'「물질의 상태 변화」'[2014 EBS N제-(B형)]

[구렛나루]

24~26 다음 글을 읽고 물음에 답하시오.

우리 주위의 물질은 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태로 구분되는데, 물질은 한 가지 상태에서 다른 상태로 변화할 수 있다. 액체가 기체로 변화하는 현상을 기화라고 하는데, 그중 대표적인 것으로 ‘증발(蒸發)’과 ‘끓음’이 있다. 증발은 액체의 표면에서 액체가 기체로 상태 변화하는 것으로, 용기 속의 물이 시간이 흐르면서 수증기로 되어 말라 없어지는 것을 예로 들 수 있다. 그렇다면 증발은 왜 액체의 표면에서만 발생하는 것일까? 같은 운동 에너지를 가지고 있어도, 액체 내부의 분자들은 모든 방향으로 인력을 받아 인력을 끊고 기체가 되기 어렵지만, 표면에 존재하는 분자들은 내부로 향하는 인력만 받기 때문에 액체 내부의 분자들에 비해 상대적으로 인력이 작아 인력을 끊고 기체가 되는 것이 쉽기 때문이다.

액체의 표면에서만 일어나는 증발과 달리 외부로부터 열을 공급받아 끓게 되는 경우, 액체에서 기체로의 상태 변화는 액체 내부에서도 일어날 수 있다. 액체를 가열하면 온도가 올라가다가 어떤 온도에 이르면 더 이상 온도가 올라가지 않고 액체 내부에서 기화되어 기포를 형성하게 되는데, 이러한 현상을 ‘끓음’이라 한다. 액체 내부에서 기포가 형성되기 위해서는 증기압이 충분히 커야 한다. 증기압이 충분히 크지 않다면 기포 외부의 압력에 의해 기포가 생성되지 않기 때문이다. 액체에 열을 계속 가하면 기포 내부의 분자들은 더욱 빠르게 움직이면서 기포 내부의 증기압을 높이게 된다. 증기압과 외부의 압력이 같아질 때 끓는점이 형성되고, 이때 기포가 형성되어 표면으로 올라와 공기 중으로 빠져나가게 된다. 만약 다른 조건의 변화에 의해 기포 외부의 압력이 증가 하면 어떻게 될까? 이 경우 증가한 기포 외부의 압력을 견딜 수 있을 만큼 기포 내부의 증기압 역시 증가해야 기포가 형성되게 된다. 기포 내부의 증기압이 높아지기 위해서는 외부로부터 더 많은 열을 가해야 하기 때문에 액체의 끓는점 역시 올라가게 된다. 반대로 외부의 압력이 작아지면 끓는점은 내려간다. 이와 같이 끓음 은 온도뿐만 아니라 압력과도 관계가 있다.

끓음의 경우와 달리 액체를 계속해서 냉각시키면 분자의 운동이 느려지고 분자 사이의 인력이 증가하게 된다. 이때 분자들은 일정한 위치를 중심으로 고체를 형성하게 되는데, 이처럼 냉각에 의해 액체가 고체로 변화하는 것을 ‘응고’라고 하며, 물이 고체인 얼음으로 변하는 것을 ‘결빙(結氷)’이라고 한다. 흥미롭게도 소금이나 설탕을 물에 용해시키면 어는점이 내려간다. 이는 소금이나 설탕이 물에 녹으면서 소금이 물에 녹아 생긴 이온이나 설탕 분자가 물 분자들과 서로 결합하여, 육각형의 얼음 결정 구조를 만드는 과정을 방해하기 때문이다.

일반적으로 액체가 고체로 상태 변화를 하면 부피가 감소하는 데, 예외적으로 물이 고체 상태인 얼음으로 변화할 때는 부피가 증가한다. 얼음 결정은 빈 공간이 많은 입체 육각형 구조를 하고 있기 때문에 분자들 사이의 평균 거리가 멀고, 따라서 액체일 때보다 부피가 증가하게 되는 것이다. 그런데 얼음의 외부에서 압력을 가하게 되면 분자들 사이의 평균 거리가 짧아져 부피가 감소하게 된다. 이 과정에서 분자들의 결정 구조 중 일부가 압력에 의해 깨져 결합력이 약해지면서 액체 상태로 되기 때문에 녹는점이 0℃ 보다 낮아진다. 하지만 가해졌던 압력이 원래의 상태로 돌아가면 액체 상태의 물은 다시 얼게 된다. 이처럼 압력을 증가시켰을 때 녹았다가 압력을 감소시켰을 때 다시 어는 현상을 ‘복빙(復氷)’이라고 한다.

