2016학년도 수시 논술 전형 대비 화학 통합형 논술d1anutt72n1dwl.cloudfront.net/course/1443157032.26_yd_way_FINAL.pdf · 화학 논술연세대로 가는 길 final

화학 통합형 논술연세대로 가는 길 FINAL

2016학년도 수시 논술 전형 대비

CHAPTER 1CHAPTER 1 연세대 논술전형의 개요 연세대 논술전형의 개요 05

CHAPTER 2CHAPTER 2 출제경향 분석하기 출제경향 분석하기 09 (2015학년도 모의논술)

CHAPTER 3CHAPTER 3 기출문제 따라잡기 기출문제 따라잡기 15 (2015학년도 기출문제) (2014학년도 기출문제)

CHAPTER 4CHAPTER 4 실전문제 연습하기 실전문제 연습하기 29 (부록)

OOrbi CClass - AAssay [Chemistry]

2016학년도 연세대 논술 대비 FINAL

CONTENTS CONTENTS

화학 논술985104연세대로 가는 길 FINAL- 5 -

논술 시험 안내1

1 시험일시 2015 10 3 (토) 오전 0830 ~ 1100 고사장 입실시간 0750 까지2 논술유형 및 시험시간

구 분 자연 계열

문제 수 및 유형

bull 수학 1문제 (60점) - 수학 I 수학 Ⅱ 적분과 통계 기하와 벡터bull 과학 1문제 (40점) - 물리화학생물지구과학 중 1과목 선택 (원서 접수시 선택한 과목) - 과학Ⅱ 수준까지 출제될 수 있으며 과학Ⅱ 수준의 난해한 개념은 제시문 에서 기본 개념을 설명함

시험시간 자연계열 0830 ~ 1100 (150분)답안지 형태 백지 형태

답안지 글자수 제한 없음기타 고사 시작 후 최초 30분 간 과학 응시 후 수학 문제 배부함

3 논술시험장소 공지 2015 9 30 (수) 1700 연세 학교 입학안내 홈페이지

논술문제 출제방향2

다소의 변형은 있을 수 있겠으나 자연 계열 논술 문제는 가능한 한 아래와 같은 기본 틀을 유지하도록 할 예정입니다

bull 사전지식이 없어도 문제에 접근할 수 있도록 교과 과정 내의 기본적인 지식 특히 과학 분야는 과학 I에서 다루는 개념들을 사용하되 과학Ⅱ 수준의 난해한 개념은 제시문에서 기본 개념을 설명한다

bull 선행 지식 평가 또는 단순 문제풀이가 아닌 과학적인 개념에 한 정확한 이해 및 창의적 사고를 논리적으로 서술할 수 있는지를 평가하려고 한다

bull 단순 계산 혹은 단순히 공식에 입하여 풀 수 있는 문제를 지양하고 수학의 근본적 원리 또는 과학적인 개념에 한 정확한 이해 여부를 평가하려고 한다

bull 정량적 학문이라는 과학의 특성상 실험결과를 정량적으로 평가하는 능력도 동시에 평가하려고 한다

bull 서술형 문제를 통해 자신의 주장을 과학적 개념에 근거하여 논리적으로 전개하는 능력을 평가하려고 한다

bull 단순 반복에 의한 학습 능력이 아닌 창의적인 사고를 평가한다 위에 더하여 가능하면 아래와 같은 측면을 포함하도록 한다

bull 수학의 경우 하나의 상황에서 다양한 개념을 적합하게 적용하도록 한다

bull 과학의 경우 물리학 화학 생물학 지구과학 등 각 영역과 관련한 하나의 자연 현상이나 상을 다양한 측면에서 해석하는 능력을 검증하도록 한다

2016학년도 연세대 논술 FINAL

Chapter 1 연세대 논술전형 개요

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채점기준 및 유의사항3

1 채점 기준① 독해력

- 제시문의 논지를 파악하는 능력을 평가 제시문의 주제와 소주제를 파악해야 함- 주제 여러 개의 제시문에 공통된 주제- 소주제 주제를 다양한 방식으로 표현하는 특정한 제시문에 담긴 주제- 주제와 소주제의 연관관계 체로 제시문들은 주제를 반영하는 여러 개의 텍스트로 구성되므로

여러 제시문들을 비교 분석함으로써 각 제시문과 주제의 연관관계를 파악할 수 있어야 함② 논증력

- 자신의 주장을 논리적으로 전개하고 이를 자료(예시 혹은 인용)를 통해 입증할 수 있는 능력을 평가함- 논리적 전개란 제시된 주장이 논리적으로 구성되고 글의 앞뒤에서 논리적 모순이 생기지 않아야 함을

의미- 이러한 주장을 경험적 자료(예)를 통해 입증할 수 있어야 함

③ 표현력- 글을 통해 자신의 의견을 읽는 이에게 전달하는 능력을 평가 문장과 문단의 구성을 주로 평가의 상

이 됨- 쉬운 문장을 사용하여 의미 전달을 쉽게 하는 것이 필수적으로 요청됨 복문이나 중문보다는 단문을

주로 사용하는 것이 바람직함- 문단 구성에도 유의할 필요가 있음 주장을 강하게 전달하기 위해 두괄식 글쓰기가 바람직함- 원고지 사용법에도 유의할 필요가 있음

④ 창의력- 주어진 주제에 해 얼마나 창의적인 생각을 할 수 능력을 평가- 자신의 독창적 주장을 제시할 필요가 있음- 주어진 제시문과 문항에 한 기계적 암기식 답안 금지- 상투적 주장이나 전형적인 사례의 사용은 바람직하지 않음

2 답안 작성 시 유의 사항① 비논리적 문장

- 논술은 자신의 주장을 논리적으로 글로써 서술하는 것이며 수리논술의 경우에도 이 기본적인 원칙은 적용

- 논리적인 추론을 바탕으로 결론을 유추하여 자신의 주장이 받아들여질 수 있도록 설득력 있는 글을 쓸 필요가 있음

② 설명하지 않고 암기한 사실을 나열하는 답안- 과학적인 지식에 기 어 합리적으로 설명하지 않고 단순히 사실을 열거하는 답안은 바람직하지 않음- 사물에 한 과학적인 이해를 바탕으로 자신의 주장을 펼칠 필요가 있음

③ 상황을 적절히 설명하는 수식이나 아이디어 전달에 도움이 되는 그림- 수리 논술이라고 해서 단순히 글로써만 자신의 생각을 전달하려는 답안이 다수 있음- 그러나 때로는 적절한 수식과 그림의 활용은 자신의 생각을 효과적으로 전달하는 데 크게 도움이 되는

유용한 수단임④ 단순한 수식의 나열은 피해야 함

- 단순히 수학문제를 풀듯이 수식에서 시작하여 수식으로 끝나는 답안은 자신의 생각을 정확히 전달하는 데 많은 어려움이 있음

- 수식을 적절하게 사용하면 도움이 되지만 지나치면 오히려 해가 될 수 있음


3 논술답안 0점 처리 규정① 지원자가 원서 접수 시 선택한 과학과목 이외의 과목에 응시한 경우 과학점수는 0점 처리합니다② 답안 작성은 반드시 흑색 필기구(연필 사용 가능)를 사용해야 하며 흑색 이외의 색 필기구로 답안을 작

성할 경우 답안을 0점 처리합니다(청색 적색 및 형광펜 등의 필기구 사용 금지)③ 수험번호 및 성명 작성란 이외의 답안지 본문에 본인을 알릴 수 있는 내용(수험번호 성명 친인척의 성

명 답안과 무관한 기호 이모티콘 등)을 기입하는 경우 0점 처리합니다④ 질문 내용과 전혀 관계없는 내용(인사말 애국가 가사 본인 잡담 등)을 작성하는 경우 0점 처리합니다

