※ 논제1) 다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오.

[가] 인류의 역사는 도구 또는 재료의 발달과 함께 진화하여 왔다. 과거 석기시대에서 청동기시대와 철기시대를 거쳐 현재는 반도체시대에 살고 있다. 인류의 미래 생활을 주도할 새로운 재료를 개발하기 위한 연구는 끊임없이 행해지고 있다.

[나] 철은 무기에서부터 숟가락과 같은 일상 생활도구 및 자동차나 배와 같은 교통수단에 이르기까지 그 이용 범위가 방대하여, 우리 주변에서 쉽게 찾아 볼 수 있다. 그런데, 철은 공기 중에서 산화되어 산화철(Fe2O3)이 주성분인 붉은 색을 띄는 녹을 만들기도 한다.

[다] 금속의 반응성은 금속이 다른 물질과 화학반응을 잘 일으키는 정도를 말하며, 이는 금속이 전자를 잃고 양이온이 되려는 경향성과도 일치한다. 그런데, 소위 귀금속이라고 불리는 금속들은 반응성이 매우 낮아서 고유의 광택을 오랫동안 유지하는 특성을 갖는다. 올림픽에서 수여되는 메달 순서대로, 반응성이 금 < 은 < 동 순서라는 사실은 눈여겨볼 만하다.

[라] 물질 중에는 친수성 물질과 친유성 물질이 있다. 친수성 물질은 물과 친하여 물에 잘 녹으며, 친유성 물질은 기름과 친하여 기름에 잘 녹는다. 친수성기와 친유성기를 동시에 가지고 있는 물질을 계면활성제라 하는데, 비누가 바로 대표적인 계면활성제이다. 비누의 구조는 아래의 <그림>과 같이 긴 사슬로 된 친유성 부분과 -COO- 로 된 친수성 부분으로 되어 있다.



[1-1] 아이들이 하루 종일 뛰어 놀다가 집에 돌아와서 물로만 손을 씻은 다음에, 비누칠을 해서 다시 손을 씻게 되면 비누 거품 색깔이 검게 변하면서 많은 때가 씻겨 나오는 것을 확인할 수 있다. 이는 비누가 때를 제거하는데 상당한 효과가 있다는 사실을 보여준다. 옷을 세탁할 때도 마찬가지로, 비누를 칠하고 옷을 세탁하면 때가 잘 씻겨 나오는 것을 확인할 수 있다. 비누가 피부에 묻은 때나 옷에 묻은 기름때를 제거하는 원리에 대해 설명하시오.

[1-2] 철기시대가 청동기시대보다 늦게 시작된 이유를 설명하되, 반드시 위의 제시문에 근거하여 재료의 반응성과 기술의 발달사적 관점에서 논하시오.



※ 논제2) 다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오.

[가] 물질이 고체 상태에서 액체 상태로 변하거나 액체 상태에서 기체 상태로 변할 때에는 열에너지가 충분히 공급되어야 한다. 액체 상태에서는 기체 상태보다 분자 사이에 더 큰 힘이 작용하고 있으므로 기체 상태로 변화하기 위해서는 이 힘을 극복할 수 있는 에너지가 필요하다. 액체 상태에서 물 분자들은 수소 결합을 하고 있다. 따라서 물이 수증기로 되려면 물 분자 사이에 형성된 수소 결합을 끊고, 자유롭게 움직일 수 있는 상태로 되어야 하므로 많은 열이 필요하다.

[나] 기체는 고체나 액체에 비해 분자 사이의 거리가 매우 멀고, 빠른 속도로 끊임없이 움직이고 있다. 또, 기체는 일정한 온도에서는 압력이 커질수록 부피가 작아지고 일정한 압력에서는 온도가 높을수록 부피가 커진다. 예를 들면, 공기를 넣은 풍선에 액체 질소를 부으면 풍선이 냉각되면서 부피가 감소하고, 끝을 막은 주사기에 압력을 가하면 그 속에 들어 있는 공기의 부피가 감소한다.

[다] 대부분의 물질은 액체 상태에서 고체 상태로 될 때 부피가 작아지기 때문에 고체 상태가 되면 액체 상태일 때보다 밀도가 커진다. 그러나 물이 얼어 얼음으로 되면 반대로 부피가 커지고 물 위에 뜨게 된다. 액체 상태의 물 분자들은 규칙적인 배열을 가지고 있지 않으나 고체 상태의 물 분자들은 내부에 빈 공간이 많은 육각형 모양의 질서 정연한 구조를 이루게 되어 액체 상태의 물에 비해 부피는 커지고 밀도는 작아진다.

