이 연구는 고등학교 화학I에서 이루어지는 금속의 반응성 실험에서 발견되는 문제점을 살펴보 고 이에 대한 이해를 목적으로 한다. 금속의 반응성 실험에서 제기된 문제는 세 가지로, 첫째 Al(s)이 전혀 반응하지 않는 이유와 반응을 관찰할 수 있는 방안, 둘째 Zn(s)과 FeS$O_4$(aq)의 반응에서 기포가 관찰 되는 이유, 셋째 FeS$O_4$(aq)와 Zn(s)의 반응에서 나타나는 침전의 정체 확인이다. 연구 결과 다음과 같은 결론을 내릴 수 있었다. 첫째, Al(s)은 산화피막 생성속도가 매우 빨라 반응을 관찰할 수 없으며, 강한 염산을 이용한 경쟁 반응을 이용하여 산화막 생성이 억제된 상태에서 알루미늄과 다른 금속 이온과의 반응을 관찰할 수 있다. 둘째, 발생하는 기포는 수소이온의 환원에 의한 수소기체로, 금속과 금속이온의 반응과 함께 물속의 수소이온이 특정한 농도범위에서 경쟁적으로 금속과 반응하고 있음을 확인하였다. 셋째, FeS$O_4$(aq)와 Zn(s)의 반응에서 Fe(s)은 관찰되지 않으며 Zn(s) 표면에 생성되는 검은색의 자성을 띠는 물질은 Fe3$O_4$(s)이고 용액 속에서 침전되는 적갈색의 고체는 $Fe_2O_3$(s)임을 광전자분광(X-Ray Photoelectron Spectroscopy) 분석으로 확인하였다.
이 연구는 고등학교 화학I에서 이루어지는 금속의 반응성 실험에서 발견되는 문제점을 살펴보 고 이에 대한 이해를 목적으로 한다. 금속의 반응성 실험에서 제기된 문제는 세 가지로, 첫째 Al(s)이 전혀 반응하지 않는 이유와 반응을 관찰할 수 있는 방안, 둘째 Zn(s)과 FeS$O_4$(aq)의 반응에서 기포가 관찰 되는 이유, 셋째 FeS$O_4$(aq)와 Zn(s)의 반응에서 나타나는 침전의 정체 확인이다. 연구 결과 다음과 같은 결론을 내릴 수 있었다. 첫째, Al(s)은 산화피막 생성속도가 매우 빨라 반응을 관찰할 수 없으며, 강한 염산을 이용한 경쟁 반응을 이용하여 산화막 생성이 억제된 상태에서 알루미늄과 다른 금속 이온과의 반응을 관찰할 수 있다. 둘째, 발생하는 기포는 수소이온의 환원에 의한 수소기체로, 금속과 금속이온의 반응과 함께 물속의 수소이온이 특정한 농도범위에서 경쟁적으로 금속과 반응하고 있음을 확인하였다. 셋째, FeS$O_4$(aq)와 Zn(s)의 반응에서 Fe(s)은 관찰되지 않으며 Zn(s) 표면에 생성되는 검은색의 자성을 띠는 물질은 Fe3$O_4$(s)이고 용액 속에서 침전되는 적갈색의 고체는 $Fe_2O_3$(s)임을 광전자분광(X-Ray Photoelectron Spectroscopy) 분석으로 확인하였다.
In this study we investigated and tried to understand problems monitored in an experiment on reactivity of metals in chemistry I. Three problems were discussed. First, the reason that aluminium plate does not react with other metal ions such as zinc, iron and copper was studied and the way to overco...
In this study we investigated and tried to understand problems monitored in an experiment on reactivity of metals in chemistry I. Three problems were discussed. First, the reason that aluminium plate does not react with other metal ions such as zinc, iron and copper was studied and the way to overcome this problem was suggested. Second, the reason that the bubbles were generated when FeS$O_4$(aq) and Zn(s) react was discussed. Third, the precipitates which appeared in the reaction of FeS$O_4$(aq) and Zn(s) were identified. Through reference study and experimental investigation, we could reach the following results. First, aluminium could not react with other metal ions due to the surface oxide layer that is formed very fast and prevents aluminium from reacting with metal ions in solution. This problem could be overcome by allowing a competing reaction of acid and aluminium during the reaction of aluminium and metal ions. Second, the observed bubbles were identified to be hydrogen gas, produced by the reaction between metals and hydronium ion in the solution. Third, black precipitates that were produced on the surface of zinc plate and exhibited magnetic property were characterized to be $Fe_3O_4$(s), and brown precipitates that were produced in the solution phase were to be $Fe_2O_3$(s) by the analysis of X-ray photoelectron spectra.
