고등 국어 독서와 작문 - 과학 예상문제

물질이 다른 물질에 매우 작은 입자 상태로 고르게 퍼져 있는 혼합물을 분산계라 한다. 분산계는 분산되어 있는 입자의 크기에 따라 크게 용액, 콜로이드, 현탁액으로 나눌 수 있다. 설탕물과 같은 용액은 분산 입자의 크기가 매우 작아 눈으로도, 거름종이로도 걸러낼 수 없다. 반면 흙탕물과 같은 현탁액은 입자가 커서 거름종이로도 걸러진다.

콜로이드는 용액과 현탁액의 중간 정도 크기의 입자가 분산된 혼합물이다. 콜로이드 입자는 눈으로는 보이지 않을 만큼 작지만 거름종이는 통과할 수 있을 정도의 크기이며, 반투과성 막은 통과하지 못한다. 우유, 안개, 젤리 등이 대표적인 콜로이드의 예이다.

콜로이드 용액에 강한 빛을 비추면 빛이 지나가는 통로가 뚜렷하게 보이는 현상이 나타나는데, 이를 틴들 현상이라 한다. 이는 콜로이드 입자의 크기가 가시광선의 파장과 비슷한 정도여서 빛이 입자에 부딪혀 여러 방향으로 산란되기 때문에 나타난다. 반면 순수한 용액에서는 용질 입자가 너무 작아 빛을 거의 산란시키지 못하므로 빛의 통로가 뚜렷하게 보이지 않는다.

콜로이드 입자는 브라운 운동이라는 불규칙한 운동을 하는데, 이는 분산매를 이루는 분자들이 콜로이드 입자에 불균등하게 계속 충돌하기 때문에 나타나는 현상이다.

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화학 반응이 일어나려면 반응물이 특정한 에너지 장벽을 넘어서야 하는데, 반응물이 생성물로 전환되기 위해 넘어야 하는 이 최소한의 에너지를 활성화 에너지라 한다. 활성화 에너지가 높을수록 그 장벽을 넘을 수 있는 분자의 비율이 낮아져 반응 속도는 느려진다.

효소는 생체 내에서 일어나는 화학 반응의 활성화 에너지를 낮추어 반응 속도를 크게 높이는 생체 촉매이다. 효소는 특정한 입체 구조를 가진 활성 부위를 통해 특정 반응물, 곧 기질과 결합하여 효소·기질 복합체를 형성하고, 이를 통해 반응이 더 낮은 에너지 장벽을 거쳐 진행되도록 돕는다.

촉매는 반응의 활성화 에너지를 낮출 뿐, 반응물과 생성물 사이의 에너지 차이, 곧 반응열 자체를 변화시키지는 않는다. 따라서 효소가 있든 없든 반응이 흡열 반응인지 발열 반응인지는 달라지지 않으며, 반응이 도달하는 최종 평형의 위치도 촉매에 의해 달라지지 않는다.

효소는 온도와 pH에 민감하다. 최적 온도와 최적 pH를 벗어나면 효소를 이루는 단백질의 입체 구조가 변형되어 활성 부위가 기질과 제대로 결합하지 못하게 되며, 이러한 변화가 심하면 효소는 영구적으로 기능을 잃는 변성 상태에 이른다.

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세포막처럼 작은 물질은 통과시키지만 크기가 큰 물질은 통과시키지 않는 막을 반투과성 막이라 한다. 이러한 막을 사이에 두고 농도가 서로 다른 두 용액이 있을 때, 물 분자는 용질의 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 막을 통해 이동하려는 경향을 보이는데, 이러한 물의 이동 현상을 삼투라 한다.

세포를 자신보다 용질의 농도가 낮은 용액, 즉 저장액에 담그면 삼투에 의해 물이 세포 안으로 들어와 세포의 부피가 커진다. 반대로 세포를 자신보다 용질의 농도가 높은 용액인 고장액에 담그면 세포 안의 물이 밖으로 빠져나가면서 세포의 부피가 줄어든다. 세포 안팎의 용질 농도가 같은 등장액에서는 물이 양쪽으로 같은 정도로 오가므로 세포의 부피에 뚜렷한 변화가 나타나지 않는다.

동물 세포는 세포막만 지니고 있어서 지나치게 저장액에 오래 담기면 물이 계속 들어와 막이 견디지 못하고 터질 수 있다. 반면 식물 세포는 세포막 바깥을 둘러싼 단단한 세포벽을 지니고 있어서, 저장액에 담겨 물이 세포 안으로 들어와 부피가 커지려 해도 세포벽이 이를 막아 주는 압력을 만들어 내므로 세포가 터지지 않고 팽팽하게 부푼 상태, 즉 팽압*을 유지할 수 있다.
* 팽압: 세포 안으로 들어온 물이 세포벽을 밀어내는 압력.