24 윗글에서 다루어진 내용이 아닌 것은?

① ‘끓음’이 일어나기 위한 조건

② 액체의 종류에 따른 끓는점의 차이

③ 온도에 따른 기포 내부의 증기압 변화

④ 액체의 냉각에 따른 분자 운동의 변화

⑤ ‘증발’이 액체의 표면에서만 발생하는 이유

25 윗글을 참고하여 <보기>를 이해한 반응으로 적절하지 않은 것은?

<보기>

온도가 변하지 않는다는 전제하에 가는 철사의 양 끝에 무거운 추를 매단 후, 얼음 위 에 놓으면 철사는 서서히 얼음 을 자르며 내려가지만 잘린 부 분은 잠시 후 다시 얼음으로 채워지게 된다.	자동차의 엔진을 식혀 주는 냉각수는 물로 되어 있다. 겨울철에는 냉각수에 부동액을 넣는데, 부동액으로 쓰이는 에틸렌글리콜 같은 물질이 냉각수가 어는 것을 막는다.

① (가)에서 무거운 추에 의해 얼음이 잘릴 때, 그 잘리는 부분은 물의 상태로 변화하게 될 것이다.

② (가)에서 무거운 추로 인해 얼음에 작용하는 압력이 높아져 얼음의 결정 구조의 일부가 파괴될 것이다.

③ (가)에서 추가 지나간 후 얼음의 잘린 부분에 다시 얼음이 채워지는 것은 압력이 원래대로 돌아왔기 때문일 것이다.

④ (나)에서 부동액은 물이 육각형의 얼음 결정으로 되는 것을 방해해 어는점을 낮출 것이다.

⑤ (나)에서 부동액을 넣지 않아 냉각수가 얼게 되면 냉각수 분자들 사이의 거리는 가까워지게 될 것이다.

26 윗글을 읽은 후, <보기>를 설명한 내용으로 적절하지 않은 것은?

<보기>

① 증발과 끓음에서 공통적으로 ㉠이 발생한다.

② 액체 내부의 분자와 액체 표면의 분자들이 서로를 잡아당기는 인력이 클수록 ㉠은 쉽게 이루어진다.

③ 기포를 누르는 외부의 압력이 증가할 때, 액체의 내부에서 ㉠이 이루어지기 위해서는 증가한 외부의 압력을 견딜 수 있을 정도로 기포 내부의 증기압을 증가시켜 줘야 한다.

④ ㉡의 과정에서 분자들의 운동이 느려지고, 분자 사이의 인력은 증가하게 된다.

⑤ 고체 상태에서 압력이 높아지게 되면 압력이 높아지기 이전에 비해 낮은 온도에서 ㉢의 과정이 이루어진다.

도움자료

[2014 EBS N제]-(B형)

24~26

24 ② 25 ⑤ 26 ②

「물질의 상태 변화」

물질의 상태 변화 과정에 대해 설명하고 있는 글이다. 이 글에서는 액체를 중심으로 액체가 기체로 상태 변화하거나 액체가 고체로 상태 변화하는 과정을 설명하고 있다. 액체가 기체로 상태 변화하는 과정으로는 표면에서의 상태 변화인 ‘증발’, 액체 내부에서의 상태 변화인 ‘끓음’이 있다고 설명한다. 반면 액체는 온도가 내려감에 따라 분자 사이의 운동이 느려지고, 이에 따라 분자 사이의 인력이 증가하면서 고체를 형성하게 되는데, 물이 얼음으로 상태 변화하는 것을 ‘결빙’이라고 설명한다. 얼음 결정 구조는 외부에서 작용하는 압력이 높아지면 결합력이 약해지는 성질이 있는데, 이로 인해 녹는점 또한 내려가게 된다. 이 글에서는 이러한 원리를 통해 작용하는 압력의 크기에 따라 녹는점이 낮아졌다 다시 회복하는 ‘복빙’현상 을 설명하며 글을 마무리 짓고 있다.

