MBL 실험 결과를 토대로 한 과학적으로 논의 되고 있는 화합물의 고등학교 과학 교과서 기술 분석: 이산화탄소 수용액과 탄산 수용액의 경우 Analysis of High School Science Textual Descriptions of Scientifically Debatable Compounds According to the Experimental Results by MBL: A Case Study of Carbonic Acid in Water and Aqueous Solution of Carbon Dioxide원문보기
본 연구의 목적은 과학적으로 논의가 되고 있는 탄산에 대한 고등학교 과학 교과서의 기술을 살펴보고 '탄산 용액'의 물리적인 특성을 MBL 기구를 이용하여 측정하고 교과서 자료와 비교하는 것이다. 네 가지 서로 다른 이산화탄소 수용액을 준비하여 분석하였다: 공기 중에 자연스럽게 노출된 수용액, 드라이아이스를 녹인 용액, $CO_2$ 버블링 용액 및 상업용 탄산수. 실험결과 이들 4가지 용액의 pH와 전기전도도는 각각 3.85 ~ 5.66 및 0.21 ~ 272.1 ${\mu}S$/cm의 범주에 있다는 것을 밝혔다. 이중에서 $CO_2$ 버블링 용액의 평형상수($K_{a1}$)를 $5.7{\times}10^{-7}$으로 추산할 수 있는데 이것은 교과서에 기재되어 있는 탄산의 $4.3{\times}10^{-7}$과 실험오차 범위 안에서 비교할 수 있는 수치이므로 교과서 화합물이 순수 탄산이 아니라 수화된 이산화탄소와 탄산의 평형 혼합물을 의미한다. 한편 교과서 분석에 의하면 대부분의 고등학교 교과서가 탄산을 약산과 혈액의 완충용액의 예로 많이 들고 있지만 탄산과 이산화탄소 수용액을 구별한 고등학교 교과서는 없었다. 하지만 단 한 교과서에서 두 화학종을 화학식에 병기하였다.
본 연구의 목적은 과학적으로 논의가 되고 있는 탄산에 대한 고등학교 과학 교과서의 기술을 살펴보고 '탄산 용액'의 물리적인 특성을 MBL 기구를 이용하여 측정하고 교과서 자료와 비교하는 것이다. 네 가지 서로 다른 이산화탄소 수용액을 준비하여 분석하였다: 공기 중에 자연스럽게 노출된 수용액, 드라이아이스를 녹인 용액, $CO_2$ 버블링 용액 및 상업용 탄산수. 실험결과 이들 4가지 용액의 pH와 전기전도도는 각각 3.85 ~ 5.66 및 0.21 ~ 272.1 ${\mu}S$/cm의 범주에 있다는 것을 밝혔다. 이중에서 $CO_2$ 버블링 용액의 평형상수($K_{a1}$)를 $5.7{\times}10^{-7}$으로 추산할 수 있는데 이것은 교과서에 기재되어 있는 탄산의 $4.3{\times}10^{-7}$과 실험오차 범위 안에서 비교할 수 있는 수치이므로 교과서 화합물이 순수 탄산이 아니라 수화된 이산화탄소와 탄산의 평형 혼합물을 의미한다. 한편 교과서 분석에 의하면 대부분의 고등학교 교과서가 탄산을 약산과 혈액의 완충용액의 예로 많이 들고 있지만 탄산과 이산화탄소 수용액을 구별한 고등학교 교과서는 없었다. 하지만 단 한 교과서에서 두 화학종을 화학식에 병기하였다.
The purposes of this study are to investigate the description of scientifically debatable carbonic acid in the Korean high school textbooks, characterize the physical properties of 'carbonic acid solutions' by using an MBL set-up and compare the properties with textual ones. Four different aqueous s...
