hwp

Journal of the Korean Chemical Society Printed in the Republic of Korea 화학 Ⅰ 금속의반응성실험의문제점분석및개선방안 성숙경 최취임 정대홍 * 서울대학교화학교육과 서울경일고등학교 (2009. 3. 5 접수 ) Problem Analysis and Improvement of an Experiment on Reactivity of Metals in ChemistryⅠ Sukkyoung Seong, Chui Im Choi, and Dae Hong Jeong* Department of Chemistry Education, Seoul National University, Seoul 151-742, Korea Kyungil High School, Seoul, 133-819, Korea (Received March 5, 2009) 요약. 이연구는고등학교화학I에서이루어지는금속의반응성실험에서발견되는문제점을살펴보고이에대한이해를목적으로한다. 금속의반응성실험에서제기된문제는세가지로, 첫째 Al(s) 이전혀반응하지않는이유와반응을관찰할수있는방안, 둘째 Zn(s) 과 FeSO 4(aq) 의반응에서기포가관찰되는이유, 셋째 FeSO 4(aq) 와 Zn(s) 의반응에서나타나는침전의정체확인이다. 연구결과다음과같은결론을내릴수있었다. 첫째, Al(s) 은산화피막생성속도가매우빨라반응을관찰할수없으며, 강한염산을이용한경쟁반응을이용하여산화막생성이억제된상태에서알루미늄과다른금속이온과의반응을관찰할수있다. 둘째, 발생하는기포는수소이온의환원에의한수소기체로, 금속과금속이온의반응과함께물속의수소이온이특정한농도범위에서경쟁적으로금속과반응하고있음을확인하였다. 셋째, FeSO 4(aq) 와 Zn(s) 의반응에서 Fe(s) 은관찰되지않으며 Zn(s) 표면에생성되는검은색의자성을띠는물질은 Fe 3O 4(s) 이고용액속에서침전되는적갈색의고체는 Fe 2O 3(s) 임을광전자분광 (X-Ray Photoelectron Spectroscopy) 분석으로확인하였다. 주제어 : 금속 (Al, Zn, Fe, Cu) 의반응성, 산화 - 환원, 수소기체의발생 ABSTRACT. 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 FeSO 4(aq) and Zn(s) react was discussed. Third, the precipitates which appeared in the reaction of FeSO 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. Keywords: Reactivity of metal(al, Zn, Fe, Cu), Oxidation-reduction, Generation of hydrogen gas * Corresponding author (jeongdh@snu.ac.kr) 368

화학 I 금속의반응성실험의문제점분석및개선방안 369 서 론 실험은과학을다른교과와구별짓는가장큰특징중하나이다. 1,2 실험활동은추상적인과학개념을지도하는데유용한교수법으로, 3 학생들에게새로운개념이나이론을탐색할수있는구체적인학습경험을제공하여 4 과학지식을정확히이해하는데도움을준다. 5 또한과학자가수행하는과학적과정을경험하게함으로써학생들의과학탐구능력을함양하고, 3,6 과학교육의중요한목표중하나인과학의본성에대한이해를향상시킬수있다. 7 그러나실험활동이교육현장에서효과를거두고있는지에대해서는많은논쟁이제기되고있다. 7,8 실험수업에관한여러연구들은실험수업이학습자의탐구능력이나개념이해에좋은효과를보이지못한여러원인을제시하고있으며, 그중교과서의실험들이꼼꼼한검증과정을거치지않은채제시되어기대된탐구결과를얻기어렵다는것또한중요한원인으로지적되고있다. 