선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 이러한 결과를 종합해 보면, 전 기화학을 학습하는데 있어서 어려움의 원인은 학습자 가 전기화학에 대한 정확한 개념지식을 습득하는데 실 패했다는 점과 교과서에서 관련 개념을 충분히 설명하 지 못하고 있는 점에 주요한 원인이 있다고 생각할 수 있다. 따라서, 이 연구에서는 교과서에 제시된 내용에 서 그 문제점을 찾아서 분석하고, 관련 내용의 실험을 통하여 효과적인 방안을 모색하고자 하였다.
- 그러 므로 이 연구에서는 볼타전지에 대한 중 · 고등학교 교 과서 내용을 분석하여 서로 상충되거나 문제가 제기되 는 부분을 개선하기 위한 방안을 모색하고, 해결되지 않는 문제점은 실험 연구를 통해 설명을 시도하였다. 또한, 학교 현장에서 탐구활동의 어려움을 느끼고 있는 부분과 보다 효과적인 개념 설명에 대한 개선 방안을 제시하였다.
- 이 연구에서는 중 · 고등학교 과학교과서에 제시된 볼타전지의 문제점을 분석하고, 추출한 문제점의 해결 방안을 논의 하여 이를 바탕·으로 교과서의 개선 방향을 제시하였다.
제안 방법
- 8종의 교과서에서 볼타 전지는 대단원 '물질의 반응’ 중 산화와 환원의 소단원 에서 설명하고 있으며, Table 1과 2는 각각 볼타전지와 관련된 탐구활동과 개념설명으로 구분하여 요약하고 문 제점을 제시하였다.
- Table 7과 调 결과를 종합하여 표준환원전위, 전기 음성도, 이온화에너지, 일함수, 그리고 전기전도도에 따 른 기전력의 변화를 비교하였다.
- 각각의 교과 서별로 문제점을 분석하였는데 , 탐구 활동 영역에서는 전지에서 사용된 전해질, 전극 또는 사용된 금속, 전압 계의 사용 유무, 꼬마전구 사용 유무 등의 전지의 역할 을 알아보는 방법으로 구분하여 분석하였고, 개념 설명 에서는 아연판에서의 반응에 대한 기술, 구리판에서의 반응에 대한 기술, 산화 · 환원 반응식의 유무, (-)극과 (+)극에 대한 설명, 기전력, 분극현상, 화학전지 원리 설명, 기타 등으로 구분하여 분석하였다.
- 갈바니가 동물전기를 발견한 후, 볼타는 각각 한 장 의 아연판과 은판 사이에 소금물을 적신 종이를 끼우 고, 이들을 다시 여러 겹으로 쌓아 전압이 높은 전지를 만들었다. 산화 · 환원 반응을 이용하여 화학 에너지를 전기 에너지로 전환시킨 최초의 전지로서 과학사적인 의의가 있다.
- 전지 전위를 측정할 때에는 반응이 완전 평형에 이르러서 전압계의 수치가 안정될 때 그 값을 기록하였다. 또한 용액별, 농도별로 전극을 달리하고, 하나의 전극으로 여러 실험을 할 경우에는 낮은 농도부터 실험을 하였다.
- 볼타전지의 기전력 측정 결과가 Nernst 식E로 해석 되지 않는 문제점은 실험을 병행하여 해결을 시도하였다. 실험 결과, 볼타전지의 기전력은 각 전극의 산화 환 원 반응과 두 전극의 특성에 의존하였다.
- 볼타전지의 전극 종류와 산화 환원 전극의 짝, 전해 질 용액의 종류, 그리고 전해질 용액의 농도를 변화시 키면서 전지 전위를 측정하였다. 화학전지의 실험은 오 차가 크므로 정확한 값을 얻기 위해서 반복 실험을 하 였다.
- 실험: 볼타전지의 전극 특성이 기전력에 미치는 영향 볼타전지에서 산화전극과 환원전극으로 사용된 두 금 속의 특성이 기전력과 상관 관계를 갖는다. 레몬에 산 화 환원 전극을 꽂고 전압을 측정한 실험결과(Zn/Cu: 0.