수험생 유의사항4

bull 논술시험 시작 시간 이후에는 논술시험에 응시할 수 없으며 논술시험 미응시자로 처리됩니다

bull 수험표와 신분증(주민등록증 운전면허증 여권 학생증)을 반드시 지참해야 합니다

bull 수험표는 인터넷 접수업체 홈페이지에서 출력할 수 있습니다

bull 고사장에 휴 전화 스마트폰 스마트 워치 테블릿 PDA 등 각종 통신기기를 반입할 수 없으며 시험 시작 후

에도 소지할 경우 부정행위로 간주하여 퇴실 조치합니다

bull 답안지에 수험번호와 성명을 반드시 기입해야 합니다

bull 계산기 및 사전류를 일체 사용할 수 없습니다

bull 논술시험 종료 후 퇴실 시 문제지와 답안지를 시험장 밖으로 가지고 나갈 수 없으며 시험 시작 후 종료 시까

지 긴급환자를 제외한 수험생의 퇴실은 일절 허락하지 않습니다

bull 논술시험에 응시하지 않은 경우 불합격 처리합니다

bull 답안 작성은 한 가지 필기구로 작성하여야 합니다

bull 원서접수 시 선택한 과학 과목에 응시해야 하며 원서접수 완료 후 타 과학 과목으로 변경하거나 타 과목에 응

시할 수 없습니다(과학과목 선택에 따라 발생할 수 있는 과목 간 점수 차이는 보정합니다)

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- 2015학년도 모의논술문제 - 다음 제시문을 읽고 각 문제에 답하시오

[가] 화석연료의 사용으로 발생한 기 중 이산화탄소는 지구온난화와 같은 환경문제의 주원인으로 인식되고 있다 이를 해결하기 위한 방법으로 공기 중의 이산화탄소를 포집하여 저장하는 기술과 이산화탄소의 배출을 획기적으로 줄일 수 있는 친환경 에너지원이 각광을 받고 있다 이산화탄소를 저장하는 표적인 방법으로는 다공성 물질 내부에 저장하는 방법과 탄산염 광물 형태로 저장하는 방법이 있으며 친환경 에너지원으로는 태양열을 이용한 방법과 수소-산소 연료전지 등이 있다

[나] 다공성 물질은 스펀지 숯과 같이 내부에 많은 구멍을 가진 물질들로 흡착의 과정을 통해 다른 물질들을 내부구멍에 저장할 수 있다 특히 나노미터 크기의 매우 작은 내부구멍들을 가지는 다공성 물질들은 기체 분자를 저장할 수 있으며 다공성 물질 내부에 넓은 표면적을 제공하여 단위 부피당 많은 양의 기체 분자를 효과적으로 포집할 수 있게 한다 결정형태의 다공성 물질은 일정한 크기의 내부구멍을 규칙적으로 가지고 있으며 종류에 따라 내부구멍에 특정한 작용기를 도입하여 포집된 분자와의 상호작용이나 화학반응을 촉진시킬 수도 있다 현재 다양한 종류의 다공성 물질이 알려져 있으며 이를 이용하여 기체들을 선택적으로 포집하거나 분리하려는 노력들이 이루어지고 있다

[다] 연료전지는 수소와 산소의 화학반응으로 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술로 화석연료를 이용한 발전에 비해 매우 효율이 높으며 이산화탄소의 배출이 없는 친환경적인 기술이다 다음 화학반응식은 수소-산소 연료전지를 나타내는 것으로 금속촉매를 주입한 다공성 탄소전극과 전도성 전해질을 포함하고 있다 수소와 산소기체는 각각 분리된 전극에서 수소는 산화되고 산소는 환원된다 이 때 산화전극에서 발생한 전자는 외부 회로를 통해 환원전극으로 이동하며 부산물로는 수증기가 발생한다

산화전극(-) Hg KOHaq Og 환원전극(+)

산화전극 Hg OH aq rarr HOl e 환원전극 HOg Og rarr OH aq 전체반응 Hg Og rarr HOl

수소기체를 이용한 연료전지를 상용화하기 위해서는 수소기체의 생산 운반 저장기술의 발전이 필수적이다

[라] 수소는 화석연료와 모든 유기물질에 존재하는 원소이다 수소기체는 자연적으로 얻어지지 않으나 다양한 기술들을 이용하여 쉽게 생산할 수 있다 수소기체를 생산하는 방법에는 천연가스 석탄과 같은 화석연료에서 열화학적인 방법으로 뽑아내는 방법과 물의 전기분해 또는 광분해를 통해 얻는 방법 외에 다양한 방법들이 개발되고 있다 이 중 메테인(CH)이 주성분을 이루는 천연가스에서 열화학적인 방법을 통해 수소기체를 추출하는 두 가지 방법이 널리 쓰이고 있다 수증기 개질법은 천연가스에 고온의 수증기를 개질시켜 수소를 얻는 방법으로 현재 가장 널리 쓰이는 수소 생산법 중 하나이며 다음과 같이 두 단계의 반응으로 이루어진다


Chapter 2 출제경향 분석하기

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CH HO rarr CO H kJmol CO HO rarr CO H kJmol부분산화법은 천연가스를 적은 양의 산소와 반응시켜 일산화탄소와 수소를 얻는 방법이며 생성된 일산화탄소는 수증기 개질법의 두 번째 단계와 동일하게 수증기와 반응하여 이산화탄소와 수소기체로 변환될 수 있다

CH O rarr CO H kJmol

[마] 석탄층에 존재하는 석탄층 메테인 가스(CBM)는 석탄층 속에서 미생물과 압력 온도의 작용으로 인해 석탄 표면에서 생성되는 가스를 말한다 CBM은 메테인을 약 95 함유하고 있으며 그 외 에테인(CH) 이산화탄소 질소로 구성되어 있고 연소 시 유해 물질 발생량이 적어 청정화석연료로 분류된다 CBM은 지층수의 압력에 의해 석탄층의 미세한 구멍이나 틈과 같은 표면에 흡착되어 존재한다 [그림 1]은 압력에 따른 석탄층의 CBM 포집 용량을 나타낸 것이다 CBM 생산은 석탄 채굴 이전에 탄광에서 갱내가스를 제거하는 과정에서 시작되는데 CBM 가스를 추출함으로써 채탄과정의 안정성 및 청정에너지원 확보 등 1석2조의 효과를 거둘

수 있다 휘발성 역청탄이나 무연탄 중에 1톤당 simm의 메테인이 다량 발생한다 CBM의 은 m

이내의 석탄층 내에 있고 는 simm 부근에 부존하여 일반가스에 비해 석탄층의 심도가 낮게 분

포되어 있어 생산에서의 유리한 점을 가지고 있다 또한 일반 천연가스가 특정지역에 집중되어 있는 반면 CBM 석탄층은 세계적으로 고르게 널리 분포되어 있다는 것도 장점이다

[3-1] 제시문(나)에서 제시된 결정형태의 다공성 물질의 기체 포집 용량을 증가시킬 수 있는 방법을 3가지 이상 제시하시오 (5점)

[3-2] 천연가스를 이용한 수소생산의 마지막 단계는 수소기체와 이산화탄소의 분리 공정이다제시문(나)에서 제시된 결정형태의 다공성 물질을 이용하여 이를 수행할 방법을 설명하고 이에 적합한 다공성 물질의 조건을 제시하시오 (10점)

[3-3] 제시문(라)에 제시된 천연가스로부터 열화학적으로 얻는 주요한 두 가지 방법의 장단점을 환경적인 측면과 에너지적인 측면에서 비교하여 서술하시오 (10점)


[3-4] 수증기 개질법을 이용한 수소기체 생성반응은 평형반응이다 략 75로 알려진 수증기 개질법을 이용한 수소생산효율을 개선할 수 있는 방법을 3가지 이상 제시하시오 (5점)

[3-5] 제시문(라)에 제시된 석탄층으로부터 메테인 가스를 추출할 수 있는 방법을 3가지 이상 제시하고 각 방법의 장단점을 서술하시오 (10점)

