/ 문제 /

※ 다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오.

(가)
다음은 김장의 과정이다.

① 싱싱한 배추를 골라 누런 겉잎은 떼고 큰 통은 사등분을 하고 작은 것은 반으로 가른다.

② 굵은 소금을 조금 남기고 물에 풀어 쪼갠 배추를 소금물에 담갔다 건져서, 배추 줄기 쪽에 소금을 약간씩 뿌려서 가른 단면이 위로 오게 큰 독이나 큰 용기에 차곡차곡 담아 절인다. 다섯 시간쯤 후에 위아래를 바꾸어 전체가 고루 절게 한다.

③ 절인 배추는 냉수로 물을 바꾸어 가며 깨끗이 헹구어 건져 소쿠리에 엎어서 물기를 뺀다. 포기가 큰 것은 다시 반으로 가르고 굵은 뿌리 부분을 말끔하게 도려낸다. <이하 생략>

(나)
물에 커피 알갱이를 떨어뜨리면 커피 입자가 퍼져나가는 것을 볼 수 있다. 이와 같이 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 용질이 이동하는 현상을 확산이라고 한다. 산소나 이산화탄소와 같이 세포막을 자유롭게 통과할 수 있는 작은 분자들은 확산에 의해 세포 안팎으로 이동하며 그 결과 물질의 농도는 같아진다. 확산에는 에너지가 소모되지 않는다.

세포막을 경계로 농도가 다른 두 용액이 있을 때 용질의 분자가 커서 막을 통과하지 못하면 어떻게 될까?

이런 경우에는 세포막을 자유롭게 통과할 수 있는 물과 같은 용매가 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 이동한다. 세포막과 같이 용매는 투과시키지만 용질은 투과시키지 않는 막을 반투과성 막이라고 한다.

반투과성 막을 통하여 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 물이 확산되는 현상을 삼투라고 하며 이 때 반투과성막이 받는 압력을 삼투압이라고 한다. 삼투압은 용액의 농도 차이가 클수록 높아지며 물은 삼투압이 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 이동한다. <□□생물Ⅱ 교과서□□, 김윤택 外, 중앙교육>

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▶논제 1
제시문 (나)의 내용을 바탕으로 제시문 (가)의 ②, ③과정에서 배추에 나타나는 현상을 설명하시오.

▶논제 2
제시문 (가)에서 잘 헹구어진 배추가 싱싱한 배추보다 많이 짠 이유를 제시문 (나)의 내용을 바탕으로 설명하시오.

▶논제 3
삼투압이 일어나는 이유를 끓는점 오름 및 어는점 내림의 이유와 어떤 공통점을 가지는지 서술하시오.

[ 우수 답안 ] 남주고등학교 3학년 임수찬

[논제 1] 제시문 (나)의 내용을 바탕으로 제시문 (가)의 ②, ③과정에서 배추에 나타나는 현상을 설명하시오.

제시문 (나)는 삼투압에 대해 설명하는 글이다. 요약하자면 용액의 농도 차와 삼투압은 비례하고 물은 삼투압이 높은 쪽으로 이동해 간다는 내용이다. 제시문 (가)의 과정 ②는 배추를 절이는 과정이다. 원래 있던 배추보다 소금이나 소금물의 농도가 훨씬 높기 때문에 물이 배추에서 빠져나가면서 배추가 소금기를 머금게 된다. 과정 ③에서 물에 배추를 헹굴 때 배추의 소금 농도가 높아 배추가 물을 흡수한다.

[논제 2] 제시문 (가)에서 잘 헹구어진 배추가 싱싱한 배추보다 많이 짠 이유를 제시문 (나)의 내용을 바탕으로 설명하시오.

[논제 1]에서 살펴보았듯이 절이는 과정을 거친 배추는 삼투압차에 의한 물의 확산 현상 때문에 소금기를 가지게 된다. 따라서 잘 헹구어진 배추가 짜다.

[논제 3] 삼투압이 일어나는 이유를 끓는점 오름 및 어는점 내림의 이유와 어떤 공통점을 가지는지 서술하시오.

