연구논문현장과학교육 6(1) pp50~55(2012 년 2 월 ) 조합적사고를이용한새로운화학분수개발 강성주 *, 옥준석 한국교원대학교화학교육과, 충청북도 363-791 Development of a New Chemical Fountain Using a Combinational Thinking Seong-Joo Kang *, Joonseok Ok Department of Chemistry Education, Korea National University of Education, Chung-Buk 363-791 요약 이연구의목적은조합적사고를이용한새로운화학분수를개발하는것이다. 기존의암모니아분수와 PbI 2 앙금생성반응을조합하여분수가발생되면서노란색앙금이생성되는새로운분수실험을개발하였다. 초 중등교육과정에서다루어지고있는기체의용해도, 압력차이, 앙금생성반응등의개념이포함되어있으며, 창의적탐구실험으로널리활용될수있을것으로기대된다. 주제어 : 화학분수, 앙금생성, 조합적사고 ABSTRACT The purpose of this study was to develop a new chemical fountain experiment using a combinational thinking. The combination of the ammonia fountain and the PbI 2 precipitation reaction yields a new chemical fountain which shows to generate a yellow precipitation. The contents of this new experiment are the solubility of gas, the difference of pressure, and precipitation reaction and this experiment can be used as a creative inquiry experiment. Key words : chemical fountain, precipitation, combinational thinking 서론 * 분수실험은학생들이매우흥미롭게생각하며, 교사입장에서는학생들의주의를집중시키기좋은화학실험의하나이다. 실험결과의극적인효과는학생들의탄성을자아내게하며화학에대한관심을극대화하게한다. 화학분수로는과학교과서에소개된암모니아분수가있다 (Branca and Soletta, 2005; Shakhashiri, 2002; Alexander, 1999; 차동우외, 2003). 암모니아분수는암모니아기체의물에대한용해도가매우크고, 수용액은약한염기성을나타낸다는사실을이용한실험이다. 암 * 교신저자이메일주소 : sjkang@knue.ac.kr 2011 년 11 월 11 일접수, 2012 년 2 월 3 일수정, 2012 년 2 월 3 일통과 모니아기체를모은둥근바닥플라스크를밀폐시킨후소량의물을주입하면암모니아기체가물에녹아둥근바닥플라스크내부압력이낮아진다. 둥근바닥플라스크를뒤집고, 연결한관을수조에담근후잠금장치를열면수조의물은중력을거슬러솟구치는분수현상이나타난다. 페놀프탈레인과같이중성과염기성에서의색깔이다른지시약을수조의물에몇방울넣어두면솟구친물의색깔이극적으로변하게된다. 최근에는후드가없이도쉽게실험할수있는이산화탄소분수실험이개발되었다 (Kang and Ryu, 2007). 이실험에서는제산제로사용되는알카셀쳐 (Alka-Seltzer) 의주성분인시트르산및아스피린과물의반응으로이산화탄소기체를얻는다. 이산화탄소의물에대한용해도는작은편이지만염기성용액
