[문제]

제시문 (가)

우리가 호흡하는 공기는 혼합 기체로 되어 있는데, 이 혼합기체에서 어떤 기체가 차지하는 압력을 분압이라고 한다. 폐포와 모세혈관, 모세혈관과 조직세포에서의 산소와 이산화탄소의 분압은 각각 다르며 장소에 따라 각 기체의 분압차이가 생긴다. 따라서 폐포와 모세혈관, 또는 모세혈관과 조직세포에서 일어나는 산소와 이산화탄소의 교환은 각 기체의 분압 차이에 의한 확산으로 일어난다. - 생물1교과서

- 압력변화에 따른 공기부분압의 변화 -

제시문 (나)

기체의 온도를 일정하게 유지하면서 기체의 부피를 줄이면 기체를 둘러싸고 있는 면에 부딪히는 분자 수가 많아져 기체의 압력이 높아진다. 반대로 기체의 부피를 늘리면 기체를 둘러싸고 있는 면에 부딪히는 분자 수가 적어져 기체의 압력이 낮아진다. 또한 일정한 압력 하에서 온도를 낮추면 기체의 부피가 감소하고 온도를 높이면 기체의 부피가 증가한다. 이것은 기체의 온도가 낮았을 때 다음과 같은 현상이 일어나기 때문이다.

○ 기체 분자 운동이 느려진다.

○ 단위 시간당 분자의 충돌 횟수가 줄어들게 되어 압력이 감소한다.

○ 외부 압력과 같아 질 때까지 기체의 부피가 줄어든다. - 화학1교과서

제시문 (다)

물속으로 잠수해 내려가면 10m마다 1기압씩 증가하므로 깊은 물속은 압력이 매우 높기 때문에 사람이 내려가기가 어렵다. 일반적으로 호흡장치 없이 인간이 내려갈 수 있는 깊이는 약 20m 이내이며 잠수시간도 2분 이내가 보통이다. 잠수복을 입고 압축공기를 사용하는 경우 수심 60m 정도가 한계이며 더 이상은 질소마취, 산소중독 같은 잠수병 때문에 위험하다.

헬륨가스232를 이용한 혼합기체를 사용하면 수백 미터(3백30m 정도)까지도 잠수가 가능하며 첨단기술로 제작된 잠수정을 이용하는 경우에는 지구상 가장 깊은 바다 속까지 잠수가 가능하다. 1960년에 이미 미국 해군소속의 잠수정 트리에스트(Trieste)호는 세명의 조종사를 태우고 태평양 마리아나 해구 챌린저 해연229의 1만9백18m까지 내려간 기록이 있다.

제시문 (라) 질소마취 (Nitrogen Narcosis)

분압의 경우는 어떻게 되는가를 알아보면, 각각 2기압에 2배, 3기압에 3배와 같은 식으로 증가하게 된다. 여기에 등장하게 되는 것이 헨리의 법칙(Henry's law)이다. '온도가 일정한 조건에서, 액체에 접촉하여 용해되는 기체의 양은 그 기체의 분압에 비례 한다'는 식을 적용시켜보면 수심 20미터에서는 육상에서의 3배가 되는 양의 질소 및 산소가 폐로부터 혈액을 통해 체내에 녹아들어간다는 사실을 알 수 있다.

그 결과 육상에서는 체내에 전혀 영향이 미치지 않던 질소도 다량이 되면 영향이 나타나게 된다. (물론 산소 또한 과흡입 시엔 영향이 발생함) 그중 하나가 '질소 마취'현상이다. 이는 수심 약 30미터 정도에서부터 발생하기 시작하는데, 마치 술에 취한 것과 같은 현상이 일어나게 된다

제시문 (마)

- 질소 마취와 알코올량과의 관계 -33′는 10m, 66′는 20m, 99′는 30m임.

제주도는 수많은 측화산과 세계적인 규모의 용암동굴, 다양한 희귀생물 및 멸종위기종의 서식지가 분포하고 있어 지구의 화산 생성과정 연구와 생태계 연구의 중요한 학술적 가치가 있으며, 한라산 천연보호구역의 아름다운 경관과 생물·지질 등은 세계적인 자연유산으로서 가치를 지니고 있다. 여기에 제주인의 삶의 상징으로 여겨지는 해녀의 생활을 접목시킨다면 더욱 남기고 싶은 문화유산이 될 것으로 본다.

