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아민 강
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1 연구논문현장과학교육 4(1) pp46~51 (2010 년 2 월 ) 이성훈, 강성주 *, 송기형 한국교원대학교화학교육과, 충청북도 A Research about the Development of the Simple Colorimeter and the Application to the Determination of Equilibrium Constant on the Chemical Reaction Lee Seung Hoon, Seong-Joo Kang * and Kihyung Song Department of Chemistry Education, Korea National University of Education, Chungbuk , Korea 요약 Blue-diode, UV cell, CdS photoresistor 와검류계센서를사용하여간단한색도계를제작하였으며, 이색도계를사용하여화학반응의평형상수를계산하였다. 제작된색도계의정밀성과정확성이높았으며고등학교교육과정과대학교기초과정에제시된다양한반응의평형상수를계산하는데이용될수있다. 주제어 : 색도계, 화학평형, 평형상수결정 1) 서론 과학교육에있어서경험을축적하고현상을이해하기위해직접손으로다루어보는실험활동은매우중요하며, 특히이론과실험을통합적으로가르치는것이효과적이다 (Woolnough and Allsop, 1985; 김현경과최병순, 2005). 이러한실험은추상적인과학지식을학습지도하는데효과적이며, 과학의본질을이해시키고과학에대한태도를함양시키는데유용한교수법이다 (Tamir, 1977; 이화정과강성주, 2005). 이에중등과학교육에탐구적실험교육을정착시키려는노력은실험개발, 실험연구등을통해지속적으로다양하게이루어지고있다. 그러나일부실험활동의경우고가의분석장비를필요로하여 본연구는 2009 년한국교원대학교기성회계연구지원으로연구됨 * 교신저자 : sjkang@knue.ac.kr 2010 년 1 월 25 일접수, 2010 년 2 월 14 일 1 차수정, 2010 년 2 월 16 일 2 차수정, 2010 년 2 월 17 일통과. 중 고등학교나대학의기초과정에서이론적학습은이루어지나실험활동이불가능한경우가있다. 이러한고가의분석장비를대체할수있는간단한분석장비를개발하여학교현장에서사용할수있도록하는연구는그응용성이크지만잘이루어지지않고있는실정이다. 색도계 (Colorimeter) 는동일한광원에서빛이나와표준용액과시료를통과해온빛의세기를비교하여시료의농도를구하는장비로 Duboscq 색도계가보고되었다 (Stock, 1994). Gordon and Harman(2002) 은실린더에가한시료의양을변화시키면서간단한색도계를이용한흡광도측정에서가한부피와흡광도사이에선형관계가유지됨을보였다. 또한, LED 을사용한색도계를제작하여 Beer-Lambert 법칙에적용한연구가보고되었다 (Hamilton et al.,1996; Lisensky et al., 2001; Mozo, 2001; Seeley et al., 2005). 그러나이러한간단한색도계를사용한화학반응의평형에관한연구는그예가아주드물다.

화학평형은화학내용이해에서중요한부분으로고등학교교육과정에서다루고있다. 화학평형의정도는평형상수로나타내는데, 이러한평형상수를결정하는실험활동은 UV-Vis, IR, NMR 등의기기를이용한다. 그러나이와같은기기는고가이므로고등학교교육과정에서사용하는것은거의불가능하며, 대학의기초과정에서도잘사용하지않는실정이다.

연구방법 색도계장치개발에사용된재료와평형상수결정에적용한 Fe 3+ +SCN - [Fe(SCN)] 2+ 반응의실험절차는다음과같다. 색도계장치개발색도계장치개발에사용된 blue-led, CdS photoresistor, MBL 검류센서의특성과학생들의색도계제작과정은다음과같다. CdS photoresistor 검출기로는빛에감응하는전기장치이면가능하다.