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아레니우스는 산을 물에 녹아 수소 이온(H+)을 내놓는 물질로, 염기를 물에 녹아 수산화 이온(OH-)을 내놓는 물질로 정의하였다. 이후 브뢴스테드와 로리는 이 정의를 확장하여, 산을 다른 물질에 수소 이온을 내주는 물질로, 염기를 수소 이온을 받아들이는 물질로 정의하였다. 이 정의에 따르면 물이 관여하지 않는 반응에서도 산과 염기를 폭넓게 설명할 수 있다.

산과 염기가 반응하면 산의 수소 이온과 염기의 수산화 이온이 결합하여 물을 생성하고, 남은 이온들은 결합하여 염을 형성한다. 이러한 반응을 중화 반응이라 하며, 중화 반응이 완결되는 지점에서는 용액 속 수소 이온의 양과 수산화 이온의 양이 정확히 같아진다.

중화적정은 이러한 원리를 이용하여 농도를 모르는 산이나 염기 용액의 정확한 농도를 구하는 실험 방법이다. 농도를 아는 표준 용액을 뷰렛에 담아 정확한 농도를 모르는 시료 용액에 조금씩 떨어뜨리면서, 지시약의 색 변화 등을 통해 두 물질의 양이 정확히 같아지는 지점, 곧 당량점을 찾는다.

지시약은 pH에 따라 색이 변하는 물질로, 페놀프탈레인은 산성이나 중성에서는 무색이지만 염기성에서는 붉은색으로 변한다. 산성 용액에 염기성 표준 용액을 조금씩 넣다가 용액 전체가 옅은 붉은색으로 변하는 순간을 당량점 부근으로 판단할 수 있다.

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화학 반응이 일어나려면 반응물을 이루는 분자들이 서로 충돌하여 기존의 결합을 끊고 새로운 결합을 만들어야 하는데, 이 과정에는 일정 수준 이상의 에너지가 필요하다. 반응이 시작되기 위해 반응물이 넘어야 하는 이 최소한의 에너지 장벽을 활성화 에너지라 한다.

반응물 분자가 활성화 에너지 이상의 에너지를 지니고 있어야 반응이 일어날 수 있으므로, 활성화 에너지가 높은 반응은 상온에서 매우 느리게 진행되거나 거의 일어나지 않는 것처럼 보이기도 한다. 촉매는 반응물이 생성물로 바뀌는 경로를 기존과 다른 경로로 바꾸어, 이 활성화 에너지의 크기를 낮추어 주는 물질이다.

활성화 에너지가 낮아지면 같은 온도에서도 활성화 에너지를 넘어설 수 있는 분자의 비율이 늘어나므로 반응 속도가 빨라진다. 이때 촉매는 반응이 진행되는 동안 일시적으로 반응물과 결합하는 등 반응에 관여하지만, 반응이 끝나면 원래의 상태로 돌아와 촉매 자신의 화학적 성질이나 양은 변하지 않는다.

반응 속도를 높이는 촉매를 정촉매라 하는 반면, 오히려 반응 경로의 활성화 에너지를 높여 반응 속도를 늦추는 물질도 있는데 이를 부촉매 또는 반응 억제제라 한다. 우리 몸속에서 화학 반응을 조절하는 효소 또한 생체 내에서 특정 반응의 활성화 에너지를 낮추어 반응이 체온 정도의 낮은 온도에서도 충분히 빠르게 일어나도록 돕는 생체 촉매의 일종이다.

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비가 그친 뒤 해를 등지고 서면 하늘에 둥근 색동 띠가 나타나는 것을 볼 수 있다. 이것이 무지개이며, 이는 공기 중에 떠 있는 물방울 속에서 햇빛이 굴절하고 반사하는 과정에서 만들어지는 현상이다.

햇빛은 여러 파장의 빛이 섞인 백색광이다. 물방울에 입사한 빛은 물과 공기의 경계에서 굴절하는데, 이때 파장이 짧은 보라색 빛일수록 굴절하는 정도가 크고 파장이 긴 빨간색 빛일수록 굴절하는 정도가 작다. 이처럼 파장에 따라 굴절 정도가 달라져 백색광이 여러 색으로 나누어지는 현상을 빛의 분산이라 한다. 물방울 안으로 굴절해 들어간 빛은 물방울 뒷면에서 한 차례 반사된 뒤 다시 물방울 표면에서 굴절하여 밖으로 나오는데, 이 두 번의 굴절과 한 번의 반사를 거치면서 색깔별로 갈라진 빛이 관찰자의 눈에 각기 다른 각도로 도달하게 된다.