In this study we investigated and tried to understand problems monitored in an experiment on reactivity of metals in chemistry I. Three problems were discussed. First, the reason that aluminium plate does not react with other metal ions such as zinc, iron and copper was studied and the way to overcome this problem was suggested. Second, the reason that the bubbles were generated when FeS$O_4$(aq) and Zn(s) react was discussed. Third, the precipitates which appeared in the reaction of FeS$O_4$(aq) and Zn(s) were identified. Through reference study and experimental investigation, we could reach the following results. First, aluminium could not react with other metal ions due to the surface oxide layer that is formed very fast and prevents aluminium from reacting with metal ions in solution. This problem could be overcome by allowing a competing reaction of acid and aluminium during the reaction of aluminium and metal ions. Second, the observed bubbles were identified to be hydrogen gas, produced by the reaction between metals and hydronium ion in the solution. Third, black precipitates that were produced on the surface of zinc plate and exhibited magnetic property were characterized to be $Fe_3O_4$(s), and brown precipitates that were produced in the solution phase were to be $Fe_2O_3$(s) by the analysis of X-ray photoelectron spectra.
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문제 정의
단지 이와 관련하여 교과서에 제시된 실험의 개선안을 제안한 한 편 의 연구17가 진행되었을 뿐이다. 따라서 이 연구에서는 실험을 통하여 금속의 반응성 실험의 문제점을 분석하고, 문제가 되는 현상과 문제점의 원인을 실험 및 문헌 연구를 통 해 분석함으로써 금속의 반응성 실험을 깊이 있 게 이해할 수 있는 자료를 제공하고자 한다. 이 를 통하여 교사는 기존의 실험에 대한 이해를 높 이고 새로운 실험방법을 탐색할 수 있을 것이다.
제안 방법
이를 확인하기 위하여 2가 황산철 만 녹인 수용액을 공기 중에 노출하였을 때, 갈 색 앙금이 생성되고 pH가 낮아졌으며 동일한 결 합에너지의 XPS가 얻어졌다. 한편 아연판에 침전된 자성을 띠는 검은색 고 체는 환원된 철일까? 검은색 침전물의 구조를 확인하기 위해 XPS 스펙트럼을 측정했다(Fig. 4). Fe(0)의 결합에너지에 해당하는 707 eV에서 는23 XPS 밴드가 전혀 나타나지 않았다.
8종 교과서 모두 탐구 실험형태로 금속의 반 응성 실험을 제시하고 있다. 교과서에 적절한 실 험 조건이 제시되어 있는가를 확인하기 위해 수 용액의 농도, 사용한 금속, 금속의 표면처리에 대한 내용을 정리하였다(* Re 1). 수용액의 농 도나 표면처리 등의 조건제시가 교과서마다 다 르고 또한 제 시되 지 않은 교과서도 있었다.
첫째, 제 7차 교육과정 에 따른 고 등학교 화학 I 교과서 에 제시되 어 있는 금속의 반응성 실험과 관련된 내용을 교과서별로 분석 하였다. 둘째, 연구자가 직접 교과서에서 제시된 방법으로 실험을 수행하여 교과서에서 기대되 는 결과와 실험 결과를 비교 분석하였다. 셋째, 기대되는 결과와 실험 결과의 차이를 이해하기 위해서 실험 및 문헌 연구를 수행하였다.
황산철(FeSO4) 수용액에 아 연판을 담갔을 때, 자성을 띠는 검은색 침전물이 아연판 표면에 석출되고, 연녹색의 투명한FeSO40g) 은 시간이 지나면서 불투명해지고 갈색 침전을 형성하게 된다. 여기서 생성된 검은색 침전물과 갈색 침전물은 무엇일까? 먼저 수용액에서 형성된 갈색 침전물의 구조 에 대한 정보를 얻기 위해 XPS 스펙트럼을 측정 하였다(Fig. 2). 산소는 529.
둘째, 연구자가 직접 교과서에서 제시된 방법으로 실험을 수행하여 교과서에서 기대되 는 결과와 실험 결과를 비교 분석하였다. 셋째, 기대되는 결과와 실험 결과의 차이를 이해하기 위해서 실험 및 문헌 연구를 수행하였다.