The purposes of this study are to investigate the description of scientifically debatable carbonic acid in the Korean high school textbooks, characterize the physical properties of 'carbonic acid solutions' by using an MBL set-up and compare the properties with textual ones. Four different aqueous solutions of carbon dioxide have been prepared and analyzed: naturally aerated aqueous solution, dry ice-dissolving solution, $CO_2$-bubbling solution and commercial carbonic acid water. Experimental findings showed that pH and conductivity of these 4 solutions ranged from 3.85 to 5.66 and from 0.21 ${\mu}S$/cm to 272.1 ${\mu}S$/cm, respectively. Out of these solutions, the dissociation constant($K_{a1}$) of the bubbling solution at room temperature could be calculated to $5.7{\times}10^{-7}$ which value is comparable to the textual $4.3{\times}10^{-7}$ within experimental errors, which means that textual compound is not pure carbonic acid but the equilibrated mixture of carbonic acid and the aqueous solution of carbon dioxide. On the other hand, textual analysis showed that most of high school textbooks used carbonic acid as an example of weak acid and buffer solution of the blood but none of them distinguished the carbonic acid from the aqueous solution of carbon dioxide. Only one textbook, however, tiered two species in the chemical equation.
The purposes of this study are to investigate the description of scientifically debatable carbonic acid in the Korean high school textbooks, characterize the physical properties of 'carbonic acid solutions' by using an MBL set-up and compare the properties with textual ones. Four different aqueous solutions of carbon dioxide have been prepared and analyzed: naturally aerated aqueous solution, dry ice-dissolving solution, $CO_2$-bubbling solution and commercial carbonic acid water. Experimental findings showed that pH and conductivity of these 4 solutions ranged from 3.85 to 5.66 and from 0.21 ${\mu}S$/cm to 272.1 ${\mu}S$/cm, respectively. Out of these solutions, the dissociation constant($K_{a1}$) of the bubbling solution at room temperature could be calculated to $5.7{\times}10^{-7}$ which value is comparable to the textual $4.3{\times}10^{-7}$ within experimental errors, which means that textual compound is not pure carbonic acid but the equilibrated mixture of carbonic acid and the aqueous solution of carbon dioxide. On the other hand, textual analysis showed that most of high school textbooks used carbonic acid as an example of weak acid and buffer solution of the blood but none of them distinguished the carbonic acid from the aqueous solution of carbon dioxide. Only one textbook, however, tiered two species in the chemical equation.
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문제 정의
우선 이산화탄소와 탄산이 어떤 내용 맥락에서 어떻게 서술되고 있는지 분석함으로써 학생들에게 이산화탄소 및 탄산이 제시되는 상황들을 살펴보았다. 또한 교과서에 제시된 이산화탄소와 탄산의 반응식 종류를 조사하고 반응식의 형태가 상위 학년으로 올라감에 따라 달라지는지 확인하였다. 교과서에서 기술된 내용에 대한 논의는 최근 발표된 논문들과 본 연구에서 실시한 실험 결과를 바탕으로 하였다.
본 연구는 탄산에 관해 논의되고 있는 수용액 상에서의 분자 형태(탄산 또는 이산화탄소 수화물)에 대해, MBL 기구를 이용한 실험을 통해 알아보았다. 그리고 실험 결과와 제 7차 교육과정 고등학교 과학과 화학교과서에 제시된 이산화탄소 수용액 및 탄산에 관한 기술 내용을 비교하여 분석하였다.
본 연구에서는 탄산에 관해 위와 같이 과학적으로 논의되고 있는 쟁점을 MBL 기구를 통해 실험적으로 확인해보고, 그 결과를 고등학교 과학 교과서의 기술내용과 대비시켜봄으로써 탄산에 대한 지식을 과학적 사실에 보다 가깝게 기술하기 위한 방안을 모색하고자 다음과 같이 연구 문제를 설정하였다.
교과서 분석은 위의 실험과 관련하여 이산화탄소 수용액이나 탄산 및 탄산수에 관련한 화학 반응식 및 서술 내용이 교과서에 어떻게 제시되어 있으며 이산화탄소와 탄산의 관계에 대한 기술 및 탄산의 평형 상수에 대한 표현을 중심으로 이루어 졌다. 우선 이산화탄소와 탄산이 어떤 내용 맥락에서 어떻게 서술되고 있는지 분석함으로써 학생들에게 이산화탄소 및 탄산이 제시되는 상황들을 살펴보았다. 또한 교과서에 제시된 이산화탄소와 탄산의 반응식 종류를 조사하고 반응식의 형태가 상위 학년으로 올라감에 따라 달라지는지 확인하였다.
