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애윤 담
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1 Journal of the Korean Chemical Society 2004, Vol. 48, No. 2 Printed in the Republic of Korea 산 - 염기중화반응실험의문제점분석및개선방안전영화 홍란선 강영진 강성주 * 한국교원대학교화학교육과 ( 접수 ) An Analysis and Improvement of the Experiment of the Acid-Base Neutralization Reaction Yeong-Hwa Jeon, Lansun Hong, Youngjin Kang, and Seong-Joo Kang* Department of Chemistry Education, Korea National University of Education, Chungbuk , Korea (Received July 14, 2003) 요약. 이연구에서는산-염기중화반응의실험방법에관련된과학교과서내용을분석하고, 문제점을개선하는데목적이있다. NaOH-HCl 수용액의중화반응실험에서 1) 페놀프탈레인의 decoloration, 2) 염생성확인을위해적정된용액의농축을위한가열과정에서의색변화, 3) 염결정확인의어려움이문제점으로지적되었다. 이러한문제점들은페놀프탈레인의구조변화에근거하여설명하였고, 개선된실험방법을제시하였다. 주제어 : 중화반응, 페놀프탈레인, 지시약 ABSTRACT. The aim of this study is to analyze and improve the experiment of the acid-base neutralization reaction described in science textbooks. The problems in the neutralization reaction of NaOH-HCl solution were following; 1) the decoloration of phenolphthalein solution, 2) the color change of the titrated solution during condensation for the confirmation of the salt crystals, 3) the difficulty for the confirmation of the salt crystals. These problems are explained by the structure change of phenolphthalein and the improved experiment is proposed. Keywords: Neutralization reaction, Phenolphthalein, Indicator 서론 연구의필요성및목적오늘날과학교육을통해달성해야할목표는크게인지적인능력, 탐구능력, 정의적인능력으로나누어말해지고있다. 제 6 차및 7 차교육과정의중학교과학과의총괄목표를 자연현상과사물에대하여흥미와호기심을가지고과학의지식체계를이해하며, 탐구방법을습득하여창의적으로문제를해결하는능력을기르게한다. 라고공통적으로제시하고있듯이탐구능력신장이과학교육목표로크게대두되면서조별실험교육방법이학생들의탐구능력향상과과학적태도함양에중요한몫을차지하게되었다. 이는과학의 본질적요소인지식과탐구과정이라는두가지측면을실험실수업인탐구학습을통하여달성하고자함이다. 1 많은과학교육자들은과학교육에서의구체적실험활동이과학의기본개념을이해하고자연을과학적으로탐구하는능력을기르며자연현상과과학학습에흥미와호기심을가지고, 실생활의문제를과학적으로해결하려는태도를기른다고주장한다. 특히학생들의인지수준이 Piaget 의인지발달단계상구체적조작기가대부분인중등학교의과학교육에서실험은매우중요하다. 과학지식이모두실험을통해서획득되는것은아니지만잘구성된실험은학생들에게흥미와관심을주어과학에대해긍정적인태도를갖게하며, 새로운과학개념을이해하는데도움이된다