둘째, 아연과 철 이 온 및 아연과 구리 이온의 산화-환원 반응에서 발생하는 기포는 아연이 산화하면서 내는 높은 기전력에 의해서 물속의 수소 이온도 환원되기 때문에 나타나는 현상이다. 셋째, 아연 막대와 FeSOi 수용액의 반응은 두 가지 형태의 침전물 을 만들었다. 수용액 상에서 생성된 갈색 침전물 은 자성을 띠지 않는 FeO(OH)이고, 아연 막대 표 면에 생성된 검은색 침전물은 자성을 띠고 FeO(OH) 보다 산화수가 낮은 형태인 FesOi로 확인하였다.
셋째, 아연 막대와 FeSOi 수용액의 반응은 두 가지 형태의 침전물 을 만들었다. 수용액 상에서 생성된 갈색 침전물 은 자성을 띠지 않는 FeO(OH)이고, 아연 막대 표 면에 생성된 검은색 침전물은 자성을 띠고 FeO(OH) 보다 산화수가 낮은 형태인 FesOi로 확인하였다. 특이한 점은 아연판에서 석출된 검은색 침전물 은 2가 산화철 이온보다 산화수가 높은 물질로 아연의 산화로 생성될 것으로 기대되는 2가 철 문제점 분석 및 개선방안 375 의 환원된 형태가 아니며, 아연판과 관계없이 용 액 속에는 갈색의 침전물이 형성된다는 점이다.
실험 조건이 교과서마다 차이가 있으므로 금 속의 반응성 실험에서 나타나는 문제점을 이해 하기 위한 연구목적에 비추어 이론과 다른 실험 결과가 가장 많이 나타나는 교과서의 실험조건 을 이 연구의 실험조건으로 설정하였다. 실험 조 건 및 방법은 다음과 같다.
즉, 용액은 푸른색으로 변했고 알 루미늄 주변에 금속이 다량 석출되었다. 실험결과 알루미늄의 피막을 제거하여 반응 성을 확인하기 위해서는 5 M농도 이 상의 HCl 수 용액을 사용하고, Zn, Fe 등의 금속과 반응성의 크기를 비교하기 위해서 CuSO4(aq)은 3-5%정도 로 했을 때 관찰하기 좋은 속도로 반응하였다.
이는 산화막이 쉽게 재생되었기 때문 이라고 해석된다. 이를 방지하기 위해 산에서 충 분히 반응시킨 후, 증류수로 씻지 않고 금속 이 온과 반응시키는 방법을 시도하였다. 즉, 알루미 늄이 다른 금속 이온과 만나는 순간까지 알루미 늄과 산의 반응이 계속 진행되도록 유지함으로 써 알루미늄의 산화막 형성 반응을 억제하는 효 과를 기대하였다.
또한 용액이 갈색으로 바뀌는 것은 아연 표면 에서 아연이 관련된 산화-환원 반응이 진행되는 것과 별개의 반응으로 환원 반응에 참여하지 않 은 표면에서 멀리 존재하는 용액 속의 철 이온들 의 반응이다. 이를 확인하기 위하여 2가 황산철 만 녹인 수용액을 공기 중에 노출하였을 때, 갈 색 앙금이 생성되고 pH가 낮아졌으며 동일한 결 합에너지의 XPS가 얻어졌다. 한편 아연판에 침전된 자성을 띠는 검은색 고 체는 환원된 철일까? 검은색 침전물의 구조를 확인하기 위해 XPS 스펙트럼을 측정했다(Fig.
이를 방지하기 위해 산에서 충 분히 반응시킨 후, 증류수로 씻지 않고 금속 이 온과 반응시키는 방법을 시도하였다. 즉, 알루미 늄이 다른 금속 이온과 만나는 순간까지 알루미 늄과 산의 반응이 계속 진행되도록 유지함으로 써 알루미늄의 산화막 형성 반응을 억제하는 효 과를 기대하였다. 그 결과 Figure 1처럼 알루미 늄이 구리이온과 활발하게 반응하는 것을 관찰 할 수 있었다.
제 7차 교육과정 에 따른 고등학교 화학 I 교과 서 중 ‘금속의 반응성 실험’의 문제점을 파악하 고, 그 원인을 설명하기 위해 다음과 같이 연구 를 수행하였다. 첫째, 제 7차 교육과정 에 따른 고 등학교 화학 I 교과서 에 제시되 어 있는 금속의 반응성 실험과 관련된 내용을 교과서별로 분석 하였다. 둘째, 연구자가 직접 교과서에서 제시된 방법으로 실험을 수행하여 교과서에서 기대되 는 결과와 실험 결과를 비교 분석하였다.
대상 데이터
금속의 반응성 실험에 관한 교과서 분석은 제 7차 교육과정 에 따른 고등학교 화학 I 교과서 8 종을 이용하였다. 분석에 사용된 교과서는 다음 과 같다.
