하나 음전하를 띤 알갱이가 될 수 있다. 이를 이온이라고 하는데 양전하를 띠면 양이온, 음전하를 띠면 음이온이라고 부른다. 원자가 양이온이 될지 음이온이 될지 결정 하는 것은 무엇일까? 그것 원자의 성질에 달려 있다. 예컨대 플루오린원자(F)는 전자를 하나만 더 받아들이면 안정된 전자 배치가 되므로 전자를 하나 받아들이려고 한다. 이렇 게 해서 생긴 알갱이가 바로 플루오린원자보다 전자가 하나 더 많은 플루오린화이온(F - ) 이다. 나트륨원자(Na)는 전자 1개를 내보내면 안정된 구조를 가지므로 전자 1개를 내어 놓고 나트륨이온(Na + )가 된다. 원자는 다른 원자와 결합해 분자가 될 수 있는데, 이때의 결합방식은 총 세 가지이다. 먼저 ᄀ비금속원자와 금속원자의 결합이 있을 수 있다. 금속원자는 전자를 내놓고 양이 온이 되기 쉽고, 비금속원자는 전자를 받아서 음이온이 되기 쉽다. 두 원자 간에 서로 전 자를 주고받으면 한쪽은 +를, 한쪽은 -를 띠게 되어 둘 사이에는 정전기적 인력이 작용 한다. 이로 인해 두 원자는 결합하게 되고, 이를 이온결합이라고 한다. 둘째로 ᄂ금속원자끼리의 결합을 살펴보자. 금속원자는 전자를 쉽게 내놓기 때문에 서 로 전자를 내놓고 양이온이 된다. 배출된 전자를 자유전자라고 하는데, 자유전자는 양이 온 사이를 자유롭게 돌아다니며 +극을 띤 금속이온들을 서로 끌어당기게 되고, 그리하 여 원자들은 삼차원적으로 연결되어 고체가 된다. 이것이 바로 금속 결정이다. 금속원자 끼리의 결합은 이온결합보다는 더 강하게 나타난다. 마지막으로 ᄃ비금속원자끼리의 결합은 어떨까. 비금속원자는 서로 전자를 받으려고 하지 내놓으려고 하지 않는다. 그러나 서로 하나씩 받으면 안정된 상태가 되기 때문에 두 원자가 각각 하나의 전자를 내놓아 서로의 전자를 공유하게 된다. 그리하여 두 원자 가 서로 결합하게 된다. 이런 공유결합일 경우, 두 분자 간의 결합이 가장 강하게 된다. 과학 기술 과학 기술 125 하드코어독서.indd 125 2014-03-25 오전 10:41:27
7. 위 글의 내용으로 알 수 없는 것은? 1 전기적인 힘이 두 원자의 결합에 영향을 주기도 한다. 2 금속원자는 전기적으로 양전하(+)를 띠려는 경향이 있다. 3 원자의 전자 수는 양성자와 중성자의 수를 합친 것과 동일하다. 4 원자의 질량수를 계산할 때에는 공유전자의 수는 포함하지 않는다. 5 이온화가 잘 되는 원자는 이온일 때 보다 안정적인 구조를 가진다. 8. <보기>에 나타난 결합구조를 ᄀ~ᄃ과 대응한 것으로 적절한 것은? 보기 a b c a b c 1 ᄀ ᄂ ᄃ 2 ᄀ ᄃ ᄂ 3 ᄂ ᄃ ᄀ 4 ᄃ ᄀ ᄂ 5 ᄃ ᄂ ᄀ 126 2015 하드코어 독서 하드코어독서.indd 126 2014-03-25 오전 10:41:27