MEMO

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출제 의도 및 문항 해설


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학생 예시답안

연세 FINAL 화학논술 강좌를 듣고 위 학생 예시답안을 평가해보세요 물론 여러분이 작성한 답안도 같은 방식으로 평가해보는 것이 좋겠죠~


2015학년도 기출문제1

다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오

lt가gt 물질은 기체 액체 고체의 세 가지 상태로 존재한다 기체는 밀도가 가장 낮고 일정한 모양과 부피를 갖지 않지만 액체와 고체는 일정한 부피를 갖는다 액체는 구성 입자의 배열을 자유롭게 바꿀 수 있는 유체의 형태이고 고체는 입자의 배열이 고정되어 있다 고체는 입자 배열의 규칙성의 여부에 따라 결정성 고체와 비결정성 고체로 나눌 수 있다 예를 들어 석영 소금 등은 결정성 고체이며 유리 고무와 같은 물질은 입자의 배열이 불규칙한 무정형의 비결정성 고체이다

lt나gt 고분자는 액체 또는 고체 상태로 존재하는데 분자량이 일정하지 않으므로 녹는점이 일정하지 않다 고분자는 단량체(단위체)라고 불리는 작은 분자들이 공유결합으로 연결되어 있는 거 분자이며 단량체는 불포화탄화수소의 구조를 가지거나 두 개 이상의 작용기(반응성을 가진 부분)를 가진 물질로 구성된다 불포화탄화수소의 구조를 가지는 단량체는 빛이나 열을 가하거나 개시제로 불리는 물질을 첨가하게 되면 연쇄적인 부가반응을 통하여 고분자를 형성할 수 있다 온도와 압력을 제어하면 작용기를 가진 단량체는 저분자 물질을 방출하면서 축합되는 과정을 거쳐 고분자 물질을 형성하게 된다 단량체들이 한 가닥의 긴 사슬로 결합된 고분자를 선형고분자라고 부르며 [그림 1]은 선형고분자 구조의 예를 보여준다 선형고분자는 [그림 2]에서와 같이 고분자사슬의 접힘구조에 따라 부분적으로 결정성 영역을 형성할 수 있다

lt다gt 빛은 입자로서의 성질과 파동으로서의 성질을 동시에 가진다 물질에 빛이 쪼이게 되면 흡수 반사 굴절 회절 간섭 산란 등의 현상이 나타난다 예를 들어 일정한 간격으로 배열된 격자에 빛을 쪼이게 되면 격자를 통과한 빛은 회절에 의해 간섭무늬를 만들어 내게 된다 왓슨과 크릭은 X선의 회절사진을 이용하여 DNA 구조에 한 결정적인 단서를 확보할 수 있었다 빛이 일정한 배열을 가진 비 칭성 단결정의 단면을 통과할 때 결정의 배열 방향과 동일한 방향으로 진동하는 빛과 수직 방향으로 진동하는 빛이 서로 다른 굴절률을 나타내게 되는데 이러한 현상을 복굴절이라고 한다 우리가 어떤 물질을 볼 수 있는 것은 그 물질이 가시광선 영역의 빛을 산란시키기 때문이다 빛이 통과할 때 분자간의 경계면에서 굴절률의 차이에 의한 빛의 산란이 일어나지 않으면 그 물질은 투명하게 보인다

lt라gt 추운 겨울철에 많이 사용하는 주머니 난로의 주원료는 아세트산나트륨 과포화수용액이다 과포화 상태의 아세트산나트륨 수용액은 고온의 아세트산나트륨 포화수용액을 식힘으로써 얻을 수 있는데 이는 매우 불안정한 상태이기 때문에 충격을 주거나 조그만 결정을 넣어주게 되면 투명한 액체가 순식간에 뿌옇고 딱딱한 고체로 변하면서 다량의 열을 방출한다 주머니 난로의 금속판을 누르는 행위가 바로 아세트산나트륨 수용액에 충격을 주는 일이다

lt마gt 천연고무는 불포화탄화수소로 구성된 선형고분자 물질이다 천연고무는 고분자사슬간의 상호작용이 약하며


Chapter 3 기출문제 톺아보기

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고분자사슬의 운동이 시작되는 온도가 낮기 때문에 낮은 온도에서는 부스러지기 쉽고 높은 온도에서는 흘러내리는 성질이 있다 따라서 천연고무를 재료로 활용하는 것은 불가능하였다 하지만 천연고무에 유황 가황 촉진제 안정제 카본블랙 등을 가해서 균일하게 반죽한 후 150 안팎으로 가열하면 고분자사슬 사이에 공유결합이 형성되어 탄력이 강한 고무 제품을 만들 수 있다 지속적으로 가열하게 되면 공유결합이 점점 더 많아지게 되어 단단한 형태의 제품을 만들 수 있다

[그림 1] 선형 고분자들의 예 (n은 동일한 구조가 반복됨을 나타냄)

[그림 2] 고분자 물질의 사슬 접힘에 따른 부분적 결정구조

[그림 3] 온도에 따른 PET의 엔탈피 변화

[논제 1] [그림 1]에 제시된 각각의 고분자가 가진 분자간 상호작용과 결정성을 서로 비교하여 설명하시오 [8점]

[논제 2] [그림 3]은 얇은 판상의 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름을 서서히 가열할 때 일어나는 엔탈피의

변화를 기록한 것이다 A에서 E까지의 과정에서 일어나는 상변화에 하여 설명하고 이러한 변화가 일어나는

이유를 제시문들을 참고하여 설명하시오 [8점]

[논제 3] 포장재나 음료수 병에 많이 사용되는 PET는 용융된 상태의 플라스틱을 빠르게 냉각하여 필름으로 성형

한 것이다 얇은 판상의 PET 필름을 구부려서 접으면 접힌 부분을 흰색으로 변화된다 PET 필름이 투명한 이유

와 접힌 부분이 흰색으로 변화되는 이유를 제시문들을 참고하여 설명하시오 [8점]

[논제 4] 비결정성의 합성고분자 섬유를 한쪽 방향으로 당겨서 늘이는 공정을 연신이라고 한다 고분자 섬유는

연신 과정을 거쳐 보다 질긴 성질을 가지게 되고 그 과정은 발열과정이다 제시문들을 참고하여 고분자 섬유가


연신 과정을 통해서 질겨지는 이유와 그 과정에서 이루어지는 자유에너지 변화에 하여 설명하시오 [8점]

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[논제 5] 최근 다양한 형태의 3D 프린터가 개발되고 있다 3D 프린터를 이용하여 조형하는 방식에는 여러 가지

가 있는데 그 중에 액체 상태의 고분자에 레이저를 쏘아 3차원 형상을 완성하는 방식이 있다 제시문들을 참고

하여 3D 프린터에 사용할 수 있는 액체 상태의 고분자가 가져야 할 화학적 특징에 하여 설명하시오 [8점]

MEMO


MEMO

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lt2015학년도 기출문제 문항 해설gt

[출제의도]분자간의 상호작용을 이해하고 분자간 힘과 물질의 상태변화의 상관관계 및 관련된 전반적인 현상에 하여 설명할 수 있는지 알아보고자 하였다 고등학교 화학 교과과정에서의 기초 정보들을 통합적으로 고찰함으로써 일상생활에서 흔히 접하는 물질들과 신소재를 이해할 수 있다 분자간 상호작용이 분자의 결정화에 미치는 영향과 자유에너지 변화 화학적 구조와의 연관성 등 관련된 다양한 정보를 예측할 수 있음을 보여준다