가설 설정
이러한 탄산에 대해서 탄산은 그 자체가 존재하지 않는다는 주장과9 존재는 하는데 물질의 상태에 따라 다르다는 주장이10-13 있어왔다. 즉 탄산에 대한 논란은 크게 두 가지로 나눌 수 있다: 첫째, 탄산이란 화합물이 분자종으로 존재하는 것인가? 둘째, 존재한다면 물속에서 탄산은 안정하게 있을 수 있는 것인가? 첫 번째 논란에 대해서는 1987년 Terlouw 등이 NH4HCO3의 열분해 반응을 통해 질량분석기로 H2CO3의 피크를 확인한 이래로 아직도 논란은 있지만 존재하는 것으로 정리되었다.11 즉 탄산은 기체상태 뿐만 아니라 액체 질소 온도 이하의 고체 상태의 얼음 속, 그리고 산 처리된 탄산 광물 표면에서 안정하면서 분명한 분자 형태로 존재하며, 기체상태의 단분자 형태와는 달리 고체 상태에서는 탄산의 이분자나 올리고머 형태로 존재하는 것으로 밝혀졌다.
물의 탄산화는 Henry의 법칙이 잘 적용되는 예로서 이산화탄소의 계속적인 bubbling으로 플라스크 내에는 공기보다 밀도가 큰 이산화탄소기체로 채워져 있을 것이므로 증류수 위에 있는 이산화탄소 기체의 부분 압력을 1atm이라고 가정하며, Henry 상수 KH는 대략 25 ℃에서의 값은 3.510‒2 M/atm이다. pH = 3.
제안 방법
MBL 장치를 이용한 실험 결과를 바탕으로 제7차 교육과정 고등학교 과학과 화학 I, II 교과서에서 다루는 이산화탄소 수용액 및 탄산수에 관한 내용을 분석하였다. 이산화탄소 수용액 및 탄산수에 대해 전체적으로 살펴보기 위해 교과서에서 설명하고 있는 내용을 교과서 개수별로 정리해보면 Table 1과 같다.
공기 중의 이산화탄소가 자연스레 물에 녹는 과정과 고체 이산화탄소, 즉 드라이아이스가 물속에서 기포를 생성하며 녹아 들어가는 과정에서 pH와 전기 전도도의 변화를 측정하였다. Fig.
본 연구는 탄산에 관해 논의되고 있는 수용액 상에서의 분자 형태(탄산 또는 이산화탄소 수화물)에 대해, MBL 기구를 이용한 실험을 통해 알아보았다. 그리고 실험 결과와 제 7차 교육과정 고등학교 과학과 화학교과서에 제시된 이산화탄소 수용액 및 탄산에 관한 기술 내용을 비교하여 분석하였다.
본 연구에서는 탈이온수를 재증류하여 얻어진 증류수를 사용하였으며, MBL (Microcomputer-based Laboratory)과학 실험 장치(Science Cube사)의 pH 센서와 전기전도도 센서 및 PT 온도계를 이용하였다. 또한 전도도 측정에서 다른 센서에 영향을 미치지 않도록 하기 위해 pH와 온도계 센서는 전도도 센서와 다른 별도의 인터페이스를 사용하여 값을 측정하였다. 탈이온수의 pH가 7이 아니므로 이것을 리비히 냉각장치를 이용하여 다시 증류하여 pH가 7인 증류수를 얻었으며 증류수를 모으는 플라스크에는 아르곤 기체를 흘려 증류수가 공기와 접촉하는 것을 최대한 방지하였다.
탈이온수의 pH가 7이 아니므로 이것을 리비히 냉각장치를 이용하여 다시 증류하여 pH가 7인 증류수를 얻었으며 증류수를 모으는 플라스크에는 아르곤 기체를 흘려 증류수가 공기와 접촉하는 것을 최대한 방지하였다. 또한, 이산화탄소가 물에 녹아 들어가면서 해리되어 수소 이온을 내놓을 때 수소이온농도의 변화를 살펴보기 위하여 MBL 실험 장치의 인터페이스에 pH-meter 센서를 연결하여 측정하였다. pH 미터는 실험 준비단계에서 pH 4.
