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문제 정의
- 많은 사람이 지적하듯이 실험 활동은 추상적인 과학개념을 지도하는데 유용한 교수법으로, 학생들에게 새로운 개념이나 이론을 탐색할 수 있는 구체적인 학습 경험을 제공하여 과학적 지식을 보다 정 확히 이해하는데 도움을 준다. 또한 과학자가 수행하고 있는 과학적 과정을 경험하게 함으로써 학생들로 하여금 과학적인 탐구 능력과 과학적 태도를 함양하게 한다.1
- 즉, 실험결과에 의하면 제시된 조건에서 이 반응은 반응속도가 시간에 따라 일정한。차 반응과 유사하다고 할 수 있다. 묽은 염산과 마그 네슘 리본의 반응은 수소이온에 대하여 2차, 마그네슘의 표면적에 대하여 1차 반응으로 알려져 있다」5 그럼에도 불구하고 반응속도가 시간에 따라 일정한 형태인 유사 0차 반응으로 나타나는 원인에 대하여 살펴보았다.
- 본 연구에서는 선행 연구를 바탕으로 학생들의 반응속도와 관련된 잘못된 개념을 수정하고 개념이해를 향상시킬 수 있는 개선된 실험을 제안하고자 하였다. 개선 실험의 대상은 고등학교，과학，교과서와 화학 IT 교과서에서 다루고 있는 화학반응속도의 측정 실험' 중，염산과 마그네슘 리본의 반응 실험，이었다.
- 16 그러나 이 실험에 대한 구체적인 이해와 이 실험이 갖고 있는 문제점에 대한 다양한 논의 및 고찰이 좀 더 필요하다는 인식하에 본 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 학생들이 화학반응속도에 대한 학습 과정 중 실험 과정 및 해석의 과정에서 정확한 개념 형성을 방해하는 요소를 찾아내고 그러한 요소들을 제거함으로써 학생들의 개념 형성에 기여할 수 있는 개선된 실험 방법을 제시하고자 하였다.
- 연구 내용 제 7차 교육과정에 따른 고등학교 1학년，과학，및，화학 IT 교과서 중 반응속도 단원에서 화학반응으로 발생되는 기체의 부피를 측정하여 반응속도를 측정 하는 실험의 문제점을 파악하여 그 원인을 밝히고, 이를 바탕으로 실험 방법을 개선하기 위하여 다음과 같이 연구를 수행하였다.
- 둘째, 반응 초기에 부피 변화 측정값이 반복된 측정에서 일정하지 않고 재현성이 떨어졌다. 이러한 결과의 원인으로 마그네슘 표면의 산화막의 영향, 기체 부피 측정 방법의 영향 등을 고려하였다.
제안 방법
- 이때 얻어진 반응속도의 단위는 시간 당 생성된 수소 기체 부피 단위이므로, 이상 기체 상태방정식을 이용하여 시간당 수소이온의 몰농도 변화의 단위로 다시 환산하였다.2)반응속도와 용액에서의 수소이온의 농도, 마그네슘의 표면적 값을 이용하여 각 온도별 속도 상수를 구하였고, 온도의 역수에 대한 반응속도 상수의 자연로그 값의 그래프로부터 활성화 에너지를 구하였다. 사용된 값들을 Table 3에 정리하였다.
- 3 kJ - mor1 이었다. Fig. 6에서 낮은 온도에서 반응열에 의해 반응속도의 변화가 두드러지게 나타나는 현상에 대해 구체적 으로 고찰하기 위하여 활성화 에너지 값을 이용하여 각 실험 온도에서 1 °C 온도상승에 따른 상대적인 반응속도상수 증가폭（z展%）을 구하였다（7况泥 2）. 각주의 아레니우스 식에서 유도된 이론식에서 예상되듯이 온도가 증가하면서 반응속도상수&）는 증가하지만 상대 적 인 반응속도상수 증가폭（△*%）은 오히려 감소하였다.
- 화학반응이 진행되면서 일어나는 온도변화를 직접적으로 관찰하기 위하여 MBL（Microcomputer Based Laboratory） 온도 센서를 이용하였다. MBL 온도 센서를 삼각플라스크에 꽂아 반응이 진행되는 동안 실시 간으로 온도변화를 측정하였다. 온도 효과가 크게 나타날 것으로 예상되는 5。（3에서 3회 실험을 수행하였다.