9,10 교과서가교육과정에서중심적인자료로사용되고있는상황에서, 교과서에제시되는실험방법이적절하지않거나이론과일치하지않는실험결과가얻어진다면학생들은실험을통해오히려개념의혼란이나흥미저하등의문제를겪게될것이다. 11,12 특히이러한실험수업의문제점은교사가문제를인지하고있지못하고있거나문제점을인지했어도해결할수있는지식이없을경우더욱문제가된다. 13 교과서는교육과정의목표를구현하기위한여러가지교육자료중가장기본적인학습자료이며, 교사와학생들은과학지식을전달하고 14, 15 획득하는데있어서교과서에의존하고있다. 특히, 화학영역은시약의양이나실험기구등의미세한변화에의해결과가달라질수있는물질의변화를다루기때문에교과서실험과관련해서오류가많이발생한다. 따라서실험에서나타나는문제를정확히이해하고그에따라실험을개선하기위한연구가더욱필요한영역이다. 이러한문제의식에서과학교과서에제시된탐구실험의개선연구에대한관심이증가하고있으나, 많은연구들에서단지경험적인접근으로대 안이제시되고있을뿐실험의문제점에대한근본적인원인은논의되지못하고있다. 16 한편고등학교화학 I 교과서에서다루고있는 금속의반응성실험 은교과서에제시된조건으로실험을실시하였을경우예상과다른관찰결과를얻을수있는실험중하나이다. 선행연구 17 에따르면중등학교화학교사의 67% 가예상처럼얻어지지않는실험결과를금속의반응성실험의문제점으로인식하고있으나이와관련된연구는거의없는실정이다. 단지이와관련하여교과서에제시된실험의개선안을제안한한편의연구 17 가진행되었을뿐이다. 따라서이연구에서는실험을통하여금속의반응성실험의문제점을분석하고, 문제가되는현상과문제점의원인을실험및문헌연구를통해분석함으로써금속의반응성실험을깊이있게이해할수있는자료를제공하고자한다. 이를통하여교사는기존의실험에대한이해를높이고새로운실험방법을탐색할수있을것이다. 연구내용및방법 연구내용제 7차교육과정에따른고등학교화학 I 교과서중 금속의반응성실험 의문제점을파악하고, 그원인을설명하기위해다음과같이연구를수행하였다. 첫째, 제 7차교육과정에따른고등학교화학 I 교과서에제시되어있는금속의반응성실험과관련된내용을교과서별로분석하였다. 둘째, 연구자가직접교과서에서제시된방법으로실험을수행하여교과서에서기대되는결과와실험결과를비교분석하였다. 셋째, 기대되는결과와실험결과의차이를이해하기위해서실험및문헌연구를수행하였다. 연구방법금속의반응성실험에관한교과서분석은제 7차교육과정에따른고등학교화학 I 교과서 8 종을이용하였다. 분석에사용된교과서는다음과같다. A: 금성출판사 ( 서정쌍외 6 인, 2002)

370 성숙경 최취임 정대홍 B: 대한교과서 ( 이덕환외 7인, 2002) C: 지학사 ( 여상인외 2인, 2002) D: 중앙교육진흥연구소 ( 우규환외 5인, 2002) E: 천재교육 ( 김희준외 5인, 2002) F : 청문각 ( 여수동외 7인, 2002) G: 형설 ( 송호봉외 6인, 2002) H: 교학사 ( 윤용외 3인, 2002) 실험조건이교과서마다차이가있으므로금속의반응성실험에서나타나는문제점을이해하기위한연구목적에비추어이론과다른실험결과가가장많이나타나는교과서의실험조건을이연구의실험조건으로설정하였다. 실험조건및방법은다음과같다. 금속 : 알루미늄판, 아연판, 철판, 구리판 ( 두께 0.5 mm 금속판을잘라서사용 ) 금속염수용액 : ZnSO 4(99%), FeSO 4 7H 2O(99%), CuSO 4 5H 2O(99%) 를각 10%(wt) 수용액으로만들어사용 기타시약 : HCl(35%), NaOH(98%), 3차증류수 (18 ΜΩcm) 금속판의표면처리 : 반응전에금속판의표면을사포로처리함 실험수행 : 각금속염수용액에각금속판을넣고변화를관찰 관찰시간 : 각실험에대해서초기 30분과 24시간동안관찰 반응생성물의산화수및구조에대한정보를얻기위해서 X-선광전자분광법 (X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 을이용하였다. 이때시료는충분히씻은후건조시켜파우더상태로곱게빻은뒤 10 Torr의압력으로얇은동전모양의펠렛을만들어사용하였다. 