성간물질 / 공유결합 / 우주 공간에서의 분자 형성 / 물의 특성 화학 반응이 일어나기 위한 조건 / 반응 물질의 종류와 반응 속도 분자의 출현 및 화학 반응속도 성간물질 / 공유결합 / 우주 공간에서의 분자 형성 / 물의 특성 화학 반응이 일어나기 위한 조건 / 반응.

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1 성간물질 / 공유결합 / 우주 공간에서의 분자 형성 / 물의 특성 화학 반응이 일어나기 위한 조건 / 반응 물질의 종류와 반응 속도 분자의 출현 및 화학 반응속도 성간물질 / 공유결합 / 우주 공간에서의 분자 형성 / 물의 특성 화학 반응이 일어나기 위한 조건 / 반응 물질의 종류와 반응 속도 성간 물질 ( 분자 ) 의 형성 우리 주변에는 분자로 이루어진 수많은 물질들이 존재하는데 이러한 물질들은 불과 100 여 종류의 원자들이 결합하여 이루어진 것이다. 그렇다면 원자들이 결합되어 형성되는 분자들은 어디서 어떻게 형성되기 시작했을까 ? 축제의 시작과 끝을 알리는 불꽃놀이는 ‘ 펑 ' 소리와 함께 나타나는 화려한 불꽃으로 많은 사람들의 시선을 사로잡는다. 폭죽이 터질 때는 폭죽 속에 있는 탄소가루와 황, 산화제가 짧은 시간에 화학 반응을 일으키게 되는데 많은 양의 기체가 한 순간에 생성돼 공기 중으로 빠르게 팽창해 나간다. 이 때 화려한 불꽃이 보이는 것은 폭죽 속에 넣어둔 소량의 금속이 폭발반응으로 발생한 열을 받아 빛을 내기 때문이다. 이처럼 불꽃놀이에서 일어나는 화학 반응은 눈 깜짝할 사이에 일어나는 반면 거실 벽에 액자를 걸어두기 위해 박아 놓은 못은 몇 년이 지나야 겨우 녹이 슬어있는 현상을 관찰할 수도 있다. 그런데 못도 거실이 아니라 습기가 많은 욕실에 박혀 있는 경우는 몇 일만에도 붉은 색의 녹이 생기기도 한다. 이와 같이 화학 반응 속도가 다른 이유는 무엇일까 ? 또 반응 속도에 미치는 요인에는 어떤 것들이 있을까 ? 2. 전개 1. 수업목표 성간 공간에서 일어나는 공유결합을 통해 분자가 만들어지는 과정을 이해한다. 생명체를 구성하는 기본 재료가 성간 공간에서 생성된 분자임을 설명할 수 있다. 화학 반응이 일어나기 위한 조건을 이해한다. 화학 반응 속도에 영향을 미치는 요인을 설명할 수 있다. 성간 공간에서 화학 반응으로 인해 생성된 성간 화합물에 대해서 설명할 수 있다. 1. 성간 물질 ( 분자 ) 의 생성 1) 성간 공간에서 물질의 분포에 대해 알아본다. 2) 공유결합의 특징 대해서 간단히 알아본다. ( 원자가전자, 루이스 전자점식, 전자쌍 반발의 원리 ) 3) 성간 공간에서 일어나는 원자의 공유결합에 대해 알아본다. 4) 공유결합 결과 생성된 분자에 대해서 알아본다. 5) 성간 공간에서 전자 공유로 인해 생성된 분자가 지구환경과 생명체를 구성하는 기본 재료가 됨을 이해시킨다. 2. 화학 반응 속도 1) 화학 반응이 일어나기 위해서는 어떠한 조건이 필요한지 알아본다. 2) 화학 반응이 일어나는 속도에 영향을 주는 여러 가지 요인에 대해 알아본다. - 반응 물질의 종류와 화학 반응의 속도 - 반응 물질의 온도와 화학 반응의 속도 [ 탐구 ] 온도와 반응 속도 - 반응 물질의 농도와 화학 반응의 속도 - 촉매와 화학 반응의 속도 3) 성간 공간에서도 화학 반응이 일어남을 이해시킨다. 