2 화학평형은화학내용이해에서중요한부분으로고등학교교육과정에서다루고있다. 화학평형의정도는평형상수로나타내는데, 이러한평형상수를결정하는실험활동은 UV-Vis, IR, NMR 등의기기를이용한다. 그러나이와같은기기는고가이므로고등학교교육과정에서사용하는것은거의불가능하며, 대학의기초과정에서도잘사용하지않는실정이다. 이에본연구에서는평형반응의평형상수결정에사용될수있는색도계를간단하게만들수있는방법을제시하고, 실제화학반응에서평형상수를결정하는과정을제시하고자한다. 또한, 예비교사들이실제로간단한색도계를만들어보는과정을경험하여보고자한다. 그림 1. Blue LED. 연구방법 색도계장치개발에사용된재료와평형상수결정에적용한 Fe 3+ +SCN - [Fe(SCN)] 2+ 반응의실험절차는다음과같다. 색도계장치개발색도계장치개발에사용된 blue-led, CdS photoresistor, MBL 검류센서의특성과학생들의색도계제작과정은다음과같다. CdS photoresistor 검출기로는빛에감응하는전기장치이면가능하다. 색도계장치개발초기단계에는디지털조도계 (T-10) 를사용하였으나광원에비해장치의크기가크고외부의빛을차단하기가곤란하여가변저항인 CdS photoresistor 를사용하였다. 사용한 CdS photoresistor(g-tec. Scientific Ltd.) 의저항값은빛의세기에반비례하며, 그모양은그림 2에나타내었다. 1) 색도계장치의구성재료 LED LED는크기, 모양그리고시야각에따라여러종류가있으며본연구에서사용된 LED는 ITSWELL 에서시판되는원형타입의고휘도 LED로직경이 5 mm이고시야각이 30 인것을사용하였다. 사용한고휘도 LED는그색깔에따라주파장과광도가다르며자세한사항은표 1과그림 1에나타내었다. Fe 3+ + SCN - [Fe(SCN)] 2+ 반응의생성물흡수띠는 458nm 에서최대흡수를보이므로 blue LED(ITSWELL) 를사용하였다. 그림 2. CdS photoresistor. 표 1. 고휘도 LED의특성 광원색 주파장 ( nm ) 광도 (at 20mA ) 시야각 Blue 450~ cd 30 Green 210~ cd 30 Yellow 583~ cd 30 Red 615~ cd 30 MBL 검류센서검출기로가변저항을사용하였기때문에저항측정기를연결하여기록할수있지만 CdS photoresistor 의저항의크기가 10 Lux에서최소 30 kω이나오기때문에바로저항을기록하기에는어려움이있다. 따라서이점을보안하기위해검출기에 12V의전압을연결하고 ScienceCube 의 MBL 검류센서를이용하여실시간으로데이터를기록하였다. 47

3 현장과학교육 4(1) 2) 색도계제작활동 H 대학교화학교육과 1학년일반화학실험수업시간에학생들이간단한색도계를제작하는활동은그림 3에제시된전개도를이용하여아래와같은과정을거쳐수행되었다. 1) 골판지에자와연필을이용하여전개도면을그린다. 2) 그린전개도면을가위나칼을이용하여자르고, 내부면을검은색으로칠한다. 3) 가운데정사각형구멍은 cell이들어가는자리이므로최대한정밀히자른다. 4) 자른전개도는조립한후주위에빛이새어들어가지않도록절연테이프를붙인다. 5) A에 blue-led를 B에 CdS photoresistor를장착한후, 전기를걸어주어빛이일직선으로나가게맞추어준다. 6) 색도계 Kit 를움직이지않게고정시킨후실험을수행한다. 3) KSCN을증류수에녹여 0.02M KSCN 100 ml를제조한다. 4) 과정 3에서만든시약을 10배희석한다. 5) 0.2M Fe(NO 3) 3 9H 2O 9 ml와 0.002M KSCN 1 ml를섞어표준용액을제조한다. 6) 비어있는 4개의 test tube 에 0.002M Fe(NO 3) 3 9H 2O 5 ml를취한다. 7) 과정 6에서의 test tube에 0.002M KSCN을각각 2, 3, 4, 5 ml씩취하고나머지는증류수로채워 10 ml를만든다. 8) 각용액을색도계의 UV-cell 에넣고흡광도를측정하고평형상수를결정한다. 9) 같은방법으로 UV-Vis 분광기 (Hewlett Packard 8452A) 를사용하여평형상수를결정한다. 연구결과 색도계장치개발 실험실에서사용되는분광기는광원, 시료셀, 검출기로구성되어있다. 광원에서방출되는빛 ( 광전자다발 ) 은시료를통과한후검출기에도달하는데, 이때시료용액에포함된화합물은광전자를흡수할수있다. 즉시료용액의광전자흡수정도에따라광원에서방출된빛의세기와검출기에도달한빛의세기가달라질수있다. 색도계는이러한빛의세기차이를자료화하여제공한다. 본연구에서는광원으로 blue-led, 검출기로 CdS photoresistor 와 MBL의검류센서를이용한간단한색도계장치를개발하였다. 광원의빛의세기는전류에비례하며, 흡광도를나타내는 Beer 법칙에적용하면다음과같은관계가성립한다. 그림 3. 색도계 kit 전개도 ( 단위, mm). Iron(Ⅲ) Thiocyanate 반응의평형상수결정 Fe(NO 3) 3 와 KSCN 을혼합하여 [Fe(SCN)] 2+ 가생성되는반응에서평형상수는다음과같은과정으로결정하였다. 1) Fe(NO 3 ) 3 9H 2 O를 1.0M HNO 3 에녹여 0.2M Fe(NO 3 ) 3 9H 2O 100 ml를제조한다. 2) 과정 1에서만든시약을 100배희석한다. 빛의세기 (L) 전류 (I) 흡광도 = -log(l s/l b) = -log(i s/i b)= log(i b/i s) (b: blank, s: sample) LED에직류전원공급장치를사용하여 9V의전압을공급하여주었으며 100Ω의저항을연결하였다. 광원에서나온빛은시료를지나검출기로향하며, 검출기에 12V의전압을연결하고 MBL 검류센서를연결하여자료화한다. 이렇게수집한자료는 Beer 의법칙에의해흡광도로전환된다. 개발된색도계설계도면의대략적인모식도는그림 4에나타내었으며완성된색도계는그림 5와같다. 48