- 분석에 人］용된 교과서를 가나다순으로 각각 나열하여 과학，교과서에는 A부터 K까지 알파벳을 부여 하였고, 화학，교과서에는 a부터 h까지 알파벳을 부여하였다. 각 교과서에 제시된 조건과 선행연구'6에서 개선된 실험 조건을 참고하여 실험을 실시하였고, 그 결과를 분석하여 개선점을 찾았다. 실험 방법과 장치를 개선하여 반응속도 측정 실험을 실시한 뒤 그 결과를 분석하였다.
- 개선된 실험 장치를 이용하여 반응속도 측정 실험을 다시 수행하였다. 조건은 3% 묽은 염산 100 mL와 폭 3.
- 8 cm, 아래쪽 길이 15 cm, 위 쪽 길이 20 cm가 되도록 하였는데 , 유리 관 안으로 물이 들어가지 않도록 위쪽 유리관의 길이를 아래쪽 유리관보다 길게 해서 눈금실린더의 높이에 적당히 맞도록 하였다. 고등학교 실험실에서는 시간에 따른 부피를 측정할 때 초시 계를 사용하고 육안으로 부피를 읽지만, 본 연구에서는 정확한 분석을 위하여 캠코더를 이용하여 반응 시작과 함께 부피 변화를 녹화하여 분석하였다.
- 산과 금속의 반응을 이용한，화학반응속도의 측정 실험，조사한 18개의 교과서 중 고등학교 과학，4종（금성 , 대한, 디 딤돌, 지학사）과 화학 II' 3종（교학사, 대한, 중앙교육）의 교과서에서 탐구 실험 형태로 제시되고 있었다. 교과서 C와 a에서는 주사기를 이용하여 기체의 부피를 측정하였고, 그 외의 교과서에서는 시간에 따라 발생된 수소 기체의 부피를 수상치환으로 눈금실린더에 모아 측정하는 방법을 사용하였다. 또한 c 교과서에서 묽은 황산과 아연의 반응을 이용하고, d 교과서에서 묽은 황산과 마그네슘의 반응을 이용하고 있었으며, 그 외 교과서는 묽은 염산과 마그네슘 리본의 반응을 이용하고 있었다.
- 교과서에 제시된 조건으로 실행한 실험결과를 분석하기 위하여 다음과 같은 조건으로 반응속도 측정 실험을 수행하였다. 염산은 3%의 묽은 염산 100 mL를 사용하였고, 마그네 슘은 폭 3.
- 둘째, 연구자가 직접 교과서에서 제시된 방법으로 실험을 수행하였다. 이로부터 발견된 문제점의 원인을 밝히고, 그 결과를 바탕으로 학생의 반응속도에 대한 개념형성에 방해 요인이 되는 요소를 제거하여 개선된 실험 방법을 제안하고 실험 결과를 분석하였다.
- 많은 고등학교 '과학' 및，화학 II，교과서에서 화학 반응속도의 측정 실험으로 비중 있게 다루어지는 '묽은 염산과 마그네 슘의 반응속도 측정 실험，을 수행하여 이 실험이 갖는 문제점을 발견하고 그 원인과 대안을 고찰하였다. 교과서에 제시된 실험 과정 및 절차를 바탕으로 실험을 하였을 때 반응이 시 작된 후 수 십초 지연되어 부피 변화가 관찰되었으며 반응에 의한 열에너지의 영향으로 반응속도가 초기에 증가하는 현상이 관찰되었다.
- 셋째, 개선된 실험 방법에 따라 묽은 염산과 마그네 슘 리본을 반응시켜 얻은 반응속도 측정 결과를 농도와표면적의 변화를 고려하여 해석하였다.
- 각 교과서에 제시된 조건과 선행연구'6에서 개선된 실험 조건을 참고하여 실험을 실시하였고, 그 결과를 분석하여 개선점을 찾았다. 실험 방법과 장치를 개선하여 반응속도 측정 실험을 실시한 뒤 그 결과를 분석하였다. 각 실험은 모두 3회씩 실시하였다.