9. 위 글과 <보기1>의 내용을 바탕으로 <보기2>의 분자들의 끓는점의 크기를 비교한 것으로 적절한 것은? 보기 1 같은 족에 속하는 원소들은 화학적으로 유사한 성질을 지니며, 그들의 끓는점은 원자량이 증가할수록 높아진다. 그러나 항상 그런 것은 아니다. 같은 족의 원소라도 결합방식에 따라서 끓는점이 극단적으로 높아질 수 있다. 결합력이 강한 방식으로 분자들이 결합하게 될 경우, 원자량과 상관없이 끓는점이 가장 높게 된다. 과학 기술 보기 2 산소족에 속하는 원자의 속성표 원소명 A B C 원자량 16 12 10 결합방식 금속결합 금속결합 공유결합 1 A<B<C 2 A<B=C 3 B<A<C 4 B<A=C 5 C<B<A 다 시 기 억 하 자!! 이 글은 원자들의 결합 방식에 대해서 다루고 있다. 첫째, 비금속원자와 금속원자가 결합할 때에는 금 속원자는 전자를 내놓고, 1(음, 양)이온이 되고, 비금속원자는 전자를 받아들여 2(음, 양)이온이 된다. 그래서 둘 간에서는 전기적 3(인력, 척력)이 작용한다. 둘째 금속 원자끼리 결합할 때는 금속원자들이 서로 4(전자, 양전자)를 내놓아서 자유전자가 돌아다닌다. 이 때문에 전기적 5(인력, 척력)이 작용한 다. 셋째, 비금속원자끼리 결합할 때에는 비금속원자들이 서로 전자를 받으려고만 해서 원자들이 전자를 공유하게 된다. 이럴 경우, 두 원자가 6(강하게, 약하게) 결합되는 공유결합이 이루어지게 된다. 과학 기술 127 하드코어독서.indd 127 2014-03-25 오전 10:41:28
2005학년도 3월 교육청 H2O. 산소 원자 하나에 수소 원자 두 개가 결합된 것. 물은 이처럼 간단한 화합물이지 만, 이 세상에서 가장 놀라운 화합물이기도 하다. 우선, 물은 비정상적이라고 할 만큼 끓는점이 높다. 일반적으로 같은 족에 속하는 원소들은 화학적으로 유사한 성질을 지니며, 그들의 끓는점은 원자량이 증가할수록 높아진다. 이는 산소족에 속하는 원소들의 경우에도 마찬가지이다. 즉, 산소, 황, 셀 레늄, 텔루르 등의 순으로 끓는점이 높아진다. 이들은 동일한 방식으로 수소와 결합 하여 물, 황화수소, 셀레늄화수소, 텔루르화수소 등의 수소화합물을 이루며, 이들 화 합물의 끓는점은 대체로 구성 원소의 원자량이 증가할수록 높아진다. 그런데 유독 물 [가] 의 경우에는 끓는점이 비정상적으로 높다. 황의 수소화합물인 황화수소(H2S)의 끓는 점이 -59.6 인데 비해 산소족 원소들 중에서 원자량이 가장 적은 산소의 수소화합 물인 물은 끓는점이 100 나 되는 것이다. 단순히 원칙대로만 따지면, 물의 끓는점은 -80 정도여야 한다. 뿐만 아니라 물은 다른 물질들에 비해 1 의 온도를 올리기 위 해 필요한 열량, 즉 비열이 대단히 높다. 어떤 물질의 온도를 높이기 위해 많은 양의 열이 필요하다는 말은, 온도가 내려갈 때 그만큼 많은 열에너지를 방출한다는 의미도 된다. 이렇게 물의 끓는점이 높고 비열이 큰 이유는 물분자들 사이의 강한 결합력 때문이다. 물의 단독 분자를 찾으려고 하는 것은 소용없는 일이라는 말이 있을 정도로, 물분자들은 강한 결합력을 바탕으로 집단을 이루고 있기 때문에 온도를 높이는 데 많은 열이 필요하 며 쉽게 기화되지 않는 것이다. 또한 물은 가장 뛰어난 용매이기도 하다. 물질들을 물속에 넣으면 그 물질의 원자나 분 자 사이에 작용하던 힘이 매우 약해져서 쉽게 녹아 버린다. 물이 이렇게 뛰어난 용해력을 갖는 것은 물분자가 자기들끼리 결합하는 힘뿐만 아니라 다른 물질의 원자나 분자를 자기 쪽으로 끌어당기는 힘도 역시 매우 강하기 때문이다. 물이 지닌 이러한 힘의 원천은 무엇일까? 