- 여기에 사용된 금속의 특성은 Table 7에 나타내었고 측정한 기전력의 결과는 Table 8 에 나타내었다. 이 실험에서 전해질의 농도는 1.0 M로 하였으며 황산, 염화암모늄, 염산, 수산화칼륨을 사용하 여 비교하였다.
- 전극의 표준 환원 전위, 전기음성도, 이온화에너지, 전기전도도, 일함수 등의 금속의 특성이 기전력에 미치 는 영향을 알아보기 위해서 금속의 종류에 따라서 산화 전극과 환원전극으로 된 16쌍의 볼타전지를 구성하여 기전력을 측정하였다. 여기에 사용된 금속의 특성은 Table 7에 나타내었고 측정한 기전력의 결과는 Table 8 에 나타내었다.
- 볼타전지의 전극 종류와 산화 환원 전극의 짝, 전해 질 용액의 종류, 그리고 전해질 용액의 농도를 변화시 키면서 전지 전위를 측정하였다. 화학전지의 실험은 오 차가 크므로 정확한 값을 얻기 위해서 반복 실험을 하 였다. 실제 분석에 필요하지 않은 변인들은 통제하였다.
대상 데이터
- 시료 및 기기. 이 연구에서 사용한 전극은 C网 Pb （99.99%）, Zn（99.9%：과 Fe（99.5%^ 레아나타리시쿠사 （Reanatarisiku Ltd渦 제품을, Ag오卜 Pt（99.0%）, 그리고 탄소 전극（95%冷 천일과학 제품을 사용하였다. 전극 의 종류 이외의 다른 변인을 통제하기 위해서 전극의 면적은 동일하게 조정하였고, 실험 중 불순물에 의한 상이한 결과를 배제하기 위하여 대체적으로 순도가 높 은 것（99% 이상着 사용하였다.
- 0%）, 그리고 탄소 전극（95%冷 천일과학 제품을 사용하였다. 전극 의 종류 이외의 다른 변인을 통제하기 위해서 전극의 면적은 동일하게 조정하였고, 실험 중 불순물에 의한 상이한 결과를 배제하기 위하여 대체적으로 순도가 높 은 것（99% 이상着 사용하였다. 전해질에 사용된 시약 은 교과서에서 주로 사용된 황산（95%）과 염산（35%）을 그리고 실용 전지에서 사용되고 있는 수산화칼륨（85%） 과 특히 망간 건전지에서 사용되고 있는 염화암모늄 （98.
- 전극 의 종류 이외의 다른 변인을 통제하기 위해서 전극의 면적은 동일하게 조정하였고, 실험 중 불순물에 의한 상이한 결과를 배제하기 위하여 대체적으로 순도가 높 은 것（99% 이상着 사용하였다. 전해질에 사용된 시약 은 교과서에서 주로 사용된 황산（95%）과 염산（35%）을 그리고 실용 전지에서 사용되고 있는 수산화칼륨（85%） 과 특히 망간 건전지에서 사용되고 있는 염화암모늄 （98.5%, Duksan Pure：傷 사용하였다. 황산 수용액은 3.
- 중학교 3학년 과학 교과서. 8종의 교과서에서 볼타 전지는 대단원 '물질의 반응’ 중 산화와 환원의 소단원 에서 설명하고 있으며, Table 1과 2는 각각 볼타전지와 관련된 탐구활동과 개념설명으로 구분하여 요약하고 문 제점을 제시하였다.
- 5%, Duksan Pure：傷 사용하였다. 황산 수용액은 3.0 M의 저장 용액 （stock solution頑로 만들어서 필요 에 따라 묽혀서 사용하였다.
성능/효과
- Zn-Cu 로 이루어진 전형적인 볼타전지의 기전력은 0.96 V로 측정되어, 교과서 ‘S-b，의 탐구 실험 결과와 일치하였 으며 황산 수용액의 농도를 1.0X10-3 M〜3.0 M로 변화 하였을 때 측정된 기전력은 0.90〜0.96 V로 수소이온 농도와 상관없이 거의 일정하였다.
