[스크랩] "교과서로 논술 잡기 - 과학영역"
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《‘교과서에 나오는 심화학습 문제에 통합교과형 논술 대비책이 숨어 있다.’ 서울대 등 주요 대학과 논술 전문가들의 한결같은 주장이다. 교과서를 통해 논술의 기초를 충분히 다질 수 있다는 것이다. 고교 교과서의 핵심 내용을 논술 준비 강의로 새 연재를 진행한다. 한 주는 사회와 과학, 한 주는 언어와 수리를 싣는다.》
주제: 산과 염기의 반응
[교과서 본문 1] 산과 염기의 반응(화학1 교과서)
옛날 우리 선조들은 벌에 쏘이면 된장을 발랐고, 요즘에는 곤충이나 벌에 쏘였을 때 암모니아수를 바른다. 이것은 산과 염기의 특성과 어떤 관련이 있다. 산은 신맛을 내며 염기는 피부에 묻으면 미끈미끈하다. 산은 푸른 리트머스 종이를 붉게 변화시키며 염기는 붉은 리트머스 종이를 푸르게 변화시킨다. 이처럼 산과 염기는 대체로 다른 특성을 지니고 있다. 산과 염기는 물에 녹아 각기 다른 성질을 나타내지만 서로 만나면 자신의 성질을 잃게 된다. 이때 일어나는 반응을 중화반응이라고 한다.
[보충설명]
산은 물에 녹아 이온화하여 수소이온(H+)을 내놓는 물질이고 염기는 물에 녹아 이온화하여 수산화이온(OH-)을 내놓는 물질이라고 정의한다. 예를 들어 염산(HCl)은 물에 녹아 이온화하여 수소이온을 내놓는 산이고 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 수산화이온을 내놓는 염기이다. 산의 일반적 성질은 H+에 의해 나타나며 신맛이 나고 금속과 반응하여 수소기체를 발생시킨다. 염기의 일반적 성질은 OH-에 의해 나타나며 쓴맛이 나고 단백질을 녹이므로 만지면 미끈미끈하다.
수소이온과 수산화이온이 반응하여 물을 만드는 과정을 중화라고 하며 이것은 산성을 나타내는 H+와 염기성을 나타내는 OH-가 반응하여 양쪽의 성질을 모두 잃고 중성을 나타내는 것을 말한다. H+와 OH-의 수가 같아 중화반응이 완결되었을 때를 중화점이라고 한다.
[교과서 본문 2] 중화반응의 생성물(화학1 교과서)
염산과 수산화나트륨 수용액을 반응시키면 물과 염화나트륨 수용액이 얻어진다.
HCl(aq)+NaOH(aq)→NaCl(aq)+H2O(l)
H+(aq)+Cl-(aq)+Na+(aq)+OH-(aq)→Na+(aq)+Cl-(aq)+H2O(l)
즉, 수용액에서 일어나는 산과 염기의 중화 반응에서는 산도 아니고 염기도 아닌 중성의 물이 생성된다. 염산과 수산화나트륨의 중화반응에서 생성된 물질을 가열하면 염화나트륨을 얻을 수 있는데 이와 같이 산의 음이온과 염기의 양이온이 만나 이루어진 물질을 염이라고 한다.
[보충설명]
독성이 강한 염산과 수산화나트륨을 같은 양씩 섞으면 염산과 수산화나트륨의 독성은 깨끗하게 사라지면서 마셔도 괜찮은 소금물이 생긴다. 이는 바로 산과 염기 사이에 중화반응이 일어났기 때문이다.
산과 염기가 이온화되어 나오는 수소 이온과 수산 이온은 서로 만나면 아무런 해가 없는 물 분자가 되고, 남은 찌꺼기들은 염이 되는 것이 중화반응이다. 이렇듯 수소 이온과 수산 이온이 정확하게 1 대 1로 만나서 물 분자가 되는 중화반응은 화학 반응 중에서 가장 빠르게 일어나는 반응이다. 중화반응에서 산의 음이온과 염기의 양이온이 반응하여 생성되는 물질을 염이라고 한다. 묽은 염산과 수산화나트륨 수용액의 반응에서 생성되는 염은 염화나트륨이다. 중화반응에서 생성된 염 중에서 물에 녹지 않는 염은 앙금을 만들기 때문에 거름종이로 걸러서 얻으며, 물에 녹는 염은 이온으로 존재하므로 물을 증발시켜서 얻을 수 있다.
[교과서문제]
생선 요리할 때 가장 신경이 쓰이는 것은 비린내이다. 생선이 상하게 되면 비린내가 특히 더 난다. 비린내를 없애기 위해서는 어떻게 해야 할까?
[설명]
비린내의 주성분에는 트리메틸아민[(CH3)3N] 이라는 휘발성 물질이 포함되어 있는데, 이 물질은 암모니아의 형제쯤 된다고 생각하면 된다. 암모니아가 물에 녹아 OH-를 내놓듯이 트리메틸아민도 물에 녹아 OH-를 내놓는다. 즉, 트리메틸아민은 염기이다.