그것은 ᄀ물분자가 극성 공유 결합 의 형태 로 존재하는 것에서 찾을 수 있다. 일반적인 공유 결합으로 이루어진 분자의 두 핵은 그 사이에 있는 전자들을 동등하게 공유하지만, 극성 공유 결합을 한 분자의 경우에는 전자 들이 한쪽의 핵에 더 강하게 끌리게 된다. 이 때문에 분자의 한쪽 끝은 약간의 양전하를 띠게 되고 다른 쪽 끝은 약간의 음전하를 띠게 된다. 양전하를 띠는 부분과 음전하를 띠는 부분이 쉽게 결합한다는 것은 상식이다. 이러한 결합 방식 덕분에, 물분자들끼리의 결합 력이 다른 물질의 분자들에 비해 강할 뿐만 아니라, 다른 물질들과도 쉽게 극성 공유 결합 을 이룸으로써 그 물질을 용해시킬 수 있는 것이다. 물의 이러한 성질은 생명 현상에 매우 유익한 결과들을 초래한다. 물분자들의 결합력 덕 분에 물은 상온에서 기체 상태가 아니라 액체와 고체 상태로도 존재할 수 있는 것이고, 더 불어 물을 생명 유지의 근간으로 삼고 있는 우리 생물체들도 존재할 수 있는 것이다. 게다 가 물은 비열이 높기 때문에 온도에 민감하지 않다. 즉 항상성이 크다. 그 덕분에 대부분 이 물로 채워진 생물체와 지구는 급격한 변화를 겪지 않고 항상성을 유지할 수 있다. 생 물체 내에서 이루어지는 다양한 신진대사 역시 물의 강한 용해력이 없다면 불가능한 일이 다. 128 2015 하드코어 독서 하드코어독서.indd 128 2014-03-25 오전 10:41:28
10. 위 글의 논지 전개 과정으로 가장 적절한 것은? 1 대상의 특성 제시 원인 분석 수반되는 효과 제시 2 과제 제시 관련 실험의 결과들 소개 하나의 이론으로 종합 3 주요 개념 제시 현상에 적용한 결과 설명 개념의 의미 구체화 4 상반된 이론 제시 체험적 사례들에 적용 이론들의 타당성 검증 5 화제와 관련된 의문점들 제시 전문가의 설명 소개 의문점 해소 과학 기술 11. [가]의 설명을 바탕으로 물-황화수소-셀레늄화수소 의 끓는점을 그래프로 나타낼 때, 그 그래프의 형태로 가장 적절한 것은? 1 2 3 4 5 * x축 : 수소화합물을 이루는 원소들의 원자량 y축 : 수소화합물들의 끓는점(온도) 과학 기술 129 하드코어독서.indd 129 2014-03-25 오전 10:41:28
12. 위 글의 논지에 따를 때, <보기>의 견해에 대한 해석으로 가장 타당한 것은? 보기 일반적으로 물분자는 산소 원자 하나에 수소 원자 두 개가 결합되었다는 것을 의 미하기 위해 H2O 로 나타낸다. 그러나 물을 가장 정확하게 표현할 수 있는 분자 식은 (H2O)n 이라고 할 수 있다. 1 물분자들만이 지닌 용해력을 강조하기 위한 견해이다. 2 물분자의 구성 요소들을 분명히 밝히기 위한 견해이다. 3 물분자들의 결합력이 매우 강함을 강조하기 위한 견해이다. 4 물분자의 성질이 매우 불확실함을 강조하기 위한 견해이다. 5 물분자가 형성되는 독특한 과정을 강조하기 위한 견해이다. 13. ᄀ을 설명하기 위한 보조 자료로 가장 적절한 것은? 1 햇빛을 흡수하여 전기를 생산하는 태양전지 2 전류를 흘려 주면 빛을 내는 발광 다이오드 3 다른 극끼리 서로 당기는 성질을 지닌 막대자석 4 운동 에너지를 전기 에너지로 바꾸어 주는 발전기 5 전기가 흐르는 도체와 흐르지 않는 부도체의 중간 성질을 지닌 반도체 다 시 기 억 하 자!! 