- 송영보21는 아연전극을 10% HgCl나 Hg로 아말감 처리하여 아 연전극의 국부전지 형성을 감소시키고 구리전극을 가 열하여 CuO로 처리하면 분극현상을 감소시킬 수 있 었다. 理로 아말감 처리한 아연전극과 CuBL 표면 처리한 Cu 전극을 사용하였을 때 1.11 V로 전압과 전류가 가장 높게 측정되었으며, 아말감 아연전극과 구리전극을 사용했을 때는 1.05 V, 그리고 아연전극 과 구리전극을 사용하였을 때가 0.89 V로 가장 낮게 측정되었다. 아말감 처리한 아연전극에서는 기포가 거 의 발생하지 않았다.
- 금속의 종류에 따라 다양하게 기전력이 변화하는 것 을 알 수 있으며, 사용된 전해질에 따라서 경향성은 비슷하였지만 기전력의 크기는 다르게 나타났다. Zn-Cu 로 이루어진 전형적인 볼타전지의 기전력은 0.
- 실험 결과, 볼타 전지의 기전력은 각 전극의 산화 환원 반응과 두 전극 의 특성에 의존하였다. 금속이 산화되는 산화전극은 금 속의 종류에 따라 기전력에 큰 영향을 미쳤고, 수소이온이 환원되는 환원전극은 구리가 석출되는 반응이 일어나지 않아도 약간의 영향을 미쳤다. 이러한 기전력을 변화시키는 데 영향을 주는 전극의 성질은 표준 환원전위, 전기음성도, 일함수, 이온화에너지 등이었다.
- 그래서 동일한 산화전극을 사용하고 환 원전극의 전기전도도에 따른 기전력을 살펴본 결과, 일반적인 경향성을 발견하지 못하였다. 따라서, 각 전극 의 전기전도도는 기전력의 크기에 영향을 주지 않는다 는 결과를 얻었다. 전지에서는 금속의 전기전도도의 차 이보다는 전해질 용액의 전기전도도가 더 큰 영향을 미친다.
- 실험: 볼타전지의 전극 특성이 기전력에 미치는 영향 볼타전지에서 산화전극과 환원전극으로 사용된 두 금 속의 특성이 기전력과 상관 관계를 갖는다. 레몬에 산 화 환원 전극을 꽂고 전압을 측정한 실험결과(Zn/Cu: 0.979 Y Zn/C: 0.989 Y Mg/Cu: 1.5~1.6 V), 산화전극 을 바꾸었을 때 전압이 크게 변했지만 예상과는 다르게 환원전극을 바꾸었을 때도 전압은 약간의 변화가 있었다.15
- 문제점 분석 결과, 탐구활동에서는 아연전극에서 수 소 기체 발생 사실이 진술되어있지 않았으며 화학전지로서 작동되는 지를 확인하는 적절한 방법이 제시되지 못하였다. 개념 설명에서는 산화전극과 환원전극에 대 한 용어의 통일성 문제, 전극전위의 표현 방식의 통일 성 문제, 전류에 대한 설명 미흡, 전지 전위 측정 기기 에 대한 인식 결여와 기전력의 이론적 결과들이 상이한 점, 그리고 실험 결과와도 일치하지 않는 점 등이 추출 되었다.
- 실험 결과, 볼타전지의 기전력은 각 전극의 산화 환 원 반응과 두 전극의 특성에 의존하였다. 산화전극은 금속의 종류에 따라 기전력에 큰 영향을 미쳤고, 수소 이온이 환원되는 환원전극도 금속의 종류에 따라 약간 의 영향을 미쳤다. 기전력 변화에 영향을 미치는 전극 의 성질은 표준 환원전위, 전기음성도, 일함수, 이온화 에너지 등이었다.
- 전극 특성이 기전력에 미치는 영향. 실험 결과, 볼타 전지의 기전력은 각 전극의 산화 환원 반응과 두 전극 의 특성에 의존하였다. 금속이 산화되는 산화전극은 금 속의 종류에 따라 기전력에 큰 영향을 미쳤고, 수소이온이 환원되는 환원전극은 구리가 석출되는 반응이 일어나지 않아도 약간의 영향을 미쳤다.
