독서 1

[1~5] 다음 글을 읽고 물음에 답하시오.

18세기 중반까지 유럽의 과학계를 지배했던 화론(Fire Theory)의 중심에는 ‘플로지스톤(Phlogiston)’이라는 가상의 물질이 있었다. 슈탈이 제안하고 프리스틀리가 계승한 플로지스톤설에 따르면, 가연성 물질이 불에 타는 현상인 ‘연소’는 물질 내부에 결합해 있던 플로지스톤이 외부로 빠져나가는 과정이다. 가령 나무가 타서 재만 남는 것은 나무 속의 플로지스톤이 모두 방출되었기 때문이며, 재는 플로지스톤이 완전히 제거된 ‘순수한 상태의 흙’으로 이해되었다. 이 관점에서 연소 현상이 지속되려면 방출되는 플로지스톤을 흡수해 줄 외부의 ‘공기’가 필수적이다. 밀폐된 용기 안에서 촛불이 금방 꺼지는 이유는 용기 안의 공기가 플로지스톤으로 완전히 포화되어 더 이상 물질로부터 플로지스톤을 흡수할 수 없기 때문이다. 프리스틀리는 붉은색의 수은재(산화수은)에 열을 가했을 때 기체가 발생하며 원래의 금속 수은으로 되돌아오는 실험을 통해 자신의 이론을 정교화했다. 그는 수은재가 가열되면서 내포하고 있던 플로지스톤을 방출하여 금속 수은이 되었다고 보았으며, 이 과정에서 발생한 기체는 주변 공기보다 플로지스톤을 훨씬 더 갈구하는 ‘플로지스톤이 결핍된 공기’라고 주장했다. 이 기체 속에서는 물질이 훨씬 격렬하게 타올랐는데, 프리스틀리는 이를 공기 자체에 플로지스톤이 전혀 없기 때문에 물질로부터 플로지스톤을 빼앗아 흡수하려는 성질이 극대화된 결과로 해석했다.

그러나 플로지스톤설은 정량적 질량 측정이라는 근대적 실험 방법에 의해 치명적인 논리적 모순에 직면하게 되었다. 금속(예: 납, 주석)을 연소시키는 과정에서, 플로지스톤이 빠져나갔음에도 불구하고 연소 후 남은 금속재의 질량이 연소 전 원래 금속의 질량보다 오히려 증가한다는 사실이 밝혀진 것이다. 물질이 탈출했는데 전체 질량이 증가한다는 이 역설을 해결하기 위해 플로지스톤 학자들은 기발한 사후 가설들을 도입했다. 일부 학자들은 플로지스톤이 물질 내부에 존재할 때는 중력과 반대되는 힘인 ‘부력’이나 ‘음(-)의 질량’을 갖기 때문에, 이 입자가 연소 시 외부로 탈출함에 따라 역설적으로 남은 물질의 실제 무게는 더 무거워진다는 가설을 세웠다. 또 다른 학자들은 연소 과정에서 플로지스톤이 빠져나간 빈 공간에 미세한 불의 입자나 주변 공기 중의 무거운 성분이 유입되어 채워지기 때문에 질량이 증가하는 것이라고 변명하며 구이론의 뼈대를 고수하고자 했다.

라부아지에는 이러한 변명들이 인위적인 사후 가설에 불과하며 과학적 정합성이 떨어진다고 비판하며, 연소의 메커니즘을 완전히 뒤집는 ‘산소 연소설’을 제안했다. 그는 밀폐된 용기 속에 일정량의 주석을 넣고 무게를 측정한 뒤, 용기 전체를 가열하여 주석을 연소시켰다. 가열이 끝난 후 용기를 개봉하기 전 전체 무게를 측정했을 때는 가열 전과 질량 변화가 없었으나, 용기를 여는 순간 외부의 공기가 용기 안으로 거세게 빨려 들어가는 현상이 관찰되었다. 이후 용기 내부에서 연소되어 생성된 주석재의 질량을 따로 측정하자 원래 주석의 질량보다 정확히 용기 안으로 빨려 들어간 공기의 질량만큼 무게가 증가해 있었다. 라부아지에는 이 실험 데이터를 바탕으로 연소란 물질에서 무언가가 빠져나가는 과정이 아니라, 공기 구성 성분 중 특정 기체가 물질과 유기적으로 결합하는 인과적 과정임을 증명했다. 그는 이 기체를 ‘산소’라 명명했다.

