- [톡톡 튀는 논술학교]제9회 수리과학 논술콘테스트(과학 논술)
- 입력 : 2008. 09.09. 00:00:00
[문제]
※다음 제시문들을 읽고 논제에 답하시오.
(가)60년대 들어서기 전까지만 해도 고도는 다른 날씨 요소에 비해 상대적으로 연구가 덜 된 분야였다. 그러나 1960년 열린 17회 로마올림픽과 다음에 열린 도쿄올림픽에서 에디오피아의 아베베가 마라톤 우승을 차지하고, 케냐의 게이노 등 고지대 출신 선수들이 장거리 육상 분야에서 우승을 차지하면서 사정이 달라졌다. 더욱이 19회 대회의 개최지가 멕시코시티로 확정되자 전세계 스포츠 과학자들은 고지대에서의 스포츠 능력에 관한 연구에 몰두하기 시작했다.
해발 2천2백40m 높이에 위치한 고원도시인 멕시코시티는 열대에 위치해 있지만 월평균 기온은 최고인 5월에도 17℃, 최저인 1월은 12℃ 정도에 불과하다. 이는 고도가 1천m 오를 때마다 기온은 6℃씩 하강하기 때문에 일어나는 현상. 결국 이전까지 연구가 상당 수준 진척돼 있던 온도 보다는 고도가 경기 성적을 좌우하는 핵심으로 떠오른 것이다.
고도가 높은 지역은 산소가 부족하기 때문에 평지에 살던 사람이 고지에 오르면 숨이 가빠지고 두통과 안구 통증을 느끼기 쉽다. 그러나 고지에 살던 사람이 평지에 내려오면 오히려 운동능력이 훨씬 좋아진다. 연구자들에 따르면 경기력에 영향을 미치기 시작하는 고도는 1천2백m부터로, 1천6백m부터는 작업능력이 10% 감소한다. 특히 갑작스럽게 2천1백m 이상되는 곳에 가면 도착 후 12~36시간 내에 고산병을 앓을 수 있다.
-과학동아 1998년 2월호
※고산병(高山病, mountain sickness)
산악병·산취(山醉)라고도 한다. 높은 산에서는 기압이 내려가는 동시에 공기 속의 산소분압이 감소하므로 불쾌해지거나 피로해질 뿐 아니라 두통·동계(動悸)·치아노제(靑色症)·식욕부진·구토 등이 일어나며, 더 올라가면 졸음·현기증·정신혼미 또는 정신흥분이나 감각이상이 나타나게 된다. 이와 유사한 현상은 항공기가 급상승할 때도 느낄 수 있는데, 이를 항공병이라고 한다. 어떤 고지에 2~3주간 체재했다가 다시 올라가게 되면, 적혈구와 심박출량(心拍出量)이 증가하여 보통 위험하다고 생각되는 높은 곳에서도 생활할 수 있게 된다. 이것을 순화(馴化)라고 한다. 또 초봄의 고산에서 강렬한 자외선의 조사(照射)로 인하여 생기는 급성피부염도 하나의 고산병이다.
-두산백과사전 EnCyber & EnCyber.com
(나)女산악인 오은선, 히말라야 무산소등정
여성 산악인 오은선 씨(42·○○레저)가 13일 히말라야 마칼루(8463ｍ)에 이어 26일 오전 세계에서 4위 봉인 로체(8516ｍ) 무산소 단독 등정에도 성공했다.
2004년 한국 여성 최초로 에베레스트(8848ｍ)에 오른 오씨는 마칼루 정상을 밟은 지 겨우 13일 만에 히말라야 고봉 등정 기록을 다시 쓰는 기염을 토했다. 8000ｍ급 고봉 7개째에 올라선 오씨는 이로써 10개봉으로 여성 최다 등정기록을 세운 겔린데 칼텐브루너(오스트리아)는 물론 에드루네 파사반(스페인·9개)의 기록 추월에도 바짝 다가섰다.
한편 오씨와 후원계약을 맺은 ○○레저 측은 "오씨는 8월 가셔브롬1(8068ｍ), 브로드피크(8047ｍ) 등정에 계속적으로 나설 계획이다. 이러한 추세라면 2012년이면 여성 최초 히말라야 14좌 완등이 가능할 것"이라고 기대했다.