이렇게 물방울 하나에서 나온 빛이 관찰자의 눈에 도달하는 각도는 태양 반대 방향을 기준으로 빨간빛은 약 42도, 보라빛은 약 40도로 서로 다르다. 하늘에 떠 있는 수많은 물방울 중에서 특정 각도로 빛을 보내는 물방울들만이 관찰자의 눈에 색이 있는 빛으로 인식되므로, 결과적으로 태양 반대 방향을 중심으로 반지름이 약 40~42도인 둥근 색동 띠, 즉 무지개가 나타나는 것이다. 이때 바깥쪽에는 빨간색이, 안쪽에는 보라색이 위치한다.

무지개를 보려면 관찰자의 등 뒤에 태양이 있고 앞쪽 하늘에 빗방울이 떠 있어야 한다. 태양의 고도가 42도보다 높으면 무지개가 지평선 아래로 가려져 보이지 않기 때문에, 무지개는 대체로 태양의 고도가 낮은 이른 아침이나 늦은 오후에 잘 관찰된다.

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한 개체군 안의 개체들은 유전적으로 서로 조금씩 다른 변이를 가진다. 이러한 변이는 돌연변이나 유성 생식 과정에서의 유전자 재조합을 통해 발생하며, 자연선택이 작용하기 위한 필수적인 전제 조건이 된다.

자연선택은 환경에 더 잘 적응한 변이를 가진 개체가 그렇지 못한 개체보다 살아남아 번식할 확률이 높아지는 과정이다. 이때 살아남는 데 유리한 형질 자체가 새로 생겨나는 것이 아니라, 이미 개체군 내에 존재하던 변이 중 환경에 유리한 변이를 지닌 개체의 비율이 세대를 거듭하며 점차 늘어나는 것이다.

산업이 발달하며 나무껍질이 검게 그을린 지역에서 몸빛이 어두운 나방의 비율이 늘어난 사례는 자연선택을 잘 보여 준다. 원래 개체군에는 밝은 색과 어두운 색 나방이 함께 존재했는데, 그을린 나무껍질에서는 어두운 색 나방이 천적의 눈에 덜 띄어 살아남을 확률이 높았고, 그 결과 세대가 거듭될수록 어두운 색 나방의 비율이 늘어났다.

이러한 자연선택이 오랜 세대에 걸쳐 누적되면 개체군의 유전자 구성이 크게 변화하여 새로운 종의 분화로 이어질 수 있다. 이처럼 진화는 개체가 살아 있는 동안 스스로 변화하는 과정이 아니라, 세대를 거듭하며 개체군 전체의 유전적 구성이 변화하는 과정이다.

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구급차가 사이렌을 울리며 다가올 때는 소리가 원래보다 높게 들리고, 지나쳐 멀어질 때는 소리가 낮게 들리는 경험을 한 적이 있을 것이다. 이는 소리를 내는 파원과 소리를 듣는 관측자 사이에 상대적인 운동이 있을 때 관측자가 느끼는 파동의 진동수가 실제 파원이 내는 진동수와 달라지는 도플러 효과 때문에 나타나는 현상이다.

파원이 관측자를 향해 다가오면 파원이 다음 파동을 만들어 낼 때마다 파원 자체도 앞으로 이동해 있으므로, 연속된 파동 사이의 간격, 즉 파장이 실제보다 짧아진 것처럼 관측자에게 도달한다. 파장이 짧아지면 같은 시간 동안 관측자에게 도달하는 파동의 수가 많아지므로 진동수는 커지고, 소리의 경우 이는 더 높은 음으로 들린다. 반대로 파원이 관측자로부터 멀어지면 파장이 실제보다 길어진 것처럼 관측되어 진동수가 작아지고 더 낮은 음으로 들린다.

도플러 효과는 관측자가 움직이고 파원이 정지해 있는 경우에도 나타나며, 소리와 같은 음파뿐 아니라 빛과 같은 전자기파에서도 동일한 원리로 나타난다. 별빛의 스펙트럼에서 특정 파장이 원래보다 붉은색 쪽으로 치우쳐 관측되는 적색 편이는 그 별이 관측자로부터 멀어지고 있음을 보여 주는 대표적인 사례로, 이를 통해 우주가 팽창하고 있다는 사실을 뒷받침하는 근거로 활용되기도 한다.

도플러 효과는 실생활에서도 다양하게 활용된다. 기상 레이더는 구름 입자에 전파를 쏘아 반사되어 돌아오는 전파의 진동수 변화를 분석함으로써 강수 입자가 이동하는 속도와 방향을 알아내고, 과속 단속 장비 또한 이동하는 차량에 전파를 쏘아 반사파의 진동수 변화를 측정함으로써 차량의 속력을 계산한다.

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