NH3+H2O→NH+4+OH-
(CH3)3N+H2O→(CH3)3NH++OH-
여기에 시트르산이라는 약한 산성 물질이 많이 들어있는 레몬즙을 뿌려주면 비린내를 풍기는 아민이 중화되면서 휘발성이 적은 염이 만들어지기 때문에 불쾌한 냄새가 없어진다.
과학의 발전과 더불어 여러 가지 형태로 환경이 파괴되어 왔다. 이 중 산성비는 생태계를 산성화하고 인간 생활 주변 물질을 부식시켜 경제적 손실뿐만 아니라 안전과 생명에 위협하는 데 이르렀다. 산성비의 피해를 줄일 수 있는 방안을 중화반응의 원리로 서술하시오.
통합교과 문제
[출제 배경]
산성비의 원인 물질이 무엇이며 생성되는 과정을 이해하고 산성비의 피해를 줄이는 줄일 수 있는 방법으로 제시문에 주어진 중화반응의 원리를 이용한 현상을 찾아 설명하도록 하는 것에 문제의 목적이 있다.
산성비는 대기 중의 이산화탄소(CO2)가 빗물에 녹으므로 오염되지 않은 비도 약 pH 5.6을 나타내기 때문에 pH 5.6 미만을 나타내는 강수로 정의한다. 대기 중에 SOx와 NOx 기체가 비와 만나게 되면 강한 산성을 띠는 황산(H2SO4)과 질산(HNO3)이 되는데 비금속산화물이 물에 녹아 산성을 띠게 되는 원리를 이해하고 있어야 한다. 또한 환경오염 방지책으로 널리 사용되고 있는 탈황장치와 촉매변환장치 등의 정확한 원리를 알고 있어야 한다.
[접근 방법]
산성비의 피해를 줄일 수 있는 여러 방법 중 중화반응과 관련된 현상을 찾아 서술해야 한다. 비록 산성비의 피해를 줄일 수 있는 방법을 서술했다 하더라고 제시문에 주어진 중화반응의 원리가 아니라면 올바른 해답이라고 볼 수 없다.
흔히 산성비의 피해를 줄이는 방법으로 탈황장치, 촉매변환장치, 코트렐집진기를 생각하게 되는데 탈황장치는 화석연료의 연소시 발생하는 이산화황(SO2)을 석회석이나 석회를 써서 중화반응의 원리로 제거하는 장치이지만 촉매변화장치는 자동차 엔진에서 발생하는 질소산화물을 백금, 로듐, 팔라듐 등의 촉매를 이용해서 이산화탄소(CO2)와 질소(N2) 등의 무해한 성분으로 전환시키는 촉매에 의한 반응이다.
또한 코트렐집진기는 공장이나 산업시설에서 방출되는 여러 분진을 제거하는 장치로 산성비의 피해를 줄일 수 있는 방법과는 관련이 없다. 그 밖에 산성화된 토양이나 호수를 염기성 물질을 써서 중화시키는 방법을 생각해 본다. 예를 들어 뿌리혹박테리아를 가진 콩과 식물을 심어주면 공기 중의 질소를 이용해서 염기성의 질소 화합물을 만들어 흙이 산성화되는 것을 막아준다. 겨울에 논에 나무를 태운 재를 뿌려 주는 것도 흙을 중화시키고, 염기성인 암모니아나 석회를 뿌려주는 것도 같은 이유다.
예시 답안
산성비는 공기 중의 이산화탄소(CO2)가 녹아 pH 5.6의 약한 산성을 띠는 정상비보다 물에 녹아 강한 산성을 나타내는 이산화황(SO2), 질소산화물(NOx)이 포함된 비를 말한다.
이산화황과 질소산화물은 비금속 산화물로 물에 녹아 산성의 성질을 갖는 황산(H2SO4)과 질산(HNO3)이 된다. 이러한 산성 물질을 중화반응의 원리로 제거할 수 있는 방법으로는 탈황장치를 예로 들 수 있다.
공장, 발전소, 가정에서 사용하는 화석 연료가 연소될 때에는 이산화황이 발생하게 된다. 이산화황의 발생을 줄이기 위해서는 공장이나 발전소에는 탈황장치를 설치하여 물에 녹아 산성을 띠는 이산화황을 염기성의 성질을 띠는 석회석(CaCO3)이나 석회(CaO)로 처리하여 아황산칼슘(CaSO3)이나 석고(CaSO4)를 만들어 제거한다.
또한 산성비가 내린 토양이나 호수 등에 염기성을 띠는 석회질 물질을 뿌려 중화시키면 산성비의 피해를 줄일 수 있다.
< 2007년 4월 3일 동아일보 >