지난 9월15일 제주제일고등학교에서 개최된 제1회 전도 중·고등학생 논술대회에서 출제된 문제, 모범답안, 최우수 작품, 심사평을 소개한다. 이 대회는 논술을 통해 창의적인 사고력과 종합적인 분석력을 배양함으로써 21세기가 요구하는 글로벌 인재 육성을 위해 한라일보사와 제주특별자치도교육의정회가 주최하고 제주특별자치도논술면접교육연구회가 주관했다. <편집자 주>

※심사평 : 홍영표(제주제일고등학교 교사/ 제주특별자치도논술교육연구회)

과학문제

▶제시문 (가)

물에 녹아 수용액이 될 때 전류를 흐르게 하는 물질을 '전해질'이라 하고, 물에 녹아 수용액이 돼도 전류를 흐르지 않게 하는 물질을 '비전해질'이라 한다. 전해질로는 황산구리, 염화나트륨이 있고, 비전해질로는 설탕, 포도당, 녹말, 에탄올이 있다. 전해질은 물속에서 (+)전하를 띤 입자와 (-)전하를 띤 입자로 나눠진다. 전하를 띤 이런 입자를 이온이라 하고 (+)전하를 띤 입자를 양이온, (-)전하를 띤 입자를 음이온이라 한다. 소금(염화나트륨)과 설탕은 고체 상태에서는 모두 전류를 흐르지 않게 한다. 그러나 물에 용해되면 상황이 달라진다. 염화나트륨 용액은 전류를 흐르게 하고 설탕 용액은 전류를 흐르지 않게 한다. 염화나트륨이 고체 상태에서 전류가 흐르지 않는 이유는 고체 상태의 염화나트륨 속에 전하를 띤 입자들이 없어서가 아니다. 고체 상태의 염화나트륨 속에는 수많은 양이온과 음이온이 들어 있지만 이들이 정반대의 전하를 띠고 서로 잡아당겨 움직일 수 없기 때문이다.

또 설탕은 물속에서 전하를 띤 입자를 만들지 못하기 때문에 설탕 용액은 전류가 흐르지 않는다. 즉 설탕은 이온이 아닌 분자 상태로 녹는다. -고등학교 과학교과서

▶제시문 (나)

운동이나 노동 등으로 인해 체내에서 빠져나간 수분과 전해질을 보충해주는 기능성 음료로 스포츠드링크 또는 스포츠 음료라고도 한다. 주요 성분으로는 당질(탄수화물)을 비롯해 나트륨, 칼륨, 마그네슘 등의 무기염류와 비타민C가 포함되어 있다. 무기염류는 땀으로 손실된 전해질을 보충해주기 위해서다. 당질은 대개 6~8% 농도로 함유되어 있는데 그 이상이 되면 장내 흡수 속도를 지연시켜 효과가 감소된다.

운동 중에 수분과 전해질을 보충해줄 경우 그렇지 않은 경우보다 더 오래 운동을 지속할 수 있다고 알려지면서 빠른 속도로 보급되고 있다. 그러나 1캔 당 평균 120mg 정도의 나트륨(소금 약 0.3g)이 함유되어 있어 평상시 음료 대용으로 마시는 것은 식염의 과잉섭취가 우려되어 바람직하지 못하다.

다음 표는 이온 음료(아이소토닉음료, isotonic drink)와 다른 음료의 성분을 비교한 것이다.-웹 사이트 내용



▶제시문 (다)

용액의 용질분자는 통과시키지 않고 용매분자만 선택적으로 통과시키는 막을 '반투막'이라 한다. 이런 반투막을 사이에 두고 순수한 물과 용액을 격리시키면 막을 통해 물이 용액 쪽으로 이동해 시간이 지남에 따라 평형상태에 이르는데, 이런 현상을 '삼투현상'이라 한다. 여기에는 '반트 호프의 법칙'이 적용된다. 비전해질이 녹아 있는 묽은 용액의 삼투압은 몰농도와 절대온도에 비례하며, 용매나 용질의 종류와는 무관하다. 세포질도 용액의 일종이므로 삼투압을 가진다. 이때 세포질 용액의 삼투압과 같은 삼투압을 가진 용액을 등장액, 그 보다 삼투압이 높은 용액을 고장액, 낮은 용액을 저장액이라 한다. 등장액의 경우에는 물의 이동이 균형을 이루어 외견상으로는 삼투현상이 없는 것처럼 보인다. π=cRT(π:삼투압, c:용액의 몰농도, R:기체상수, T:절대온도) -고등학교 화학, 생물교과서

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▶문제 1

얼마 전에 비가 오는데 등반하다가 낙뢰 사고로 5명이 사망하고 다수의 사람이 부상을 당하는 일이 발생했었다. 반경 70m정도 범위에 있는 사람도 사고를 당했다고 한다. 날씨가 좋았다면 아마 그런 사고가 나지 않았을 것이다. 그러면 건조해 있을 때보다 왜 젖어 있을 때가 전기를 잘 통하는지 '제시문 (가)'를 바탕으로 서술하시오.