[제시문 설명]ㆍ 제시문 [가] 물질의 상태와 고체의 비결정상태와 결정상태에 한 정보를 제시하였다ㆍ 제시문 [나] 고분자 물질의 일반적인 특성과 합성과정에 한 기본적인 정보를 제시하였다ㆍ 제시문 [다] 물질에 빛을 쪼일 때 나타나는 다양한 현상에 한 정보를 제시하였다ㆍ 제시문 [라] 아세트산나트륨 과포화수용액의 결정화 과정을 설명하였다ㆍ 제시문 [마] 가황반응을 이용한 천연고무의 가공과정에 하여 설명하였다

[문제 설명 및 분석]

lt문제 1gtㆍ 분자간 상호작용의 형태와 분자구조와의 상관관계에 하여 설명할 수 있는지를 평가한다ㆍ 분산력 쌍극자 힘 수소결합력의 세기와 이 힘들이 분자가 고체물질을 이룰 때 미치는 영향에 하여 논술

할 수 있어야 한다 lt문제 2gt

ㆍ 물질의 상변화에서 일어나는 열역학적 변화에 하여 이해하고 있는지 평가한다ㆍ 제시문 [마]를 통해 온도가 증가함에 따라 고분자 사슬의 운동이 증가함을 이해하고 제시문 [라]에 제시된

바와 같이 결정화과정이 발열과정임을 이해해야한다ㆍ 온도가 증가함에 따라 결정이 용해되는 과정은 흡열과정임을 이해해야 한다

lt문제 3gtㆍ 제시문 [나]와 [라]를 토 로 고분자 물질이 부분적인 결정화를 이룰 수 있음을 이해하고 제시문 [다]에서 제

시한 빛의 산란에 의한 불투명화 진행과정을 이해하고 있는지 평가한다ㆍ 물질이 불투명해지는 과정이 부분적인 결정화에 의한 산란임을 제시문들을 종합하여 유추할 수 있어야 한

다

lt문제 4gtㆍ 외부의 힘을 이용하여 고분자 사슬을 변형시키는 과정은 비자발적인 과정임을 이해하고 있는지 평가한다ㆍ 고분자가 늘어짐에 따라서 고분자사슬이 평형하게 배열되며 이 과정이 비자발적인 과정임을 이해해야 한다ㆍ 발열반응이 비자발적으로 진행될 때 엔트로피는 감소해야 함을 이해해야 한다

lt문제 5gtㆍ 분자간 상호작용과 물질의 상태의 상관관계 및 화합물의 반응성에 하여 이해하고 있는지 평가한다ㆍ 제시문 [나]와 [마]를 통해 고분자사슬간의 상호작용과 물질의 상태에 한 상관관계를 이해해야 한다ㆍ 제시문 [나]로부터 빛에 의해 화학반응이 진행될 수 있음을 이해해야 한다


lt2015학년도 기출문제 학생 예시답안gt

[논제 1] 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)는 분산력이 작용하고 극성 작용기가 존재하므로 쌍극자 힘도 작용한다 폴리스티렌(PS)는 무극성을 띠어 사슬 간 분산력이 작용한다 케블러는 사슬 간 분산력과 쌍극자 힘이 작용한다 그리고 이에 더하여 사슬 간 수소 결합도 이루어질 수 있다 3가지 물질 모두 선형고분자 물질이므로 사슬의 접힘구조에 따라 결정성 영역과 비결정성 영역이 생기는데 분자간 힘에 따라 접힘의 정도가 달라지게 된다 수소 결합으로 인해 분자간 인력이 가장 강한 케블러가 사슬접힘이 가장 많이 일어나고 무극성이므로 쌍극자 힘이 작용하지 않는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)가 분자간 인력이 가장 약하여 사슬접힘이 가장 적게 일어나게 된다

[논제 2] 제시문 (마)를 통해 A 과정에서는 온도가 올라감에 따라 고분자사슬의 운동이 시작되는 과정임을 알 수 있다 B 과정은 발열 과정인데 제시문 (라)에서 결정화 과정이 발열 과정임을 알 수 있으므로 이를 통해 B 과정이 결정화 과정이라고 유추할 수 있다 C 과정 동안 결정이 점점 가열되며 D 과정에서는 흡열 과정인 가열된 결정의 용해 과정이 일어난다 E 과정은 결정이 모두 용해된 이후에 용해된 결정을 가열하는 과정이다

[논제 3] PET는 선형고분자이며 제시문 (나)를 통해 선형고분자의 접힘구조에 따라 부분적으로 결정성 영역을 형성함을 알 수 있다 제시문 (라)를 통해 충격으로 인해 결정화가 일어남을 알 수 있는데 이에 의하면 구부려져 접힌 PET의 부분은 충격을 받아서 부분적 결정화가 일어난다고 볼 수 있다 제시문 (다)에 의해 빛이 일정한 배열을 가진 비 칭성 단결정의 단면을 통과할 때 복굴절이 일어남을 알 수 있다 그러므로 결정화된 구부려져 접힌 PET의 부분은 복굴절을 일으켜 불투명하게 흰색으로 보이는 것이다 반면 PET 필름의 다른 부분은 빛이 통과할 때 분자간의 경계면에서 굴절률의 차이에 의한 빛의 산란이 일어나지 않으므로 투명하게 보이는 것이다

[논제 4] 비결정성의 합성고분자 섬유를 연신시킬 때 섬유가 질겨지는 반응이 발열 반응이라고 주어져 있다 제시문 (라)를 통해 물체의 결정화가 발열 반응임을 알 수 있음으로 연신 과정동안 합성고분자 섬유가 평형하게 늘어지며 섬유의 결정화가 일어나 섬유가 질겨진다고 볼 수 있다 이 과정은 비자발적인 과정이므로 자유에너지는 증가한다 이 때 발열 과정이 비자발적이므로 엔트로피는 감소하게 된다 (서술 순서가 불확실함 발열과정이 비자발적일 때 엔트로피가 감소 ndash 자유에너지 증가인지 자유에너지 증가 ndash 발열과정이 비자발적일 때 엔트로피가 감소인지)

[논제 5] 제시문 (나)에서 불포화 탄화수소의 구조를 가지는 단량체는 레이저 등을 통해 빛이나 열을 가하면 연쇄적인 부가작용을 통해 고분자를 형성할 수 있음을 알 수 있다 또한 제시문 (마)를 통해 선형고분자 물질에 특정 물질을 첨가한 뒤 열을 가하면 고분자사슬간의 공유결합이 형성되어 단단한 고체 상태의 제품을 만들 수 있음을 알 수 있다 그러므로 3D 프린터에 사용할 수 있는 액체 상태의 고분자는 불포화 탄화수소 구조를 가지는 단량체이며 고분자 상태에서 레이저로 열을 가하면 고분자 간의 공유결합이 형성되어 단단한 고체 형태가 될 수 있어야 한다


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lt가gt 자기조립(self-assembly)은 무질서한 배열의 분자들이 수소결합 쌍극자 상호작용 분산력과 같은 분자 간의 상호작용에 의해 조직적인 구조나 형태가 자발적으로 만들어지는 과정이다 생명체는 여러 단계의 자기조립 과정을 통하여 고도로 조직화된 세포 조직 장기 등을 만든다 자기조립에 한 연구는 생명체에서 일어나는 복잡한 화학 현상의 이해에 도움을 주며 나노 구조의 제어를 가능하게 해 각종 기능성 재료의 설계에 응용된다

lt나gt 마이셀은 친수성 머리 부분과 소수성 꼬리로 구성된 계면활성제가 모인 분자집합체이다 계면활성제가 물속에서 일정 농도 이상이 되면 [그림 1]과 같이 소수성 꼬리부분이 중심부를 향하고 친수성 머리 부분은 물과 닿는 표면을 형성한다 계면활성제를 이용하면 물에 잘 녹기 어려운 소수성 분자들을 마이셀 내부에 가두어 물속에 분산시킬 수 있다