라부아지에의 신이론에 따르면, 연소 전후의 질량 관계는 철저히 ‘질량 보존의 법칙’에 의해 설명된다. 밀폐 용기 내의 주석이 연소할 때 질량이 증가한 이유는 용기 내부에 기체 상태로 존재하던 산소가 주석과 결합하여 고체 화합물을 형성했기 때문이며, 용기 전체의 무게가 변하지 않은 것은 시스템 내부의 물질 총량이 일정했기 때문이다. 용기를 열었을 때 외부 공기가 빨려 들어간 것은 주석과의 화학적 결합으로 인해 용기 내부의 기체 분자 수가 감소하였고, 이에 따라 내부 압력이 저하되었기 때문에 발생한 역학적 귀결이다. 또한 프리스틀리가 말한 ‘플로지스톤이 결핍된 공기’는 사실 주석이나 수은과 결합할 수 있는 순수한 ‘산소 그 자체’였으며, 수은재에 열을 가했을 때 수은이 된 것은 수은재가 플로지스톤을 방출한 것이 아니라 수은재에 결합해 있던 산소가 열에 의해 떨어져 나가 기체로 방출된 환원 과정으로 재해석되었다. 결국 라부아지에는 가상의 물질을 동원하지 않고 오직 측정 가능한 기체의 이동과 결합 메커니즘만으로 화학 변화를 완벽하게 규명하여 화학의 패러다임을 전환했다.

1. 윗글의 전개 방식에 대한 설명으로 가장 적절한 것은?

① 특정 화학 현상을 규명하는 상반된 이론의 가설을 귀납적 탐구 과정에 따라 정식화하고, 각 이론의 한계점을 실험 데이터 간의 통계적 수치 비교를 통해 상술하고 있다.

② 물질의 상태 변화를 유발하는 핵심 속성의 존부를 기준으로 두 가설의 논리 구조를 대조하고, 특정 실험적 계기를 통해 구이론이 변형 및 유지되는 단계를 명시하고 있다.

③ 가설로부터 도출된 예측이 정량적 관찰 결과와 불일치하는 모순을 해결하는 두 관점을 제시하고, 실험적 증거에 기반하여 기존 이론이 대안적 메커니즘으로 전환되는 과정을 설명하고 있다.

④ 화학 변화 전후의 관계를 시계열적 관점에 따라 분석하여 구이론의 역사적 출현 배경을 제시하고, 이를 바탕으로 신이론이 지닌 정성적 한계와 극복 방안을 고찰하고 있다.

⑤ 물질의 연소에 관여하는 가상 입자의 이동 경로를 정밀하게 추적하고, 시스템 내부의 기체 압력 변화가 외부 매체의 확산 속도에 미치는 물리적 인과성을 도출하고 있다.

2. 윗글의 '프리스틀리'와 '라부아지에'의 관점에 대한 이해로 일치하지 않는 것은?

① 프리스틀리는 밀폐 용기 내에서 연소 반응이 중단되는 현상을, 방출된 특정 성분을 수용할 수 있는 외부 매체의 한계 공간이 포화 상태에 이르렀기 때문으로 판단했다.

② 라부아지에는 밀폐 용기 내에서 주석이 변환될 때 시스템 전체의 중량이 보존되는 현상을, 반응 과정에서 물질의 총량이 일정하게 유지된다는 물리적 법칙의 증거로 삼았다.

③ 프리스틀리는 붉은색 수은재에 열을 가하여 금속 수은을 얻어내는 과정에서, 수은재 자체가 구성 성분인 특정 입자를 주변으로 방출하는 역학적 변화가 일어난다고 보았다.

④ 라부아지에는 프리스틀리가 특정 입자가 결핍되어 다른 물질로부터 이를 빼앗으려는 성질을 극대화하여 가진다고 해석한 기체의 실체를, 다른 물질과 결합하기 이전의 순수한 원소 상태로 이해했다.

⑤ 프리스틀리는 연소 후 생성된 금속재의 질량이 원래 금속보다 무거워진 현상을, 연소 과정에서 공기 구성 성분 중 일부 기체가 금속 내부로 유입되어 결합했기 때문으로 해석했다.

3. 윗글의 '라부아지에의 밀폐 용기 주석 연소 실험'에서 일어난 현상의 인과관계로 가장 적절한 것은?

① 주석이 가열되어 연소하는 동안, 용기 내부의 기체 상태로 존재하는 산소의 총량은 가열 전보다 증가했을 것이다.