▶문제 2

심한 운동을 하거나 땀을 많이 흘려 탈수 증세가 있을 때, 일반 물보다 스포츠 음료나 소금물을 마시는 것이 효과적이다. 그 이유를 '제시문 (나)'와 '제시문 (다)'를 바탕으로 설명하시오.

▶문제 3

해수의 담수화 공장에서 물을 정제하는 데 역삼투 과정이 이용된다. 역삼투 과정의 원리를 '제시문 (다)'를 바탕으로 서술하시오.

예시답안

▶문제 1

사람의 체액에는 전해질이 녹아 있으며 피부에도 땀을 통해 배출된 전해질 성분이 존재한다. 평상시 건조한 피부에서는 전압이 매우 크지 않으면 저항이 커서 전류가 흐르기 힘들다.

하지만 피부가 젖으면 피부에 있던 전해질이 물에 녹아 이온 상태가 되기 때문에 전류가 잘 흐르게 된다. 따라서 비에 젖은 몸은 전류가 잘 흐르게 되어 감전의 위험이 따르므로 주의해야 한다. 또한 낙뢰 시에는 높은 전압에 의하여 먼 장소(70m)에 있는 사람까지 감전이 되는 것이다.

▶문제 2

심한 운동을 하거나 기온이 높아 땀을 많이 흘리면 몸에서 빠져나가는 물의 양이 평소의 몇 배에 이르러 심한 갈증을 느끼게 된다.

땀과 함께 빠져나가는 물에는 몸에 꼭 필요한 칼륨이나 나트륨 같은 무기염류가 포함돼 있다. 만약 마라톤 선수가 달리면서 맹물만 먹는다면 혈장의 삼투압이 낮아지게 되며, 우리 몸은 삼투압을 조절하기 위해 여분의 물을 다시 내보내게 되고, 이때 Na+과 같은 무기전해질이 같이 빠져나간다. 그러면 다시 갈증이 생기고 물을 먹을수록 혈장 삼투압은 더욱 낮아진다. 이런 악순환이 지속되면 말초조직으로 수분이 확산된다. 마찬가지로 뇌 조직으로도 수분이 확산돼 '수분중독(waterintoxication)'에 이른다. '수분중독(waterintoxication)'이 되면 체내의 전해질 발란스가 무너지면서 오심, 구토, 발열(혹은 오한), 심한경우 환각, 환청, 의식장애, 의식소실, 혼수 등의 증상이 나타나며, 당뇨나 대사 이상 장애 환자의 경우 더 위험 할 수 있고, 심한 경우 사망할 수도 있다. 이와 같은 이유 때문에 심한 운동을 하거나 땀을 많이 흘려 탈수 증세가 있을 때, 일반 물보다 스포츠 음료나 소금물을 마시는 것이 효과적이다.

▶문제 3

정상적인 삼투압 현상에서는 묽은 용액으로부터 진한 용액으로 용매가 흐른다. 순수한 물과 소금물을 반투과성 막을 경계로 하여 따로 놓으면 양쪽의 농도 차 때문에 순순한 물이 소금물 쪽으로 이동하려는 힘이 나타나는데, 이것을 압력으로 계산하면 약 25기압에 해당한다. 이보다 큰 압력을 소금물에 가하면 삼투압 과정이 역전되어 물은 소금물에서 맑은 용액으로 흐른다. 사우디아라비아와 같은 세계 여러 나라의 건조한 지방이나 물이 귀한 섬 지방에서는 이러한 역삼투 과정을 이용하여 바닷물로부터 소금을 제거하여 식수나 공업용수로 사용하고 있다.

[수리과학 최우수답안(과학논술)]제주중앙여고 3년 김진영

▶문제 1

물질은 전해질과 비전해질로 나눌 수 있다. 비전해질의 경우에는 물질의 상태에 관계없이 전류를 통하지 않으나, 전해질은 그 특성상 고체 상태일때는 전류를 통하지 않고 수용액 상태나 액체상태일 때는 전해질이 이온화되어 전류를 통할 수 있다.