lt다gt 분자캡슐(molecular capsule)은 2개 이상의 분자가 자기조립해서 만들어지며 내부에 작은 크기의 분자를 가둘 수 있는 공간(cavity)을 가진 거 분자체이다 [그림 2]는 수소결합을 이용하여 분자캡슐을 만드는 표적인 분자의 예이다 분자캡슐은 비교적 약한 분자 간의 힘을 이용해 만들어지며 내부에 게스트(guest) 분자가 포함될 경우 캡슐의 구조를 더 안정하게 유지하는 경우가 있다 분자캡슐은 부분 비교적 약한 분자간의 힘으로 만들어지기 때문에 환경에 따라 게스트 분자의 출입을 자유롭게 조절할 수 있다 캡슐 내부에 존재하는 게스트 분자는 외부환경으로부터 고립되기 때문에 독특한 물리적sdot화학적 특성을 나타내는 경우도 있다

lt라gt 가스 하이드레이트(gas hydrate)는 가스 분자들이 물분자로 이루어진 결정 속에 갇혀 있는 구조이며 높은 압력에서 생성된다 불타는 얼음으로 잘 알려진 메테인 하이드레이트(methane hydrate)는 표적인 가스 하이드레이트 중의 하나이다 메테인 하이드레이트의 일반 구조식은 CHHOn로 주어지며 [그림 3]은 메테인 하이드레이트의 표적인 구조의 일부를 표시한 것이다 모퉁이에 존재하는 4개의 구조는 정12면체로 (정5각형 12개로 구성 = 로 표시) 각 꼭짓점에는 산소 원자가 있고 이들 결정구조 안에 메테인 분자가 갇혀 있다 가운데 2개의 구조는 14면체로 (정5각형 12개 + 정6각형 2개로 구성 = ) 마주보는 두 개의 면은 6각형이고 나머지는 5각형 구조이다 이 외에도 메테인 하이드레이트에는 나 와 같이 더 큰 공간을 갖는 구조가 혼합된 형태로 존재한다 [그림 4]는 다양한 조건에서 가스 하이드레이트가 만들어지는 가상의 상평형 그림이다


[논제 1] [그림 1]의 마이셀은 물속에서 자발적으로 생성되는 반면 [그림 2]의 분자캡슐은 물에서는 만들어지기 어려우며 극성이 낮은 유기용매에서는 잘 만들어진다 이러한 점을 고려하여 [그림 1 2 3]에서 제시된 각 자기조립체의 형성 과정에서 작용하는 주된 분자 간의 힘을 기술하고 분자 간의 힘에 영향을 줄 수 있는 외부 요인을 설명하시오 [8점]

[논제 2] 메테인 하이드레이트에서 메테인 가스를 얻을 수 있는 방법과 그 이유를 4가지 이상 제안하고 메테인 하이드레이트로부터 메테인 가스를 얻을 때 발생되는 문제점을 기술하시오 [8점]

[논제 3] 다음은 메테인 하이드레이트 결정이 만들어지는 가상의 평형 반응식이다CH HO CHHO

위 반응평형을 통해서 형성된 다량의 메테인 하이드레이트가 수심 m의 해저에서 발견되었다 발견된 메테인 하이드레이트 L를 채취하여 atm에서 분해했을 때 L의 메테인 가스를 얻었다 [그림 4]의 조건과 채취된 메테인 하이드레이트의 밀도를 참조하여 수심 m 해저에서 메테인 하이드레이트가 안정적으로 존재할 수 있는 환경에 해서 논하시오 (단 메테인 가스는 주어진 조건에서 이상기체이며 H C O의 원자량은 각각 1 12 16 이다 그리고 수심 m에서 바닷물의 밀도는 gmL이며 압력은 atm이라고 가정하자 기체상수 atmsdotLmolsdotK) [8점]

[논제 4] 가스 하이드레이트의 응용 분야 중의 하나로 해수 담수화와 관련된 연구가 진행되고 있다 그림 4에서 제시된 상평형을 이용하여 의 해수를 담수화하기 위한 가장 효율적인 조건과 담수화 과정을 설명하시오 제안한 조건에서 담수화가 가장 효과적으로 이루어질 수 있는 이유를 제시문 lt다gt를 참고하여 설명하시오 (단 담수화 과정에서 온도는 일정하다고 가정하자) [8점]

[논제 5] 물질이 용해되는 과정은 분자 간의 상호작용으로 해석할 수 있다 즉 용질분자 간의 인력과 용매분자 간의 인력의 합에 비해 용매분자와 용질분자 간의 인력이 클 경우 그 물질은 더 잘 용해될 수 있다 메테인 가스의 경우 물에 한 용해도는 매우 낮지만 메테인 가스와 물을 혼합한 상태에서 일정 이상의 압력을 가했을 때 자발적으로 메테인 하이드레이트를 생성하게 된다 이러한 과정을 엔탈피()와 엔트로피() 및 자유에너지()의 변화와 연관시켜 설명하시오 그리고 바닷물에서 메테인 하이드레이트를 만들기 위해서는 동일한 압력에서 순수한 물을 이용할 때보다 더 낮은 온도가 필요한 이유에 해서 설명하시오 (단 ) [8점]

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MEMO


MEMO

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[출제 의도]

1) 물 분자의 수소결합을 이해하고 표적인 분자간의 힘들의 특성을 적용해 여러 가지 현상들을 설명할 수 있는 지를 알아보고자 하였다2) 고등학교에서 배운 화학의 기초 정보들을 통합적으로 적용할 때 분자들의 상호작용 과정과 관련된 응용 분야를 이해하고 예측할 수 있음을 보여주고 있다

[제시문 설명]

1) 제시문 (가)는 분자간의 힘을 이용한 분자들의 일반적인 조립과정과 응용분야를 제시하였다2) 제시문 (나)는 마이셀 구조가 만들어지는 과정에서 분자간의 힘을 설명하고 응용성을 설명하였다3) 제시문 (다)는 분자간의 힘으로 작은 분자로부터 큰 분자가 만들어지는 표적인 응용 예 중 하나를 설명하였다4) 제시문 (라)에서는 물 분자 간의 수소결합에 의해 만들어지는 가스 하이드레이트를 소개하고 표적인 수소결합 구조를 설명하였고 상평형 그림을 이용한 실험 예를 제시하였다


lt문제 1gt 제시문 (가)에서 주어진 분자간의 힘을 근거로 분자들이 서로 뭉치는 과정을 이해하고 분자들 간의 힘의 개념으로 설명할 수 있는지 평가한다bull 물과 유기용매에서 수소결합과 분산력의 세기를 비교하고 용매에 따라 강하게 작용하는 힘을 구분할 수 있는지 보고자 하였다bull 온도와 압력에 따른 분자 간의 힘의 변화에 한 이해를 보고자 하였다

lt문제 2gt 제시문 (라)에서 주어진 상평형 그림 4의 실험 결과를 토 로 메테인 하이드레이트의 안정한 조건을 이해하고 메테인 하이드레이트의 안정도와 온도 압력과의 관계와 결정구조의 저해제 또는 강화제에 한 실험 내용을 이해해야 한다bull 상평형 그림을 이해하고 메테인 하이드레이트가 안정한 구조를 유지하려면 낮은 온도와 높은 압력이 필요하다는 사실을 유추할 수 있는지를 알아보고자 하였다bull 가스 하이드레이트의 결정구조를 이해하고 상 적인 안정도를 그림 4로부터 유추할 수 있어야 한다

lt문제 3gt 메테인 하이드레이트의 밀도를 계산할 수 있는 지를 알아보고 밀도 차이에 따른 물리적 현상을 이해하는지를 알아보고자 했다 특히 탄소화합물의 작용기의 길이에 따른 구조 변화를 이해하고 분자간의 작용하는 상호작용의 관점에서 응용할 수 있는지를 보고자 하였다