본 연구에서는 탈이온수를 재증류하여 얻어진 증류수를 사용하였으며, MBL (Microcomputer-based Laboratory)과학 실험 장치(Science Cube사)의 pH 센서와 전기전도도 센서 및 PT 온도계를 이용하였다. 또한 전도도 측정에서 다른 센서에 영향을 미치지 않도록 하기 위해 pH와 온도계 센서는 전도도 센서와 다른 별도의 인터페이스를 사용하여 값을 측정하였다.
수용액 상에서 이산화탄소의 형태에 대한 정보를 얻기 위해 4가지 형태의 이산화탄소수용액을 준비하여 pH와 전기 전도도 변화를 시간에 따라 분석하였다. 첫째, pH 7의 증류수를 공기에 노출시킨 용액, 둘째, 증류수에 드라이아이스를 넣은 용액, 셋째, 증류수에 이산화탄소 기체를 bubbling 시킨 용액 그리고 넷째, 시중에 판매되는 탄산수(Perrier)를 준비하였다.
이산화탄소 기체는 대성산업가스사(99%) 제품을 사용하였으며 flow meter (Yamato)를 통해 일정한 속도로 주입하였다. 이산화탄소가 녹아 탄산의 형태로 변하는지를 알아보고자 수용액에서 생성되는 수소이온의 농도를 측정하였고 중탄산 이온(HCO3-)이나 탄산 이온(CO32‒)의 생성에 따른 총 이온의 흐름을 신속히 알 수 있도록 전기 전도도를 측정하였으며17 측정값이 일정한 값을 유지할 때까지 관찰하였다.
전도도 센서는 MBL실험 장치의 고분해능 센서를 이용하여 0.001 M KCl 표준용액과 공기 중에서 각각 146.7 μS/cm과 0 μS/cm으로 영점 보정하여 사용하였다.
제 7차 교육과정의 고등학교 과학교과서 12종(11종의 검인정 교과서, 차세대 교과서)과 7종의 화학 I 교과서, 8종의 화학 II 교과서를 분석하였다. 교과서 분석은 위의 실험과 관련하여 이산화탄소 수용액이나 탄산 및 탄산수에 관련한 화학 반응식 및 서술 내용이 교과서에 어떻게 제시되어 있으며 이산화탄소와 탄산의 관계에 대한 기술 및 탄산의 평형 상수에 대한 표현을 중심으로 이루어 졌다.
첫째, 실험실적으로 증류수를 공기에 노출시킨 용액, 증류수에 드라이아이스를 넣은 용액, 증류수에 이산화탄소 기체를 bubbling 시킨 용액을 만들었고 상업용 탄산수를 포함한 4가지 수용액의 pH 변화, 전기전도도 변화 및 온도 변화를 시간에 따라 관찰하였다. 이산화탄소의 형태에 따라 물과 만나는 반응 표면적이 다르기 때문에 변화의 크기에는 차이가 있었지만, 대부분 pH가 감소하고 전기 전도도는 증가하는 경향을 보였다.
첫째, pH 7의 증류수를 공기에 노출시킨 용액, 둘째, 증류수에 드라이아이스를 넣은 용액, 셋째, 증류수에 이산화탄소 기체를 bubbling 시킨 용액 그리고 넷째, 시중에 판매되는 탄산수(Perrier)를 준비하였다. 탄산수를 제외하고는 세 가지 용액의 경우 증류수 100 mL 또는 200 mL를 플라스크에 넣고 젓기 막대를 통해 교반시키면서 이산화탄소가 녹아 들어감에 따른 pH와 전기 전도도를 측정하였다. 드라이아이스는 상온에서 이산화탄소의 물에 대한 용해도가 0.
플라스크에 상업용 탄산수(Perrier) 100 mL를 넣고 일정한 온도에서 1초 간격으로 시간이 지남에 따라 pH값과 전기 전도도를 측정하였다. 그 결과 Fig.
한쪽이 열린 삼목 플라스크 속에 증류수 (100 mL)를 넣고 이산화탄소를 일정한 속도로 물속으로 bubbling시키면서 pH와 전기 전도도를 측정하였다. Fig.