이 글은 물의 극성 공유결합에 대해서 다루고 있다. 물의 구성 요소인 수소(H)와 산소(O)는 1(금속, 비금속) 원자들이기 때문에 공유결합을 한다. 그래서 기본적으로 결합력이 2(강하다, 약하다). 거기다가 전자들이 한쪽으로 쏠려, 분자의 핵이 3(양, 음) 전하를 띠게 한다. 그래서 반대쪽은 4(양, 음) 전하를 띠게 된다. 그래서 전기적인 5(인력, 척력)이 작용하게 되어 더욱 강하게 결합하게 된다. 이처럼 공유결 합의 형태에서 전기적 극성으로 인해 더욱 강하게 결합하게 되는 것을 극성 공유 결합이라고 한다. 극성 공유 결합을 할 경우, 분자 간의 인력이 강하므로 고체에서 액체 상태로 변화시키기 위해서는 6 (많은, 적은) 열에너지가 필요하다. 즉 1 높이는 데 7(많은, 적은) 열에너지가 필요하기 때문에 비열이 8(높게, 낮게) 된다. 130 2015 하드코어 독서 하드코어독서.indd 130 2014-03-25 오전 10:41:28
2014학년도 대수능 A 19세기 중반 화학자 분젠은 불꽃 반응에서 나타나는 물질 고유의 불꽃색에 대한 연 구를 진행하고 있었다. 그는 버너 불꽃의 색을 제거한 개선된 버너를 고안함으로써 물질의 불꽃색을 더 잘 구별할 수 있도록 하였다. 하지만 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질의 불꽃은 색깔이 겹쳐서 분간이 어려웠다. 이에 물리학자 ᄀ키르히호프는 프리 즘을 통한 분석을 제안했고 둘은 협력하여 불꽃의 색을 분리시키는 분광 분석법을 창 안했다. 이것은 과학사에 길이 남을 업적으로 이어졌다. 그들은 불꽃 반응에서 나오는 빛을 프리즘에 통과시켜 띠 모양으로 분산시킨 후 망 원경을 통해 이를 들여다보는 방식으로 실험을 진행하였다. 빛이 띠 모양으로 분산되 는 것은 빛이 파장이 짧을수록 굴절하는 각이 커지기 때문이다. 이 방법을 통해 그들 은 알칼리 금속과 알칼리 토금속의 스펙트럼을 체계적으로 조사하여 그것들을 함유 한 화합물들을 찾아내었다. 이 과정에서 그들은 특정한 금속의 스펙트럼에서 띄엄띄 엄 떨어진 밝은 선의 위치는 그 금속이 홑원소로 존재하든 다른 원소와 결합하여 존 재하든 불꽃의 온도에 상관없이 항상 같다는 결론에 도달하였다. 이로써 화학 반응을 이용하는 전통적인 분석 화학의 방법에 의존하지 않고도 정확하게 화합물의 원소를 판별해 내는 분광 분석법이 탄생하였다. 이 방법의 유효성은 그들이 새로운 금속 원 소인 세슘과 루비듐을 발견함으로써 입증되었다. 1859년 키르히호프는 이 방법을 천문학 분야로까지 확장하였다. 그는 불꽃 반응 실 험에서 관찰한 나트륨 스펙트럼의 두 개의 인접한 밝은 선과 1810년대 프라운호퍼 가 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼에서 발견한 검은 선들을 비교하는 과정에 서, 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 나타나는 원인을 설명할 수 있었다. 그는 태양빛 의 스펙트럼의 검은 선들 중에서 프라운호퍼의 D선이 나트륨 고유의 밝은 선들과 같 은 파장에서 겹쳐지는 것을 확인하고, D선은 태양에서 비교적 차가운 부분인 태양 대 기 중에 존재하는 나트륨 때문에 생긴다고 해석했다. 