lt문제 4gt 제시문 (라)에서 주어진 상평형 그림 4의 실험 결과를 토 로 메테인 하이드레이트의 안정한 조건을 이해하고 제시문 (다)에 제시한 내용을 메테인 하이드레이트의 안정도와 결정구조의 저해제 또는 강화제에 한 실험 내용과 연계할 수 있어야 한다 특히 가스 하이드레이트의 상평형 그림과 제시문 (라)에 제시한 메테인 하이드레이트 결정구조를 이해하고 상 적인 안정도를 유추할 수 있어야한다

lt문제 5gt 용매화 과정에서 생기는 분자 간의 힘의 균형을 이해하고 이를 에너지 변화 관점에서 설명할 수 있는지를 알아보고자 하였다 특히 용매와 용질 간의 힘의 변화와 관련하여 화학반응의 자발성에 한 개념을 표현할 수 있어야 하며 온도와 압력에 따른 분자 간의 힘의 변화를 이해하여야 한다


lt2014학년도 기출문제 학생 예시답안(첨삭본)gt

[논제 1] [그림 1]의 마이셀의 경우 물속에서는 친수성 머리 부분이 쌍극자 간의 힘에 의해 결합하고 꼬리 부분은 비극성부분으로 분산력에 의해 결합하여 자발적으로 형성된다 용매가 비극성이라 하더라도 친수성 머리와 비극성 꼬리 부분의 위치가 바뀌면서 마이셀을 형성할 수 있다 이는 용매의 극성의 정도에 따라 마이셀을 형성하는 방법과 형태가 달라진다고 할 수 있다 [그림 2]의 분자캡슐의 경우 이루는 단위 분자의 끝부분이 산소와 수소로 형성되어 있어 이들 간의 수소결합에 의해 분자캡슐을 형성하게 될 것이라는 것을 예상할 수 있다 그에 따라 단위 분자간의 수소결합을 해야 하는 부분에서 물과 수소결합을 형성하면서 캡슐 구조를 갖기 힘들어짐을 예상할 수 있다 이러한 수소결합에 의한 캡슐의 형성은 극성이 약한 유기용매 내에서 진행이 잘 될 것이며 수소결합에 영향을 줄 수 있는 열과 산에 영향을 받을 수 있음을 예상할 수 있다 [그림 3]의 메테인 하이드레이트는 물 분자를 단위체로 하는 캡슐을 형성한다 이때 각 꼭지점이 산소로 형성되어 있다고 하였으므로 이 역시 산소 원자를 중심으로 형성된 수소결합에 의한 구조체임을 예측할 수 있다 이때 [그림 4]의 상평형 곡선을 통해 압력이 높을수록 온도가 낮을수록 수소결합이 잘 형성됨을 알 수 있다

[논제 2](1) 메테인 하이드레이트로부터 메테인 가스를 얻을 수 있는 방법은 ① 온도를 높여 결정구조의 분리를 유도할 수 있다 이를 위해 매장층에 열수나 증기를 주입하는 방법을 사용할 수 있다② 압력을 낮추는 것이다 매장층에 틈이 있을 경우 이곳의 압력을 낮추어 가스의 해리를 촉진할 수 있다③ 하이드레이트 억제제를 주입한다 억제제로는 염수를 사용할 수 있다 [그림 4]에서 순수한 물에 비해 바닷물에서는 하이드레이트 생성이 상 적으로 어렵다는 것을 알 수 있다 이는 이온성인 염분이 물과의 친화력이 크기 때문에 물 분자끼리의 수소결합 형성을 방해한다고 볼 수 있기 때문이다④ 수압을 이용한 파쇄 방법을 생각할 수 있다⑤ [그림 4]에서 메테인보다 이산화탄소가 하이트레이트의 형성이 더 용이하다는 것을 알 수 있다 따라서 이산화탄소를 주입하면 메테인을 밀어내고 이산화탄소가 신 자리를 차지하게 되므로 메테인을 분리할 수 있다

(2) ① 메테인 하이드레이트를 채취할 때는 온도와 압력을 유지하는 것이 중요할 것이다 만일 채취과정에서 압력이 낮아지거나 온도가 높아지면 기체 상태로 기로 유출될 수 있다 메탄은 농도 당 온실효과 기여율이 이산화탄소보다 높으므로 지구 온난화에 악영향을 줄 수 있다② 온도를 높이거나 압력을 낮추면 하이드레이트의 결정구조가 녹아 버리게 되고 이는 해저지반 침하 등의 문제를 야기할 것이다 이산화탄소 주입법은 결정구조가 유지되므로 이러한 문제를 해결 할 수 있다 하지만 주입된 이산화탄소가 해리될 경우 바닷물의 pH에 영향을 줄 수 있다는 단점이 있다

[논제 3] atm에서 메테인 L의 몰 수는

에 의해

mol∙K

atm∙L∙K

atm∙Lmol

이다즉 메테인 하이드레이트 L에는 메테인 mol이 존재하며 메탄과 물의 반응 몰 비가 16이므로 메테인

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mol에는 물 mol이 함께 하이드레이트를 형성한다 메테인 하이드레이트 L의 질량은 timestimes g이므로 메테인 하이드레이트의 밀도는 gmL가 된다 메테인 하이드레이트의 밀도는 수심 m의 바닷물 밀도보다 작다 따라서 단독으로 존재하기 어려우며 심해저의 퇴적물 속에 묻혀있는 형태로 존재해야 할 것이다 또한 수심 m에서는 약 K의 온도 이하여야 메테인 하이드레이트가 형성될 수 있다 따라서 가급적 온도가 낮아야 하므로 추운 지방의 심해저일수록 유리 할 것이다

[논제 4] [그림 4]에서 온도 K에 해당하는 압력을 보면 CH바닷물의 경우는 약 atm 정도이고 CHHO는 약 atm COHO는 약 atm COHO-시클로펜테인은 atm이하임을 알 수 있다 따라서 바닷물에 CO를 공급해 주고 압력을 atm으로 만들어 주면 COHO의 가스 하이드레이트 결정을 얻을 수 있을 것이다 이렇게 얻은 결정의 압력을 낮춰 주면 결정구조가 해리되면서 순수한 물을 얻어낼 수 있다 CO를 공급해 줄 때 시클로펜테인을 함께 공급해주면 더 낮은 압력에서 결정을 형성할 수 있지만 시클로펜테인과 물 분자를 다시 분리해내는 과정을 거쳐야 하기 때문에 효율적이라 보기 어렵다 따라서 CO를 공급하여 COHO 가스 하이드레이트를 형성하여 담수화를 하는 것이 가장 효율적이다 이는 제시문 (다)에서 분자 캡슐이 게스트 분자가 포함되어 더 안정한 구조를 형성하는 것처럼 가스 하이드레이트 역시 게스트 분자의 종류에 따라 결합의 안정성이 달라지기 때문이다 CO의 산소 원자가 결정을 이루는 물 분자의 수소원자와 인력이 형성될 수 있기 때문에 더 안정해질 것이다 따라서 COHO의 가스 하이드레이트는 더 낮은 압력 더 높은 온도에서도 형성될 수 있는 것이다