대상 데이터
17 mol)을 사용하였다. 이산화탄소 기체는 대성산업가스사(99%) 제품을 사용하였으며 flow meter (Yamato)를 통해 일정한 속도로 주입하였다. 이산화탄소가 녹아 탄산의 형태로 변하는지를 알아보고자 수용액에서 생성되는 수소이온의 농도를 측정하였고 중탄산 이온(HCO3-)이나 탄산 이온(CO32‒)의 생성에 따른 총 이온의 흐름을 신속히 알 수 있도록 전기 전도도를 측정하였으며17 측정값이 일정한 값을 유지할 때까지 관찰하였다.
수용액 상에서 이산화탄소의 형태에 대한 정보를 얻기 위해 4가지 형태의 이산화탄소수용액을 준비하여 pH와 전기 전도도 변화를 시간에 따라 분석하였다. 첫째, pH 7의 증류수를 공기에 노출시킨 용액, 둘째, 증류수에 드라이아이스를 넣은 용액, 셋째, 증류수에 이산화탄소 기체를 bubbling 시킨 용액 그리고 넷째, 시중에 판매되는 탄산수(Perrier)를 준비하였다. 탄산수를 제외하고는 세 가지 용액의 경우 증류수 100 mL 또는 200 mL를 플라스크에 넣고 젓기 막대를 통해 교반시키면서 이산화탄소가 녹아 들어감에 따른 pH와 전기 전도도를 측정하였다.
성능/효과
즉 탄산에 대한 논란은 크게 두 가지로 나눌 수 있다: 첫째, 탄산이란 화합물이 분자종으로 존재하는 것인가? 둘째, 존재한다면 물속에서 탄산은 안정하게 있을 수 있는 것인가? 첫 번째 논란에 대해서는 1987년 Terlouw 등이 NH4HCO3의 열분해 반응을 통해 질량분석기로 H2CO3의 피크를 확인한 이래로 아직도 논란은 있지만 존재하는 것으로 정리되었다.11 즉 탄산은 기체상태 뿐만 아니라 액체 질소 온도 이하의 고체 상태의 얼음 속, 그리고 산 처리된 탄산 광물 표면에서 안정하면서 분명한 분자 형태로 존재하며, 기체상태의 단분자 형태와는 달리 고체 상태에서는 탄산의 이분자나 올리고머 형태로 존재하는 것으로 밝혀졌다.11-13 최근 들어 Femto 초와 같이 아주 짧은 시간으로 수용액상에서 D2CO3의 형성과 거동을 조사한 논문이 있지만14 교과서나 학교현장에서 흔히 접할 수 있는 두 번째 논란에 대해서는 아직까지 과학계에서 쟁론이 되고 있다.
22 반면 화학 II에서는 ‘화학반응’ 단원에서 ‘화학 평형’단원을 통해 평형 반응식에 관해 학습하므로 ⇄를 이용한 화학 반응식이 많이 사용됨을 확인 할 수 있었다.
한편, 고등학교 과학과 화학 교과서에 제시된 탄산의 해리 반응 및 수화반응에 관련된 화학식과 반응식에서 화살표 사용과 방향을 살펴보면 Table 2와 같다. 과학 교과서에서는 탄산의 생성과 이온화 반응식이 분석 대상 교과서에서 총 3번 등장하는데 반해 화학 I에서는 총 8번, 화학 II에서는 총 24번 등장하여 교과 과정이 상위 단계로 진행됨에 따라 반응식을 이용한 설명이 많아짐을 확인할 수 있었다. 반응식에 사용한 화살표의 종류를 살펴보면 과학과 화학 I에서 한 가지 경우만 제외하고 모두 비가역 반응 화살표(→)만을 사용하고 있다.
플라스크에 상업용 탄산수(Perrier) 100 mL를 넣고 일정한 온도에서 1초 간격으로 시간이 지남에 따라 pH값과 전기 전도도를 측정하였다. 그 결과 Fig. 5에서처럼 pH는 4.78 정도에서 시작하여 시간이 지남에 따라 점차 조금씩 증가하였으며 측정 시작 후 50분가량이 지났을 때 그 값이 5.35가 되었다. 전기 전도도는 처음에 불안정한 값을 보였으나 3 ~ 4분가량 지나면서 비교적 안정되었고 약 50분간 측정하였는데 큰 변화 없이 평균 272.