이것은 태양 대기 중의 나트륨 이 태양의 더 뜨거운 부분에서 나오는 빛 가운데 D선에 해당하는 파장의 빛들을 흡수 하기 때문이다. 태양빛의 스펙트럼을 보면 D선 이외에도 차가운 태양 대기 중의 특정 원소에 의해 흡수된 빛의 파장 위치에 검은 선들이 나타난다. 이 검은 선들은 그 특정 원소가 불꽃 반응에서 나타나는 스펙트럼 상의 밝은 선들과 나타나는 위치가 동일하 다. 이후 이러한 원리의 적용을 통해 철과 헬륨 같은 다른 원소들도 태양 대기 중에 존 재함이 밝혀졌으며 다른 항성을 연구하는 데도 같은 원리가 적용되었다. 이를 두고 동료 과학자들은 물리학, 화학, 천문학에 모두 적용될 수 있는 분광 분석법이 천체 대 기의 화학적 조성을 밝혀냄으로써 우주의 통일성을 드러내었고 우주의 모든 곳에 존 재하는 자연의 원리를 인식하게 하는 데 공헌했다고 평가했다. 과학 기술 과학 기술 131 하드코어독서.indd 131 2014-03-25 오전 10:41:29
14. 윗글을 바탕으로 할 때, ᄀ의 업적으로 볼 수 있는 것은? 1 화학 반응을 이용하는 분석 화학 방법을 확립하였다. 2 태양빛의 스펙트럼에 검은 선이 존재함을 알아내었다. 3 물질을 불꽃에 넣으면 독특한 불꽃색이 나타나는 것을 발견하였다. 4 프리즘을 이용하여 태양빛의 스펙트럼을 얻는 방법을 창안하였다. 5 천체에 가지 않고도 그 대기에 존재하는 원소에 관한 정보를 얻을 수 있는 길을 열었다. 15. 윗글을 이해한 내용으로 가장 적절한 것은? 1 루비듐의 존재는 분광 분석법이 출현하기 전에 확인되었다. 2 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 빛의 파장이 길수록 굴절하는 각이 커진다. 3 금속 원소 스펙트럼의 밝은 선의 위치는 불꽃의 온도를 높여도 변하지 않는다. 4 철이 태양 대기에 존재한다는 사실은 나트륨이 태양 대기에 존재한다는 사실보다 먼저 밝혀졌다. 5 분젠은 두 종류 이상의 금속이 섞인 물질에서 나오는 각각의 불꽃색이 겹치는 현상을 막아 주 는 버너를 고안하였다. 16. 윗글을 바탕으로 <보기>를 해석한 내용으로 적절하지 않은 것은? 보기 우리 은하의 어떤 항성 α와 β의 별빛 스펙트럼을 살펴보니 많은 검은 선들을 볼 수 있 었다. 이것들을 나트륨, 리튬의 스펙트럼의 밝은 선들과 비교했을 때, 나트륨 스펙트럼의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 β의 검은 선들과는 겹쳐지지 않았다. 리튬 스펙트럼 의 밝은 선들은 각각의 파장에서 항성 α의 검은 선들과 겹쳐졌으나 항성 β의 검은 선들 과는 겹쳐지지 않았다. 1 항성 α는 태양이 아니겠군. 2 항성 α의 별빛 스펙트럼에는 리튬이 빛을 흡수해서 생긴 검은 선들이 있겠군. 3 항성 β에는 리튬이 존재하지 않겠군. 4 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 D선과 일치하는 검은 선들이 없겠군. 5 항성 β의 별빛 스펙트럼에는 특정한 파장의 빛이 흡수되어 생긴 검은 선들이 있겠군. 