[라] 연소 반응은 물질이 공기 중의 산소와 빠르게 반응하는 것이다. 연료가 연소하면 여로가 빛을 방출하면서 새로운 물질이 만들어진다. 연소는 산소와 결합하는 화학 변화이므로 연료가 연소되었을 때 생성된 물질을 알면 연료를 구성하는 성분 원소를 알 수 있다. 도시가스로 사용되는 액화 천연가스의 주성분인 메탄이 연소하면 이산화탄소와 물이 생기는데, 이것으로부터 액화 천연가스는 탄소와 수소로 구성되어 있음을 알 수 있다.

[2-1] 자취생인 경호는 놀러온 친구들을 위해 저녁 식사를 준비하고 있다. 라면을 끓이기 위해 방 안에 있던 물을 큰 냄비에 반 정도 붓고 가스렌지를 켰다. 물이 끓기 기다리는 동안 경호는 냄비 바깥쪽 표면에 물방울이 맺혔다가 잠시 후 사라지는 것을 발견했다. 뜨거운 가스 불이 켜져 있는 상황에서 냄비에 물방울이 생기게 된 이유를 논술하시오.

[2-2] 교직과정 이수 중인 경희는 고등학교 교생으로 화학 실험을 하게 되었다. 열 변화에 강한 250mL 삼각 플라스크에 100mL 의 물을 넣고 끓인 후, 물이 80mL 남아 있는 상태에서 불을 끄고 바로 삼각 플라스크의 입구를 고무 마개로 단단히 막았다. 그리고 얼음 한 덩어리를 들고 삼각 플라스크의 물이 닿지 않는 표면을 문지르기 시작했다. 예상되는 상황과 그 이유를 논술하시오. (단, 플라스크와 고무 마개에는 아무런 변화가 없다.)

[해설]

[1-1] 비누의 작용 원리를 물질 또는 분자 간의 인력으로 정확히 이해하여 논리적으로 잘 설명하는가를 확인하는 문제이다. 때가 붙은 옷 또는 피부(표면)를 A라 하고, 때 분자를 B, 물 분자를 C, 비누 분자를 D 라 할 때, 처음에는 때가 옷이나 피부에 붙어 있으므로 A-B 인 상태이다. 물로만 씻을 경우, 물 분자(C)가 들어오면 B 분자 주위에 어떤 인력들이 작용하고 (A-B...C), 왜 때 분자가 옷이나 피부에 아직도 존재하는지를 논의하고 (B...C 사이의 인력은 친유성 분자와 물 사이의 인력이므로 약하여 A-B 사이의 인력을 끊을 수 없는 경우가 많다...비록 일부의 때는 빠져 나가겠지만..), 비누를 칠하면 어떤 인력들이 존재하여 때 분자들이 씻겨나가는지를 정확히 기술하여야 한다. (비누를 칠하면 A-B...D...C 형태가 된다. 이 때, B...D 사이는 친유성-친유성 작용으로써 A-B 인력보다 강하게 되어 A-B 사이의 인력을 극복하고 B분자를 D가 강하게 끌어당긴다, 즉 A...B-D...C 형태가 된다. 이 때, 실선은 점선보다 강한 결합을 의미한다. 또한 비누분자 D 는 친유성과 동시에 친수성기도 있으므로 물과도 강한 결합을 형성한다. 즉 A...B-D-C 형태가 된다. 결국 약한 A...B 사이의 인력이 끊어져서 B-D-C 형태로 물에 녹은채로 빠져나간다.)

피부에 묻은 때에는 친유성 물질과 친수성 물질이 있고, 기름때는 친유성 물질이다. 오염물질 중 친수성 물질은 물에 잘 용해되어 피부로부터 떨어져 나오므로 물만 사용해서도 씻을 수 있다. 친유성 물질은 물에 잘 용해되지 않아 이를 씻어내기 위해서 비누를 사용한다. 즉, 비누는 피부나 옷에 묻은 친유성 물질이 비누의 친유성부분과 친화력을 갖는 성질을 이용하여 피부와 옷으로부터 떨어져 나오도록 한다. 친유성과 친수성은 극성에 의한 성질인데 같은 성질을 갖는 물질간의 인력이 다른 성질을 갖는 물질간의 인력보다 크다. 친유성 물질과 물의 인력은 작지만 친유성 물질과 비누의 친유성기의 인력은 크기 때문에 물에서는 떨어지지 않는 때가 비누를 녹인 물에서는 잘 떨어진다.

