[理知논술/대입 통합교과 논술]과학논술

※ 다음 제시문을 읽고 물음에 답하시오.

(가) 1930년 미국의 엔지니어이자 화학자인 토머스 미즐리는 프레온가스(CFCs)로 알려진 클로로플루오르카본 중 하나를 냉장고 및 에어컨 등에 사용할 수 있는 새로운 냉매라고 발표하고 독성과 가연성이 없음을 강조하였다.

냉동의 기본 원리는 액체가 기체로 바뀔 때 주위에서 열을 빼앗아 온도를 낮추고 기화된 기체는 다시 고압에서 응축되어 액체로 바뀌는 과정이 반복된다. 문제는 안전한 냉매의 발견이었다. 기존에 알려졌던 대표적인 냉매는 암모니아로 냉매 성질은 좋은 반면, 독성이나 인화성이 있어 매우 위험했다. 때문에 냉매 유출사고로 많은 이가 죽었으며, 이런 위험 요소가 냉장고의 보급을 가로막고 있었다.

CFCs의 발견은 인류의 생활에 엄청난 영향을 끼쳤다. 안전한 냉동 방법의 확산으로 식중독 발생과 설사병이 크게 줄어들 수 있었다. 식품의 안전한 보관은 생활 패턴마저 바꿔 놓았는데, 특히 백신의 안전한 보관은 의료분야에서도 일대 혁신을 가져왔다. 백신은 실온에 보관하면 일주일만 지나도 효력이 없어진다. 냉동 보관하지 않으면 백신 효과는 매우 낮아지므로, 백신 접종이 제대로 이루어질 수 없었다. 즉 백신이 지금과 같이 큰 효과를 발휘하게 된 것도 결국 안전한 냉동방법의 확산이 뒷받침되었기 때문이었다. 그 외에도 에어로졸의 압축가스, 세탁용매, 플라스틱을 만들 때 분출제 등으로도 널리 사용되었다.

(나) 1974년 모리나와 로랜드 박사가 성층권 오존이 CFCs에 의해 파괴된다고 발표한 후 11년이 경과한 1985년에 영국 남극 조사팀의 관측 자료를 통해 CFCs는 오존 파괴의 주범으로 입증되었고 성층권 화학에 중요한 기체로 등장하게 되었다.

CFCs는 매우 안정적이기 때문에 낮은 대기권에서는 분해되지 않으며 성층권까지 수송된 후 자외선에 분해되어 오존 파괴의 촉매자로 작용하는 염소 자유라디칼(Cl·)을 방출하게 된다. 오존층이 파괴된 후 염소는 재생되므로 하나의 염소 자유라디칼은 수천에서 수십만 개의 오존을 파괴할 수 있다.

Cl· + O3 → ClO· + O2 (1) ClO· + O· → Cl· + O2 (2)

이것은 오존층이 지구에 도달하는 유해한 자외선을 차단한다는 중요한 역할 때문에 큰 관심을 불러일으켰다. 오존층의 파괴는 햇볕에 의한 화상뿐 아니라 더 나아가 피부암을 유발할 수 있다.

오존층에 대한 CFCs의 영향이 알려지면서 각 나라들은 CFCs의 대체물질을 찾기 시작했으며 1978년 미국 정부는 에어로졸에서 CFCs의 사용을 금지했고, 1988년 유엔에서 몬트리올 의정서를 제의하여 각 나라들은 점진적으로 CFCs의 사용을 줄여 나가는 데 합의하였다. 따라서 화학 산업은 오존층에 피해가 없는 CFCs 대체물질을 찾는 중요한 임무를 맡게 되었다.

(다) 냉장고와 에어컨, 헤어스프레이 등에 사용되는 CFCs가 대기권의 오존층을 파괴해 태양광선의 해로운 자외선을 막아주지 못하게 되고 열기를 가두는 온실효과를 가져온다는 사실이 밝혀지면서 20여 개국은 1989년 몬트리올 협약을 통해 이 가스의 사용을 중단하고 대신 수소화염화불화탄소(HCFCs) 등 대체물질을 사용키로 약속했다.

이런 조치는 오존층 파괴와 온난화를 막을 것으로 예상됐으나 최근 발표된 유엔 보고서에 따르면 실제는 이와 다르게 나타났다.