다 시 기 억 하 자!! 이 글은 불꽃 반응과 분광 분석법에 대해서 말하고 있다. 불꽃 반응은 각 원자들은 종류에 따라서 1(같 은, 다른) 불꽃색을 가지고 있다는 것을 알려준다. 분광 분석법 역시 이와 유사한 원리를 이용한다. 각 원 자들은 종류에 따라서 흡수하는 빛의 파장이 2(같다, 다르다). 따라서 태양빛의 스펙트럼을 원자들에 쏜 다음 반사되는 빛을 검출하면 검게 나타나는 부분이 있는데, 이는 그 원자가 3(반사, 흡수)한 빛이며, 이 를 통해 그 원자가 어떤 원자인지 알 수 있는 것이다. 132 2015 하드코어 독서 하드코어독서.indd 132 2014-03-25 오전 10:41:29
2008학년도 9월 모평 유기 화학자들은 화학 반응을 이용하여 유기 화합물의 조성과 구조를 분석하고 그 러한 물질을 합성하는 것을 주업으로 삼는다. 20세기에 들어와서 유기 화학의 전통적 인 구조 분석 방법을 대신할 수 있는 다양한 기술들이 개발되었는데, 그 중에서 1940 년대 중반에 양자 이론에 힘입어 발명된 NMR 분광계는 물질의 구조 분석 방법에 혁 신을 가져왔다. 핵자기공명 을 뜻하는 NMR는 원자핵이 자기장 안에서 특정 진동수 의 전자기파를 선택적으로 흡수하는 현상이다. 이렇게 해서 얻어지는 전자기파의 흡 수 스펙트럼을 분석하여 분자의 구조를 알아내는 기구가 NMR 분광계이다. 이 기구 를 사용하면 분자의 파괴나 변형 없이 화합물의 구조를 빠르게 확인할 수 있다. 원래 물리학의 실험 기구였던 NMR 분광계를 유기 화학 연구의 핵심 장치로 만드는 데 중추적인 역할을 담당한 사람이 미국의 화학자 로버츠였다. 이 기구는 당시에 유 일하게 배리언 사에서 제작하고 있었는데, 로버츠는 이것의 가치를 남들보다 일찍이 인식하고 1950년대부터 이 기구로 미지의 분자 구조를 밝혀내기 시작했다. 로버츠는 선도 사용자 로서 유기 화학계에 이 기구의 유용성을 열심히 알렸다. 그는 NMR를 이용한 연구를 수행하는 한편 학생들에게 이 기구를 사용하여 연구하는 방법을 가르 쳤고 그 내용을 정리하여 교재로 출판했다. 로버츠의 노력에 힘입어 이 기구를 사용 하는 연구자의 수가 빠르게 늘어났다. 로버츠는 영향력을 발휘할 수 있는 지위를 얻게 되자 이 기구가 자신의 연구 방향에 적합하도록 배리언 사에 이 기구의 업그레이드를 요구했다. 배리언 사는 그의 요구를 적극적으로 수용하였는데, 그것은 로버츠가 이 기구를 활용한 방법을 다수의 다른 연 구자들도 채용하고 있었기 때문이었다. 회사는 로버츠의 요구대로 업그레이드된 모 델들을 계속 내놓았고, 로버츠는 그것으로 자신의 연구를 순조롭게 진척시킬 수 있었 다. 시장이 커지면서 배리언 사는 자체적으로 이 기구의 판매 증진을 도모했다. 이 회사 는 유망한 화학자인 슐러리를 고용하여 대학의 유기 화학자들과 함께 NMR를 이용한 협동 연구를 활발하게 추진하였을 뿐 아니라, 이 기구와 관련된 실험 연구 정보를 학 술지보다 더 빠르고 자세하게 과학자들에게 제공하였다. 로버츠와 제조사의 노력으로, 1960년과 1961년 사이에 NMR에 바탕을 둔 학술 논 문의 출판이 네 배로 증가하는 등, NMR 분광계를 사용한 연구가 급격한 성장세를 보 였다. 다른 나라에서도 유기 화학 분야의 첨단 연구를 수행하기 위해서 이 기구를 구 입하는 일이 당연하게 여겨졌고, NMR 분광학은 유기 화학에서 확고한 지위를 획득 하였다. 과학 기술 과학 기술 133 하드코어독서.indd 133 2014-03-25 오전 10:41:29