-매일경제 2008. 5. 13
(다)평형을 이루고 있는 반응계에 어떤 변화를 주면 반응계는 이러한 변화에 영향을 받아 처음과는 다른 새로운 평형에 이르게 된다. 이와 같은 평형 이동의 원리를 알면 우리는 원하는 방향으로 화학 반응이 일어나도록 하는 데 이용할 수 있을 것이다. 평형을 변화시키는 주요 요인에는 농도, 압력, 온도 등이 있다. 이러한 요인들이 변화되면 평형은 어떻게 이동될까?
-중략-
지금까지 평형 상태에 있는 화학 반응에서 농도와 압력을 변화시킬 때 평형이 어떻게 이동하는지 알아보았다. 즉 평형을 이루고 있던 반응계가 외부로부터 어떤 변화를 받으면 평형이 깨어져 반응은 정반응이나 역반응 쪽으로 진행되어 새로운 평형 상태에 도달하게 된다.
1884년 프랑스의 화학자 르 샤를리에(Le Chatelier)는 '어떤 가역 반응이 평형상태에 있을 때 농도, 압력, 온도 등의 조건을 변화시켜주면 그 변화의 영향을 줄이려는 방향으로 평형이 이동하여 새로운 평형에 도달한다.'는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다. 이것을 르 샤를리에의 원리 또는 평형 이동의 법칙이라고 한다. -금성출판사 화학Ⅱ
▶논제 1
제시문 (가)에 나타난 고산병의 원인을 제시문 (다)를 이용하여 설명하시오.
▶논제 2
제시문 (나)에서 무산소 등정을 위해 일정한 고도마다 베이스캠프를 설치하였고 베이스캠프에 머무는 동안 휴식, 자전거타기, 걷기, 달리기 등의 단계적 훈련을 거쳤다고 한다. 그 이유를 설명하시오.
[최우수 답안]남주고 3학년 오동준
▶논제 1
자발적으로 일어나는 반응은 온도, 압력, 농도에 따라 그 반응의 양상이 달라진다. 쉬운 예로, 밀폐된 용기 안에서 NO2와 N2O4는 공존한다. 공존하지만, 그 비율이 같지는 않다. 0℃ 1atm에서는 2NO2가 N2O4로 되는 변화가 N2O4가 2NO2로 분해되는 속도보다 빠르다.
반면에 100℃ 1atm에서는 N2O4가 2NO2로 분해되는 반응이 활발하다. 이것은 N2O4가 2NO2로 되는 과정에서 열을 필요로 하는데 때마침 그 열이 얻기 쉬웠기 때문이며, 이에 따라 반응은 NO2가 많은 상태의 평형에 이른다.
마찬가지로 호흡도 자발적인 반응이다. 그리고, 그 원리는 분압차에 의한 확산이다. 여기서 중요한 것은, 외호흡의 반응이 분압차에 의존하여 이루어진다는 것이다.
폐의 폐포에서 기체 교환이 이루어진다. 폐포에는 모세혈관이 있는데, 여기에 있는 혈액의 이산화탄소, 산소 분압과 외부로부터 흡입한 산소, 이산화탄소의 분압을 비교해보면, 이산화탄소의 분압은 폐포의 혈액이 크고 외부의 공기가 작으며, 산소의 경우는 그 반대이다. 이 분압의 차이에 의해 산소는 외부에서 혈액으로, 이산화탄소는 혈액에서 외부로 옮겨가게 된다.
문제는 압력이다. 산의 높은 곳으로 올라갈수록 공기의 압력이 낮아진다. 전체적인 기압이 낮아짐에 따라서 이산화탄소, 산소의 분압도 낮아진다. 산소에 주목하면 산소의 분압이 낮아지게 된 결과, 혈갱의 산소 분압 차이와 외부 공기의 분압차가 줄어들게 된다.
그러므로 폐포에서의 반응은 르 샤를리에의 원리에 따라서 산소가 혈액으로 확산되어가는 성향이 줄어든, 평소보다 적게 혈액에 수용되는 평형점을 형성한다.