- 반응 용기는 가지 달린 100 mL 삼각플라스크를 사용하였고, 기체포집을 위해 100 mL 눈금 실린더를 사용하였다. 실험 장치는 Fig. 1에서 나타낸 것과 같이 물을 채운 눈금실린더를 수조에 거꾸로 세워서 생성된 수소기체를 모으고 부피를 측정하였다. 이때 반응은 항온조를 사용하지 않았고 약 15。(： 정도의 실온에서 진행되었다.
- 6은 5, 10, 20, 35 °C 네 온도에서 시 간에 따른 수소기체 부피 변화를 3회씩 반복 측정한 결과를 보여준다. 온도를 각기 다르게 맞추기 위해서 항온조를 사용하였으며, 반응이 진행되는 동안 삼각플라스크 안의 염산 수용액을 저어 주지는 않았다. 온도가 높아질수록 부피 변화 기울기가 증가하는 것을 볼 수 있었는데 이는 온도가 높을수록 반응속도가 증가함을 의미한다.
- 우선, 반응 초기 부피변화가 30초 정도 지연되어 나타나는 이유 중 하나로서 마그네슘 표면의 산화막의 영향을 고려하기 위하여 산화막을 제거한 후 동일한 실험을 3회 반복 실시하였다. 산화막을 고르게 제거하기 위하여 6% 묽은 염산을 묻힌 솜으로 마그네슘 리본의 표면을 닦아 주고 반응을 시킨 결과 Fig.
- 다만 현재의 실험 조건에서 그 효과가 크게 나타나지 않을 수 있다. 이 문제에 대한 구체적인 정보를 얻기 위해서 온도를 변화 시켜 실험을 수행하였다. Fig.
- 이 주장을 뒷받침하기 위 해 항온과 동시 에 자석 막대를 이용하여 저어주면서 앞서 수행한 5, 10, 20, 35 °C 네 온도에서 3회씩 반응속도 측정 실험을 수행하였고, 그 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 반응용액을 교반시켜 줄 경우, 낮은 온도에서 반응 초기에 반응속도가 증가하는 현상이 현격 하게 줄어든 것을 Fig.
- 8의 실험 결과에서 발생된 수소 기체의 부피가 50mL가 될 때까지의 구간에 대하여 회귀 분석한 그래프의 기울기 값으로부터 각 온도에서의 반응속도를 얻었다. 이때 얻어진 반응속도의 단위는 시간 당 생성된 수소 기체 부피 단위이므로, 이상 기체 상태방정식을 이용하여 시간당 수소이온의 몰농도 변화의 단위로 다시 환산하였다.2)반응속도와 용액에서의 수소이온의 농도, 마그네슘의 표면적 값을 이용하여 각 온도별 속도 상수를 구하였고, 온도의 역수에 대한 반응속도 상수의 자연로그 값의 그래프로부터 활성화 에너지를 구하였다.
- 둘째, 연구자가 직접 교과서에서 제시된 방법으로 실험을 수행하였다. 이로부터 발견된 문제점의 원인을 밝히고, 그 결과를 바탕으로 학생의 반응속도에 대한 개념형성에 방해 요인이 되는 요소를 제거하여 개선된 실험 방법을 제안하고 실험 결과를 분석하였다.
- 연구 방법. 제 7차 교육과정에 따른 고등학교 1학년 과학，교과서 11종과 화학 II' 교과서 8종에서 다루고 있는 화학반응속도 측정 에 대한 실험 장치와 방법을 비교 분석하였다. 분석에 人］용된 교과서를 가나다순으로 각각 나열하여 과학，교과서에는 A부터 K까지 알파벳을 부여 하였고, 화학，교과서에는 a부터 h까지 알파벳을 부여하였다.
- 반응용기는 100 mL 가지달린 삼각플라스크를, 수소 부피 측정을 위해서 100 mL 크기의 눈금실린더를 사용하였다. 직경 이 1.1 cm이고 길이가 57.5 cm인 고무 튜브를 사용하였고,「자 유리관은 직경 0.8 cm, 아래쪽 길이 15 cm, 위 쪽 길이 20 cm가 되도록 하였는데 , 유리 관 안으로 물이 들어가지 않도록 위쪽 유리관의 길이를 아래쪽 유리관보다 길게 해서 눈금실린더의 높이에 적당히 맞도록 하였다. 고등학교 실험실에서는 시간에 따른 부피를 측정할 때 초시 계를 사용하고 육안으로 부피를 읽지만, 본 연구에서는 정확한 분석을 위하여 캠코더를 이용하여 반응 시작과 함께 부피 변화를 녹화하여 분석하였다.