조합적 사고를 이용한 새로운 화학 분수 개발 에서는 잘 녹는다. 따라서 암모니아 분수에서 사용된 소량의 물 대신 진한 수산화 나트륨 수용액을 사용하면 플라스크 내부 7차, 2007 교육과정 및 2009개정 교육과정의 과학 교과서 내 용을 다음 주제들을 중심으로 분석하였다. 의 압력을 쉽게 낮출 수 있다. 이산화 탄소 분수는 자극적인 냄 기체의 용해도와 압력 새가 나는 암모니아를 사용하지 않음으로써 테이블 위에서 쉽 앙금 생성 반응과 고체의 용해도 게 실험할 수 있는 장점을 가지고 있다. 산과 염기의 특성에서 다루고 있는 암모니아의 성질과 화 앙금 생성 반응 실험을 현장에서 활용할 수 있는 연구들이 학 분수 제시되었다. 납 이온과 아이오딘화 이온의 반응에서 생성되는 노란색 아이오딘화 납 반응과 같이, 생성되는 앙금이 색을 띠는 실험 방법 경우에는 학생들에게 시범 실험으로 자주 사용된다. 니켈 이온 과 은 이온의 시안화물과 아이오딘화물에 대하여 암모니아수와 진한 암모니아수를 가열하여 암모니아 기체를 둥근 바닥 사이안산 칼륨 수용액을 용매로 하였을 때의 용해성을 비교한 플라스크에 모은 후, 주사기로 물을 주입하여 둥근 바닥 플라 실험은 간단한 시범 실험으로 사용하기에 좋다(Carraano et al, 스크 내부의 압력을 낮추었다. 아이오딘화 칼륨( ) 수용액 1994). 그 외에도 납 이온과 중크로뮴산 이온이 만드는 앙금을 과 질산 납( ) 수용액이 동시에 둥근 바닥 플라스크 ph 조건에 따라 알아본 연구 결과도 있다(Ramette, 1994). 내부로 솟구치도록 유리관 2개를 연결하여 분수 현상과 이와 같이 앙금 반응 실험과 화학 분수 실험은 시범 실험과 조별 실험으로 활용하기에 좋은 소재로서 널리 활용되고 있다. 의 앙금 생성 반응이 동시에 나타나도록 장치를 고안하였다. 본 실험은 아이디어를 창출시키고자 하는 오스본의 SCAMPER 발상 기법 중에서 조합하기 기법을 이용하여 개발하였다(박찬 가. 암모니아 기체 포집 국과 김관배, 2004). 조합하기 기법은 기존에 사용되고 있는 ① 100 ml 삼각 플라스크에 진한 암모니아수 20 ml를 넣는다. 여러 사물이나 기능들을 합하여 새로운 산출물을 만드는 방법 ② 후드 안에서 그림 1과 같이 삼각플라스크 입구에 유리 깔 이다. 기존의 암모니아 분수에 앙금 생성 반응을 조합하여 새 로운 분수를 개발하였다. 때기와 300 ml 둥근 바닥 플라스크를 설치한다. ③ 가열 장치로 암모니아수를 가열하여 둥근 바닥 플라스크 창의성은 대체로 새롭고 유용한 아이디어나 산물을 생성할 수 있는 능력 으로 정의되며(Ochse, 1990; Sternberg and Lubart, 1996), 창의적 사고 과정은 일정한 패턴이 있는 것처럼 보인다(Weisberg, 2009). 과학영재 학생들은 새롭고 신기한 실 험 기기나 기구를 다루기를 좋아하며, 난해한 문제의 해결을 즐 기며 난해한 문제의 해답을 찾아내려는 강한 집념을 보인다. 또한, 보다 새롭고 창의적인 일에 몰두하기를 좋아하고, 새로운 이론이나 창조적인 아이디어의 생산에 많은 관심을 보인다(김 재은과 장명숙, 2002; 문정화와 하종덕, 1999). 따라서 과학영 재나 과학에 흥미가 많은 학생들에게 새롭고 창조적인 과제를 부여할 수 있다면 이들의 성취욕을 자극할 수 있을 것이다. 조 합적 사고를 이용한 화학 분수 실험은 이러한 점에서도 큰 역 할을 할 수 있을 것으로 기대한다. 암모니아수 연구 방법 가열 장치 교육과정에 따른 과학 교과서 내용 분석 그림 1. 암모니아 기체 포집. 51
현장과학교육 6(1) 에암모니아기체를모은다. ( 알코올램프로가열할경우에는갑자기끓어오르지않도록서서히가열하도록주의한다.) 4 암모니아기체가둥근바닥플라스크에가득찼는지확인한다. ( 플라스크입구에물에적신리트머스종이를가까이하는방법등을사용할수도있지만, 플라스크안쪽벽에서액체물질이흘러내리는현상이나타날때까지모으면된다.) 나. 화학분수준비과정 1 실리콘마개에구멍을 2개뚫어직경 5 mm, 길이 30 cm 유리관 2개를꽂고, 유리관에는 30 cm 길이의고무관을연결한후, 각고무관을고무관용핀치콕으로막는다. ( 그림 2와같이플라스크내부로들어가는쪽의끝을좁게만든다.) 2 암모니아가가득들어있는그림 1의 300 ml 둥근바닥플라스크에과정 1에서준비한실리콘마개를막는다. ( 밀폐여부를세밀하게확인한다.) 