고등학교 과학 교과서에 제시된 염화구리(II) 수용액의 전기분해 실험의 분석 및 개선 Analysis and Improvement of Experiments for Electrolysis of an Aqueous CuCl2 Solution in High School Science Textbooks원문보기
연구의 목적은 고등학교 과학 교과서에 제시된 염화구리(II) 수용액의 전기분해 실험의 문제점을 분석하여, 학생들이 실험을 용이하게 수행하게 하고 환기 장치가 없는 과학실 여건을 고려해 염소 기체 발생으로 인한 안전 문제의 발생을 줄이기 위한 개선 실험을 제시하기 위한 것이다. 연구를 위하여 고등학교 11종 과학 교과서에 제시된 염화구리(II) 수용액의 전기분해 실험을 실험 방법에 따라 분류하고, 중등학교 화학 교사들에게 과학 교과서에 제시된 실험 방법대로 실험을 수행하게 한 후 문제점을 분석하여 개선 실험을 모색하였다. 연구 결과에 의하면, U 자관과 가지달린 U 자관을 반응 용기로 사용한 염화구리(II) 수용액의 전기분해 실험에서는 반응속도가 느려서 부반응으로 부산물이 발생하는 문제점이 있었으며, 비커를 반응 용기로 사용한 실험에서는 두 전극이 분리되어 있지 않아 각 전극에서 일어나는 화학반응을 분리하여 관찰할 수 없었다. 그리고 전기분해 장치를 반응 용기로 사용한 실험에서는 반응 생성물의 성질을 확인하기 어려운 문제점이 있었다. 이러한 문제점들을 개선하기 위하여 ㅂ자 모양의 반응 용기를 사용한 결과, 전기분해 반응속도가 빨라졌고, 각 전극에서 생성되는 반응 생성물의 특성을 분리해서 관찰할 수 있었다. 또한, 염화구리(II) 수용액의 사용량과 (-)극 주변에서 일어나는 부반응으로 인한 부산물의 생성량을 줄일 수 있었다. 그러므로 ㅂ자 모양의 반응 용기를 사용하는 개선 실험을 고등학교 과학 탐구 실험에 활용한다면, 염화구리(II) 수용액의 전기분해 실험을 용이하게 수행할 수 있어, 수용액의 전기분해에 관한 과학적인 개념 형성에 도움을 줄 수 있을 것이다.
연구의 목적은 고등학교 과학 교과서에 제시된 염화구리(II) 수용액의 전기분해 실험의 문제점을 분석하여, 학생들이 실험을 용이하게 수행하게 하고 환기 장치가 없는 과학실 여건을 고려해 염소 기체 발생으로 인한 안전 문제의 발생을 줄이기 위한 개선 실험을 제시하기 위한 것이다. 연구를 위하여 고등학교 11종 과학 교과서에 제시된 염화구리(II) 수용액의 전기분해 실험을 실험 방법에 따라 분류하고, 중등학교 화학 교사들에게 과학 교과서에 제시된 실험 방법대로 실험을 수행하게 한 후 문제점을 분석하여 개선 실험을 모색하였다. 연구 결과에 의하면, U 자관과 가지달린 U 자관을 반응 용기로 사용한 염화구리(II) 수용액의 전기분해 실험에서는 반응속도가 느려서 부반응으로 부산물이 발생하는 문제점이 있었으며, 비커를 반응 용기로 사용한 실험에서는 두 전극이 분리되어 있지 않아 각 전극에서 일어나는 화학반응을 분리하여 관찰할 수 없었다. 그리고 전기분해 장치를 반응 용기로 사용한 실험에서는 반응 생성물의 성질을 확인하기 어려운 문제점이 있었다. 이러한 문제점들을 개선하기 위하여 ㅂ자 모양의 반응 용기를 사용한 결과, 전기분해 반응속도가 빨라졌고, 각 전극에서 생성되는 반응 생성물의 특성을 분리해서 관찰할 수 있었다. 또한, 염화구리(II) 수용액의 사용량과 (-)극 주변에서 일어나는 부반응으로 인한 부산물의 생성량을 줄일 수 있었다. 그러므로 ㅂ자 모양의 반응 용기를 사용하는 개선 실험을 고등학교 과학 탐구 실험에 활용한다면, 염화구리(II) 수용액의 전기분해 실험을 용이하게 수행할 수 있어, 수용액의 전기분해에 관한 과학적인 개념 형성에 도움을 줄 수 있을 것이다.