비누는 물에 녹아 긴 탄소사슬을 가진 음이온 형태로 존재한다. 비누분자의 친유성기는 친유성의 때를 둘러싼다. 비누분자 여러 개가 작은 때 덩어리를 둘러싸는 것이다. 비누의 친유성기와 때의 인력 때문에 때는 피부나 옷에서 떨어져나간다. 이 때 비누분자의 친수성기부분은 COO-로 음전하를 띠므로 서로 반발한다. 따라서 떨어져나간 때 덩어리가 다른 때와 결합하지 않고 독립적인 공모양의 덩어리를 형성하는데 이를 미셀이라 한다. 미셀의 내부는 작은 때와 비누의 친유성기가 모여있고 미셀의 외부는 친수성기가 서로 반발하는 구조이다. 미셀 외부의 친수성기 때문에 미셀은 물에 잘 녹기 때문에 잘 씻겨내려간다.

비누가 때를 제거하는 원리는 극성에 따른 친화력 차이를 이용하는 것이다. 친유성의 때를 표면이 친수성인 미셀로 만들어 물에 씻겨지도록 한다.

[1-2] 청동기시대가 철기시대보다 먼저 도래한 이유는 반응성과 관계가 깊다. 반응성이 크다는 말은 화학반응이 손쉽게 일어난다는 말과 같다. 반응이 쉽게 일어나면 그 순수한 금속의 성질을 잃게 되기 때문에 사용하기가 어려워진다. 그 중 한 금속이 철이다. 철은 반응성이 크기 때문에 주변에 산소와 결합을 쉽게 하게 된다. 즉, 많은 철이 Fe2O3(산화철)의 형태로 지구상에 존재하게 된다.

철을 사용하기 위해서는 환원을 시켜야만 한다. 그러나 환원을 시키기 위해서는 반응성이 더 큰 금속을 필요로 한다. 그러나 고대에 철도 환원을 못 시키는데 더 반응성이 큰 금속을 찾는다는 것은 더욱 더 힘들 일이었을 것이다. 청동기는 구리와 주석으로 이루어진 합금이다. 주석 구리 두 금속 다 철보다는 반응성이 약한 금속이기 때문에 철보다는 손쉽게 환원 시킬 수 있었을 것이며 주변에서 쉽게 구할 수 있었을 것이다.

둘째로 기술적 관점이다. 철을 제련하기 위해서는 높은 온도의 열을 필요로 한다. 고대 시대에는 이런 고온의 열을 발생 시킬 수 있는 기술이 없었다. 하지만 주석과 구리를 결합하여 청동을 제련 할 수 있는 열 정도는 발생 시킬 수 있는 능력이 있었다.

이러한 이유로 청동기 시대가 철기 시대보다 먼저 시작 되었을 것이다.

[2-1] 가스렌지에 사용된 연료는 주성분이 메탄인 액화 천연 가스이다. 메탄이 연소하면 이산화탄소와 물이 발생 한다. 이때 발생하는 물은 연소열에 의해 수증기 상태로 기화하는데, 냄비에 담긴 물이 충분히 덥혀지기 전에는 냄비에 담긴 물에 의해 열을 빼앗기고 응축되어 냄비의 외부 표면에 물방울이 생기게 된다.

[2-2] 삼각 플라스크 안에 있는 물을 끓이면 삼각 플라스크 내부의 공기와 일부의 물이 수증기 상태로 빠져 나가게 된다. 그 상태에서 삼각 플라스크의 입구를 막으면 플라스크의 내부는 수증기로 채워지게 된다. 삼각 플라스크의 옆면을 얼음으로 문지르면 수증기의 온도가 얼음에 의해 식혀져 부피가 감소하고 플라스크 내부의 압력은 낮아진다. 압력이 낮아지면 플라스크 안에 있는 아직 뜨거운 물이 끓어오르게 된다.