3 그림 2와같이주사기로물 10 ml 정도를둥근바닥플라스크에주입한다. 4 둥근바닥플라스크를잘흔들어암모니아기체가물에용해되도록한다. ( 암모니아가물에용해되면둥근바닥플라스크내부의압력이낮아지므로, 플라스크와핀치콕 사이부분의고무관이압착되는것으로용해여부를확인할수있다.) 다. 화학분수와앙금생성반응 1 그림 3과같이둥근바닥플라스크를뒤집어고무관끝의하나는 1 % 아이오딘화칼륨 ( ) 수용액이들어있는비커에담그고, 다른하나는 1 % 질산납 ( ) 수용액이들어있는비커에담근다. ( 각비커에는수용액을 250 ml 이상넣도록한다.) 2 각고무관이비커의바닥에닿게설치한후콕 1과 2를동시에연다. 3 화학분수현상과앙금생성반응을관찰한다. ( 실험후생성된 폐수처리에유의한다.) 라. 개발된실험장치의특징주사기에물대신비커의수용액중한가지를사용하면, 기존의실험과같이유리관을 1개만사용하여도앙금반응이일어나게할수있지만, 생성되는앙금이아래로가라앉는속도가빠르지않아극적인효과를볼수없다. 따라서본실험에서는유리관을 2개사용하여두수용액이둥근바닥플라스크로동시에솟구쳐바로혼합되게함으로써흰색앙금의분수가만들어져흘러내리는모습을볼수있게하였다. 또한물을주사기로주입하여실리콘마개에뚫어야하는구멍의수를줄였다. 그림 2. 암모니아용해. 그림 3. 앙금반응과화학분수의결합. 52
조합적사고를이용한새로운화학분수개발 둥근바닥플라스크내부의압력을최대한낮추기위해물을주입한후콕을모두잠근상태에서둥근바닥플라스크를흔들어준다. 콕을사용하지않거나콕이열린상태에서주사기의물을주입하기만해도분수현상이나타나는데, 둥근바닥플라스크내부압력이서서히낮아지므로초기에는분수현상이약하게나타나유리관을따라용액이서서히올라가는모습을볼수있다는장점이있다. 그러나분수현상이극적으로나타나는모습을보이게하기위해서는먼저암모니아를물에용해시켜둥근바닥플라스크내부의압력을낮추는것이좋다. 또한분수현상을오랫동안관찰하기위해가는유리관을사용하고둥근바닥플라스크쪽의끝부분을좁게만들었다. 결과및논의교육과정에따른과학 ( 화학 ) 교과서의분수실험관련내용 교육과정과교과서를살펴본결과본연구에서개발한 조합적사고를이용한화학분수실험 과관련된내용의서술은다음과같다. 가. 기체의용해도및앙금생성반응 2009개정교육과정에따르면기체의용해도는중학교 2학년과학 물질의특성 단원에서정성적으로학습하며, 고등학교화학Ⅱ의 용해도 단원에서정량적으로학습하게된다. 기존의교과서에는대부분온도와압력에따른기체의용해도변화의특징을기술하고있으며, 암모니아기체에대해서는물에대한용해도가매우커서헨리의법칙에따르지않는다는정도 로서술되어있다. 앙금생성반응은 7차교육과정에서는고등학교과학의 전해질과이온 및화학Ⅰ 수용액의반응 에서다루어졌으며, 과 을포함한앙금들을색깔과함께나열하고있으나용해도를정량적으로다루지는않았었다 ( 이문원외, 2001). 2009개정교육과정에서는초등학교 5~6학년군의 용해와용액 에서물질의용해현상을다룬후, 중학교 2학년과학 물질의특성 에서고체의용해도를정성적으로학습한다. 이후고등학교화학Ⅱ의 화학평형 단원에서앙금의용해평형을정량적으로다루게된다. 나. 산과염기및화학분수현재중학교 3학년학생과고등학교 2학년및 3학년학생들에해당하는 7차교육과정에의하면초등학교 5학년과학 용액의성질 및 용액의반응 단원에서산과염기에대해기초적인내용이서술되어있다 ( 교육과학기술부, 2002). 10학년과학 산과염기의반응 단원에는염기의특성의일환으로화학분수실험이나오는교과서가다수있었으나, 대부분탐구실험으로는다루지않고그림자료나단원도입의소재로활용하는정도였다. 화학Ⅰ과화학Ⅱ에서산과염기에대해심화된내용으로학습하도록서술되어있다 ( 서정쌍외 2003; 우규환외 2003). 2009개정교육과정에서는초등학교 5~6학년군에서산과염기의기초를학습하고중학교 3학년에과학에서이온의반응을이용하여구체적으로학습하게되어있다. 또한고등학교에서는화학Ⅰ에서산과염기의기본개념을학습하고화학Ⅱ에서평형의관점에서심화된학습을한다. 화학분수는초등학교와중학교교과서에서다루어질것으로예상된다. 조합적사고 + 새로운분수 암모니아분수 앙금생성반응 그림 4. 조합적사고로만들어진새로운분수. 53