100Ω 12V MBL 9V A PC 시료 (UV cell) 그림 4. 색도계장치모식도. 그림 5. 완성된색도계장치. 화학반응의평형상수결정 고등학교교육과정에서화학평형을다루고있으며, 반응이평형에도달하였을때반응물과생성물의농도비로평형상수를계산한다. 그러나고등학교학교현장에서는분광계를사용할수있는실정이아니므로실험을통하여평형상수를결정하는교육은이루어지지않고있다.

4 100Ω 12V MBL 9V A PC 시료 (UV cell) 그림 4. 색도계장치모식도. 그림 5. 완성된색도계장치. 화학반응의평형상수결정 고등학교교육과정에서화학평형을다루고있으며, 반응이평형에도달하였을때반응물과생성물의농도비로평형상수를계산한다. 그러나고등학교학교현장에서는분광계를사용할수있는실정이아니므로실험을통하여평형상수를결정하는교육은이루어지지않고있다. 여기서는앞에서개발된색도계를이용하여반응의평형상수를결정하고자한다. 무색인 Fe 3+ 와 SCN - 가반응하면붉은색을띠는 [Fe(SCN)] 2+ 착이온이생성되므로생성된착이온의농도 (x) 를구하여착이온생성반응의평형상수를결정할수있다. 여기서 a와 b는각각 Fe 3+ 및 SCN - 의처음농도이고생성된착이온의농도는착이온의표준용액과색을비교하여구할수있다. 표준용액은선행연구에보고된방법을토대로실험을재구성하였다 (Stolzberg, 1999; Lahti et al., 1999; Cobb, 1998). 표준용액의 [Fe(SCN)] 2+ 농도를미리알고있어야하는데이과정은 SCN - 를소량포함하고있는용액에과량의 Fe 3+ 를가하여평형을 [Fe(SCN)] 2+ 쪽으로거의이동시킴으로써만들수있다. 즉, 이렇게만든표준용액중의 [Fe(SCN)] 2+ 의농도는처음에가한 SCN - 의농도와거의같다. 표준용액은시험관에 0.2 M Fe(NO 3) 3 9H 2O(in HNO M) 용액 9.0 ml와 M KSCN 1.0 ml를혼합하여만든다. 4개의시료용액은각각의시험관에표준용액제조에서사용한 0.2 M Fe(NO 3) 3 9H 2O(in HNO M) 용액을 100배희석한 M Fe(NO 3) 3 9H 2O 용액 5 ml를취한후시료 1에는 M KSCN 2.0 ml, 시료 2에는 M KSCN 3.0 ml, 시료 3에는 M KSCN 4.0 ml, 시료 4에는 M KSCN 5.0 ml를취하고 10.0 ml가될때까지증류수를가해제조한다. 제조한표준용액과 4개시료의흡광도를측정하여평형상태에서의 [Fe(SCN)] 2+ 농도를구하고평형상수를계산한다. 개발된색도계장치를이용하여 [Fe(SCN)] 2+ 평형반응실험을수행하고평형상수를구하였으며, UV-Vis 분광기를이용한평형상수값과비교하여보았다. 색도계와 UV-Vis 분광기장치를이용하여구한평형상수는표 2와표 3에제시되었다. 색도계장치를이용하여구한평형상수는 221이고 UV-Vis 분광기를이용하여구한평형상수는 220으로 UV-Vis 분광기에 49