이때 시료는 충분히 씻은 후 건조시켜 파우더 상태로 곱게 빻 은 뒤 10 Torr의 압력으로 얇은 동전모양의 펠렛 을 만들어 사용하였다. 분석에 사용된 기기는 Thermo VG Scientific사의 Sigma Probe 모델로 X-선의 빔 크기는 400 mm이고 15 kV, 100 W의 조건에서 실험 하였다. XPS 스펙트럼은 탄소의 밴드를 기준으 로 보정하였다.
이론/모형
반응 생성물의 산화수 및 구조에 대한 정보를 얻기 위해서 X-선 광전자분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)을 이용하였다. 이때 시료는 충분히 씻은 후 건조시켜 파우더 상태로 곱게 빻 은 뒤 10 Torr의 압력으로 얇은 동전모양의 펠렛 을 만들어 사용하였다.
성능/효과
이러한 방법으로 확인할 수 있는 알 루미늄의 큰 반응성은 학생의 호기심을 자극하 는 실험으로 이용할 수 있을 것이다. 둘째, 금속의 산화-환원 반응이 주로 수용액에 서 이루어지기 때문에 물이 반응에 참가하는 것 을 배재할 수 없다. 금속의 산화-환원을 학습하 다보면 금속간의 반응만 일어날 수 있다고 생각 할 수 있으나 실제는 두 가지 이상의 반응이 서 로 경쟁하면서 진행될 수 있다.
첫째, 매우 반응성 이 좋은 알루미늄은 강산으로 표면을 처리하고 알루미늄 표면에 산이 묻어있는 상태로 반응을 시킴으로써 원하는 반응이 일어날 때까지 산화 막 생성을 억제시킬 수 있다. 둘째, 아연과 철 이 온 및 아연과 구리 이온의 산화-환원 반응에서 발생하는 기포는 아연이 산화하면서 내는 높은 기전력에 의해서 물속의 수소 이온도 환원되기 때문에 나타나는 현상이다. 셋째, 아연 막대와 FeSOi 수용액의 반응은 두 가지 형태의 침전물 을 만들었다.
따라서 이 실험은 화학반 응의 경쟁적 현상에 대한 학생들의 이해를 넓힐 수 있는 실험으로 사용하기에 적절할 것이다. 셋째, FeSOi^g)을 사용한 실험에서는 중성의 철로 환원된 물질을 관찰할 수 없으며 복잡한 부 반응이 나타난다. 따라서 현재 교과서에 제시된 실험방법을 이용하여 철이온의 환원을 확인할 수는 없으나, 영재교육이나 동아리를 지도할 경 우 학생의 호기심과 탐구력을 자극할 수 있는 심 화된 활동으로 이용할 수 있을 것 이다.
아연과 황산철 수 용액, 아연과 황산구리 수용액의 반응은 금속 표 면에서 색변화가 관찰되면서 동시에 기포가 발 생하였다. 셋째, 철 이온의 환원과 관련된 반응에서 다양 한 현상이 복합적으로 일어났다. 투명한 연녹색 의 황산철 수용액은 30분 이내에 모든 금속과의 반응에서 불투명해졌고 24시간 이내에 갈색 침 전물을 형성했으며, pH는 낮아졌다.
Table 2에 제시된 조합으로 실험 을 수행하였을 때 30분 내에 관찰된 현상을 Table 3에 나타내었다. 실험 결과 많은 부분에서 예상과 다른 현상들 이 관찰되었으며, 예상한 변화가 나타난 경우에 도 예상 밖의 현상들이 복합적으로 관찰되기도 하였다. 예상과 다른 현상들을 크게 세 가지로 정리하였다.
FeO은 검은색 분말에 강한 자성을 보이지만 공기 중에서 쉽게 산화되므로,27 이 침 전물은 Fe3O4로 볼 수 있다. 이상의 고찰로부터 FeSOi^g)과 아연의 반응 에서 환원된 철인 Fe(0)은 관찰되 지 않음을 알 수 있으며, 아연 막대 표면에서 관찰된 고체는 Fe3Oi 로 확인되었다. 하지만 생성된 Fe3Oi가 어떤 메 커니즘을 통해서 생성되었는지는 이 연구에서 확인하지 못했다.