온도와 작용하는 압력에 의해 물질의 상태가 변화하는 과정

■ 1문단: 액체의 표면에서 액체가 기체로 상태 변화하는 ‘증발’

■ 2문단: 외부로부터 공급받은 열에 의해 액체 내부에서 기체로 상태 변화하는 ‘끓음’

■ 3문단: 액체가 고체로 변하는‘응고’와 물이 얼음으로 변하는 ‘결빙’

■ 4문단: 압력을 증가시켰을 때 녹았다가 압력을 감소시켰을 때 다시 어는 ‘복빙’

24 개괄적 정보의 확인 ②

액체의 종류에 따라 끓는점이 어떻게 달라지는지에 대한 설명은 이 글에서 확인할 수 없다.

① 끓음이 일어나기 위해서는 외부에서 열이 공급되어 증기압이 외부의 압력과 같아질 정도로 커야 한다는 것을 2문단을 통해 알 수 있다.

③ 온도가 높아질수록 증기압 역시 높아진다는 내용을 2문단을 통해 확인할 수 있다.

④ 액체가 냉각됨에 따라 분자의 운동이 느려지고 분자 사이의 인력이 증가하여 분자들이 결합하게 된다는 것을 3문단을 통해 알 수 있다.

⑤ 액체 표면에 존재하는 분자들이 내부로 향하는 인력만을 받기 때문에 인력을 끊고 기체가 되는 것이 상대적으로 쉬워, 증발이 액체의 표면에서 발생함을 알 수 있다.

25 구체적 상황에의 적용 ⑤

부동액은 냉각수가 어는 것을 막는 역할을 한다. 만약 부동액을 넣지 않는다면 겨울철에 온도가 내려갔을 때 냉각수가 얼게 될 것인데, 얼음 결정은 입체 육각형 구조를 하고 있기 때문에 분자들 사이의 평균 거리가 멀어지면서 부피가 증가하게 된다.

①, ② 무거운 추는 추의 무게로 인해 얼음에 압력을 가하게 되는데, 이로 인해 얼음 결정 구조의 일부가 약해지면서 액체 상태가 된다는 것을 마지막 문단을 통해 알 수 있다.

③ 추가 지나간 후 잘린 부분이 다시 얼게 되는 것은 압력이 정상으로 돌아왔기 때문에 발생하는 현상으로, 복빙에 해당한다.

④ 부동액을 사용할 경우 부동액에 있는 에틸렌글리콜 등이 물 분자와 서로 결합하면서 입체 육각형의 얼음 결정 구조가 만들어지는 것을 막기 때문에 어는점을 낮아지게 한다.

26 세부 정보의 확인 ②

액체 내부나 액체 표면의 분자들은 인력의 작용을 받고 있다. 인력은 서로를 잡아당기는 힘이므로, 인력이 크면 클수록 분자들은 자유롭게 움직이지 못하게 된다. 즉 액체가 기체로 상태 변화하기 위해서는 서로를 강하게 잡아당기는 인력이 약해져서 인력을 끊을 수 있는 조건이 되어야 한다.

① 증발은 액체의 표면에서 액체가 기체로 상태 변화하는 현상이고, 끓음은 외부로부터의 열로 인해 액체의 내부에 서 액체가 기체로 상태 변화하는 현상이다.

③ 기포를 누르는 외부의 압력이 액체 내의 기포의 압력, 즉 증기압보다 클 경우 액체 속의 기포는 생성되지 않는다. 따라서 끓음이 일어나기 위해서는 끓는점을 형성할 정도로 기포 내부의 증기압이 충분히 커져야 한다.

④ 액체가 고체가 되는 과정에서 분자 운동이 느려지고 분자 사이의 인력이 증가하여 분자들이 결합하게 된다.

⑤ 얼음 상태에서 압력이 높아지게 되면 얼음 결정 구조의 결합이 약해지기 때문에 녹는점이 낮아져서 0℃보다 낮은 온도에서 얼음이 녹게 된다.