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3) [난위도 상] 계면 활성제가 구형의 미셀 구조(A)를 형성할 때와 세포막의 인지질 구조처럼 평면 이중층의 미셀 구조(B)를 형성할 때 충전 상수값(k)을 이용해 두 구조를 설명하시오.





전문가 클리닉 1) 화학1 교과 과정에 나오는 비누의 구조와 제법을 물어보는 문항으로서 탄소 화합물 파트를 잘 정리한 학생이라면 어렵지 않게 답할 수 있을 것입니다.



2) 미셀이 형성되는 지점을 찾는 방법은 미셀 형성 전과 미셀 형성 후의 용액의 어떤 물성이 크게 변하는지를 파악하는 것입니다. 화학1의 물의 표면장력과 탄소 화합물 단원의 비누 부분을 공부했다면 비눗물의 농도가 증가함에 따라서 표면장력이 감소한다는 것을 파악해 첫번째 방법으로 표면장력의 변화를 측정하는 방향으로 답을 작성할 수 있습니다.



두번째 방법은 미셀이 형성되면 비누 분자가 각각으로 존재할 때보다 입자크기가 커지는 것을 알 수 있으며 제시문 (다)를 이용해 산란 세기를 측정하는 쪽으로 방향을 잡을 수 있습니다. 빛의 산란 세기 측정은 논술에서 자주 등장하는 소재로, 화학1 교과 과정은 아니지만 화학1 물 단원에서 응집제를 넣어 콜로이드 입자를 침전시키는 내용과 연관돼 있습니다.



세번째 방법은 화학1 물 단원에 나오는 수용액의 전기 전도도 변화를 바탕으로 용액의 부피가 크게 변하지 않으면서 용액 내에 이온의 수가 증가하면 이온의 농도가 증가하고 전기 전도도가 증가한다는 사실을 이용해 답을 작성할 수 있습니다.



3) 화학1에서 비누의 농도가 증가하면 용액 내에서 구형의 미셀 구조를 형성한다고 배웁니다. 3번 문항은 왜 구형의 미셀이 형성되는지를 파악하는 데 도움을 주는 문제입니다. 친수성의 머리부분이 구형의 표면적을 형성하고 친유성의 꼬리 부분으로 구형의 공간을 형성한다는 것으로서 머리 부분과 꼬리 부분이 차지하는 공간적인 비율에 따라서 미셀의 모양이 결정됩니다.



머리 부분과 꼬리 부분이 차지하는 공간이 비슷하면 평면 이중층의 미셀을 형성하며, 머리 부분이 차지하는 공간보다 꼬리 부분이 차지하는 공간이 상대적으로 작으면 구형의 미셀이 형성될 것입니다. 이러한 공간적인 비율이 결정되는 요인에 친수성인 머리 부분끼리의 반발력(정전기적 반발력)과 친유성인 꼬리 부분끼리의 인력(분산력)등이 있음을 추론해 적으면 좋은 답안이 됩니다.



예시답안 1) 비누의 탄화수소 사슬(꼬리 부분)은 탄소와 수소 원자 사이에 전기 음성도 차이가 작고 대칭 구조를 갖고 있으므로 무극성 부분으로 물과의 친화력이 작고, COO- 부분(머리 부분)은 극성을 띠고 있으므로 물과 친화력이 크다. 지방(에스테르) 또는 지방산(카르복시산)에 강염기를 첨가하면 비누화 반응이 진행돼 비누가 만들어진다. 반응식은 다음과 같다.





2) 미셀이 형성되는 비누의 농도를 찾는 첫번째 방법은 비누를 첨가하면서 용액의 농도별로 용액의 표면 장력을 측정하는 것이다. 제시문 (나)를 참고할 때 비누의 농도가 증가할수록 용액 표면에 위치하는 비누 분자가 많아지므로 물 분자 사이의 인력이 방해받고 따라서 용액의 표면 장력은 점점 감소한다. 비누의 농도를 증가시키면서 용액의 표면장력을 측정해 표면장력이 더이상 감소하지 않는 지점을 찾으면 미셀 형성 시점을 확인할 수 있다.



두번째 방법은 제시문 (다)를 볼 때, 비누의 농도가 낮은 용액에서는 용액 내에 아직까지 큰 입자들이 존재하지 않으므로 용액에 빛을 투과시키면 빛의 산란이 거의 일어나지 않고 빛이 투과될 수 있다. 그러나 비누의 농도가 증가해 미셀이 형성되기 시작하면 입자 크기가 큰 미셀이 용액 내에 존재하므로 빛을 투과시키면 빛의 산란이 일어나 빛이 진행하는 경로가 눈으로 보이는 것을 이용하는 것이다.







3) 먼저 구형의 미셀이 만들어지는 경우를 설명하자. 비누 분자 n개가 모여서 구형의 미셀을 형성한다고 할 때 비누 분자 1개의 친수성인 머리 부분이 차지하는 면적을 A, 친유성인 꼬리 부분의 길이를 L, 꼬리 부분이 차지하고 있는 부피를 V라고 하면 다음과 같은 식을 쓸 수 있다.







이를 통해 머리 부분이 차지하는 공간보다 꼬리 부분이 차지하는 공간이 작은 구형의 미셀이 형성되기 위해서는 비누 분자들 간에 머리 부분끼리의 반발력이 크고 꼬리 부분끼리 작용하는 인력이 커야 하고, 반대의 경우에는 평면의 이중층 미셀이 만들어질 것임을 알 수 있다.