4) 생명이 살아가기 위해 필요한 것들에 대해 알아보고 외계 생명체를 찾아내기 위한 다양한 노력에 대해 알 아본다. 3. 수업자료 1. 성간 물질의 분포 성간 물질은 공간에 균일하게 분포하는 것이 아니고 대개 성간운이라 불리는 구름 덩어리 속에 존재한 다. 성간운에는 여러 종류가 있는데 밀도가 높고 질량과 크기가 매우 큰 거대 분자운이 있는 반면 밀도와 질량이 상대적으로 작은 성간운도 있다. 성간운이 차지하는 부피는 우리 은하 전체 부피의 몇 % 에 불과하 며 나머지 공간은 밀도는 낮으나 온도가 아주 높은 희박한 가스로 채워져 있다. 은하 안에서 성간 물질이 특별히 많이 모인 부분을 분자운이라고 한다. 그 주성분은 수소 분자이지만 물이나 일산화탄소, 암모니아, 알코올 등 우리에게 친숙한 분자도 아주 조금 포함된다. 이들 분자에는 탄소나 산소, 질소 등이 들어 있지 만, 빅뱅 직후의 우주에는 수소와 헬륨, 약간의 리튬밖에 존재하지 않았다. 분자운 속의 분자에 포함되는 더욱 무거운 원소는, 분자운이 만들어지기 전에 일생을 마친 별 내부의 핵융합 반응으로, 또는 무거운 별의 최후인 초신성 폭발로 만들어진 원소이다. 이들 원소가 또 다음 세대 의 항성에 들어가 핵융합 반응을 일으키고, 그리고 그 별의 최후에는 우주로 흩뿌려진다. 우주에서는 이와 같은 원소의 대순환이 일어나고 있다. 2. 공유결합 비금속 원소들은 금속 원소에 비해 이온화 에너지가 크기 때문에 전자를 잃고 양이온이 되기 어렵다. 따라서 이와 같은 비금속 원소들이 결합을 형성할 때에는 서로 원자가전자를 내놓아 전자쌍을 만들고, 이 전자쌍을 공유함으로써 안정한 전자배치를 이루는 결합을 형성한다. 이와 같이 두 원자가 전자쌍을 공유 함으로써 형성되는 결합을 공유결합이라 한다. 공유결합 분자에서 전자들이 어떻게 이용되고 있는지를 원소 기호에 원자가전자를 점으로 표시하여 나타낸 것을 루이스 전자점식이라고 한다. 루이스 전자점식을 쓸 때에는 원소 기호 주위에 전자수를 점으 로 나타내는데, 5 번째 전자부터는 쌍을 이루어 나타낸다. 이때 쌍을 이룬 것을 전자쌍 (electron pair) 이라 하고, 쌍을 이루지 않고 1 개씩 있는 전자를 홀전자 (unpaired electron) 라고 한다. 보통 공유결합을 편리하 게 나타내기 위해서 공유 전자쌍만을 선으로 나타내기도 하는데 이를 구조식이라고 한다. 3. 전자쌍의 반발 원리 분자에서 중심 원자를 둘러싸고 있는 원자가전자들은 서로 쌍을 이루어 비공유 전자쌍으로 존재하거 나 다른 원자와 공유 전자쌍을 이루어 존재한다. 이러한 전자쌍들은 서로 같은 전하를 가지고 있으므로 전 자쌍들 사이의 반발력을 최소로 하는 배치를 가지려고 하는데 이를 전자쌍 반발 원리라고 한다. 공유 전자 쌍은 두 원자핵들에게 모두 끌리지만 비공유 전자쌍은 중심 원자핵에만 끌리므로 그것의 공간 분포가 상 대적으로 납작해지고 뚱뚱해진다. 따라서 비공유 전자쌍 사이의 반발력은 공유 전자쌍 사이의 반발력보다 커진다. 그 결과 공유결합 분자의 중심 원자 주위에 비공유 전자쌍이 존재하는 경우에는 분자의 모양이 공 유 전자쌍이 존재할 때의 모양과는 다르게 나타난다. ▷ WMAP 위성이 관측한 우주 지도 ▷ 암모니아의 원자 모양 ▷ 메탄의 분자 모양 4. 