HCFCs와 부산물인 수소화불화탄소(HFCs)는 자연 분해가 빨라 오존층 파괴를 막는 데는 어느 정도 도움이 됐지만 CFCs와 마찬가지로 반사층을 형성해 온실처럼 열기를 가두기 때문에 온난화를 막는 데는 별다른 역할을 하지 못한 것으로 밝혀진 것이다. 이런 대체가스들은 이산화탄소에 비해 지구를 1만 배나 빠른 속도로 덥히는 것으로 알려져 있다.

몬트리올 협약에 따른 CFCs의 단계적 감축 과정에서 발생한 온실가스의 양은 지구온난화방지를 위한 교토협약이 목표로 하는 이산화탄소 감축량보다 2∼3배나 많은 것으로 나타났다.

(라) ‘나노’란 10억분의 1을 나타내는 단위로 그리스어의 나노스(난쟁이)에서 유래했다. 1나노미터(nm)는 10억분의 1m를 말한다. 나노기술은 물질을 나노 크기의 수준에서 조작, 분석하고 이를 제어할 수 있는 과학과 기술을 지칭한다. 1980년대에 개발된 주사형 검침현미경은 미세한 부분까지의 관찰을 가능하게 해 나노기술의 발전을 가져오는 결정적인 계기가 됐다. 나노 과학을 크게 보면 나노 크기의 물질로 이뤄진 미세한 재료나 기계를 만드는 기술, 나노 크기의 영역에서 나타나는 새로운 물리 현상을 응용해 장비의 성능을 향상시키는 기술, 그리고 눈으로는 볼 수 없는 미세한 영역의 자연현상을 측정하고 예측하는 기술로 나눠볼 수 있다.

그러나 나노기술의 부작용 중 하나는 나노 물질이 중금속처럼 쌓인다는 점이다. 보고서에 따르면 몸 안에 들어온 나노 물질의 98%는 48시간 안에 배출되지만 나머지 2%는 몸의 각 기관에 쌓이게 된다. 이 중 독성이 있는 나노 입자가 치명적이다. 나노 입자는 너무 작아 인체의 면역세포가 제거하지 못할 수도 있다. 예를 들어 축구공처럼 생긴 나노 입자 ‘플러렌’은 빛을 쬐면 독성을 갖고 있는 활성산소를 만든다. 활성산소는 DNA를 손상시켜 암 등 질병을 일으키곤 한다. 또 실험실에서 만들어진 나노 입자들이 세포 속으로 들어가면 심한 스트레스를 일으켜 세포 자살을 유도한다.

나노 입자는 더 큰 물질에 비해 세포나 몸속 기관을 자유롭게 뚫고 지나간다. 대표적인 것이 뇌다. 원래 뇌는 독성 물질이 뚫고 들어오지 못하도록 단단한 울타리가 쳐져 있다. 그러나 오베르되스터 교수팀이 지름 35nm인 탄소입자를 쥐에 흡입시켜 관찰한 결과 하루 뒤에 뇌의 후각 부위에서 검출됐다. 나노 입자는 신경세포를 통해 뇌에 침투한 것으로 보인다. 만일 이 물질이 독성을 갖고 있다면 뇌에 치명적이다.

⊙ 풀어 보세요

화학식	끓는점	화학반응성	가연성여부	독성여부	가격
CH₄	-164	보통	있음	없음	낮음
CCl₄	+77	낮음	없음	있음	중간
CF₄	-129	매우낮음	없음	없음	높음
C₂H6	-88	보통	있음	없음	낮음
C₂Cl6	+186	낮음	없음	있음	중간
C₂F6	-79	매우낮음	없음	없음	매우높음
C₃H8	-42	보통	있음	없음	낮음
C₃Cl8	+286	낮음	없음	있음	높음
C₃F8	-36	매우낮음	없음	없음	매우높음

[문제1] 다음은 CFCs 대체물질을 찾기 위해 기존에 알려진 물질의 특성을 조사한 것이다. 이 자료를 토대로 대체물질을 개발하고자 한다.

냉매가 가져야 하다고 생각되는 성질은 무엇들이 있으며, 냉매 분자 속에서 다음의 원자들은 어떤 이점과 단점이 있는가?

a. H 원자 b. Cl 원자 c. F 원자

이러한 기준에 따라 가장 적절한 냉매를 만든다면 어떻게 만들 것인지 서술하시오.

[문제2] 제시문 (가), (나), (다)를 참고로 하여 제시문 (라)에 언급된 나노기술을 연구하는 과학자가 우선적으로 가져야 할 태도에 대해 논하시오.

이준호 파인만논술 과학팀장