purpose of this study was to find out problems in experiments for electrolysis of an aqueous CuCl2 solution in high school science textbooks and to suggest an improved experiment considering students' capability of experimenting and laboratory safety in high schools. For this study, the experiments ...
purpose of this study was to find out problems in experiments for electrolysis of an aqueous CuCl2 solution in high school science textbooks and to suggest an improved experiment considering students' capability of experimenting and laboratory safety in high schools. For this study, the experiments for electrolysis of an aqueous CuCl2 solution presented in 11 high school science textbooks were classified by their experimental methods. After high school chemistry teachers performed the experiments as presented in the high school science textbooks, an analysis was performed on problems of the experiments, and an improved experiment was devised. According to the results of this study, in the experiments for electrolysis of an aqueous CuCl2 solution using a U type tube and a U type tube with branch, reaction velocity of the electrolysis was slow, therefore, a side reaction was generated. In the experiment using a beaker, reaction of each electrode could not be observed separately. And in the experiment using an electrolysis instrument, it was difficult to identify property of the reaction product. In the improved experiment using a reaction vessel of ㅂshape, reaction velocity of the electrolysis was fast, reaction of each electrode could be observed separately, and the side reaction decreased. From these results, it was suggested that the improved experiment would help high school students understand scientific conception regarding electrolysis.
purpose of this study was to find out problems in experiments for electrolysis of an aqueous CuCl2 solution in high school science textbooks and to suggest an improved experiment considering students' capability of experimenting and laboratory safety in high schools. For this study, the experiments for electrolysis of an aqueous CuCl2 solution presented in 11 high school science textbooks were classified by their experimental methods. After high school chemistry teachers performed the experiments as presented in the high school science textbooks, an analysis was performed on problems of the experiments, and an improved experiment was devised. According to the results of this study, in the experiments for electrolysis of an aqueous CuCl2 solution using a U type tube and a U type tube with branch, reaction velocity of the electrolysis was slow, therefore, a side reaction was generated. In the experiment using a beaker, reaction of each electrode could not be observed separately. And in the experiment using an electrolysis instrument, it was difficult to identify property of the reaction product. In the improved experiment using a reaction vessel of ㅂshape, reaction velocity of the electrolysis was fast, reaction of each electrode could be observed separately, and the side reaction decreased. From these results, it was suggested that the improved experiment would help high school students understand scientific conception regarding electrolysis.
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문제 정의
따라서 이 연구에 서는 제 7차 교육과정에 의해 고등 학교 11종 과학 교과서에 제시된 염화구리 (II) 수용액 의 전기분해 실험을 실험 방법에 따라 분류하고, 과 학 교과서에 제시된 실험 방법대로 중등학교 화학 교사들에게 실험을 수행하게 하여 문제점을 분석하고 개선 방안을 찾아서, 고등학생들이 실험을 용이하게 수행할 수 있도록 하고, 환기 장치가 없는 과학실 여 건을 고려해 염소 기체 발생으로 인한 안전 문제의 발생을 줄일 수 있는 개선 실험을 제안하고자 한다.
제안 방법
11종의 고등학교 과학 교과서에 제시된 염화구리 (II) 수용액의 전기분해 실험 방법을 전압 또는 전류의 세기, 수용액의 농도 제시 유무, 전원 장치의 종류, 전 기분해 반응 용기의 종류 등의 실험 조건과 실험 기 구에 따라 분류하여 Table 2에 제시하였다
11종의 고등학교 과학 교과서에 제시된 염화구리 (II) 수용액의 전기분해 실험 방법의 분석 결과에 따 라, Table 4와 같이 4가지의 서로 다른 실험 장치를 사용하여 13가지 실험 조건으로 과학 교과서에 제시 된 실험 방법대로 실험을 수행하여 문제점을 분석한 다음 개선 실험을 제안하였다.
