짧은 글 긴 이야기(37)
비문학 독서 연습 파일(37)
이 글은 수능 비문학 독서 지문 공부를 위해 연습용으로 만들었습니다. 지문의 내용을 읽고, 가볍게 문제를 풀도록 구성되었습니다.
동소체와 탄소 공유결합
동소체란 원자 수가 같으나 분자 구조나 결합 방식이 다른 화합물을 말한다. 예를 들어, 메탄(CH4)과 클로로메탄(CH3Cl)는 둘 다 탄소와 수소의 원자로 구성되어 있지만, 분자 구조가 다르기 때문에 동소체이다.
공유결합은 분자를 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 공유결합은 원자가 다른 원자와 전자를 공유함으로써 결합하는 것으로, 이를 통해 분자가 안정화된다. 탄소(C) 원자는 4개의 전자를 가지고 있으며, 이들 전자를 이용하여 네 개의 수소(H) 원자와 공유결합하여 메탄(CH4)을 형성한다.
다이아몬드와 흑연은 모두 탄소(C) 원자들로 이루어져 있다. 하지만 둘의 구조와 물성이 다르다. 다이아몬드는 탄소 원자들이 sp3 하이브리드 오비탈을 이용하여 결합한 결정 구조를 가지고 있다. 각 탄소 원자는 네 개의 이웃 탄소 원자와 공유결합을 이루어서, 결정체의 강도와 단단함을 유지한다. 또한, 다이아몬드는 높은 열전도성과 광학적 투명성을 가지고 있으며, 보석 등의 소재로 많이 사용된다.
반면, 흑연은 탄소 원자들이 sp2 하이브리드 오비탈을 이용하여 결합한다. 이는 탄소 원자들이 평면 구조에서 서로 공유결합하고 있기 때문이다. 따라서, 흑연은 결정체를 형성하지 않으며, 계층 구조를 이루고 있다. 또한, 흑연은 다이아몬드보다 연성이 높기 때문에, 연필 심의 주요 구성 성분으로 사용된다. 따라서, 다이아몬드와 흑연은 구조와 물성이 다르기 때문에, 서로 다른 용도로 사용된다.
sp3 하이브리드 오비탈은 원자의 s 오비탈과 p 오비탈이 서로 혼합하여 만들어지는 오비탈로, 탄소(C) 원자가 네 개의 다른 원자와 공유결합을 형성하는데 사용된다. sp3 하이브리드 오비탈을 갖는 원자는 결합 방향이 대각선 방향에 있으며, 이 방향으로 서로 떨어져 있기 때문에 결합 각도는 거의 정확하게 109.5도가 된다. 이러한 구조는 다이아몬드와 같은 결정 구조에서 보편적으로 발견된다.
반면에, sp2 하이브리드 오비탈은 s 오비탈과 두 개의 p 오비탈이 혼합하여 만들어지는 오비탈이다. 이러한 오비탈을 갖는 원자는 삼각형 형태로 서로 결합하며, 이러한 결합은 평면 형태로 배열된다. 이러한 구조는 흑연과 같은 계층 구조에서 발견된다. sp2 하이브리드 오비탈을 갖는 원자는 평면 구조를 이루므로 결합 각도는 거의 정확하게 120도가 된다.
따라서, sp3 하이브리드 오비탈과 sp2 하이브리드 오비탈은 결합 방향, 결합 각도 및 결합 형태 등에서 차이가 있다. 이러한 차이로 인해, 다이아몬드와 흑연과 같은 탄소 기반 물질의 물성과 구조가 결정된다.
여기서 잠깐!
오비탈(orbital)은 원자 내에서 전자가 존재할 수 있는 공간으로, 원자 내에서 전자의 운동과 관련이 있다. 전자의 에너지 상태와 위치를 결정하는데 중요한 역할을 한다. 오비탈은 원자핵 주위에 위치하며, 전자의 운동량과 자기 모멘트 등의 물리적 특성을 나타낸다. 이러한 오비탈은 주로 원자의 전자 구성과 화학 반응에서 중요한 역할을 하게 된다.
1. sp3 하이브리드 오비탈과 관련된 다음 설명 중 옳지 않은 것은?
① 탄소 원자가 네 개의 다른 원자와 공유결합을 형성할 때 사용된다.
② 결합 방향이 대각선 방향에 있으며, 이 방향으로 서로 떨어져 있기 때문에 결합 각도는 거의 정확하게 109.5도가 된다.
③ 다이아몬드와 같은 결정 구조에서 보편적으로 발견된다.
④ sp3 하이브리드 오비탈을 갖는 원자는 평면 구조를 이루므로 결합 각도는 거의 정확하게 120도가 된다.
2. 다이아몬드와 흑연의 구조적 차이와 물성적 차이는 무엇인가?
3. 다이아몬드가 보석으로 많이 사용되는 이유는 무엇인가?
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2. 다이아몬드와 흑연의 구조적 차이는 원자의 배열과 결합 방식에 있다. 다이아몬드는 sp3 하이브리드 오비탈을 가진 탄소 원자가 tetrahedral 구조로 결합하여 만들어지는 3차원 구조를 가지고 있다. 반면, 흑연은 sp2 하이브리드 오비탈을 가진 탄소 원자가 평면 구조로 결합하여 만들어진 2차원 구조를 가지고 있다. 또한, 다이아몬드는 광투과성과 단단함 등의 물성을 가지고 있지만, 흑연은 연성과 전기 전도도 등의 물성을 가지고 있다.
3. 다이아몬드는 보석으로 많이 사용되는 이유는 그 단단하고 내구성이 뛰어나며, 높은 광투과성과 광학적 투명성 등의 뛰어난 물성 때문이다. 또한, 다이아몬드는 드문 귀한 광물이기 때문에 가치가 높다는 점도 보석으로서의 가치를 높인다.