② 주석이 연소되면서 기체였던 산소가 고체인 주석재와 결합함에 따라, 용기 내부의 기체 압력은 가열 전보다 감소했을 것이다.

③ 용기를 열었을 때 외부 공기가 안으로 빨려 들어간 것은, 가열로 인해 용기 내부의 공기 밀도가 외부 세계보다 과도하게 높아졌기 때문이다.

④ 용기를 개봉한 후 용기 전체의 무게를 측정하면, 가열하기 전 최초의 용기 전체 무게와 비교했을 때 아무런 질량 변화가 없을 것이다.

⑤ 주석이 연소되어 생성된 주석재의 질량이 증가한 양은, 용기를 개봉했을 때 외부에서 용기 안으로 유입된 외부 공기 전체의 질량보다 언제나 클 것이다.

4. 윗글에 제시된 '플로지스톤설 학자들의 가설'을 바탕으로, <보기>의 가상 실험 결과를 분석한 내용 중 가장 적절하지 않은 것은? [3점]

<보기>

화학자 갑은 외부와의 물질 교환이 완전히 차단된 진공 상태의 특수 밀폐 용기 내부에 10g의 가연성 금속 조각을 넣고 외부에서 레이저로 가열하여 강제로 연소 반응을 유도했다. 

* 실험 결과: 반응 후 용기 전체의 총질량은 가열 전과 동일하게 유지되었으나, 용기 내부의 고체 금속재 질량만을 따로 측정한 결과 원래 금속의 질량보다 2g 증가한 12g으로 측정되었다.

① 외부로부터 새로운 물질의 유입이 차단된 밀폐계임에도 고체 질량이 2g 증가한 결과는, 연소 시 외부 공기 중의 무거운 성분이 흡착되어 무게가 늘어난다는 일부 플로지스톤 학자들의 사후 가설과 충돌한다.

② 외부 공기가 존재하지 않는 진공 조건에서 연소 반응이 진행되었다는 사실은, 방출되는 플로지스톤을 받아줄 외부 매체(공기)가 필수적이라고 본 프리스틀리의 기본 전제와 모순된다.

③ 플로지스톤이 '음(-)의 질량'을 가진 입자라고 주장하는 학자라면, 용기 외부로의 물질 유출입이 없는 상태에서 고체 질량이 2g 증가한 원인을 금속 내부에 존재하던 플로지스톤이 금속으로부터 분리되어 주변 공간으로 이동했기 때문이라고 강변할 것이다.

④ 라부아지에의 '질량 보존의 법칙'에 따르면, 외부와의 물질 교환이 완벽히 차단된 용기 전체의 총질량이 가열 전후 동일하게 유지된 현상은 과학적 사실과 부합하는 타당한 결과이다.

⑤ <보기>의 실험 결과 중 고체 금속재의 질량이 2g 증가한 현상은, 연소란 물질이 용기 내부에 존재하던 기체 상태의 산소와 화학적으로 결합하여 고체 화합물을 형성하는 과정임을 설명할 수 있는 라부아지에 이론의 사례이다.

5. 윗글의 '프리스틀리'와 '라부아지에'의 관점을 바탕으로, <보기>의 가상 실험 결과를 추론한 내용으로 가장 적절한 것은? [3점]

<보기>

화학자 갑은 밀폐 용기 내에 동일한 양의 가연성 물질 X와 연소를 돕는 공기를 충분히 넣고, 가열 온도 조건을 달리하여 두 가지 연소 실험을 진행했다. 두 실험이 진행되는 동안 용기 외부로의 물질 출입은 없었다.

* 실험 A: 물질 X를 특정 온도 미만에서 가열했더니 연소 반응과 함께 기체가 발생하며 물질 X의 고체 질량이 감소하다가, 용기 내 공기가 남아있음에도 연소가 중단되었다.

* 실험 B: 물질 X를 특정 온도 이상에서 가열했더니 연소 반응과 함께 용기 내 기체가 감소하며 물질 X의 고체 질량이 증가하다가 연소가 중단되었다.

① 프리스틀리는 실험 A에서 연소가 중단된 원인을 용기 내 공기가 방출된 특정 입자로 포화되었기 때문으로 설명할 것이고, 라부아지에는 실험 B에서 연소가 중단된 원인을 물질 X와 결합할 수 있는 용기 내 특정 기체가 모두 소모되었기 때문으로 설명할 것이다.