11종의 고등학교 과학 교과서에 제시된 전기분해 실험을 실험 방법에 따라 분류하였고, 과학 교과서에 제시된 실험 방법대로 실험을 수행하여 문 제점을 분석한 다음 개선 방안에 의한 실험을 실시하 여 개선 실험을 제안하였는데, 구체적인 연구 절차는 다음과 같다.
Fig. 6의 개선 실험 장치로 Table 4에서와 같은 서 로 다른 4가지의 실험 조건에서 염화구리(II) 수용액 의 전기분해에 대한 실험을 수행하여 부반응에 의한 부산물의 양을 최소화하면서 짧은 시간 내에 (+)극과 (-)극에서 생성되는 생성물을 확인하기에 필요한 양을 얻을 수 있는 실험 조건을 찾아보았다.
가지달린 U 자관과 버 자관의 반응 용기를 사용한 염화구리(II) 수용액의 전기분해 실험의 비교.
두 번째 단계로 11종의 고등학교 과학 교과서의 염 화구리(II) 수용액의 전기분해 실험을 과학 교과서에 제시된 실험 방법에 따라, H대학교 대학원에 재학 중 인 중등학교 화학 교사 12명 이 2인 1조로 모둠을 나 누어 실험 조건을 달리 해 실험을 수행하였고, 실험 결 과들로부터 찾아낸 문제점들을 분석하여 개선 방안 을 모색하였다. 개선 방안으로 새로운 전기분해 반응 용기를 개발하고, 개발한 전기분해 반응 용기를 사용 한 개선 실험 장치로 사범대학에 재학 중인 12명의 예비교사들이 6개 모둠으로 나누어 실험을 수행하게 하여 , 염화구리 (II) 수용액의 전기분해 개선 실험 에 적 합한 실험 조건을 찾았다.
두 번째 단계로 11종의 고등학교 과학 교과서의 염 화구리(II) 수용액의 전기분해 실험을 과학 교과서에 제시된 실험 방법에 따라, H대학교 대학원에 재학 중 인 중등학교 화학 교사 12명 이 2인 1조로 모둠을 나 누어 실험 조건을 달리 해 실험을 수행하였고, 실험 결 과들로부터 찾아낸 문제점들을 분석하여 개선 방안 을 모색하였다. 개선 방안으로 새로운 전기분해 반응 용기를 개발하고, 개발한 전기분해 반응 용기를 사용 한 개선 실험 장치로 사범대학에 재학 중인 12명의 예비교사들이 6개 모둠으로 나누어 실험을 수행하게 하여 , 염화구리 (II) 수용액의 전기분해 개선 실험 에 적 합한 실험 조건을 찾았다.
5) 는 수용액내에서 전기저항을 줄일 수 있도록 가운데 에 통로를 만들어 두 전극 사이를 가깝게 하였고, 수 용액 이 용이하게 순환을 할 수 있도록 아래 부분에도 통로를 만들었다. 또한, 전기분해 반응에서 발생하는 기체를 배출할 수 있도록 양쪽에 유도 가지를 만들었 는데, (+)극 쪽의 유도 가지는 아래쪽으로 30° 정도 경사지게 하여 (+)극에서 발생하는 염소 기체를 하방 치환으로 포집할 수 있도록 하였고, 반응 용기의 크 기와 용량이 Fig. 2의 가지달린 U 자관의 1/2 정도로 반응 용액의 사용량을 줄일 수 있도록 하였다. 개발 된 H자 모양의 전기분해 반응 용기를 사용한 염화구 리(II) 수용액의 전기분해 개선 실험 장치는 Fig.
염화구리(H) 수용액의 전기분해 실험의 문제점 분석.