그러나 평형에 후속되는 단원인 ‘산과 염기의 반응’ 단원에서는 →를 이용한 반응식을 사용하여, 평형 반응식에 관해 일관된 표현이 이루어지지 않고 있음을 확인하였다.
둘째, 실험 결과를 바탕으로 제7차 교육과정 고등학교 과학과 화학 교과서에서 다루는 이산화탄소 수용액 및 탄산수에 관한 내용을 분석하여 보면 탄산음료를 탄산의 예로 제시하는 경우가 많았고, 탄산의 특성에 대해 단순히 약산으로 기술하고 있음과 상위 단계로 진행됨에 따라 반응식을 이용한 표현이 빈번해 짐을 확인할 수 있었다. 특히, 화학 II에서는 ‘화학 평형’ 단원을 통해 평형 반응식에 관한 개념을 학습하므로 이산화탄소 및 탄산에 관한 화학식을 평형 화살표(⇄)를 이용해 표현하는 경우가 증가하는 것으로 보인다.
또한, ‘용액’ 단원에서 기체의 용해도를 설명할 때 예로서 탄산음료를 지적한 교과서는 7종이었으나 구체적으로 탄산 기체나 이산화탄소를 언급한 교과서는 2종뿐이었다.
세 가지 이산화탄소 수용액 중에서 pH 변화가 크고 일정시간동안 같은 값을 유지하는 CO2 bubbling 용액을 택하여 탄산의 평형상수 Ka1를 구한 결과 5.7 × 10‒7로서 문헌에서 알려진 수치와 실험오차 범위 안에서 유사한 것으로 나타났다.
이산화탄소가 용해되면 대부분은 수화된 형태로 존재하고 탄산 분자가 일부 생성된다는 선행 연구들의 결과를 MBL을 이용해 확인할 수 있었다. 실험 결과 pH가 약산을 나타내는 것은 이산화탄소와 탄산의 평형 반응에 의한 것으로 판단할 수 있다. 교과서에 제시된 탄산의 산해리 상수(Ka1)는 순수한 탄산의 산 해리 상수가 아니라 이산화탄소와 탄산의 평형에 의한 것임에도 불구하고 ‘이산화탄소는 물에 약간 녹아 약한 산성 용액인 탄산(H2CO3)을 생성한다’고 탄산이 약산임을 설명하고 있었다.
그리고 실험 결과 얻은 pKa1값과 교과서에 제시한 탄산의 pKa1이 유사하였으므로 탄산의 산 해리 상수 값의 수정이나, 반응물인 탄산(H2CO3)의 표현 대신 이산화탄소 수화물 등으로의 수정이 필요할 것으로 보인다. 실험 결과에서와 같이 수용액에서 이산화탄소는 탄산의 형태가 아닌 수화된 이산화탄소로도 존재하고 있음을 표현한 교과서는 화학 II 교과서 8종 중 1종에 불과하였지만 이마저도 표현된 이산화탄소 수화물에 대한 설명이 없어 표현의 의미가 학생들에게 전달되기 어려울 것으로 보인다. 그러므로 이산화탄소가 물에 용해되어 일부 분자는 탄산이 되고 나머지는 수화된 형태로 존재함을 교사의 설명이나 교과서의 추가적인 서술을 통해 전달해야할 것이다.
앞의 실험연구에서 이산화탄소를 물에 녹이면서 pH와 전기 전도도 변화를 살펴 본 결과, 이산화탄소를 물에 녹이기 시작하자마자 전기 전도도가 빠르게 증가하였으므로 이산화탄소가 물에 녹으면 빠르게 이온화하는 물질이 됨을 알 수 있었다. 이산화탄소가 물에 녹으면 탄산 분자가 일부 생성되나, 이렇게 생성된 탄산은 수용액에서 빠르게 해리되어 이온화 되므로 실험을 통해 구한 산 해리 상수나, 교과서에 제시되어 있는 산 해리 상수는 이산화탄소의 수화물과 탄산의 혼합물의 평형 해리상수로 볼 수 있다.