그러나 해녀의 수는 점점 줄고 고령화 되고 있어, 언젠가는 사라질 제주인의 생활 문화가 될 것으로 보아 그 대책이 필요하다고 본다. 그 일환으로 고령화된 제주 해녀 대부분이 잠수병으로 고생하고 있는데, 그 치료 대책이 시급하다.

※ 제시문 일부는 신문기사 내용과 두산백과사전 EnCyber &EnCyber.com 등에서 발췌하였음을 밝힙니다.

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【논제 1】제시문을 통하여 기체의 용해도에 대하여 간단히 설명하고, 탄산음료의 제조 과정에 대하여 설명하시오.

【논제 2】제시문을 통하여 질소마취 현상의 원인을 분석하고, 생리적으로 나타날 수 있는 부작용에 대 하여 설명하시오.

【논제 3】제주도의 많은 해녀가 잠수병으로 고생하고 있다. 해녀의 잠수병은 왜 생기며 그 치료 방법 으로는 어떻게 하는 것이 효과적 방법인가에 대하여 과학적 원리에 접근하여 서술하시오.

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[과학논술 최우수 답안 및 첨삭]제주사대부고 3학년 최인엽

▶논제 1

▷학생답안=기체의 온도를 일정하게 유지하면서 기체의 부피를 줄이면 기체의 압력이 높아진다. 압력이 높다는 것은 용매와 접촉하는 기체 분자의 수가 많다는 것이고 따라서 기체가 용해될 확률도 그만큼 높아진다. 즉, 특정용매에 특정 기체가 녹는 정도를 나타낸 기체의 용해도는 기체의 온도가 일정할 때 분압이 클수록 커지고 분압이 일정할 때는 온도가 낮아지면 기체분자 운동이 느려져서 용매가 보다 쉽게 기체분자를 잡아둘 수 있기 때문에 용해도가 커진다.

탄산음료는 이러한 기체의 용해도의 특징을 이용하여 병 내부의 압력을 높게 하여 CO₂기체를 설탕물에 용해시켜 만든다.

▷첨삭=밑줄 친 부위(빨간글씨)를 다음과 같이 수정하면 보다 좋은 답지가 될 것으로 본다.

'사이다를 만들 때, 저온 고압으로 만들기 때문에 냉장 보관하는 것이 상온에서 보다 조금이라도 많은 탄산(톡 쏘는 맛)을 더 느낄 수 있다고 한다. 사이다의 뚜껑을 열면 갑자기 압력이 낮아지기 때문에 이산화탄소의 용해도가 낮아지게 되어 과포화 된 이산화탄소가 나오게 된다.

▶논제 2

▷학생답안=공기를 호흡할 때 체내에 들어오는 질소는 평소에는 체내에 영향을 미치지 않다가 주위의 압력이 높아지게 되면 그와 비례하는 양의 질소가 체내에 녹아들어가게 되고 이 질소는 체내에서 술에 취한 것과 같은 효과를 낸다. 압력의 증가에 따라 질소의 부분압이 증가하는 만큼 산소의 부분압이 증가하는 것이 아니라 질소의 부분압이 더 많이 증가하게 되므로 질소가 체내에 많이 녹을수록 산소는 효과적으로 공급되기 어렵다. 질소마취는 신경을 마비시켜서 술에 취했을 때와 비슷한 신체 반응이 나타나게 된다.

▷첨삭=질소마취에 대한 개인차와 증상에 대하여 제시된 표를 이용하여 좀 더 자세히 설명했으면 한다.(빨간 글씨)

질소 마취의 원인은 수면을 따라 하강하면서 호흡 기체 중의 질소 분압이 상승하게 되는데, 체내에 녹아들어간 질소의 분압이 일정 수준을 넘어서게 되면 신경 세포의 작용을 방해하여 마취 효과를 일으키며(표를 참조), 이를 질소 마취라 말한다. 질소 마취가 일어나는 수심은 개인에 따라 차이가 있는데, 대체로 30m를 전후한 수심에서부터 이러한 마취 현상이 발생할 가능성이 높다. 수심이 깊어지고, 다이빙 시간이 길어질수록 질소 마취의 증세는 더욱 강하게 나타난다.

사람에 따라 질소 마취의 증세가 다를 수 있다. 대체로 술에 취한 것처럼 사고력과 판단력이 둔화되며, 행복감, 불안감 등이 느껴진다. 심할 경우에는 안전 수칙을 어기는 위험한 행동을 하는 등 사고의 발생 가능성을 높이며 비상 상황에 대한 대처 능력을 저하시키므로 스스로나 짝의 행동을 지속적으로 관찰하려고 노력해야 한다.