결국 전체적으로 산소 공급이 줄어들어 개체는 고산병에 걸린다.
▶논제 2
고산지대에 사는 사람들은 해수면 근처에 사는 사람보다 적혈구 수가 많다. 그것은 그 사람들이 그렇게 적응했기 때문이다. 마찬가지로 무산소 등정을 하기 위해서 정상보다 많은 수의 적혈구가 필요하다. 이를 위해서 인체를 적응하도록 한 것이다. 이를 순화라고 한다.
자전거 타기, 걷기, 달리기는 유산소 운동이다. 즉, 산소를 소모하는 정도가 크다. 산소 소모량이 많아서 필요한 산소를 공급하기 위해 호흡을 해도 공급되는 산소가 적다. 따라서 인체는 항상성을 유지하기 위해서 적혈구 수와 심박출량을 늘려간다. 이러한 인체 내 변화를 유도하여 산소 탱크 없이 등정하는 것을 가능하게 하는 것이 베이스캠프에서의 훈련의 목적이다.
만약, 이러한 훈련없이 무산소 등정을 시도한다면 고도가 높아질수록 감소하는 기압에 따라서 아무리 호흡을 해도 공급되는 산소가 불충분해서 감각 이상이 나타나고, 심하게는 사망에 이르게 된다.
[심사평]각 영역의 종합적 사고력에 중점
▶해설
1)논제 1
혈액 속의 헤모글로빈은 산소 분압이 높은 폐에서 산소와 결합해 산소 헤모글로빈이 되고, 산소 분압이 낮은 조직에서는 산소 헤모글로빈으로부터 산소가 해리돼 다시 헤모글로빈이 된다. 이러한 헤모글로빈과 산소 사이의 가역반응으로 헤모글로빈은 산소를 조직세포로 운반하는 역할을 한다.
흔히 3천m 이상의 산악 지대를 고산이라고 한다. 고산 지대에서는 공기가 희박하므로 산소 분압도 낮다. 반응물인 산소 분압이 낮아져 평형이 깨지면 르 샤틀리에 원리에 의해 반응물이 생성되는 역반응이 우세해진다.
Hb(aq) + 4O2(g) Hb(O2)4(aq)
즉, 혈액 내 Hb(O2)4의 농도가 감소하면서 새로운 평형에 도달한다. 따라서 조직세포에 산소의 공급이 원활하지 못하므로 고산병이 발생한다. 따라서 두통, 무력감, 식욕부진, 호흡곤란이 나타난다.
따라서 고산병을 예방하기 위해서는 해발 고도가 매우 높아 공기가 희박한 산을 오를 때는 산소마스크를 준비하여 산소의 압력이 낮아지지 않도록 해야 한다.
2)논제 2
고산 지대에 오랜 기간 머무를 때에는 산소의 부족한 환경에 신체가 적응해 헤모글로빈을 많이 생성한다. 반응물인 헤모글로빈의 농도가 높아지면 다시 르 샤틀리에의 원리에 의해 정반응이 우세하며 혈액 내 Hb(O2)4의 농도가 증가함으로써 산소의 공급이 원활해진다.
▶출제의도 및 첨삭
생물Ⅰ에서 산소 분압에 따른 산소 헤모글로빈의 해리 정도를 학습한 학생들에게 화학Ⅱ의 화학평형이라는 개념과 얼마나 잘 연결시킬 수 있는지 묻고자 했다. 고산병이라는 현상에 대해 단순히 생물, 또는 화학으로만 생각할게 아니라 각각의 영역에서 필요한 개념들을 가지고 종합적으로 사고할 수 있는지가 이번 논제의 핵심이었다.
논제 1인 경우에는 질문에 나와 있는 개념들을 해설하기 위해 교과서의 지식을 나름대로 재구성하여 설명하고 있으나 화학평형인 경우에는 제시문에 나와 있기 때문에 굳이 답안에 포함시킬 필요 없이 허파에서의 가스 교환에 대한 내용부터 답안을 작성해 나가는 편이 좋을 듯 싶다. 굳이 화학평형에 대한 개념을 설명하고자 한다면 고산병을 설명하는데 필요한 산소와 헤모글로빈의 관계를 다루는 것이 좋겠다.