2 190 전영화 홍란선 강영진 강성주 이렇게과학교육에있어서실험교육이중요함에도불구하고, 학생의인지발달수준을넘어서는복잡한실험과정때문에실험의목표를상실하거나제시된실험자체의오류즉, 실험설계가잘못되어있거나준비물이부적합하여잘못된실험결과를낳게하고있다. 3 또한실험학습에있어서우선되어야하는것은학생들에대한이해이다. 학습자들의특성을이해하고그들의관심을고려한실험전략이더욱더효과적이라는것이다. 그리고실험시문제점이나타나고있음을많은교사들이알고있으나그원인을모르고있으며원인을알기위해많은방법으로노력을하지만쉽게그원인을알지못해답답한상태로학생들에게실험을시행하고있는실정이기때문에학생들의올바른개념형성에방해가되고있는상황이다. 이연구는산 - 염기중화반응실험 (NaOH-HCl 중화반응 ) 에서나타나는문제점을분석하고혼란을야기시킬수있는실험과정의문제점을개선하여학생들의특성에맞는실험방법을제시하는데그목적이있다. 연구내용및방법 연구내용 1. 제 6차교육과정중학교 3학년과학교과서및제 7차교육과정고등학교 1학년과학교과서의중화반응실험내용, 결과및설명에관해분석한다. 2. 현직교사들이갖고있는중화반응실험에관한내용인식및문제점을조사한다. 3. 교과서에제시된중화반응실험의문제점및원인을알아보고실험의개선방안을제시한다. 연구방법교과서분석제 6차교육과정의중학교 3학년과학 5종과제 7차교육과정의고등학교과학교과서 6종에서중화반응실험의탐구과정과내용을분석하였다. 분석된교과서의종류및약어는다음과같다. 1 제 6차교육과정중학교 3학년과학 6A 교학사 ( 정창희외 11인, 1998년 ) 6B 금성교과서 ( 김시중외 13인, 1998년 ) 6C 두산동아 ( 강영희외 12인, 1998년 ) 6D 지학사 ( 공구영외 12인, 1997년 ) 6E 한샘출판 ( 권재술외 8인, 1994년 ) 2 제 7차교육과정고등학교과학 7A 교학사 ( 정완호외 9인, 2002년 ) 7B 금성교과서 ( 이문원외 13인, 2002년 ) 7C 대한교과서 ( 이규석외 9인, 2002년 ) 7D 도서출판디딤돌 ( 김찬종외 7인, 2002년 ) 7E 문원각 ( 성민웅외 10인, 2002년 ) 7F 중앙교육진흥연구소 ( 우규환외 11인, 2002년 ) 과학교사중화반응설문조사한국교원대학교교육대학원에다니고있는중학교과학교사 30명을대상으로중화반응실험에관한설문조사를실시하였다. 중화반응에관한내용은제6차교육과정에서는중학교 3학년과정에서학습하던내용이었으나제7차교육과정이시작되면서고등학교에서학습하도록개편되어고등학교교사중실험을실시해본사람이거의없었기때문에중학교교사들을대상으로실시하였다. 설문내용은중화반응실험선택및선수실험실시여부, 사용하는지시약의종류및중화적정방법등중화반응전반적인것에대한인식과실험시나타나는문제점및그원인의이해등을조사하였으며지역, 성별, 나이는고려하지않았다. 학생의중화반응실험실시충주시에위치한남녀공학중학교의 3학년학생을대상으로실험을실시하였다. 한학급은보통 5명씩 8 개의소집단을형성하여실험을실시하였으며, 기본적으로여러학업수준의학생들이한소집단을이루도록하였다. 실험은 6D교과서에제시되어있는방법 (5.0% NaOH- HCl 수용액, 페놀프탈레인지시약 ) 을이용하여 NaOH 수용액을 HCl 수용액으로중화하는방법을사용하였다. 중화된용액의 ph는적정후즉시 ph미터을이용하여측정하였다. 페놀프탈레인 Decoloration 실험 0.5%, 1.0%, 2.0%, 5.0% 농도의 NaOH 수용액 20 ml 에페놀프탈레인 4방울을넣고잘저어준후 1분, 2분, 3분, 4분, 5분경과후캠코더를이용하여색변화를촬영하였다. 연구결과및논의 교과서분석산 - 염기중화반응에관한내용은제 6 차교육과정에서는중학교 3 학년에서, 제 7 차교육과정에서는고등학교 1 학년과학교과서에서다루고있다. 우선제 6 차 Journal of the Korean Chemical Society

3 산 - 염기중화반응실험의문제점분석및개선방안 191 교육과정에서제시하는중학교 3학년교과서를분석하여보면 5종교과서모두 NaOH-HCl수용액을사용하고있으며시약의농도는 4종교과서 (6A, 6B, 6C, 6E) 가 2.0 %(0.50 M), 1종교과서 (6D) 는 5.0 %(1.25 M) 을제시하고있었다 (Table 1). 지시약으로는 2종의교과서 (6A, 6D) 에서페놀프탈레인용액을, 2종의교과서 (6B, 6C) 에서 BTB용액을, 1종의교과서 (6E) 에서만능지시약을사용하고있다. 중화적정방법을보면페놀프탈레인용액을지시약으로사용하는교과서는모두 NaOH수용액을 HCl수용액으로중화시키는방법을제시하고있다. 7차교육과정에서새롭게제시하는고등학교교과서에서는 5종의교과서 (7A, 7C, 7D, 7E, 7F) 가 NaOH- HCl수용액, 1종의교과서 (7B) 는 NH4OH-날숨을사용하였다 (Table 2). NaOH-HCl수용액적정에서 4종교과서 (7A, 7C, 7E, 7F) 가 2.0%(0.50 M) 농도수용액을, 1 종교과서 (7D) 는약 0.40%(0.10 M) 농도수용액을사용하였다. NaOH-HCl수용액적정에서사용된지시약의종류는 7A와 7C 교과서는페놀프탈레인용액을, 3종교과서 (7D, 7E, 7F) 는 BTB용액을사용하였다. 