처음부터 전기 전도도가 큰 것은 드라이아이스 제조에 따른 불순물 때문으로 여겨지며 물속에서 용해되어 탄산으로 변해가면서는 그 차이는 대략 10 μS/cm 이하로 관찰되었다. 이것으로 물속에 CO2 용해량이 많아져서 상대적으로 탄산 생성의 확률이 높아졌고 따라서 수소이온 농도의 증가와 중탄산 이온, 탄산 이온 종 등에 의한 전기전도도의 증가를 확인할 수 있었다. 3분 이후 pH 변화량을 측정하였더니 pH값은 조금 증가하여 4.
첫째, 실험실적으로 증류수를 공기에 노출시킨 용액, 증류수에 드라이아이스를 넣은 용액, 증류수에 이산화탄소 기체를 bubbling 시킨 용액을 만들었고 상업용 탄산수를 포함한 4가지 수용액의 pH 변화, 전기전도도 변화 및 온도 변화를 시간에 따라 관찰하였다. 이산화탄소의 형태에 따라 물과 만나는 반응 표면적이 다르기 때문에 변화의 크기에는 차이가 있었지만, 대부분 pH가 감소하고 전기 전도도는 증가하는 경향을 보였다. 이산화탄소가 물을 만나 탄산이 되어 그 형태를 유지한다면 전기전도도는 변함이 없어야 하지만 넣자마자 그 값이 증가한다는 것은 이온이 즉각적으로 발생하였다는 것을 의미하고 그 이온 중의 하나는 pH 증가로 나타나는 수소 이온일 것이다.
1 ℃로 측정되었다. 이와 같이 pH가 최저점이었다가 약간 상승하는 현상은 반복 실험을 통해서도 확인할 수 있었는데 이것은 200 mL의 물을 저어줌에도 불구하고 드라이아이스 주입 초기에 드라이아이스의 계면 온도가 용액의 다른 곳보다 온도가 매우 낮아 탄산의 용해도 증가를 가져와 발생한 것으로 여겨지며 Fig. 3에서 처럼 용액의 온도변화가 온도가 비록 낮아진다 하더라도 덜 변하는 구간(대략 4분)에 이르면 전체 용액의 온도가 균일한 상태에 이르면서 표면 용해도가 다소 떨어지면서 전체 용액의 pH가 약간 올라가는 것으로 여겨진다. 이산화탄소의 물에 대한 용해도는 온도에 민감하여 20 ℃에서 0 ℃로 내려갈 경우 거의 두 배로 높아진다.
전기 전도도는 처음에 불안정한 값을 보였으나 3 ~ 4분가량 지나면서 비교적 안정되었고 약 50분간 측정하였는데 큰 변화 없이 평균 272.19 μS/cm 정도를 나타내었다.
첫째, 실험실에서 이산화탄소를 용해시켜 얻은 용액은 탄산인가, 이산화탄소 수용액인가?
하지만, 교과 과정 상에서 ‘화학 평형’의 후속 단원에 해당하는 ‘산과 염기의 반응’ 단원에서 나타난 화학 반응식에서는 비가역 반응 화살표(→)를 이용하여 표현하고 있어 표현에 있어 일관성이 낮음을 확인하였다.
화학 I의 경우 ‘공기’ 단원에서 공기의 구성 물질인 이산화탄소의 쓰임에 관해 설명하면서 탄산음료의 제조에 이용된다고 서술한 교과서는 4종이었다. 화학 II 교과서에서는 혈액 내 완충 작용으로 탄산의 평형 반응을 8종 교과서 중 7종 교과서에서 다루고 있음을 확인할 수 있었다. 또한, ‘용액’ 단원에서 기체의 용해도를 설명할 때 예로서 탄산음료를 지적한 교과서는 7종이었으나 구체적으로 탄산 기체나 이산화탄소를 언급한 교과서는 2종뿐이었다.
후속연구
교과서에 제시된 반응식을 통해서는 이산화탄소가 물에 녹아 ‘모두’ 탄산이 되는 것처럼 비춰질 수 있어 수화된 이산화탄소에 대한 학생들의 이해가 어려울 것으로 보인다. 그러나 용해된 이산화탄소에 대한 학생들의 이해를 조사한 연구가 없으므로 실제로 학생들은 이산화탄소의 용해에 대해 어떻게 받아들이는지 에 대한 추후 연구가 진행되어야 할 것이다.