<고현옥 중앙여자고등학교>
※다음 제시문들을 읽고 논제에 답하시오.
(가)60년대 들어서기 전까지만 해도 고도는 다른 날씨 요소에 비해 상대적으로 연구가 덜 된 분야였다. 그러나 1960년 열린 17회 로마올림픽과 다음에 열린 도쿄올림픽에서 에디오피아의 아베베가 마라톤 우승을 차지하고, 케냐의 게이노 등 고지대 출신 선수들이 장거리 육상 분야에서 우승을 차지하면서 사정이 달라졌다. 더욱이 19회 대회의 개최지가 멕시코시티로 확정되자 전세계 스포츠 과학자들은 고지대에서의 스포츠 능력에 관한 연구에 몰두하기 시작했다.
해발 2천2백40m 높이에 위치한 고원도시인 멕시코시티는 열대에 위치해 있지만 월평균 기온은 최고인 5월에도 17℃, 최저인 1월은 12℃ 정도에 불과하다. 이는 고도가 1천m 오를 때마다 기온은 6℃씩 하강하기 때문에 일어나는 현상. 결국 이전까지 연구가 상당 수준 진척돼 있던 온도 보다는 고도가 경기 성적을 좌우하는 핵심으로 떠오른 것이다.
고도가 높은 지역은 산소가 부족하기 때문에 평지에 살던 사람이 고지에 오르면 숨이 가빠지고 두통과 안구 통증을 느끼기 쉽다. 그러나 고지에 살던 사람이 평지에 내려오면 오히려 운동능력이 훨씬 좋아진다. 연구자들에 따르면 경기력에 영향을 미치기 시작하는 고도는 1천2백m부터로, 1천6백m부터는 작업능력이 10% 감소한다. 특히 갑작스럽게 2천1백m 이상되는 곳에 가면 도착 후 12~36시간 내에 고산병을 앓을 수 있다.
-과학동아 1998년 2월호
※고산병(高山病, mountain sickness)
산악병·산취(山醉)라고도 한다. 높은 산에서는 기압이 내려가는 동시에 공기 속의 산소분압이 감소하므로 불쾌해지거나 피로해질 뿐 아니라 두통·동계(動悸)·치아노제(靑色症)·식욕부진·구토 등이 일어나며, 더 올라가면 졸음·현기증·정신혼미 또는 정신흥분이나 감각이상이 나타나게 된다. 이와 유사한 현상은 항공기가 급상승할 때도 느낄 수 있는데, 이를 항공병이라고 한다. 어떤 고지에 2~3주간 체재했다가 다시 올라가게 되면, 적혈구와 심박출량(心拍出量)이 증가하여 보통 위험하다고 생각되는 높은 곳에서도 생활할 수 있게 된다. 이것을 순화(馴化)라고 한다. 또 초봄의 고산에서 강렬한 자외선의 조사(照射)로 인하여 생기는 급성피부염도 하나의 고산병이다.
-두산백과사전 EnCyber & EnCyber.com
(나)女산악인 오은선, 히말라야 무산소등정
여성 산악인 오은선 씨(42·○○레저)가 13일 히말라야 마칼루(8463ｍ)에 이어 26일 오전 세계에서 4위 봉인 로체(8516ｍ) 무산소 단독 등정에도 성공했다.
2004년 한국 여성 최초로 에베레스트(8848ｍ)에 오른 오씨는 마칼루 정상을 밟은 지 겨우 13일 만에 히말라야 고봉 등정 기록을 다시 쓰는 기염을 토했다. 8000ｍ급 고봉 7개째에 올라선 오씨는 이로써 10개봉으로 여성 최다 등정기록을 세운 겔린데 칼텐브루너(오스트리아)는 물론 에드루네 파사반(스페인·9개)의 기록 추월에도 바짝 다가섰다.
한편 오씨와 후원계약을 맺은 ○○레저 측은 "오씨는 8월 가셔브롬1(8068ｍ), 브로드피크(8047ｍ) 등정에 계속적으로 나설 계획이다. 이러한 추세라면 2012년이면 여성 최초 히말라야 14좌 완등이 가능할 것"이라고 기대했다.