현장과학교육 6(1) 화학분수와앙금반응의결합 암모니아분수는암모니아기체의물에대한용해도가매우 크고, 수용액은약한염기성을나타낸다는사실을이용한실험 PbI 2 앙금 이다. 밀폐된둥근바닥플라스크에서암모니아기체를물에용해시켜둥근바닥플라스크내부압력을낮추고, 연결관을통해 수조의페놀프탈레인수용액이솟구치게하여붉은색의분수를 H 2O+NH 3 관찰하는것이다. 이때, 진한색깔의앙금이생성되는반응을이용하면더욱극적인분수현상을관찰할수있다. 예를들어납 이온과아이오딘화이온의반응에서생성되는아이오딘화납반응을기존의분수실험에조합하여새로운분수를만들수있다 ( 그림 4). 암모니아기체가물에용해되어둥근바닥플라스크내부압력이낮아진후, 그림 3의콕1과콕2를동시에열면양쪽비커의수용액이즉시솟구쳐분수현상이나타나는것을볼수있다. 솟구쳐올라온두수용액이만나는즉시무색투명하던용액이선명한노란색으로변하여그림 5와같이둥근바닥플라스크내벽을타고흘러내리게된다. 이는납이온과아이오딘화이온이결합하여만들어지는아이오딘화납의용해도곱상수가매우작아물에녹지않는앙금이되기때문이다., 그림 5. PbI 2 앙금과 NH 3 분수.,, 본연구에서는극적인효과를위해아이오딘화납앙금반응을이용하였으나, 실제현장에서는환경에대한영향을고려하여시범실험으로활용하고, 학생용실험으로는탄산나트륨과염화칼슘의반응등을선택하는것이바람직하다. 탄산칼슘 ( ) 의용해도곱상수도매우작아칼슘이온과탄산이온이포함된탄산나트륨과염화칼슘수용액을반응시키면물에녹지않는흰색앙금을형성한다. 이때암모니아는약한염기성물질이므로초기에생성되었던아이오딘화납 ( ) 이암모니아기체가녹은물과섞이면용해도곱상수가더작은수산화납 ( ) 이생성되어그림 5의아래쪽부분과같은흰색앙금이나타날수있다., 표 1은분수실험에활용할수있는몇가지물질과생성되는앙금의용해도곱상수와색깔을정리한것이다. 이자료를사용하여다양한앙금생성분수실험을고안할수있다. 표 1. 25 에서앙금의용해도곱상수 ( ) 와색깔 (David, 2004). 물질 앙금 앙금색깔 수산화물 앙금색깔 + 흰색 흰색 + 흰색 흰색 + 흰색 흰색 + 검은색 푸른색 + 노란색 흰색 + 노란색 흰색 54
조합적사고를이용한새로운화학분수개발 결론및제언 본연구에서다음과같은몇가지의미있는결과를얻을수있었다. 첫째, 암모니아분수와앙금생성반응을조합하여새로운분수실험을개발하였다. 개발된분수실험은두비커용액이둥근바닥플라스크로올라오면서노란색침전을생성하는가시적인앙금생성분수실험이다. 둘째, 교과서에서화학분수실험은산과염기의특성을설명하는재미있는소재정도로다루어지고있으며, 기체의용해도와앙금생성반응은필수적인개념으로취급되고있다. 따라서본연구에서기체의용해도와앙금생성반응을조합하여개발한화학분수실험을통해다양한개념을학습할수있을것이다. 또한, 이와같이여러가지개념을조합한실험은학생들의흥미를유발하며, 도전정신과문제해결력을향상시킬것이다. 셋째, 조합적사고를과학영재학생활동에적용시킴으로써학습자의창의성신장에기여하는활동을구상할수있다. 본연구결과는실험을과학영재학생들로하여금직접설계하게할수있음을시사하고있다. 가장간단한방법은학생들로하여금다른이온쌍의조합을찾아서대체해보도록하는것이지만, 기체물질과용매부터직접선택하여실험과정전체를새롭게설계하도록하는것도가능하다. 또한대체와결합외에도변형 (Modify) 이나역발상 (Reverse) 등의방법으로화학분수를구상하도록할수도있다. 이와같이과학영재학생들이직접조합적사고를이용한활동을하게하는것은학생들의창의성신장에크게기여할것으로기대한다. 감사의글 이논문은 2010년도정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된연구임.(No. 2010-0004956) 참고문헌 교육과학기술부 (2002) 과학5-2. ( 주 ) 금성출판사. pp 41-52. 교육과학기술부 (2007) 2007년개정교육과정. 과학과교육과정. 교육과학기술부 (2009) 2009 년개정교육과정 : 과학과교육과정. 김재은, 장명숙 (2002) 영재교육의이론과실제. 