5 현장과학교육 4(1) 표 2. 색도계를이용하여구한평형상수. 구분전류 ( ma ) Abs [Fe 3+ ] eq [SCN - ] eq [Fe(SCN)] 2+ eq K 증류수 standard 시료 시료 시료 시료 평균 221(6.95) a a 괄호는표준편차값이다. 표 3. UV-Vis 분광기를이용하여구한평형상수. 구분 Abs (458nm) [Fe 3+ ] eq [SCN - ] eq [Fe(SCN)] 2+ eq K standard 시료 시료 시료 시료 평균 220(5.23) 대한색도계장치의오차율을구하면 0.45 % 이다. 즉, 색도계 장치로정확한데이터를얻을수있다. 학생들의색도계만들기활동 일반화학실험시간에대학교 1학년학생들을대상으로색 도계만들기활동을실시하였다. 하드보드지, blue-led, CdS photoresistor, MBL 장치와설계도면을제시하고, 학생들이직 접간단한색도계를만들어보았으며, 반응의평형상수를측정 하였다. 결론 광원으로 blue-led, 검출기로 CdS photoresistor 와검류센서를이용한간단한색도계장치를개발하였다. 개발된색도계를사용하여 Fe 3+ +SCN - [Fe(SCN)] 2+ 반응의평형상수를결정하였으며, 분석결과를고가분광기의자료와비교하여사용타당성을증명하였다. 이와같은간단한분광기는다른화학반응의평형상수결정에도사용될수있다. 예로써, 과망간산칼륨 (KMnO 4 ) 과옥살산나트륨 (Na 2 C 2 O 4 ) 의평형반응에서평형상수를결정할수있다. 이와같은색도계를사용하면고가의장비가갖추어져있지않아도고등학교교육과정에서제시되는화학반응의평형상수를결정하는실험을수행할수있다. 또한, 학생들이직접분광기를제작하여봄으로써평형반응에대한이해뿐만아니라, 다이오드, 광전지등의원리를이해할수있는간학문적인활동을제공할수있다. Abstract The simple colorimeter was built using blue-diode, UV cell, CdS photoresistor, galvanometer and was used for the determination of the equilibrium constant on chemical reactions. The precision and accuracy of the simple colorimeter were high enough for the determination of the equilibrium constant on the chemical reactions shown in the high school and undergraduate curricula. Key Words : Colorimeter, chemical equilibrium, determination of equilibrium constant 참고문헌 김현경, 최병순 (2005) Small scale chemistry 에대한교사들의인식. 대한화학회지. 49(2): 이화정, 강성주 (2005) 교사양성대학에서의일반화학실험개선과적용. 한국과학교육학회지. 25(3): Cobb CL (1998) Iron(Ⅲ) Thiocyanate Revisited: A Physical Chemistry Equilibrium Lab Incorporating Ionic Strength Effects. J. Chem. Educ. 75(1): Gordon J and Harman S (2002) A Graduated Cylinder Colorimeter: An Investigation of Path Length and the Beer-Lambert Law. J. Chem. Educ. 79(5): Hamilton JR, White JS and Nakhleh MB (1996) Development of a Low-Cost Four-Color LED Photometer. J. Chem. Educ. 73(11): Lahti M, Vilpo J and Hovinen J (1999) Spectrophotometric Determination of Thiocyanate in Humman Saliva. J. Chem. Educ. 76(9): Lisensky GC, Condren SM, Widstrand CG, Britzer J and Ellis AB (2001) LEDs Are Diodes. J. Chem. Educ. 78(12): 1664A-1664B. 50

6 Mozo JD (2001) Application of Light Emitting Diodes to Chemical Analysis: Determination of Copper in Water. J. Chem. Educ. 78(3): Seeley JV, Bull AW, Fehir RJ and Cornwall S (2005) A Simple Method for Measuring Ground-Level Ozone in the Atmosphere. J. Chem. Educ. 82(2): Stock JT (1994) The Duboscq Colorimeter and Its Inventor. J. Chem. Educ. 71(11): Stolzberg RJ (1999) Discovering a Change in Equilibrium Constant with Change in Ionic Strength. J. Chem. Educ. 76(5): Tamir P (1977) How are the laboratories used?. Journal of Research in Science Teaching 14(3): Woolnough BE and Allsop T (1985) Practical Work in Science. Cambridge: Cambridge University. pp

36 Chap 20 : Conjugated Systems 20.1 Stability of Conjugated Dienes Diene : 2 개의 C=C 이중결합을가진화합물 C 1,4-Pentadiene 1,3-Pentadiene 1,2-Pentadiene (unconj

36 Chap 20 : Conjugated Systems 20.1 Stability of Conjugated Dienes Diene : 2 개의 C=C 이중결합을가진화합물 C 1,4-Pentadiene 1,3-Pentadiene 1,2-Pentadiene (unconjugated diene) (conjugated diene) (cumulated diene)