[논제 5] 우선 메테인 하이드레이트의 형성 반응식을 보면 CHg HOl CHHOs이다 따라서 압력을

높이면 르 샤틀리에의 원리에 따라 분자 수가 줄어드는 방향으로 반응이 진행되어 메테인 하이드레이트가 형성된다 그런데 이 반응은 기체인 메테인이 고체 결정으로 전환되는 반응이므로 이고 상평형 그래프에서 온도가 높아지면 메테인과 물로 분리되는 것으로 볼 때 메테인 하이드레이트가 형성되는 반응은 발열반응으로 볼 수 있으므로 이 된다 따라서 반응의 자발성을 나타내는 척도 ㆍ에서 이어야 이 되어 자발적인 반응이 진행되므로 가 작아져야 한다 한편 바닷물에서는 무기이온이나 염류에 의해 무극성인 CH가 HO에 용해되는데 방해를 받게 된다 따라서 용매의 환경에 따른 용해 엔탈피 변화는 물 바닷물이므로 바닷물에서 자유에너지 변화량 ㆍ은 순수한 물일 때보다 가 작아졌으므로 더 낮은 온도가 주어져야 이 되어 자발적으로 메테인 하이드레이트가 합성된다



lt가gt 설탕 수용액이나 염화나트륨 수용액을 보면 매우 투명하다 그러나 비눗물이나 녹말 수용액은 불투명하게 보인다 그 이유는 수용액에 분산되어 있는 입자들의 크기가 커서 빛을 산란하기 때문이다 이와 같이 빛을 산란할 수 있을 정도의 크기를 갖는 입자가 분산되어 있는 용액을 콜로이드 용액이라 한다 이러한 콜로이드는 물을 좋아하는 친수성 콜로이드와 물을 꺼리는 소수성 콜로이드로 나뉜다 친수성 콜로이드는 단백질과 같은 매우 큰 분자들을 포함하는 용액이다 수용액 상에서 단백질은 아미노기(NH) 카르복시기(COOH) 하이드록시기(OH) 등의 친수성 부분이 바깥 표면에 배치하도록 접히게 되는데 간혹 이들 친수성 작용기는 해리(즉 이온화)되어 전하를 띠기도 한다 이러한 극성 또는 이온성의 친수성 작용기들은 물 분자와 다양한 상호작용을 하여 단백질이 물속에서 안정한 상태로 분산될 수 있게 한다 소수성 콜로이드는 일반적으로 물속에서 안정하게 분산되기 어려워 입자들끼리 뭉쳐 덩어리를 이루는데 이들은 표면에 이온을 흡착시킴으로써 안정화 될 수 있다 흡착된 표면 이온이 물과의 상호작용을 통해 콜로이드 입자를 분산시키는 것이다 강물이나 시냇물에 떠다니는 토양 입자들이 이러한 방식으로 안정화된 소수성 콜로이드의 일종이다 토양 입자는 지표에 많이 분포하고 있는 규산염 광물로 구성되어 있으며 이들의 기본 단위는 규산염 이온(SiO)이고 그 중 일부는 중심 양이온인 Si 신에 Al Ca Mg 등으로 치환되기도 한다

lt나gt 다음은 물에 녹아 있는 약한 유기산 HA의 이온화상수 를 나타낸 것이다

HAaqHOl HO aqAaq HAHO A

파패인이라는 단백질은 일종의 단백질 가수분해 효소(Protease)로서 펩타이드 결합을 끊는 효소작용을 한다 이 효소의 작용을 위해서는 활성화 부위에 존재하는 25번째 아미노산인 시스테인과 159번째 아미노산인 히스티딘의 이온화 상태가 중요한 역할을 한다고 알려져 있다 파패인이 효소로 관여하는 반응의 속도는 [그림 3]과 같이 H에 따라 변한다 최적 H 조건이 유지되는 상태에서 25번 시스테인 R기의 이고 159번 히스티

딘 R기의 으로 알려져 있다(각 아미노산 R기의 이온화 부위는 [그림 4]에 로 표시하였다)


Chapter 4 실전문제 연습하기

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lt다gt 지각의 부분을 차지하는 규산염 광물의 구조적 특징은 사면체 형태의 규산염 음이온(SiO)에 기인한다 가장 단순한 규산염은 규칙적인 결정격자 상에

SiO가 배열하고 그 주위에 양이온이 위치하여 전하 균형을 이룬 구조이다 규

산염은 공유결합을 통해 가교 역할을 하는 산소에 의해 SiO 사면체끼리 연결되어 다양하고 복잡한 구조를 이룰 수 있다 이때 가교 역할을 하는 산소에 의해 규산염 광물의 내부는 전하가 상쇄되어 전기적 중성 상태를 유지한다 알루미노규산염이라 부르는 또 다른 광물은 규산염 구조에서 Si 중 일부가 Al로 치환되어 생성된다 이들 중 3차원 구조의 알루미노규산염을 제올라이트(zeolite)라고 하는데 이들은 음전하를 띤 알루미노규산염 뼈 를 토 로 하고 그 주위에 전하를 보상하는 알칼리 금속이나 알칼리 토금속 양이온을 두고 있다 제올라이트는 규산염 광물의 규칙적 3차원 구조를 일부 훼손함으로써 골격에 빈틈이 생긴 다공성 물질인데 이 빈틈의 크기나 모양에 의해 물질을 선택적으로 투과시킬 수 있는 분자체 기능도 지니고 있다

[문제 1] 수용액 속 콜로이드 입자 간에는 주로 두 가지 기본 힘 즉 입자와 입자 사이의 반발력 입자와 입자 사이의 반데르발스 인력의 작용을 받는다 다음 그래프는 두 입자간 거리에 따른 반발력과 인력의 변화를 나타낸 것이다(이때 중력에 의한 영향은 무시한다) 콜로이드 상의 토양 입자가 강물 속에서 어떤 상태로 안정화 될지 설명하고 그래프를 참조하여 이들 콜로이드 입자를 응집시킬 수 있는 방법들을 제안하시오 (10점)

[문제 2] 제시문 lt나gt의 파패인이 효소로서 최적의 작용을 하기 위해서는 25번 시스테인과 159번 히스티딘이 어떤 이온화 상태를 가져야 하는지를 예측하시오 (8점)


[문제 3] 제시문 lt나gt의 파패인이 최적 H 조건에서 벗어나면 왜 반응속도가 느려지는지 효소가 촉매의 역할을 한다는 사실을 바탕으로 설명하시오 (8점)

[문제 4] 제시문 lt다gt를 참고하면 제올라이트는 결정구조 내에 교환가능한 양이온을 함유하고 있기 때문에 다른 양이온과의 교환이 비교적 용이하다 제올라이트를 양이온 교환수지로 활용하면 Ca이나 Mg이 함유된 하천수(센물)를 개질하여 생활용수로 활용하는 것이 가능하다 제올라이트를 활용한 하천수 개질 과정을 아래 구조식을 활용하여 반응식으로 나타내고 이때 하천수와 개질된 생활용수의 전기전도성을 비교하시오 (단 전기전도성은 이온의 종류보다는 농도에 의존하는 바가 크다) (5점)

[문제 5] 제시문과 다음의 자료를 활용하여 Na이나 K등의 무기이온을 다량 함유한 제올라이트를 식물체 주변의 토양에 뿌려줄 경우 식물 뿌리 세포가 이들 무기이온을 흡수하는 과정을 제올라이트의 양이온교환성과 뿌리 세포에서 생성된 H의 역할을 고려하여 설명하시오 (9점)

∙식물의 뿌리 세포는 광합성 보다는 호흡을 주로 하기 때문에 부산물로 발생한 이산화탄소(CO)의 이온화

를 통해 상 적으로 높은 수소 이온(H) 농도를 유지할 수 있다 뿌리 세포에는 세포막의 막전위(휴지막전위) 생성과 유지에 관여하는 능동 수송체(에너지를 직접 이용하여 농도 기울기를 거슬러서 낮은 농도에서 높은 농도로 물질을 이동시키는 수송체)로써 H펌프가 존재하는데 H펌프는 Na K 등의 무기이온 흡수에도 관여한다∙뿌리 세포에서 Na이나 K이 흡수되는 과정은 농도 및 전기 기울기에 의한 확산에 의한 현상이고 능동 수송체를 통해 직접적으로 흡수되지는 않는다∙뿌리 세포의 막을 기준으로 세포 내부의 무기이온 농도는 바깥에 비해 항상 높은 상태를 유지한다