또한중학교교과서에제시되었던실험활동이지시약의색변화로중화되는현상을보여주므로학생들의흥미를유발하는데목적을두고있었다면고등학교교과서에서는반응하는용액의부피비나산-염기의반응과정에관한 개념을이해시키는데목적을갖고실험활동을전개하고있다. 중학교교사들의인식조사 NaOH-HCl 수용액을사용한중화반응실시여부에관한설문결과를보면응답교사중 73.4%(22명 /30명 ) 가중화반응실험을학생들을대상으로실시하고있으며 13.3%(4명 /30명 ) 는시범실험을실시하고있다 (Table 3). 이와같이많은교사들이 NaOH-HCl 중화반응실험을선호하여실시하고있음을알수있다. NaOH-HCl 수용액을사용한중화반응에서지시약으로페놀프탈레인을사용하는경우가 30명중 17명 (56.7%) 으로가장많았으며, BTB용액 5명 (16.7%), 리트머스지 4명 (13.3%), 만능지시약 4명 (13.3%) 으로응답하였다 (Table 3). 페놀프탈레인을지시약으로사용하는경우중화적정방법의선택에대한응답현황을보면 NaOH수용액을 HCl수용액으로중화시킨다 에응답한비율이 17명중 12명으로 70.6 % 이고, HCl수용액을 NaOH수용액으로중화시킨다 의경우는 5명으로 29.4% 이다 (Table 4). NaOH수용액을 HCl수용액으로중화시킨다 를선택한이유는교과서순서대로가 12명중 5명 (41.7%) 으로가장많았고, HCl수용액을 NaOH수용액으로중화시킨 Table 1. The analysis of neutralization reaction experiment in the middle school science textbooks Reagent(%) Neutralization Indicator 6A NaOH(2.0%), HCl(2.0%) NaOH / HCl * Phenolphthalein(2 drops) 6B NaOH(2.0%), HCl(2.0%) HCl / NaOH * BTB(2~3 drops) 6C NaOH(2.0%), HCl(2.0%) NaOH / HCl * BTB(2~3 drops) 6D NaOH(5.0%), HCl(5.0%) NaOH / HCl * Phenolphthalein(2~3 drops) 6E NaOH(2.0%), HCl(2.0%) HCl / NaOH * Universal litmus paper *NaOH / HCl : NaOH solution was titrated by HCl solution. HCl / NaOH : HCl solution was titrated by NaOH solution. Table 2. The analysis of neutralization reaction experiment in the high school science textbooks Reagent(%) Neutralization Indicator 7A NaOH(2.0%), HCl(2.0%) NaOH / HCl * Phenolphthalein(1~2 drops) 7B NH 4OH, outbreathing NH 4OH/CO 2 BTB(a little) 7C NaOH(2.0%), HCl(2.0%) NaOH / HCl * Phenolphthalein(2~3 drops) 7D HCl(0.36%), NaOH(0.40%) HCl / NaOH * BTB(a little) 7E NaOH(2.0%), HCl(2.0%) NaOH / HCl * BTB(2~3 drops) 7F NaOH(2.0%), HCl(2.0%) NaOH / HCl * BTB(2~3 drops) *NaOH / HCl : NaOH solution was titrated by HCl solution. HCl / NaOH : HCl solution was titrated by NaOH solution. 2004, Vol. 48, No. 2