우주 공간에서의 분자 형성 우주에 가장 많이 존재하는 수소, 헬륨, 탄소, 질소, 산소 5 가지 원소 중 헬륨을 제외한 나머지 4 개의 원소들은 원자상태로 존재하는 것보다 다른 원자와 화합 결합을 통해 더욱 안정한 분자로 존재하려고 한 다. 이런 원자들이 초신성 폭발 등에 의해 뭉치게 되면 밀도가 높아지게 되면서 성간운이 형성되고 여기서 전자 공유로 분자가 형성되게 된다. ▷ 수소분자 (H 2 ) 의 형성 ▷ 수소 분자모형 ▷ 메탄 분자의 모형 ▷ 암모니아 분자의 모형 ▷ 물 분자의 모형 5. 화학 반응이 일어나기 위한 조건 화학 반응이 일어나기 위해서는 먼저 반응 물질 사이에 충돌이 있어야 하고, 충돌하는 입자들의 방향 이 반응이 일어나는데 적합해야 하며, 충돌하는 입자들이 활성화 에너지보다 큰 에너지를 가지고 있어야 한다. 1) 충돌 모든 화학 반응은 충돌에서부터 시작된다. 분자 간에 충돌이 일어나지 않으면 반응이 일어나지 않는다. 그러나 분자가 충돌한다고 해서 항상 반응이 일어나는 것은 아니다. 2) 충돌 방향 두 분자가 충돌하여 화학 반응을 일으키기 위해서는 두 분자가 충돌하는 순간에 분자들의 충돌 방향이 화학 반응을 일으킬 수 있도록 배열되어야 한다. 3. 활성화 에너지 분자들이 반응할 수 있는 방향으로 충돌한다고 해서 항상 반응이 일어나는 것은 아니다. 충돌한 분자 들이 반응을 일으키기 위해서는 반응 물질의 입자들이 활성화 에너지 이상의 에너지를 가지고 있어야 한 다. 활성화 에너지는 화학 반응이 일어나기 위해 넘어야 할 에너지 장벽으로 화학 반응을 일으키는데 필요 한 최소한의 에너지를 의미한다. ▷ 활성화 에너지 5. 충돌수와 반응 속도 화학 반응이 일어나려면 분자들 사이에 충돌이 있어야 하며, 충돌 횟수가 증가하면 반응 속 도는 빨라진다. 충돌 횟수를 변화시키는 요인에는 표면적, 농도, 압력 등이 있다. 1) 고체의 표면적과 반응 속도 고체는 표면에서만 충돌할 수 있으므로 반응도 표면에서만 일어난다. 따라서 표면적이 클수록 반응 속 도는 빨라진다. 고체는 같은 양이 있더라도 입자의 크기에 따라 표면적이 달라진다. 고체를 계속해서 잘게 나누면 표면적만 계속해서 늘어나 충돌 횟수가 증가하므로 반응 속도가 빨라진다. 2) 농도와 반응 속도 농도가 증가하면 단위 부피 속의 입자수가 증가하므로 충돌 횟수가 증가하여 반응 속도가 빨라진다. ▷ 언덕을 넘어야만 홀 컵에 공을 넣을 수 있는 것처럼 활성화 에너지보다 큰 에너지를 가지고 있어야 반응이 일어난다. ▷ 농도와 충돌 횟수 모형 6. 촉매와 반응 속도 촉매란 화학 반응에 참여하여 반응 속도를 변화시키지 만 그 자체는 아무런 화학적 변화를 일으키지 않는 물 질이다. 정촉매는 반응 경로를 바꾸어 활성화 에너지 를 낮은 경로로 반응하게 하여 반응 속도를 빠르게 만 드는 물질이다. 정촉매를 사용하여 활성화 에너지를 낮추면 반응할 수 있는 입자수가 증가하므로 반응 속 도가 빨라지며, 부촉매는 반응 경로를 바꾸어 활성화 에너지가 높은 경로로 반응하게 하여 반응 속도를 느 리게 하는 물질로 억제제라고도 한다. 부촉매를 사용 하여 활성화 에너지를 높이면 반응할 수 있는 입자 수 가 감소하므로 반응 속도가 느려진다. ▷ 촉매와 활성화 에너지