- 첫째, 제 7차 교육과정 에 따른 고등학교，과학，및 화학 II' 교과서에 제시되어 있는 화학반응속도 측정 실험과 관련된 내용을 교과서별로 분석하였다. 연구 대상 실험은 무「은 염산과 마그네슘 리본의 반응속도 측정 실험 '이었다.
- 화학반응이 진행되면서 일어나는 온도변화를 직접적으로 관찰하기 위하여 MBL（Microcomputer Based Laboratory） 온도 센서를 이용하였다. MBL 온도 센서를 삼각플라스크에 꽂아 반응이 진행되는 동안 실시 간으로 온도변화를 측정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 선행 연구를 바탕으로 학생들의 반응속도와 관련된 잘못된 개념을 수정하고 개념이해를 향상시킬 수 있는 개선된 실험을 제안하고자 하였다. 개선 실험의 대상은 고등학교，과학，교과서와 화학 IT 교과서에서 다루고 있는 화학반응속도의 측정 실험' 중，염산과 마그네슘 리본의 반응 실험，이었다. 이미 박국태 등은 과학 교과서에서 제시된 화학반응 속도 측정 방법 인 주사기 측정법과 수상 치환법의 문제점으로 실험 기구와 실험 조건 및 실험 방법의 제시가 미비하다고 보고하였으며, 기구와 조건을 개선한 실험을 제안하여 화학반응속도를 재현성 있게 측정하는 방안을 제시하였다.
- 실험에 사용한마그네슘 리본은폭 3.0 mm,두께 0.2 mm, 길 이 4.0 cm로 대 략 1.8><10-3몰에 해당하며 , 염산 3%수용액 100 mL는 대 략 0.08몰에 해당한다. 반응에 소비되는 수소이온이 마그네슘에 대하여 당량비가 2임을 고려하더 라도 마그네슘 리본이 모두 반응하여 반응이 종결될 때까지 수소이온의 농도는 거의 변화가 없다.
- 첫째, 제 7차 교육과정 에 따른 고등학교，과학，및 화학 II' 교과서에 제시되어 있는 화학반응속도 측정 실험과 관련된 내용을 교과서별로 분석하였다. 연구 대상 실험은 무「은 염산과 마그네슘 리본의 반응속도 측정 실험 '이었다. 관련 화학 반응식은 다음과 같다.
- 교과서에 제시된 조건으로 실행한 실험결과를 분석하기 위하여 다음과 같은 조건으로 반응속도 측정 실험을 수행하였다. 염산은 3%의 묽은 염산 100 mL를 사용하였고, 마그네 슘은 폭 3.0 mm, 두께 0.2 mm의 마그네슘 리본을 4.0 cm 길이로 잘라서 사용하였다. 반응 용기는 가지 달린 100 mL 삼각플라스크를 사용하였고, 기체포집을 위해 100 mL 눈금 실린더를 사용하였다.
데이터처리
- 8의 그래프를 비교함으로써 알 수 있었다. 이를 정량적으로 판단하기 위하여 발생된 수소 기체의 부피가 50mL가 될 때까지의 구간에 대하여 선형회귀분석을 실시하고, 기울기와 상관계수(R), 표준편차 (SD)를 구하여 Table 2에 제 시하였다. 5。(2의 경우 교반을 한 경우의 상관계수가 교반을 하지 않았을 때보다 대체로 큰 값을 가지고 있을 뿐 아니라, 직선으로 가정했을 때에 벗어난 정도를 의미하는 표준편차값이 교반을 한 경우에 더 작게 나타나고 있음을 볼 수 있다.