-매일경제 2008. 5. 13
(다)평형을 이루고 있는 반응계에 어떤 변화를 주면 반응계는 이러한 변화에 영향을 받아 처음과는 다른 새로운 평형에 이르게 된다. 이와 같은 평형 이동의 원리를 알면 우리는 원하는 방향으로 화학 반응이 일어나도록 하는 데 이용할 수 있을 것이다. 평형을 변화시키는 주요 요인에는 농도, 압력, 온도 등이 있다. 이러한 요인들이 변화되면 평형은 어떻게 이동될까?
-중략-
지금까지 평형 상태에 있는 화학 반응에서 농도와 압력을 변화시킬 때 평형이 어떻게 이동하는지 알아보았다. 즉 평형을 이루고 있던 반응계가 외부로부터 어떤 변화를 받으면 평형이 깨어져 반응은 정반응이나 역반응 쪽으로 진행되어 새로운 평형 상태에 도달하게 된다.
1884년 프랑스의 화학자 르 샤를리에(Le Chatelier)는 '어떤 가역 반응이 평형상태에 있을 때 농도, 압력, 온도 등의 조건을 변화시켜주면 그 변화의 영향을 줄이려는 방향으로 평형이 이동하여 새로운 평형에 도달한다.'는 평형 이동에 관한 법칙을 발표하였다. 이것을 르 샤를리에의 원리 또는 평형 이동의 법칙이라고 한다. -금성출판사 화학Ⅱ
▶논제 1
제시문 (가)에 나타난 고산병의 원인을 제시문 (다)를 이용하여 설명하시오.
▶논제 2
제시문 (나)에서 무산소 등정을 위해 일정한 고도마다 베이스캠프를 설치하였고 베이스캠프에 머무는 동안 휴식, 자전거타기, 걷기, 달리기 등의 단계적 훈련을 거쳤다고 한다. 그 이유를 설명하시오.
[최우수 답안]남주고 3학년 오동준
자발적으로 일어나는 반응은 온도, 압력, 농도에 따라 그 반응의 양상이 달라진다. 쉬운 예로, 밀폐된 용기 안에서 NO2와 N2O4는 공존한다. 공존하지만, 그 비율이 같지는 않다. 0℃ 1atm에서는 2NO2가 N2O4로 되는 변화가 N2O4가 2NO2로 분해되는 속도보다 빠르다.
반면에 100℃ 1atm에서는 N2O4가 2NO2로 분해되는 반응이 활발하다. 이것은 N2O4가 2NO2로 되는 과정에서 열을 필요로 하는데 때마침 그 열이 얻기 쉬웠기 때문이며, 이에 따라 반응은 NO2가 많은 상태의 평형에 이른다.
마찬가지로 호흡도 자발적인 반응이다. 그리고, 그 원리는 분압차에 의한 확산이다. 여기서 중요한 것은, 외호흡의 반응이 분압차에 의존하여 이루어진다는 것이다.
폐의 폐포에서 기체 교환이 이루어진다. 폐포에는 모세혈관이 있는데, 여기에 있는 혈액의 이산화탄소, 산소 분압과 외부로부터 흡입한 산소, 이산화탄소의 분압을 비교해보면, 이산화탄소의 분압은 폐포의 혈액이 크고 외부의 공기가 작으며, 산소의 경우는 그 반대이다. 이 분압의 차이에 의해 산소는 외부에서 혈액으로, 이산화탄소는 혈액에서 외부로 옮겨가게 된다.
문제는 압력이다. 산의 높은 곳으로 올라갈수록 공기의 압력이 낮아진다. 전체적인 기압이 낮아짐에 따라서 이산화탄소, 산소의 분압도 낮아진다. 산소에 주목하면 산소의 분압이 낮아지게 된 결과, 혈갱의 산소 분압 차이와 외부 공기의 분압차가 줄어들게 된다.
그러므로 폐포에서의 반응은 르 샤를리에의 원리에 따라서 산소가 혈액으로 확산되어가는 성향이 줄어든, 평소보다 적게 혈액에 수용되는 평형점을 형성한다.