대처 방법으로는 얕은 수심으로 상승하면 빠르게 증세가 사라지므로, 다이빙 도중 자신이나 주위 사람에게 질소 마취의 징후가 보인다고 판단되면 즉시 얕은 수심으로 상승하여야 한다.

▶논제 3

▷학생답안=해녀는 깊은 바닷속까지 들어가서 활동하게 되는데 이때 호흡한 질소가 주위의 압력이 높아짐에 따라 체내에 과량 녹아들어가게 되고 다시 수면으로 올라올 때 낮아진 주위 압력에 따라서 질소의 용해도는 그만큼 작아져서 체내에 녹아있던 질소가 기체 상태로 빠져나오게 된다. 그런데 여기에서 질소가 폐로 다시 녹아나오는데 걸리는 시간보다 빠르게 수면으로 올라오게 되면 녹아있던 질소의 기체가 체내에서 배출되지 않은 상태로 커져서 신경이 마비되는 등의 잠수병에 걸리게 된다. 이러한 잠수병을 치료하기 위해서는 질소보다 용해도가 작은 헬륨같은 기체를 포함한 압축공기를 사용하거나 질소를 다시 체내에 녹였다가 천천히 밖으로 빼내야 한다.

▷첨삭=밑줄 친 부위(빨간 글씨) 중 치료 방법에 대한 이해는 부족한 느낌이다. 잠수병은 해녀가 공기통과 같은 기구를 쓰지 않고 잠수를 반복하는 과정에서 나타나는 증상이다. 그 결과에 대한 치료 방법 제시가 미흡하다. 밑줄 친 부위부터 다음과 같은 방법으로 답안을 작성하는 것도 바람직하다.

공기 중에 질소는 산소의 양보다 많다. 우리가 내쉬고 내뱉는 공기 산소를 들이 마시고 이산화탄소를 내뱉는다고만 알지만 사실 산소와 이산화탄소보다도 질소의 양이 많다. 잠수병이란 혈액 속에 녹아있던 많은 질소가 물속에서 갑자기 올라오면 수압의 감소로 인하여 혈관 안에 녹아있던 질소가 조직 내에서 기포로 발생하여 심한 통증을 일으키는 병이다.

물속의 수압은 상당히 높다. 호흡할 때 산소는 인체의 신진대사를 통해 소모되어 이산화탄소로 배출되지만 질소는 고압의 상태에서 배출되지 못하고 몸속의 혈관에 녹아 나중에 수면으로 올라올 때 폐를 통해 내보게 된다. 그런데 빠르게 상승하게 되면 혈액에 녹아있던 질소들이 순차적으로 빠져나가지 못하게 되어 기포가 혈액 속에 남아 아픔을 유발하는 것이다. 증세는 신체부위 어느 곳에 기포가 생겼는가에 따라 다르게 나타나는데 손발의 마비, 하반신 불수, 질식, 호흡곤란, 피부가려움증 등이 있다.

이를 방지하기 위해서는 해녀나 잠수부는 잠수 후에 서서히 수면으로 올라와야 한다. 치료방법 제시기 미약하다. 잠수병치료는 바다 밑과 같은 압력을 만들어주는 고압 챔버가 필수적이다. 고압 챔버를 이용해 압력을 가한 뒤 산소와 공기를 이용해서 혈액에 녹아들었던 질소를 서서히 빼내고 깨끗한 산소를 공급해주는 게 치료의 핵심이다.

[심사평/홍영표]"논제 접근방법 보완을"

이번 문제는 화학1에서 다루는 기체의 용해도와 온도·압력과의 관계, 생물1에서 다루는 인체내에서의 가스교환과 운반 내용을 통합적으로 다룬 내용이다. 과학적 지식을 바탕으로 실생활에 적용시키는 사례를 통하여 생각을 확장시키는데 의의가 있다.

수업시간에 배운 내용을 바탕으로 실생활에 찾아볼 수 있는 사례들을 제시문에 제시하였으나 대부분 학생들이 잘못 이해하고 있는 경우가 많았다. 학생들이 논제1은 비교적 쉬운 내용으로 대부분 답안을 잘 썼으나 논제2, 논제3에 대해서는 문제 해결 방법이 서투른 느낌이었다.

최우수 학생의 답안을 보면 논제1에 대한 답은 비교적 잘 이해하고 잘 정리 되었다. 그러나 논제2와 논제3에 대한 접근 방법에 좀 더 보완을 해야 할 것으로 본다.

<제주일고 교사·논술콘테스트 운영위원장>