성능/효과
- 이 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 개선된 실험에서는 반응 초기에 시간의 지연이 전혀 없이 부피 변화가 관찰되었고 수소 기체 생성 반응이 종결되는데 약 1분 정도 걸렸다. 3회의 반복 실험에 있어서 재현성도 뛰어났으며, 반응 초기에 반응속도가 점차 증가하는 현상도 사라졌다. 이로부터 기존의 반응속도 측정 실험에서 발생한 문제들에 있어서 부피 측정 방법이 주요한 원인임을 알 수 있었고, 부피 측정 방법의 개선을 통하여 반응 초기 에 시간이 지연되어 부피 변화가 관찰되는 현상을 극복할 수 있었다.
- 6에서 낮은 온도에서 반응열에 의해 반응속도의 변화가 두드러지게 나타나는 현상에 대해 구체적 으로 고찰하기 위하여 활성화 에너지 값을 이용하여 각 실험 온도에서 1 °C 온도상승에 따른 상대적인 반응속도상수 증가폭（z展%）을 구하였다（7况泥 2）. 각주의 아레니우스 식에서 유도된 이론식에서 예상되듯이 온도가 증가하면서 반응속도상수&）는 증가하지만 상대 적 인 반응속도상수 증가폭（△*%）은 오히려 감소하였다.3）따라서 Fig.
- 개선된 실험 방법은 이러한 문제점들을 해결함으로써 혼란의 여지가 없는 결과를 얻을 수 있었다. 개선된 실험 결과, 시간에 대하여 발생된 기체부피를 도시 한 그래프는 반응이 종결될 때까지 거의 기울기가 일정한 직선으로 나타났는데 이는 반응에서 마그네슘의 양에 비해서 절대적으로 많은 염산을 사용하고, 두께가 얇은 리본형의 마그네슘을 사용하기 때문에 반응이 종결될 때까지 염산의 농도 변화와 마그네슘 표면적의 변화가 적었기 때문으로 해석된다. 따라서 반응속도는 염산의 농도와 마그네슘의 표면적의 영향을 받지 않는 것처럼 보이는 유사 0차 반응이라고 할 수 있다.
- 부피 변화가 지연되어 관찰되는 것과 반응 초기에 반응속도가 증가하는 현상은 반응속도 개념을 처음 학습하는 학생들에게 이해시키기 어려울 뿐 아니라 반응속도 개념 학습에 불필요하거나 방해가 될 소지가 있다. 개선된 실험 방법은 이러한 문제점들을 해결함으로써 혼란의 여지가 없는 결과를 얻을 수 있었다. 개선된 실험 결과, 시간에 대하여 발생된 기체부피를 도시 한 그래프는 반응이 종결될 때까지 거의 기울기가 일정한 직선으로 나타났는데 이는 반응에서 마그네슘의 양에 비해서 절대적으로 많은 염산을 사용하고, 두께가 얇은 리본형의 마그네슘을 사용하기 때문에 반응이 종결될 때까지 염산의 농도 변화와 마그네슘 표면적의 변화가 적었기 때문으로 해석된다.
- 많은 고등학교 '과학' 및，화학 II，교과서에서 화학 반응속도의 측정 실험으로 비중 있게 다루어지는 '묽은 염산과 마그네 슘의 반응속도 측정 실험，을 수행하여 이 실험이 갖는 문제점을 발견하고 그 원인과 대안을 고찰하였다. 교과서에 제시된 실험 과정 및 절차를 바탕으로 실험을 하였을 때 반응이 시 작된 후 수 십초 지연되어 부피 변화가 관찰되었으며 반응에 의한 열에너지의 영향으로 반응속도가 초기에 증가하는 현상이 관찰되었다.
- 실험 장치의 개선으로 반응 초기 반응속도가 증가하는 현상은 사라졌다. 하지만 앞서 제기하였듯이 이 반응이 발열반응이기 때문에 반응속도가 증가할 가능성은 여전히 존재한다.
- 온도를 각기 다르게 맞추기 위해서 항온조를 사용하였으며, 반응이 진행되는 동안 삼각플라스크 안의 염산 수용액을 저어 주지는 않았다. 온도가 높아질수록 부피 변화 기울기가 증가하는 것을 볼 수 있었는데 이는 온도가 높을수록 반응속도가 증가함을 의미한다. 또한 5。（3와 35。（3의 그래프의 기울기 변화를 비교해보면 반응 초기에 기울기가 점점 증가하는 경향이 5。（3에서 두드러져 나타남을 확인할 수 있었다.