Table 4의 실험 장치 4에 의한 실험은 전기분해 반 응 용기로 전기 분해 장치를 사용하고 전원 장치로 건 전지를 사용하여 염화구리(II) 수용액의 전기분해 실 험을 수행하는 것 이다. 전기분해 장치는 탄소 전극이 용기의 아랫부분에 위치하기 때문에 고무마개로 단 단히 막고, 반응 용액 이 새 어나오는 것을 방지하기 위하여 파라필름(parafilm)로 밀봉하였다. 전기분해 실 험에서 (+)극과 (-)극에서 생성되는 생성물을 확인해 야 하는데, 전기분해 장치의 아랫부분에 탄소 전극이 위치하므로 실험을 완전히 끝내고 사용한 반응 용액 을 모두 따라내기 전까지는 (-)극의 탄소 전극 표면에 석출된 구리를 확인해 볼 수가 없었으며, 또한 염화 구리(II) 수용액을 주입한 후에 아래로 흘러나오지 못 하도록밀봉하는데 어려움이 있었다.
제7차 교육과정에 의해 고등학교 과학 교과서에 제시되어 있는 염화구리(II) 수용액의 전기 분해 실험의 문제점을 알아보기 위하여 11종의 고등 학교 과학 교과서2-3를 분석하였다. 이 연구에 사용 된 과학 교과서의 종류와 약어는 Table 1과 같다.
첫 번째 단계 첫 번째 단계로 고등학교 11종 과학 교과서 에 제시 된 염 화구리 (II) 수용액 의 전기 분해 실험 의 실험 방법 을 실험 조건과 실험 기구, 그리고 (+)극과 (-)극에서 생성되는 생성물의 확인 방법에 따라 분류하였다.
대상 데이터
Table 4의 13가지 실험 조건에서 4가지 실험 장치 의 전원 장치로는 고등학교 과학 교과서에 제시된 것 과 같이 실험 장치 1과 실험 장치 4는 건전지이며, 실 험 장치 2와 실험 장치 3은 직류전원 장치 이다. 전원 장치인 건전지와 직류 전원 장치는 취급 및 사용상의 편리함과 소모성 등에서 차이는 있었지만, 실험 조건 으로 전압의 세기가 제시되고 10분 내외의 염화구리 (II) 수용액의 전기분해 실험에서는 거의 차이를 나타 내지 않았기 때문에 독립적인 변인으로 취급하여 연 구하지 않았다
Table 4의 실험 장치 2에 의한 실험은 전기분해 반 응 용기로 가지달린 U 자관을 사용하고, 전원 장치로 직류전원 장치를 사용하였다. 이 실험에서도 실험 장 치 1에 의한 실험과 같이 반응이 진행되면서 (-)극 주변에 부산물이 만들어졌다.
성능/효과
그 중에서도 10 V의 전압으로 10%의 수용액을 전기분해 했을 때에 (-)극 주변이 초록색으로 변하는 부반응이 가장 많이 일어 났다. 6 V의 전압으로 10%의 수용액을 전기분해 할 때와 10 V의 전압으로 5%의 수용액을 전기분해 할 때의 실험 결과들은 거의 비슷하였고, 전기분해 시간 을 10분보다 짧은 7분으로 했을 때는 (-)극 주변의 수용액 이 초록색으로 변하기 전에 실험을 마칠 수 있었다
6의 개선 실험 장치를 사용하여 염화구리(II) 수용액의 전 기분해 실험을 각각 10분 동안 수행하였다. 개선 실 험 결과, 6V의 전압으로 10%의 수용액을 전기분해 했을 때와 10V의 전압으로 5%와 10%의 수용액을 전기분해 했을 때, 모두 (-)극 주변의 수용액이 초록색으로 변하는 현상이 나타났다. 그 중에서도 10 V의 전압으로 10%의 수용액을 전기분해 했을 때에 (-)극 주변이 초록색으로 변하는 부반응이 가장 많이 일어 났다.