17. 로버츠가 수행한 '선도 사용자'로서의 역할에 대한 설명으로 가장 적절한 것은? 1 NMR 분광계의 작동 원리를 파악하여 그것의 개선에 기여했다. 2 NMR 분광계의 사용자를 늘리기 위해 관련 학술지를 만들었다. 3 NMR 분광계를 일찍부터 사용하고 그것의 문제점을 지적했다. 4 NMR 분광계의 장점을 관련 과학 분야에 널리 알려 그것의 보급에 기여했다. 5 NMR 분광계의 제작사가 원하는 것을 이해하고 그에 맞는 이론을 제공했다. 18. 위 글에 제시된 로버츠의 NMR 분광계 를 [A]라 하고 <보기>에 등장하는 웨버의 중력파 검 출기 를 [B]라 할 때, [A]와 [B]의 비교로 적절하지 않은 것은? 보기 1916년에 발표된 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 중력파의 존재를 예측했다. 미국의 물리학자 웨버는 중력파를 검출하기 위해 원통 형태의 기구를 직접 제작했다. 이 중력파 검출기는 자체적으로 많은 노이즈를 발생시켰지만, 웨버는 그 속에서 중력파 신호를 검출 할 수 있었다고 발표했다. 웨버의 실험에 자극을 받아 여러 연구 팀이 자체 제작한 실험 기구로 중력파를 검출하고자 시도하였으나 어느 팀도 성공하지 못했다. 웨버는 조작 시비 에 휘말렸고, 그의 중력파 발견 주장은 물리학계에서 공인받지 못했다. 1 [A]는 과학계에서 그 가치를 인정받았으나, [B]는 인정받지 못했다. 2 [A]는 전문 제조 회사에서 제작했고, [B]는 연구자가 직접 제작했다. 3 [A]는 대상의 존재 여부를, [B]는 대상의 속성을 파악하기 위한 것이었다. 4 [A]는 검증된 이론에 기초해 제작되었고, [B]는 특정 이론의 검증을 위해 제작되었다. 5 [A], [B]는 모두 인간의 감각 기관으로는 지각하기 어려운 대상의 실체를 알아내기 위한 도구였다. 19. 위 글을 읽고 보일 수 있는 반응으로 적절하지 않은 것은? 1 과학 분야들 간의 교류가 과학의 발전을 촉진할 수 있겠구나. 2 기업체는 회사의 수익에 도움이 안 되는 사업을 벌이기도 하는구나. 3 새로운 연구 방법의 도입이 새로운 세부 연구 분야를 만들어 내기도 하는구나. 4 기업체는 과학자들에게 연구를 수행할 수 있는 일자리를 제공하기도 하는구나. 5 어떤 세부 연구 분야의 연구 방향은 영향력 있는 과학자에 의해 결정될 수 있겠구나. 다 시 기 억 하 자!! 이 글은 앞선 글과 마찬가지로 분광 분석법과 관련된 내용을 다룬다. NMR 분광계가 바로 분광 분석법 을 실시할 수 있는 도구로, 전자기파, 즉 빛의 흡수 스펙트럼을 분석하면 1( )의 구조, 즉 2( )를 이루고 있는 원자의 종류 등을 파악할 수 있다는 것이다. NMR 분광계는 물리학의 도구였지만 화학자 로 버츠의 업적으로 인해 화학에서 중요한 도구가 되었다고 한다. 134 2015 하드코어 독서 하드코어독서.indd 134 2014-03-25 오전 10:41:30