[理知논술/교과서로 논술 잡기]과학영역

주제: 우리 주변의 화합물

탄소가 가장 다양한 화합물을 만들 수 있는 까닭은?

[제시문 1]

일반적으로 탄소화합물을 구성하는 원소는 탄소, 수소, 산소, 질소, 황 등 몇 종류이지만, 탄소화합물의 종류는 매우 다양하다. 현재까지 수백만 종의 탄소 화합물이 알려져 있고, 매년 수천 종의 새로운 물질이 발견되고 있다. 물질을 구성하는 원자는 단독으로 존재하는 경우도 있지만, 대부분 다른 원자들과 결합을 한 상태로 존재한다. 화학 결합은 원자들이 에너지 면에서 안정한 상태를 유지하기 위한 것으로, 각 원소의 고유한 결합 특성을 가진다.

[고2 화학I·천재교육]

탄소는 최대 4가지 종류의 여러 원자나 원자단과 결합할 수 있다. 분자식은 같지만 화학적 물리적 혹은 광학적으로 성질이 다른 많은 종류의 이성질체가 있다. 또 탄소 원자들끼리 단일 이중 삼중 결합으로 여러 형태의 결합을 형성할 수 있으며, 많은 수의 탄소 원자가 중합반응을 하면 다양한 종류의 고분자 화합물을 만들 수 있다. 이렇듯 탄소 원자는 지구에서 존재량이 그리 많은 편은 아니지만 다양한 형태의 화합물을 만들 수 있다.

[제시문 2]

글 싣는 순서(과학)
번호	주제	분류
1	물질대사	생물
2	소음	물리
3	전해질과 이온	화학
4	지각변동	지학
5	순환과 배설	생물
6	힘과 운동	물리
7	산과 염기의 반응	화학
8	날씨의 변화	지학
9	인체와 건강	생물
10	일과 에너지	물리
11	반응 속도	화학
12	해양의 성질	지학
13	자극과 반응	생물
14	에너지의 사용	물리
15	금속의 부식	화학
16	태양계	지학
17	생식	생물
18	파동과 입자	물리
19	공기	화학
20	우주	지학
21	생태계와 환경오염	생물
22	전기와 자기	물리
23	우리 주변의 화합물	화학
23	지구환경과 변화	지학

탄소화합물의 자원에는 석유, 석탄 및 천연가스 등이 있다. 석유는 에너지원으로 사용되기도 하지만 현재 화학 공업에서 없어서는 안 될 중요한 원료로 사용된다. 유전에서 뽑아 올린 석유를 원유라 하는데 원유는 주로 탄소와 수소로 이루어진 다양한 탄화수소들의 혼합물이다. 정유 공장에서 원유를 분별 증류하면 탄화수소들의 끓는점 차이에 따라 여러 가지 성분으로 분리되어 나온다.[고2 화학I·금성출판사]

우리는 원유를 정제하여 얻은 물질을 직접 이용하기도 하고, 몇 가지 공정을 거친 후 새로운 물질을 만들어서 이용하기도 한다. 보통 포화탄화수소는 반응성이 작아서 태우는 용도로만 사용되는데, 불포화 탄화수소들은 반응성이 크므로 다양한 형태의 탄소화합물로 바뀔 수 있다. 포화탄화수소를 쪼개어서 화학 공업의 기초 원료로 사용되는 불포화탄화수소로 바꾸는 과정을 크래킹이라 한다.

▨ 교과서 문제

원유로부터 얻을 수 있는 물질들은 어떤 것이 있는가. 또 그 물질들은 어떠한 방법으로 만들어졌는가.

▨ 문제 설명

탄소화합물은 크게 탄화수소, 탄화수소유도체, 고분자화합물 등으로 구성되어 있다. 탄화수소 중에서 포화탄화수소는 원유를 분별 증류하여 얻을 수 있으며, 불포화탄화수소는 포화탄화수소를 크래킹하여 얻을 수 있다. 이렇게 해서 만들어진 불포화탄화수소에 물을 첨가하면 알코올을 얻을 수 있는데, 이러한 알코올로부터 탄화수소유도체를 만들 수 있다. 1차 알코올의 산화과정으로 알데히드와 카르복시산을, 2차 알코올의 산화과정으로 케톤을, 알코올의 분자 간 탈수반응으로 에테르를, 알코올과 카르복시산의 탈수반응으로 에스테르를 만들 수 있다.

또한 이러한 작용기나 불포화 탄화수소로부터 다양한 형태의 중합반응으로 고분자 화합물을 얻을 수 있다. 고분자 화합물로는 플라스틱 제품과 합성고무, 합성섬유 등이 있다.

▨ 통합교과형 문제

주변에서 볼 수 있는 화합물 중 가장 다양한 것이 탄소화합물이다. 탄소화합물이 다양한 이유는 탄소 원자가 지구상에 가장 많기 때문이 아니라 탄소원자의 독특한 결합방식 때문이다. 지금까지 알려진 수천만 가지의 탄소화합물이 존재할 수 있는 이유에 대해 설명하시오.

▨ 출제 의도

‘탄소화합물은 종류가 무수히 많다’는 막연한 정도만 알고 있는 경우가 대부분이다. 논술이든 수능이든 탄소화합물과 관련한 단원의 문제들을 살펴보면, 탄소화합물에 관한 지엽적인 지식을 묻지 않는다. 오히려 단원 전체의 내용을 숙지하고 있는지, 혹은 왜 이런 반응들이 중요한지를 묻는 경우가 대부분이다.

많은 종류의 탄소화합물이 존재하는 이유를 제대로 설명하려면 △탄소화합물은 어디에서 얻을 수 있고 △어떤 반응들을 통해서 각 화합물을 만들 수 있는지 △왜 이런 반응들이 중요한지를 알아야 한다.

▨ 접근 방법

원유의 분별증류 과정을 통해서 탄화수소들을 얻을 수 있고, 크래킹 과정으로부터 화학 공업의 기초가 되는 원료를 얻을 수 있다. 이러한 원료로부터 탄화수소유도체들을 만들 수 있으며, 불포화탄화수소와 탄화수소유도체를 단위체로 하는 다양한 형태의 고분자 화합물을 만들 수 있다.

김종혁 청솔아우름 통합논술 강사