교육과학사. 문정화, 하종덕 (1999) 또하나의교육, 창의성. 학지사. 박찬국, 김관배 (2004) 시각디자인과정에서스캠퍼의활용에관한연구. 디자인학연구. 한국디자인학회 55: 221-230. 서정쌍, 허성일, 김출배, 박종욱, 하윤경, 임영종, 배병일 (2003) 고등학교화학Ⅱ. ( 주 ) 금성출판사, pp 250-280. 우규환, 최석남, 오두환, 한은택, 김봉래, 강봉주 (2003) 고등학교화학Ⅱ. ( 주 ) 중앙교육진흥연구소, pp 218-252. 이문원, 전성용, 최병수, 권석민, 노태희, 허성일, 김출배, 강석진, 박희송, 김경호, 김규상, 채광표, 김진만, 정대영 (2001) 고등학교과학. ( 주 ) 금성출판사, pp 119-173. 차동우, 김희수, 이명석, 이현주, 최종한, 이복영, 옥준석, 윤세진, 이원경, 정남식, 신동원 (2003) 고등학교과학. ( 주 ) 천재교육, pp 96-135. Alexander MD, and Haworth DT (1999) The Ammonia Smoke Fountain: An Interesting Thermodynamic Adventure. J. Chem. Educ. 76(2): 210-211. Atkins P and Paula J (2009) Physical Chemistry, 9th Ed. Oxford University Press. Branca M and Soletta I (2005) Thermal Expansion: Using Calculator-Based Laboratory Technology To Observe the Anomalous Behavior of Water. Journal of Chemistry Education. 82: 613-615. Carraano SA, Wompa LJ and Chen A (1994) A Demonstration and Exercise in Simultaneous Equilibria, In: Tested Demonstrations in Chemistry. American Chemical Society. Vol 2. pp J-24. David RL (2004) CRC Handbook of Chemistry and Physics, 85th Ed. CRC Press. Kang SJ and Ryu EH (2007) Carbon Dioxide Fountain. Journal of Chemical Education 84(10): 1671-1672. Ochse R (1990) Before the gates of excellence: The determinant of creative genius. Cambridge University Press. Ramette RW (1994) Precipitation of Lead Chromate from Homogeneous Solution - A Lecture Demonstration or Laboratory Experiment, In: Tested Demonstrations in Chemistry. American Chemical Society. Vol 2. pp J-32. Shakhashiri B (2002) 신나는과학을만드는사람들역. 교사를위한신나는화학실험. 자유아카데미. Sternberg RJ and Lubart TI (1996) Investing in creativity. American Psychologist 51: 67-688. Weisberg RW. 김미선역 (2009) 창의성-문제해결과학발명예술에서의혁신. 시그마프레스. Sternberg RJ and Lubart TI (1996) Investing in creativity. American Psychologist 51: 67-688. Weisberg RW. 김미선역 (2009) 창의성-문제해결과학발명예술에서의혁신. 시그마프레스. 55