결국 전체적으로 산소 공급이 줄어들어 개체는 고산병에 걸린다.
▶논제 2
고산지대에 사는 사람들은 해수면 근처에 사는 사람보다 적혈구 수가 많다. 그것은 그 사람들이 그렇게 적응했기 때문이다. 마찬가지로 무산소 등정을 하기 위해서 정상보다 많은 수의 적혈구가 필요하다. 이를 위해서 인체를 적응하도록 한 것이다. 이를 순화라고 한다.
자전거 타기, 걷기, 달리기는 유산소 운동이다. 즉, 산소를 소모하는 정도가 크다. 산소 소모량이 많아서 필요한 산소를 공급하기 위해 호흡을 해도 공급되는 산소가 적다. 따라서 인체는 항상성을 유지하기 위해서 적혈구 수와 심박출량을 늘려간다. 이러한 인체 내 변화를 유도하여 산소 탱크 없이 등정하는 것을 가능하게 하는 것이 베이스캠프에서의 훈련의 목적이다.
만약, 이러한 훈련없이 무산소 등정을 시도한다면 고도가 높아질수록 감소하는 기압에 따라서 아무리 호흡을 해도 공급되는 산소가 불충분해서 감각 이상이 나타나고, 심하게는 사망에 이르게 된다.
[심사평]각 영역의 종합적 사고력에 중점
1)논제 1
혈액 속의 헤모글로빈은 산소 분압이 높은 폐에서 산소와 결합해 산소 헤모글로빈이 되고, 산소 분압이 낮은 조직에서는 산소 헤모글로빈으로부터 산소가 해리돼 다시 헤모글로빈이 된다. 이러한 헤모글로빈과 산소 사이의 가역반응으로 헤모글로빈은 산소를 조직세포로 운반하는 역할을 한다.
흔히 3천m 이상의 산악 지대를 고산이라고 한다. 고산 지대에서는 공기가 희박하므로 산소 분압도 낮다. 반응물인 산소 분압이 낮아져 평형이 깨지면 르 샤틀리에 원리에 의해 반응물이 생성되는 역반응이 우세해진다.
Hb(aq) + 4O2(g) Hb(O2)4(aq)
즉, 혈액 내 Hb(O2)4의 농도가 감소하면서 새로운 평형에 도달한다. 따라서 조직세포에 산소의 공급이 원활하지 못하므로 고산병이 발생한다. 따라서 두통, 무력감, 식욕부진, 호흡곤란이 나타난다.
따라서 고산병을 예방하기 위해서는 해발 고도가 매우 높아 공기가 희박한 산을 오를 때는 산소마스크를 준비하여 산소의 압력이 낮아지지 않도록 해야 한다.
2)논제 2
고산 지대에 오랜 기간 머무를 때에는 산소의 부족한 환경에 신체가 적응해 헤모글로빈을 많이 생성한다. 반응물인 헤모글로빈의 농도가 높아지면 다시 르 샤틀리에의 원리에 의해 정반응이 우세하며 혈액 내 Hb(O2)4의 농도가 증가함으로써 산소의 공급이 원활해진다.
▶출제의도 및 첨삭
생물Ⅰ에서 산소 분압에 따른 산소 헤모글로빈의 해리 정도를 학습한 학생들에게 화학Ⅱ의 화학평형이라는 개념과 얼마나 잘 연결시킬 수 있는지 묻고자 했다. 고산병이라는 현상에 대해 단순히 생물, 또는 화학으로만 생각할게 아니라 각각의 영역에서 필요한 개념들을 가지고 종합적으로 사고할 수 있는지가 이번 논제의 핵심이었다.
논제 1인 경우에는 질문에 나와 있는 개념들을 해설하기 위해 교과서의 지식을 나름대로 재구성하여 설명하고 있으나 화학평형인 경우에는 제시문에 나와 있기 때문에 굳이 답안에 포함시킬 필요 없이 허파에서의 가스 교환에 대한 내용부터 답안을 작성해 나가는 편이 좋을 듯 싶다. 굳이 화학평형에 대한 개념을 설명하고자 한다면 고산병을 설명하는데 필요한 산소와 헤모글로빈의 관계를 다루는 것이 좋겠다.
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