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예시답안

[문제 1] 주로 규산염 성분으로 이루어진 토양 입자는 표면에 Si 보다 O 가 많이 배치돼 있는 구조이므로 음전하를 띠게 된다 또한 무기 콜로이드 입자의 중심 양이온인 Si가 Al Ca Mg 등으로 치환되면 잉여의 음전하가 더 생기므로 이들 또한 표면은 음전하를 띤다 이들 토양 입자는 제시문 lt가gt에 언급된 바 로 강물(수용액) 속에 존재하는 양이온을 흡착시켜 콜로이드 입자간 반발력을 형성하며 물과는 이온-쌍극자 인력을 형성하여 안정화 될 수 있다

[양전하를 흡착시킨 콜로이드 상의 토양 입자] 이 콜로이드 상의 토양 입자를 응집시키기 위해서는 입자 간 반발력을 이겨내고 입자들이 서로 가까이 접근해야 한다 주어진 그래프를 아래와 같이 변형하여 lsquo입자 간 상호작용을 고려한 거리에 따른 콜로이드 입자의 에너지 변화rsquo 그래프로 나타내어 살펴보자 입자 간 거리가 값 근처만 유지된다면 입자들이 받는 알짜힘(합력)에 의한 에너지가 급격히 감소하는데 이 때 콜로이드 입자들은 반발력을 극복하고 반 데르 발스 인력에 의해 서로 접근해 응집될 수 있다

위와 같은 원리로 콜로이드 입자간 거리를 줄일 수 있는 방법을 제시하면 다음과 같다① 콜로이드와 반 전하를 띠는 이온을 포함하는 전해질을 첨가해주면 콜로이드의 표면에 음전하를 띠는 반 이온이 달라붙어 콜로이드의 표면 전하를 감소(희석)시킬 수 있으므로 콜로이드 입자 간 반발력이 감소하며 반 데르 발스 인력에 의해서 응집될 수 있다② 콜로이드 용액의 농도를 높여서 콜로이드 입자들 사이의 거리를 가깝게 하면 입자 사이에 작용하는 인력이 반발력보다 커지므로 어느 정도 응집이 일어날 수 있다③ 콜로이드 용액에 열을 가해 용액의 온도를 높여주면 콜로이드 입자의 운동 속도가 증가하여 입자 간 반발력을 극복하고 콜로이드 입자들 사이의 거리가 미만이 될 수 있으므로 이것이 여러 번 반복되면 입자들이 서로 응집돼 가라앉는다


[문제 2] 제시문 lt나gt의 내용을 참고하면 파패인이 최적 활성을 나타낼 때의 H는 6이다 한편 시스테인과 히스티딘의 R기는 다음과 같이 각각 이온화 될 수 있다

시스테인 R기 SH HO S HO SHHO S

히스티딘 R기 HN HO N HO HNHO N

이러한 내용을 참조하여 H 6(즉 H )인 조건에서 파패인 내부의 두 아미노산 R기의 중성 상태와 이온화 상태의 농도 비를 구하면 다음과 같다

시스테인 R기 SHS

H

히스티딘 R기 HNN

H

따라서 파패인이 최적 활성을 띠는 경우 시스테인은 R기가 (-)전하를 띤 음이온(S) 상태로 존재하고 히스티딘의 R기는 (+)전하를 띤 양이온(HN) 상태로 존재할 가능성이 높다

[문제 3] 제시문 lt나gt를 참조하면 파패인을 구성하는 25번째 아미노산인 시스테인과 159번째 아미노산인 히스티딘은 활성화 부위에 존재하여 기질을 인지하는데 중요한 역할을 함을 알 수 있다 또한 논제 2에서 살핀 바와 같이 H 6조건에서 파패인이 최적 활성을 띨 경우 활성부위에 노출된 시스테인과 히스티딘의 R기가 각각 (-)전하와 (+)전하를 띤다 이들 활성부위의 전하는 기질의 결합부위에 존재하는 반 전하들과 상보적 상호작용을 통해 효소-기질 복합체를 형성하는데 유리하게 작용할 것으로 추론할 수 있다(그림 참조) 그런데 만약 이 효소가 H 6을 벗어난 범위에서 작용하게 될 경우에는 각 아미노산의 R기의 이온화 상태에 변화가 생겨 기질과의 상호작용이 약화되거나 결합을 오히려 방해하는 일이 벌어질 것이다 예를 들어 H 2인 범위에서 작용한다면 히스티딘 R기는 여전히 (+)전하를 띨 수 있지만 시스테인 R기는 중성상태로 존재하게 되므로 기질과의 결합력이 약화될 것이다


H


H

결과적으로 파패인과 같은 효소는 최적 H를 벗어나는 조건에서는 활성이 저하된다

[문제 4] Ca이나 Mg을 함유한 하천수를 제올라이트 결정에 통과시키면 하천수 속에 존재하는 Ca이나 Mg이 Na으로 교환된다 이때 Ca이나 Mg는 2가 양이온이고 Na는 1가 양이온이기 때문에 다름과 같이 Ca(또는 Mg) 하나는 두 개의 Na로 교환된다

따라서 총 N개의 Ca(또는 Mg)을 함유한 하천수가 개질되면 2N개의 Na을 함유한 생활용수가 되어 이온

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농도가 증가하게 되므로 전기전도성도 증가하게 된다

[문제 5] 주어진 자료를 참고하면 Na이나 K등의 무기이온은 농도 또는 전기적 기울기에 따른 확산에 의해 뿌리 세포 안으로 흡수되어야 한다 그런데 뿌리 세포 안에 존재하는 무기이온 농도는 바깥쪽의 토양에 비해 높게 유지되고 있으므로 농도차 기울기에 의존한 무기이온의 흡수는 어려울 것이다 따라서 무기이온이 세포막 안으로 확산되려면 전기적 기울기에 의해 이동되어야 한다 즉 양이온성 무기이온이 밖에서 안으로 유입되기 위해서는 상

적으로 바깥쪽이 양전하를 안쪽이 음전하를 띤 상태가 조성되어야 하는 것이다 그리고 이때 농도차 기울기와 전기적 기울기는 반 방향으로 형성되므로 무기이온의 흡수가 용이해지려면 농도차 기울기에 비해 전기적 기울기의 크기가 더 커야 한다 이와 같은 전기적 기울기를 형성할 수 있게 하는 것이 바로 뿌리 세포의 막에 존재하는 H펌프이다 뿌리 세포의 호흡 과정을 통해 방출된 CO가 세포 내에서 이온화되어 H을 생성하면 세포는 ATP를 소모하며 H을 세포 밖으로 배출시킨다 이렇게 되면 세포 밖은 H에 의해 양으로 하전 되고 안은 음으로 하전 되어 그 결과 생성된 전기적 기울기를 따라 무기이온이 뿌리 세포 안으로 확산되어 흡수되는 것이다 이때 세포 밖으로 배출된 H은 토양수에 녹아들어 제올라이트 주변에 도달하면 양이온교환능력이 있는 제올라이트는 함유된 Na이나 K을 방출함과 동시에 H을 흡착시킬 수 있다 결론적으로 뿌리 세포에서 생성된 H는 세포 밖으로 능동 수송되어 제올라이트로부터 무기이온을 분리시킴과 동시에 전기적 기울기를 형성하여 무기이온을 뿌리 세포 안으로 이동시키는 역할을 하는 것이다


CHAPTER 1CHAPTER 1 연세대 논술전형의 개요 연세대 논술전형의 개요 05

CHAPTER 2CHAPTER 2 출제경향 분석하기 출제경향 분석하기 09 (2015학년도 모의논술)

CHAPTER 3CHAPTER 3 기출문제 따라잡기 기출문제 따라잡기 15 (2015학년도 기출문제) (2014학년도 기출문제)

CHAPTER 4CHAPTER 4 실전문제 연습하기 실전문제 연습하기 29 (부록)

OOrbi CClass - AAssay [Chemistry]

2016학년도 연세대 논술 대비 FINAL

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2016학년도 수시 논술 전형 대비 화학 통합형 논술d1anutt72n1dwl.cloudfront.net/course/1443157032.26_yd_way_FINAL.pdf · 화학 논술연세대로 가는 길 final