② 프리스틀리는 실험 B에서 고체 질량이 증가한 현상을 물질 X가 연소 과정에서 플로지스톤을 외부로부터 흡수했기 때문으로 해석할 것이고, 라부아지에는 이를 기체의 소모 속도보다 플로지스톤의 방출 속도가 더 빨랐기 때문으로 반박할 것이다.

③ 라부아지에는 실험 A와 B에서 반응이 끝난 후 밀폐 용기 전체의 총중량을 각각 측정한다면, 시스템 내부의 기체 압력 변화로 인해 물질 X의 고체 질량이 감소한 실험 A에서만 전체 중량이 감소하는 결과가 나타날 것이라 예측할 것이다.

④ 프리스틀리는 실험 A에서 물질 X의 고체 질량이 감소하는 현상을 통해 용기 내 기체의 총량이 증가했음을 지적하며 자신의 가설을 방어할 것이고, 라부아지에는 실험 B에서 용기 내 기체의 총량이 증가하는 현상이 신이론과 부합함을 주장할 것이다.

⑤ 두 학자 모두 실험 A와 B를 통해 도출된 고체 질량의 상반된 증감 현상을 설명하기 위해, 물질 내부에 영구불변하는 본질적 속성이 존재한다는 전제하에 육안으로 포착되는 거시적 관찰 결과만을 인과적 증거로 삼아 자신의 이론을 보완하려 할 것이다.

［정답 및 해설］

1. 정답 ③

해설: 지문은 기존 가설(플로지스톤 방출)로부터 유도된 예측이 실제 정량적 관찰 결과(금속 연소 후 질량 증가)와 상충하는 모순을 다루고, 이를 해결하기 위해 사후 가설을 동원한 구이론과 정량적 밀폐 실험을 통해 산소 결합이라는 대안적 메커니즘으로 전환을 이끈 라부아지에의 과정을 기술하므로 ③이 가장 적절합니다.

2. 정답 ⑤

해설: 연소 후 질량이 증가한 현상을 '공기 구성 성분(기체)이 금속 내부로 유입되어 결합했기 때문'으로 해석한 주체는 라부아지에입니다. 이는 라부아지에의 이론 관점에서는 참인 진술이나, 주체를 프리스틀리로 비틀어 낸 평가원식 오답 메커니즘이 반영된 선지입니다.

3. 정답 ②

해설: 4문단에 제시되었듯, 주석이 연소되면서 용기 내부의 기체 상태 산소가 고체 주석과 화학적으로 결합하여 고체 화합물을 형성합니다. 이에 따라 용기 내부의 기체 분자 수가 감소하므로 기체 압력은 가열 전보다 저하되는 역학적 귀결이 발생합니다.

4. 정답 ⑤

해설: 고체 금속재의 질량이 2g 증가한 현상은, 연소란 물질이 용기 내부에 존재하던 기체 상태의 산소와 화학적으로 결합하여 고체 화합물을 형성하는 과정임을 설명할 수 있는 사례로 볼 수 없습니다. <보기>의 실험은 외부와 물질 교환이 완전히 차단되고 공기도 존재하지 않는 완벽한 진공 상태를 가정하고 있기 때문입니다. 라부아지에의 신이론에 따르면 고체 질량의 증가는 공기 중 산소와의 화학적 결합이 필수적이므로, 산소가 존재하지 않는 진공계에서 고체 질량이 증가했다는 결과는 라부아지에 이론의 핵심 전제에 부합하지 않는 반증적 데이터입니다. 따라서 이를 라부아지에 이론으로 설명할 수 있는 사례라고 단정한 ⑤번은 핵심 전제와 구조적으로 충돌하는 거짓 진술이므로 정답입니다.

5. 정답 ①

해설: 실험 A에서 가연성 물질 X의 고체 질량이 감소하다가 연소가 중단된 것은, 프리스틀리의 관점(1문단)에 따르면 물질 X로부터 플로지스톤 입자가 방출되다가 밀폐 용기 내의 한정된 공기가 플로지스톤으로 포화 상태에 이르렀기 때문으로 설명할 수 있습니다. 반면 실험 B에서 물질 X의 고체 질량이 증가하다가 연소가 중단된 것은, 라부아지에의 관점(4문단)에 따르면 물질 X와 화학적으로 결합하던 용기 내의 한정된 특정 기체(산소)가 완전히 소모되어 더 이상 화합물을 형성하지 못하기 때문으로 설명할 수 있습니다. 따라서 ①은 가장 적절한 추론이다.