4 192 전영화 홍란선 강영진 강성주 Table 3. Results of the questionnaire on the NaOH-HCl titration. Question Do students experiment on neutralization reaction? Type Answers Question Indicator Answers Demonstration Phenolphthalein 17 (56.7) 다 로실시할경우염기성에서중화점을찾게되는것을우려하는응답도 4 명 (33.3%) 이나왔다. HCl 수용액을 NaOH 수용액으로중화시킨다 의방법을선택한이유는무색에서자주색으로의색변화가학생들의호기심유발에효과적임을들고있다. 교사들이중화반응시사용하는시약의농도는 86.7% 의교사가교과서대로 (2.0% 나 5.0%) 실험을하고있다고응답하였다. 중화반응시나타나고있는문제점에대하여많은교사들은다음과같은문제점들을느끼고있음을확인할수있었다 (Table 5). 염기성용액에서페놀프탈레인의 decoloration 염생성확인을위해적정된용액의농축을위한가열과정에서의색변화 NaCl 결정확인의어려움페놀프탈레인의 decoloration 현상에대하여 70.0% 의교사들이 그렇다, 중화용액의농축시용액이다시자주색으로변하는문제점에대하여는 63.4% 의교사들이 그렇 Students experiment 22 (73.4) Indicator on the NaOH-HCl titration. BTB 5 (16.7) Litmus Table 4. Results of the questionnaire on the NaOH-HCl titration process with phenolphthalein. Question Experiment method on neutralization reaction. Method Answers Reasons of choice (A) NaOH / HCl * 12 (70.6 %) (B) HCl / NaOH * 5 (29.4 %) (A unit : persons(%)) No experiment Universal indicator 다 라고응답하였다. 또한 NaCl 염의결정관찰에대하여는 86.7% 의교사들이관찰할수없다고응답하였다. 이와같은문제점들이왜나타난다고생각하시느냐는질문에는약 50% 정도가 모르겠다 고응답하고있다. Decoloration 현상이왜일어나는가? 에대한질문에서 53%(16 명 /30 명 ) 는 모르겠다, 26.7%(8 명 /30 명 ) 는 공기중의이산화탄소가녹아들어갔기때문 이라는응답을나타냈다. 중화용액의농축시색이다시나타나는원인 에대하여는 47%(14 명 /30 명 ) 는 모르겠다, 페놀프탈레인과수산화나트륨의반응, HCl 기체형성등의의견이나왔다. 이와같이교사들은문제점을인식하고있으나, 그원인에대해서는모르는것으로나타났다. 학생실험에서나타나는문제점 Table 6 는페놀프탈레인을지시약으로사용하는교과서중 6D 교과서에제시된대로학생들에게주지시키고중화반응실험을실시한후학생들이중화시켰다고가 In the textbook order The neutral point was found in base in the case of (B) The color change of solution is quite clear (A unit : persons(%)) The color change from colorless into purple is very effective to arouse student s curiosity In order to prevent from neutralizing NaOH with H 2CO *NaOH / HCl : NaOH solution was titrated by HCl solution. HCl / NaOH : HCl solution was titrated by NaOH solution. Table 5. Result of the questionnaire on the experimental problems of NaOH-HCl titration. Questions Yes No Did you experience the decoloration of phenolphthalein? Did you experience the color change of the titrated solution during condensation? Could you observe the NaCl crystals? 70.0% 63.4% 13.3% 30.0% 36.6% 86.7% Journal of the Korean Chemical Society

산-염기 중화반응 실험의 문제점 분석 및 개선 방안 져온 용액의 ph값을 측정한 결과이다. 실험결과를 보면 ph 3.0 이하의 강산 영역이 전체 16 개조 가운데 11개조로 대다수를 차지하고 있었으며, ph 6.5~pH7.5 사이의 중성 영역이 1개조, 그리고 중화점을 지나치지도 않은 ph 13.0 이상의 강염기 영역이 4개조 나왔다.