삼투압은 농도차에 의해 발생한다. 용액의 끓는점 오름이나 어는점 내림은 모두 용액의 몰농도에 정비례한다. 이는 용액 속의 용매의 몰수에 따라 용매 분자가 영향을 받아 증기압력도 영향을 받기 땜누이다. 이를 용액의 총괄성이라고 한다. 삼투압과 용액의 총괄성 사이의 공통점은 둘 다 용액의 농도에 따른 현상이라는 점이다. 두 현상 모두 용액의 농도가 주요 변수로 작용한다.

[문제 출제 및 해설]

화학Ⅱ 교과서와 생물Ⅱ 교과서에 나와 있는 삼투현상을 연결하여 생각해 볼 수 있는 문제이다.

설탕 분자와는 달리 물 분자는 반투막을 자유로이 통과할 수 있지만 상대적으로 물의 농도가 높은 B쪽의 물 분자는 확산에 의해 물의 농도가 낮은 A쪽으로 반투막을 통과하는 물분자수가 많게 되고 U자관의 A부분의 물 분자는 설탕 분자와의 인력에 의해 설탕분자에 수화되어 B쪽으로 잘 이동하지 않게 된다.

그 결과로 반투막을 통해 A쪽으로 순 이동하는 물 분자가 많아 <그림>의 오른쪽 U자관과 같이 물 쪽 보다 설탕 용액 쪽의 수면의 높이가 높아지게 되는데, 이와 같은 현상을 삼투현상이라고 한다.

많은 학생들이 생물 교과서의 내용과 화학교과서의 내용을 연결하지 못하고 별개의 것으로 생각하고 문제를 해결하는 것을 종종 볼 수 있다. 특히나 생물 교과서에 나오는 생체막의 특성인 선택적 투과막과 반투과성 막을 혼동하기도 하고, 화학Ⅱ에서 배웠던 용액의 총괄 성질 대신에 단순히 용매의 확산이라는 개념으로 이해하기도 한다.

[논제 1] 제시문 (나)의 내용을 바탕으로 제시문 (가)의 ②, ③과정에서 배추에 나타나는 현상을 설명하시오.
배추에 소금을 뿌리면 배추 내외의 농도 차에 의한 삼투현상으로 인해 배추 내부의 물이 빠져나가게 된다. 하지만 이온화된 나트륨이온과 염화이온의 크기도 세포막을 통과할 수 있을 정도로 작기 때문에 세포막 안으로 이동이 일어나게 된다. 단순히 용매 분자들만 이동하는게 아니다. 반투과성 막은 크기에 따라 통과 여부를 결정하기 때문에 이온들도 충분히 작다면 세포막 안으로 이동할 수 있다. 과정 ③에서는 다시 물로 헹구어주면 과정 ②와는 반대 방향으로 물과 소금의 이동이 나타난다.

[논제 2] 제시문 (가)에서 잘 헹구어진 배추가 싱싱한 배추보다 많이 짠 이유를 제시문 (나)의 내용을 바탕으로 설명하시오.
위에 언급했던 것과 같이 소금도 반투과성 막을 통과할 수 있기 때문에 배추 내부의 농도가 처음 보다는 더 진해진다. 물론 헹구어주는 과정에서 소금의 일부가 빠져나가겠지만 처음의 싱싱했던 배추보다는 더 많은 양의 소금을 갖게 된다.

[논제 3] 삼투압이 일어나는 이유를 끓는점 오름 및 어는점 내림의 이유와 어떤 공통점을 가지는지 서술하시오.
삼투압, 끓는점 오름, 어는점 내림, 증기압력 내림 등은 화학 Ⅱ에서 다루는 묽은 용액에서 용질의 종류에 관계없이 용질 입자수에 의존하는 성질인 용액의 총괄 성질이다. 용매와 용질이 용해되는 과정에서 균일한 혼합물이 되고 용매 입자 사이사이에 용질 입자가 끼어들어서 용매 입자간의 상호 작용을 방해하기 때문에 나타나는 현상이다.

<고현옥 제주제일고등학교 교사>