실험 결과에서와 같이 수용액에서 이산화탄소는 탄산의 형태가 아닌 수화된 이산화탄소로도 존재하고 있음을 표현한 교과서는 화학 II 교과서 8종 중 1종에 불과하였지만 이마저도 표현된 이산화탄소 수화물에 대한 설명이 없어 표현의 의미가 학생들에게 전달되기 어려울 것으로 보인다. 그러므로 이산화탄소가 물에 용해되어 일부 분자는 탄산이 되고 나머지는 수화된 형태로 존재함을 교사의 설명이나 교과서의 추가적인 서술을 통해 전달해야할 것이다.
이는 반응에 대한 모호한 인식을 줄 수 있으므로, 학생들의 과학 개념에 대한 정확한 이해를 돕기 위해 교과서에서의 표현이 일관되어야 할 것으로 보인다. 그리고 실험 결과 얻은 pKa1값과 교과서에 제시한 탄산의 pKa1이 유사하였으므로 탄산의 산 해리 상수 값의 수정이나, 반응물인 탄산(H2CO3)의 표현 대신 이산화탄소 수화물 등으로의 수정이 필요할 것으로 보인다. 실험 결과에서와 같이 수용액에서 이산화탄소는 탄산의 형태가 아닌 수화된 이산화탄소로도 존재하고 있음을 표현한 교과서는 화학 II 교과서 8종 중 1종에 불과하였지만 이마저도 표현된 이산화탄소 수화물에 대한 설명이 없어 표현의 의미가 학생들에게 전달되기 어려울 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
실험수업은 무엇인가?
과학 교육은 과학의 기본 개념을 이해하고, 과학적 사고력과 창의적 문제 해결력을 길러, 일상 생활의 문제를 창의적이고 과학적으로 해결하는 데 필요한 과학적 소양을 기르는데 그 목적을 두고 있다.1 특히 실험수업은 과학 교육에서 목표로 하는 창의적인 문제 해결력을 증진시켜 주며 이론적 지식의 이해를 도와주는 역할 및 학습자의 흥미를 유발시킬 수 있으므로 과학 수업에 필수적이고 가장 효과적인 교수 방법 중의 하나라고 할 수 있다.
과학 교육의 목적은 무엇인가?
과학 교육은 과학의 기본 개념을 이해하고, 과학적 사고력과 창의적 문제 해결력을 길러, 일상 생활의 문제를 창의적이고 과학적으로 해결하는 데 필요한 과학적 소양을 기르는데 그 목적을 두고 있다.1 특히 실험수업은 과학 교육에서 목표로 하는 창의적인 문제 해결력을 증진시켜 주며 이론적 지식의 이해를 도와주는 역할 및 학습자의 흥미를 유발시킬 수 있으므로 과학 수업에 필수적이고 가장 효과적인 교수 방법 중의 하나라고 할 수 있다.
수용액 상에서는 탄산이 존재하더라도 이산화탄소의 양에 비해 훨씬 적을 것으로 여겨지는 근거는 무엇인가?
이산화탄소의 형태에 따라 물과 만나는 반응 표면적이 다르기 때문에 변화의 크기에는 차이가 있었지만, 대부분 pH가 감소하고 전기 전도도는 증가하는 경향을 보였다. 이산화탄소가 물을 만나 탄산이 되어 그 형태를 유지한다면 전기전도도는 변함이 없어야 하지만 넣자마자 그 값이 증가한다는 것은 이온이 즉각적으로 발생하였다는 것을 의미하고 그 이온 중의 하나는 pH 증가로 나타나는 수소이온일 것이다. 따라서 수용액 상에서는 탄산이 존재하더라도 이산화탄소의 양에 비해 훨씬 적을 것으로 여겨진다.
참고문헌 (24)
Ministry of Education, Curriculum guideline book for high school-science; Daehan Printing & Publishing: Seoul, 1997.
Nam, M.-J.; Yoon, H, S.; Jeong, D. H.; Chae, H. K. J. Kor. Chem. Soc. 2009, 53, 51.
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