5 산-염기 중화반응 실험의 문제점 분석 및 개선 방안 져온 용액의 ph값을 측정한 결과이다. 실험결과를 보면 ph 3.0 이하의 강산 영역이 전체 16 개조 가운데 11개조로 대다수를 차지하고 있었으며, ph 6.5~pH7.5 사이의 중성 영역이 1개조, 그리고 중화점을 지나치지도 않은 ph 13.0 이상의 강염기 영역이 4개조 나왔다. A class에서 2조와 4조, B class에서 5조와 8조 처럼 중화점을 지나지도 않은 ph 13 이상의 용액을 중 화된 것으로 잘못 인식하는 조가 25 %정도 나오고 있 다는 것은 크게 주목할만하다. 이러한 현상은 NaOH 수 용액에서의 페놀프탈레인 decoloration 때문이다. 이 학 생들의 특징을 살펴보면 탐구에 대한 열의를 갖고 선생 님의 지도에 따라 충분히 저어주고 천천히 한 방울씩 떨어뜨리며 변화를 관찰해가며 실험을 실시한 실험 조 에서 나타나고 있는 것이다. 페놀프탈레인의 decoloration 현상 수용액에서 페놀프탈레인의 decoloration 현상 정도를 좀더 자세히 알아보기 위해 0.5%, 1.0%, 2.0%, 5.0% 등 4가지 농도의 NaOH수용액에 시중에서 판매 되는 페놀프탈레인용액을 스포이드로 4방울 떨어뜨려 충분히 저어준 후 색 변화를 알아보았다. Fig. 1은 1분 간격으로 5분 동안 캠코더로 촬영한 0.5%, 1.0%, 2.0 %, 5.0% NaOH수용액에서의 페놀프탈레인decoloration 현상이다. 5.0% NaOH수용액은 1분, 2.0% NaOH수용 액은 3분 후에 색이 무색으로 사라지는 현상이 일어났 으며 1.0%나 0.5% NaOH수용액도 색이 많이 흐려졌다. 그러므로 실험 시 학생들이 중화반응 실험을 준비하여 중화적정하기까지 적어도 5분 이상이 소요된다고 보면 교과서에 제시되어 있는 2.0%와 5.0%농도는 실험에 사 용하기 어려울 만큼 빠르게 색이 사라짐을 알 수 있었 NaOH 193 다. 이와 같은 페놀프탈레인의 decoloration 현상으로 중화적정의 종말점을 잘 못 찾을 수 있다. NaOH-HCl Decoloration 원인 분석 산-염기 지시약으로 오랫동안 사용되어온 페놀프탈레 인은 용액의 액성이 산성에서 염기성으로 바뀌면 무색 에서 자주색으로 변색하게 되는데 이 색 변화의 원인은 Fig. 2와 같은 구조변화 때문이다. 산성 범위에서 안정한 구조는 Ph1 type이며 염기성 범위에서는 Ph2 type으로 변한다(Ph1 Ph2, ph 8.0). 페놀프탈레인이 염기성에서 자주색을 띄는 것(변색범 위; ph 8.0~9.6)은 Ph2 구조가 발색단인 quinoid기( ) 을 포함하고, 평면구조에 따른 conjugation때문이다. 그 러면 강한 염기 용액에서의 페놀프탈레인 decoloration현 상은 어떻게 설명할 수 있는가? 자주색 페놀프탈레인 수용액인 Ph2 용액에 진한 NaOH수용액을 가하면 발색단인 quinoid기가 없어지고, 중심 탄소주변의 입체구조가 정사면체가 되어 Ph3 type(ph2 Ph3, ph 9.6)인 무색의 carbinol이 형성된 다 (Fig. 2). 0.2 M에서 5.0 M사이의 NaOH용액과 4 5 6,7 Table 6. The ph value of the titrated solution on the NaOH(5 %)- HCl(5%) titration. A class B class group ph group ph , Vol. 48, No. 2 Fig. 1. Decoloration of the phenolphthalein in NaOH solution.