그리고 6 V의 전압보다 10 V의 전압으로 실험을 했을 때 반응속도가 더 빨랐으며, 염화구리(II) 수용 액의 농도가 5%보다 10%일 때 반응속도가 더 빨랐 다. 그러나 10 V의 전압에서 10%의 농도로 실험한 경우에는 염소 기체의 생성량이 너무 많아서 환기 장 치가 미비 된 고등학교 과학 실험실에서는 염소 기체 로 인한 안전 문제를 일으킬 수가 있었다
그리고 전압의 세기를 6 V로 하고 염화구리(II) 수 용액의 농도를 5%로 했을 때 부반응으로 인한 부산 물의 양을 최소화 할 수 있었고, 10분 동안에 생성된 생성물의 양은 생성물의 존재를 충분히 확인할 수 있 을 만큼의 양이었다. 그러므로 부반응을 최소화하면 서 실험을 용이하게 수행하기 위한 조건으로, 6 V의 전압의 세기와 5%의 수용액의 농도가 염화구리 (II) 수 용액의 전기분해 개선 실험으로 적합하다고 생각된 다.
그러나 두 전극이 U 자관 전기분해 반응 용기에서 처럼 분리되어 있지 않으므로, 각 전극 주위 에 서 일어나는 변화들을 분리하여 관찰하기가 힘들었 다. 또한, (+)극에서 발생한 염소 기체가 반응 용기 전 체로 퍼져 나가므로 염소 기체를 포집할 수 없어서, 냄새를 맡아 보는 것으로만 염소 기체의 생성을 확인 할 수 있었다.
그러므로 부반응을 최소화하면 서 실험을 용이하게 수행하기 위한 조건으로, 6 V의 전압의 세기와 5%의 수용액의 농도가 염화구리 (II) 수 용액의 전기분해 개선 실험으로 적합하다고 생각된 다. 이러한 개선 실험에서는 (+)극의 탄소 전극 윗부 분에 진한 색깔의 포스트-잍(post-it)을 감아 (+)극에서 발생하는 염소 기체의 표백 작용에 의한 탈색 현상을 용이하게 관찰할 수 있었고, 유도 가지 에 고무관을 연 결하여 플라스크의 물속에 넣음으로써 공기 중으로 방출되는 염소 기체의 양을 최소화 할 수 있어 실험 실 안전 문제 발생도 줄일 수 있었다
과학 교과서에 제시된 실험 장치들로부터는 각 전 극에서 일어나는 변화들을 쉽게 관찰할 수 없는 경우 가 있었으며, 부반응으로 인한 부산물의 생성량이 많 았다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 개발한 曰자 모양의 반응 용기를 염화구리(II) 수용액의 전기분해 개선 실험에 사용한 결과, 6 V의 전압과 5%의 농도 에서 짧은 시간 내에(+)극에서 생성되는 염소 기체 와 (-)극에서 생성되는 구리를 쉽게 확인할 수 있었으 며, 부반응에 의한 부산물의 생성량과 반응 용액의 사 용량을 줄일 수 있었다. 또한, 유도 가지 에 고무관을 연 결하여 플라스크의 물속에 넣음으로써 염소 기체로 인 한 실험실에서의 안전 문제 발생을 줄일 수 있었으므 로, 개선 실험 이 고등학교 과학과의 염화구리(II) 수용 액의 전기분해 실험으로 적합한 것으로 생각된다
후속연구
그러나 曰자 모양의 반응 용기에서 수용액의 용이 한 순환을 위해 만든 아래 부분 통로의 역할은 같은 용량으로 만든 H자 모양이나 가지달린 U 자관 반응 용기를 사용한 비교 실험을 통해서 앞으로 명확하게 할 필요가 있다. 또한, 염화구리(II) 수용액의 전기분 해 실험에서는 (+)극에서 인체에 유해한 염소 기체가 발생되며, 부반응으로 인한 부산물의 생성을 완전히 없앨 수 없으므로, 유해한 물질이 발생되지 않고 부 반응도 일어나지 않는 반응 용액에 대한 후속 연구가 필요하다.
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