- 전극 특성이 기전력에 미치는 영향. 실험 결과, 볼타 전지의 기전력은 각 전극의 산화 환원 반응과 두 전극 의 특성에 의존하였다. 금속이 산화되는 산화전극은 금 속의 종류에 따라 기전력에 큰 영향을 미쳤고, 수소이온이 환원되는 환원전극은 구리가 석출되는 반응이 일어나지 않아도 약간의 영향을 미쳤다.
- 실험에서 측정한 볼타전지의 기전력은 이러한 특성을 고려해야 하는데, 중 · 고등학생에게 는 학습하기가 쉽지 않으므로 볼타전지는 화학전지의 도입 부분에서 역사적E로만 간단하게 설명하고, 전기 화학의 기본 원리나 개념, 그리고 탐구활동은 다니엘 전지를 사용하는 것이 좋다고 판단된다.
- 이와 같은 연구 결과를 종합하면, 아연과 구리 전극 에 부가반응을 일으키지 않도록 처치를 하는 경우 아연 이 산화하는 전극 전위와 수소 발생을 기준으로 하는 환원 전극 전위의 차이가 볼타전지의 기전력을 결정한 다는 생각과는 다르게 높게 나타났는데, 이 것은 아연 과 구리 전극의 특성 이 모두 볼타전지의 기전력에 영향 을 미치는 것으로 생각할 수 있다.
- 묽은 황산이나 염산 용액에 아연금속을 넣으면 수소 기체가 발생하고 여기에 구리선을 연결하여 구리선 한 쪽 끝을 산에 담그면 구리에서도 수소기체가 발생한다. 탐구실험을 통하여 이러한 현상을 관찰하면서 아연전 극에서 생성된 전자가 구리선을 통하여 수소이온과 결 합하여 구리에서도 수소기체가 생성되었다는 사실을 알 게 함으로써 두 전극사이와 용액을 통해서 전체 전기회 로가 성립되어 전류가 흐른다는 사실을 이해시킬 수 있 다. 수소 기체가 발생하면 전지로 사용하는데 문제가 있으므로 수소기체를 없애는 방안에 대해 학생들에게 토의를 하도록 하고, 대안 중에서 해결법으로 다니엘전 지를 소개한 다음, 반쪽 반응식과 전극의 전위차를 구 하는 방법 등의 전기화학 이론을 설명하는 것이 바람직 하다고 생각한다.
- 단순히 환원전극에서는 산화전극에서 생성된 전자가 전위가 높 은 환원전극으로 이동하고 수소이온과 반응하여 수소 가 생성되는 통로로만 사용되는 것이 아니라는 것이다. 환원전극의 표준 환원전위가 클수록 기전력도 약간씩 증가한다는 사실을 알게 되었다.
후속연구
- 탐구실험을 통하여 이러한 현상을 관찰하면서 아연전 극에서 생성된 전자가 구리선을 통하여 수소이온과 결 합하여 구리에서도 수소기체가 생성되었다는 사실을 알 게 함으로써 두 전극사이와 용액을 통해서 전체 전기회 로가 성립되어 전류가 흐른다는 사실을 이해시킬 수 있 다. 수소 기체가 발생하면 전지로 사용하는데 문제가 있으므로 수소기체를 없애는 방안에 대해 학생들에게 토의를 하도록 하고, 대안 중에서 해결법으로 다니엘전 지를 소개한 다음, 반쪽 반응식과 전극의 전위차를 구 하는 방법 등의 전기화학 이론을 설명하는 것이 바람직 하다고 생각한다. Barral 등17은 이러한 실험을 보여주 고 아무런 설명을 하지 않고 학생들 각자가 가지고 있 는 지식을 활용하여 이 현상을 설명하도록 한 후에 학 생들의 응답을 분류하여 학습자가 가지고 있는 여러 종 류의 오인을 파악한 연구는 시사하는 바가 크다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.