- 5에 나타내었다. 이 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 개선된 실험에서는 반응 초기에 시간의 지연이 전혀 없이 부피 변화가 관찰되었고 수소 기체 생성 반응이 종결되는데 약 1분 정도 걸렸다. 3회의 반복 실험에 있어서 재현성도 뛰어났으며, 반응 초기에 반응속도가 점차 증가하는 현상도 사라졌다.
- 3회의 반복 실험에 있어서 재현성도 뛰어났으며, 반응 초기에 반응속도가 점차 증가하는 현상도 사라졌다. 이로부터 기존의 반응속도 측정 실험에서 발생한 문제들에 있어서 부피 측정 방법이 주요한 원인임을 알 수 있었고, 부피 측정 방법의 개선을 통하여 반응 초기 에 시간이 지연되어 부피 변화가 관찰되는 현상을 극복할 수 있었다.
- 또한 5。（3와 35。（3의 그래프의 기울기 변화를 비교해보면 반응 초기에 기울기가 점점 증가하는 경향이 5。（3에서 두드러져 나타남을 확인할 수 있었다. 즉 온도가 낮을수록 반응 초기 에 반응속도가 증가하는 현상이 두드러져 나타나는 것을 알 수 있었다.
- 이 실험 결과에서 다음과 같은 문제점들이 발견되었다. 첫째, 반응이 시작된 후 30초 정도 시간이 지나서야 포집된 기체의 부피 변화가 관찰되 었다. 둘째, 반응 초기에 부피 변화 측정값이 반복된 측정에서 일정하지 않고 재현성이 떨어졌다.
후속연구
- 개선된 실험방법은 실제 학교현장에 적용해봄으로써 현장 적합성을 검증받는 것이 필요할 것이다. 또한 기존의 실험의 문제를 개선한 이 실험이 학생들의 반응속도와 관련된 개념을 학습하는데 도움이 되는지 확인하는 심화연구가 뒤따라야 할 것이다.
- 개선된 실험방법은 실제 학교현장에 적용해봄으로써 현장 적합성을 검증받는 것이 필요할 것이다. 또한 기존의 실험의 문제를 개선한 이 실험이 학생들의 반응속도와 관련된 개념을 학습하는데 도움이 되는지 확인하는 심화연구가 뒤따라야 할 것이다. 아울러 다른 단원에서 제시된 실험 중에서도 학습에 방해가 되거나 불필요한 요소들이 있는지 찾아내고, 그 원인을 파악하고 대안을 연구하는 것이 절실히 필요하다고 생각된다.
- 수상치환을 이용한 기체 포집에서는 저항에 대한 영향은 별로 없을 것으로 보이지만, 또 다른 기체부피 측정 방법의 하나로 일부 교과서에서 제시되는 주사기를 이용한 실험에서는 주사기 내부와 피스톤과의 마찰이 큰 영향을 줄 것으로 예측된다. 주사기 내부와 피스톤은 틈새 없이 밀착되어 있는 구조로 운동 마찰력도 작용하지만 이보다 큰 정지마찰력 이 작용하므로 반응 초기에 수소 기체가 상당히 압축될 수 있고 이러한 이유로 정량적인 실험 분석으로는 한계가 예상된다. 그러나 개선된 실험 방법의 경우, 기체가 발생하는 삼각플라스크와 눈금실린더 사이에 물을 통과할 필요가 없으므로 발생 한 기체 에 의 한 부피 변화가 시간의 지연 없이 측정된다.
- 6 따라서 교과서에서 제시되는 실험 장치와 실험 방법에서 어떤 내용을 어떤 형태로 조직하느냐 하는 것은 매우 중요한 과제이다. 특히 화학영역은 시약의 양이나 실험기 구 등의 미세한 변화에 의해 결과가 달라질 수 있는 물질의 변화를 다루기 때문에 교과서 실험의 결과 오류에 관련된 문제가 많이 발생하며； 그에 따라 실험의 개선이 더욱 필요하다고 하겠다. 이러한 문제의식에 따라 과학 교과서에 제시된 탐구실험의 개선 연구에 대한 관심이 증가하고 있다.
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