지금까지의 연구로부터 금속의 반응성 실험 에서 쉽게 이해되지 않는 3가지 현상에 대한 결 과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, 매우 반응성 이 좋은 알루미늄은 강산으로 표면을 처리하고 알루미늄 표면에 산이 묻어있는 상태로 반응을 시킴으로써 원하는 반응이 일어날 때까지 산화 막 생성을 억제시킬 수 있다. 둘째, 아연과 철 이 온 및 아연과 구리 이온의 산화-환원 반응에서 발생하는 기포는 아연이 산화하면서 내는 높은 기전력에 의해서 물속의 수소 이온도 환원되기 때문에 나타나는 현상이다.
예상과 다른 현상들을 크게 세 가지로 정리하였다. 첫째, 표준환원전위를 고려할 때 반 응이 있을 것으로 예상되는 실험에서 변화가 관 찰되지 않았다. 알루미늄의 표준환원전위는 -1.
4 eV의 결합에너지를 갖는 밴드가 관찰되었다. 표준으 로 제시된 결합에너지와 비교한 결과,23 529.8과 531.4 eV에 해당하는 밴드는 각각 FeO(OH)의 Fe-O-와 -O-H의 산소상태이며 532.4 eV에 해당 하는 미처 씻기지 않은 황산이온에 존재하는 산 소임을 알 수 있었다. 또한 철 영역에서는 철의 산화상태를 결정짓는 2P3/2의 결합에너지로 711.
후속연구
이와 같이 반응 이 경쟁하면서 진행되는 것은 화학반응에서 흔 히 일어나는 현상이다. 따라서 이 실험은 화학반 응의 경쟁적 현상에 대한 학생들의 이해를 넓힐 수 있는 실험으로 사용하기에 적절할 것이다. 셋째, FeSOi^g)을 사용한 실험에서는 중성의 철로 환원된 물질을 관찰할 수 없으며 복잡한 부 반응이 나타난다.
셋째, FeSOi^g)을 사용한 실험에서는 중성의 철로 환원된 물질을 관찰할 수 없으며 복잡한 부 반응이 나타난다. 따라서 현재 교과서에 제시된 실험방법을 이용하여 철이온의 환원을 확인할 수는 없으나, 영재교육이나 동아리를 지도할 경 우 학생의 호기심과 탐구력을 자극할 수 있는 심 화된 활동으로 이용할 수 있을 것 이다. 이 연구의 결과는 금속의 반응에 대한 교사의 이해를 높일 뿐 아니라 교사나 교과서 개발자들 이 이에 관련된 실험을 계획할 때 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.
이 연구의 결과는 금속의 반응에 대한 교사의 이해를 높일 뿐 아니라 교사나 교과서 개발자들 이 이에 관련된 실험을 계획할 때 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다. 또한 예비교사 교육이나 영재교육, 심화학습 등의 자료로서 이용될 수 있 을 것이다.
따라서 이 연구에서는 실험을 통하여 금속의 반응성 실험의 문제점을 분석하고, 문제가 되는 현상과 문제점의 원인을 실험 및 문헌 연구를 통 해 분석함으로써 금속의 반응성 실험을 깊이 있 게 이해할 수 있는 자료를 제공하고자 한다. 이 를 통하여 교사는 기존의 실험에 대한 이해를 높 이고 새로운 실험방법을 탐색할 수 있을 것이다.
따라서 현재 교과서에 제시된 실험방법을 이용하여 철이온의 환원을 확인할 수는 없으나, 영재교육이나 동아리를 지도할 경 우 학생의 호기심과 탐구력을 자극할 수 있는 심 화된 활동으로 이용할 수 있을 것 이다. 이 연구의 결과는 금속의 반응에 대한 교사의 이해를 높일 뿐 아니라 교사나 교과서 개발자들 이 이에 관련된 실험을 계획할 때 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다. 또한 예비교사 교육이나 영재교육, 심화학습 등의 자료로서 이용될 수 있 을 것이다.
이 반응은 5 M 정도의 강산에서 가능하므로 조심히 다루어 져야 한다. 이러한 방법으로 확인할 수 있는 알 루미늄의 큰 반응성은 학생의 호기심을 자극하 는 실험으로 이용할 수 있을 것이다. 둘째, 금속의 산화-환원 반응이 주로 수용액에 서 이루어지기 때문에 물이 반응에 참가하는 것 을 배재할 수 없다.
이상의 고찰로부터 FeSOi^g)과 아연의 반응 에서 환원된 철인 Fe(0)은 관찰되 지 않음을 알 수 있으며, 아연 막대 표면에서 관찰된 고체는 Fe3Oi 로 확인되었다. 하지만 생성된 Fe3Oi가 어떤 메 커니즘을 통해서 생성되었는지는 이 연구에서 확인하지 못했다.
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