건조할 때보다 젖어있을 때 전기를 잘 통하는 이유도 여기에서 찾을 수 있다. 물에 젖어 있으면 전해질이 이온화되어 그 움직임이 자유로워지게 된다. 이온은 전자를 전달해 전류가 흐르게 할 수 있기 때문에 이온의 이동이 활발해 질수록 전기가 더 잘 통하는 것은 당연한 일이다.

문제에 제시된 것처럼 낙뢰사고로 반경 70m 정도 범위에 있는 사람까지 감전 사고를 당한 것은 그날 비가 내려 땅이 젖어서 땅속에 있던 이온과 또 빗물 자체에 녹아있는 이온들이 전기를 통하게 하였기 때문이다.

다시 말해 건조해 있을 때는 이온간의 정전기적 인력 때문에 움직임이 적어 전기가 잘 통하지 않아도 젖어 있을 때는 이온의 움직임이 자유롭고 또 물 자체에 녹아있는 이온이 있을 경우는 그 이온까지 가세하여 이온들이 전기를 통하게 하므로 건조할 때보다 훨씬 전기를 잘 통하는 것이다. 거의 모든 전자기기에 '젖은 손으로 만지지 마시오.'라는 주의문구를 볼 수 있는 이유도 이 때문이다.

▶문제 2

제시문 (나)의 표에서 알 수 있듯이 기능성 음료인 스포츠 음료에는 인체의 무기염류를 보충해 줄 수 있는 성분이 다량 함유되어 있고, 음료의 농도가 체액의 농도와 비슷하여 일반 물보다 흡수 속도가 빠르다. 소금물도 체액과 등장액인 농도로 농도를 조절하여 마시면 스포츠 음료와 같은 효과를 내게 된다.

또한 이온이 많은 음료를 마셔 체내의 삼투압이 상승하면, 우리의 신체는 항상성을 유지하기 위해 체내 삼투압을 낮추려는 방안으로 신장에서의 수분 재흡수를 촉진하게 된다.

따라서 심한 운동을 하거나 땀을 많이 흘려 탈수 증세가 있을 때, 일반 물보다 스포츠 음료나 소금물을 마시는 것이 더 효과적이다.

▶문제 3

해수에는 이온이 많이 존재하여 일반 물에 비해 농도가 매우 짙다. 해수와 일반 물을 반투막 사이에 두면 농도차에 의해 삼투현상이 발생해 농도가 낮은 일반 물이 농도가 높은 해수 쪽으로 이동한다. 이 때 삼투압이 생겨나게 된다.

이 삼투압보다 더 큰 힘을 해수 쪽에 가해주면 해수가 삼투압을 이겨내고 반투막을 넘어 일반 물 쪽으로 이동하게 된다. 반투막은 용매만 통과시키고 용질은 통과시키지 않는 성질이 있으므로 순수한 물(H2O)만 반투막 경계를 넘어온다. 이러한 과정이 역삼투 과정이며, 역삼투 과정에는 삼투압을 능가할 수 있는 에너지가 반드시 필요하다.

심사평

과학 문제는 교과서 지문과 웹사이트 내용을 참고로 하여 출제했으며, 학교 수업에 충실하면 누구나 쉽게 접근할 수 있는 내용이다.

유사 정답을 보면 학교수업 시간에 배운 내용을 약간 응용하고, 생각을 발산적으로 전개할 수 있는 학생은 쉽게 접근 할 수 있는 내용이다. 그럼에도 불구하고 대부분의 학생들이 나름대로 열심히 문제에 대한 답을 쓰려고 노력한 점은 엿보이나 초점을 빗나간 답안이 많았다.

우수작으로 뽑힌 학생들의 답안들은 비교적 다른 학생들에 비해 문제에 대해 일반적인 접근과 독창성이 엿보였으나, 좀더 노력해야겠다는 느낌이 들었다.

결론적으로 심사를 하면서 느낀 점은 아직도 대다수 학생들이 서술형 문제에 대한 두려움이 많고, 그러다 보니 자신이 알고 있는 내용을 응용하고, 체계적이며 발산적으로 전달하는 기술이 많이 부족함을 알 수 있었다. 앞으로 학교 현장에서 서술형 문제에 대한 체계적인 지도가 필요하다고 본다.<홍영표>