6 194 전영화 홍란선 강영진 강성주 Fig. 2. The structural change of phenolphthalein in acid and base condition. 1.0% 페놀프탈레인용액을반응시키면색이없어지게되는데 8 이때생성된 carbinol type 의 Ph3 은매우안정하기때문에낮은온도에서아세트산으로천천히중화시킨다면색이나타나지않고도중화시킬수있다. 물론중화된용액이시간이지나거나가열되면 OH- 기가떨어져다시 Ph2 type 으로돌아가므로자주색이나타난다. 따라서페놀프탈레인을사용하여 NaOH 용액을 HCl 로중화시키고자할때 Ph3 가형성되어 decoloration 현상이나타나게되고, 이 Ph3 은매우안정하기때문에 HCl 용액으로중화시켜도일부의 Ph3 구조는중화용액속에 Ph1 type 과함께남아있게된다. 그용액을증발접시에넣고가열하면 Ph3 type 이열에의해다시 Ph2 type 으로돌아가게되어자주색이다시나타나게된다. 중화반응실험의개선방안학생들이혼란없이실험을실시하여더좋은결과및학습효과를얻을수있는학생들특성을고려한실험방안을제시하면다음과같다. NaOH-HCl 수용액의중화반응에적정방법은 HCl 수용액을 NaOH 수용액으로중화시키는방법을선택하고사용하는시약의농도는 0.5% 나 1.0% 정도로묽은용액사용이바람직하다. 스포이드는되도록한방울의부피가적은것을사용하고지시약은묽은농도의용액을사용하도록한다. 또한염을얻는방법으로일선현장에서는시간의제약으로인하여물을가열하여증발시켜서결정을얻고자하나이러한방법으로는결정형태의염을얻을수 없다. 따라서교사가일주일전선수실험을실시할때그중화용액을자연증발시키면결정형태의염을얻을수있으므로, 이와같이얻은결정형태의염을학생들에게제시하여보여주는것이더효과적일것같다. 요약및결론 과학교과서에제시되어있는중화반응실험은교사들이선호하는실험이나실험상의문제점으로많은교사들이혼란을겪고있다. 학생들이페놀프탈레인의 decoloration 에의해색이사라진것을중화점으로오인하며, 페놀프탈레인용액을적량이상사용하고있었다. 또한중화용액의가열시무색이던용액의색이다시자주색으로변하는문제점이나타나고있었다. 이런문제점을해결하기위해서는 1) HCl 수용액을 NaOH 수용액으로중화시키는중화적정방법을선택, 2) 묽은 NaOH-HCl 수용액사용하는것이적당하다고생각된다. 이연구의결과를중화반응실험지도에적절히활용한다면학생들의올바른개념정립에도움을줄수있을것이며, 중화반응의문제점에대해궁금해하던교사들의궁금증을해소해줄수있을것으로생각된다. 본연구는 BK21 핵심과제 (B022) 의연구비지원으로수행되었으며이에감사드립니다. 인용문헌 1. 조희형, 한국과학교육학회지, 1992, 12, Jenkins, E. Practical Work in Science School, London, Routledge, 1998, Hodson, D. Practical Work in Science School, London, Routledge, 1998, (a) Green, A. G. & Perkin, A. G., J. Chem. Soc., 1904, 85, (b) Machida, K.; Lee, H.; Uno, T. J. Raman Spectrosc., 1979, 8, 172. (c) Sugiura, H.; Kato, T.; Senda, H.; Kunimoto, K.-K.; Kuwae, A.; Hanai, K. Anal. Sci., 1999, 15, Wittke, G., J. Chem. Educ., 1983, 60, Kober, P. A. & Marshall, J. T., J. Am. Chem. Soc., 1912, 34, Peters, C. A. & Redmon, B. C., J. Chem. Educ., 1940, 17, CherKesov, A. I., Zh. Analit. Khim. 1962, 17, Journal of the Korean Chemical Society

49(6)-06.fm

49(6)-06.fm Journal of the Korean Chemical Society 2005, Vol. 49, No. 6 Printed in the Republic of Korea 중학교과학교과서불꽃반응실험에서선스펙트럼관찰의문제점분석및개선연구 ½ Á Á * w w yw (2005. 10. 4 ) An Analysis and Improvement of the Line Spectrum