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생글생글 590호 2018년 4월 16일

재미있는 과학이야기

[강신종 쌤의 ‘재미있는 과학이야기’(11)] 규산염 광물과 탄소화합물


지난 시간에는 규산염 광물은 Si-O 사면체를 기본구조로 1줄로 길게 이어진 단일사슬 구조, 2줄로 이어진 2중 사슬 구조, 평면으로 넓게 이어진 판상구조 등 네 가지 구조에 대해 언급했다. 지구상의 생명체는 모두 탄소 화합물을 갖고 있기에 우주에서 탄소 화합물의 흔적 발견은 생명체의 존재 확 률이 높다는 의미로 해석할 수 있다. 재미있는 사실은 식물은 광합성 작용으로 물(H2O)과 이산화 탄소(CO2)를 사용하여 포도당(C6H12O6)과 같은 탄소 화합물을 스스로 만들어 낼 수 있다.


음식으로 섭취하는 탄소화합물

반면에 사람은 탄소 화합물을 스스로 생성하지 못하고 음식 등을 통해 섭취해야 한다. 그럼에도 탄소 화합물은 인체를 구성하는 물질들 중 중요한 한 가지다.

탄화수소는 탄소와 수소로만 이루어진 화합물이고, 여기에 다른 원소를 포함하고 있다면 탄소 화합물이라 한다. 탄소 화합물들도 규산염 광물과 같이 일정한 규칙에 의해 결합한다.

최외각 전자를 원소 기호 주위에 점으로 찍은 것을 루이스 전자점식이라 한다. 전자점식에서 비공유 전자쌍을 뺀 나머지를 사람의 팔로 생각하면 탄소원소(C)는 14족이라 4개의 팔을 갖고 있다. 비금속 원소와 비금속 원소 사이의 결합을 공유 결합이며, 공유결합은 사람과 사람이 악수하는 모습과 비슷한 결합이다.

탄소 원자(C) 1개가 수소 원자(H)와 결합해 안전한 물질이 되기 위해서는 탄소 원자 1개가 4개의 수소 원자와 각각 악수하는 모양을 갖추어야 한다. 이런 모양을 정사면체(결합각 109.5도)라고 부른다. 규산염 광물은 Si-O 사면체를 기본구조로 하듯이 탄소화합물은 C-H 사면체를 기본으로 한다.

단일결합·이중결합·삼중결합

탄소 원자의 수에 따른 분류와 탄소 원자 사이에 단일 결합(alkane), 이중 결합(alkene), 삼중 결합(alkyne) 등 세 종류의 결합 형태와 사슬 구조와 고리 구조 등의 골격을 만들 수 있다. 즉 탄소 화합물은 셀 수 없을 정도로 많은 모양으로 존재할 수 있다.

공기 중의 약 78%를 차지하는 질소 기체(N2)는 매우 안정하며 과자 충전제로 많이 사용된다. 질소 기체(N2)에서 질소 원소(N)를 얻기는 매우 어렵다. 공기 중의 질소 기체는 뿌리혹박테리아 등에 의해 질소고정 과정을 거쳐 암모늄 이온(NH4+)으로 변하며 이를 식물이 흡수 초식 동물에게 공급, 먹이 사슬의 구조를 따라 순환한다. 따라서 단백질은 음식을 통해 외부에서 섭취를 해야 한다. 대표적인 음식이 닭 가슴살이다.

단백질은 생명 현상과 밀접한 관련을 갖는 있으며, 우리 몸을 구성하는 탄소 화합물들 중 대표 물질이다. 단백질을 구성하는 기본 단위는 아미노산(amino acid)이다. 아미노산은 탄소 원자 1개에 염기성을 나타내는 아미노기(-NH2), 산성의 성질을 갖는 카르복시기(-COOH), 수소 원자인 H, 작용기인 R과 결합되어 있다. 이 작용기 R에 의해 아미노산의 종류가 결정되는데, R의 종류에는 20여 가지가 있으며, 아미노산은 산, 염기와 모두 반응할 수 있는 양쪽성 물질이며, 수소 결합을 갖는다.

알파 구조와 아미노산

위에서 언급한 것처럼 아미노산은 탄소 원자의 팔 4개가 각각 아미노기, 카르복시기, 수소원자, 작용기(R)와 결합된 사면체 구조를 갖고 있으며, 알파와 베타 구조의 광학 이성질체로 구별할 수 있지만 실제 자연계에서 합성되는 아미노산은 알파 구조의 아미노산들이다.

파도를 막기 위해 방파제에 설치된 테트라포드(tetrapod), 고대 이집트 왕들의 무덤인 피라미드(pyramid), 규산염 광물, 탄화수소 CH4, 탄소 화합물 아미노산(amino acid)들의 공통점은 사면체 구조를 갖는다는 것이다. 사면체 구조를 갖는 물질들의 공통점은 안정하다. 또한 규산염 광물과 단백질을 통해서 알아본 탄소 화합물과 같이 규칙적인 결합의 패턴을 통해 다양한 물질을 만들어 우리 주변에 널리 분포되거나 이용되는 공통점이 있다.

◆통합과학 성취기준

이 글은 고등학교 1학년 학생들 이 배우는 통합과학 중심으로 구 성됐으며 이번 호는 “지각과 생명 체를 구성하는 다양한 광물과 탄 소 화합물은 특정한 규칙에 따라 결합되어 만들어진다”는 성취 기 준을 주제로 하고 있습니다.

강신종 < 용화여고 교사 >

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