분석에사용된기기는 Thermo VG Scientific사의 Sigma Probe 모델로 X-선의빔크기는 400 mm이고 15 kv, 100 W의조건에서실험하였다. XPS 스펙트럼은탄소의밴드를기준으로보정하였다. 연구결과및논의 교과서에제시된실험방법분석 8종교과서모두탐구실험형태로금속의반응성실험을제시하고있다. 교과서에적절한실험조건이제시되어있는가를확인하기위해수용액의농도, 사용한금속, 금속의표면처리에대한내용을정리하였다 (Table 1). 수용액의농도나표면처리등의조건제시가교과서마다다르고또한제시되지않은교과서도있었다. 금속의반응성실험은수용액의농도에따라서반응시간에큰차이가있으며농도가너무묽은경우에는시간내에반응을관찰하기어려운경우도있다. 17 하지만표에서보듯단두종의교과서만이수용액의농도를제시하고있어교사가실험을계획하는데시행착오가예상된다. 표면처리과정역시 4종의교과서에서만산화막제거를위한사포의이용을암시하고있었다. 실험과정에서사포를이용하여금속판을깨끗하게문지르라고제시된교과서가 1종이었고나머지 3종은준비물에사포가기록되어그쓰임을추정하여교사가지시하도록되어있었다. 또다른 2종 Table 1. Experimental conditions in textbooks Textbook aqueous solution Metal Surface treatment A CuSO 4, AgNO 3 Zn, Cu Sandpapering B 2% CuNO 3, AgNO 3, ZnNO 3 Ag, Cu, Zn Not mentioned C CuSO 4, ZnSO 4 Zn, Cu Sandpapering D 10% CuSO 4, ZnSO 4, FeSO 4 Zn, Fe, Cu, Al Sandpapering E CuSO 4, AgNO 3 Cu, Fe Sandpapering F dilute HCl, CuSO 4, ZnSO4 Zn, Mg, Cu Cleaning the surface G CuSO 4, ZnSO 4, FeSO 4 Mg, Fe, Cu, Zn Cleaning the surface H dilute H 2SO 4, CuSO 4, AgNO 3 Zn, Cu, Fe Not mentioned Journal of the Korean Chemical Society

화학 I 금속의반응성실험의문제점분석및개선방안 371 에서는실험과정에표면을깨끗이닦으라고제시하고있었으나그방법은제시되지않았고, 나머지 2종에서는이에대한언급이전혀없었다. 금속의반응성실험의결과분석실험에서사용한금속의표준환원전위는알루미늄, 아연, 철, 구리에대해서각각 -1.66, -0.76, -0.44, +0.34 V 로 18 알루미늄, 아연, 철, 구리의순으로전자를잃고이온이되기쉽다. 금속과이들의염수용액을각조합으로반응시켰을때표준환원전위에따라서예상되는실험결과는 Table 2와같다. 예를들면, 알루미늄과황산아연수용액의반응에서알루미늄이이온화하면서얻을수있는 +1.66 V의기전력으로표준환원전위가 -0.76 V인아연이온을환원시킬수있으므로, 알루미늄이녹고아연이석출되는반응이예상된다. Table 2에제시된조합으로실험을수행하였을때 30분내에관찰된현상을 Table 3에나타내었다. 실험결과많은부분에서예상과다른현상들이관찰되었으며, 예상한변화가나타난경우에도예상밖의현상들이복합적으로관찰되기도 하였다. 예상과다른현상들을크게세가지로정리하였다. 첫째, 표준환원전위를고려할때반응이있을것으로예상되는실험에서변화가관찰되지않았다. 알루미늄의표준환원전위는 -1.66 V로아연이온, 철이온, 구리이온을환원시킬수있으나 30분동안예상된반응은관찰되지않았다. 둘째, 몇가지실험에서교과서에언급되지않은기포의발생이관찰되었다. 아연과황산철수용액, 아연과황산구리수용액의반응은금속표면에서색변화가관찰되면서동시에기포가발생하였다. 셋째, 철이온의환원과관련된반응에서다양한현상이복합적으로일어났다. 투명한연녹색의황산철수용액은 30분이내에모든금속과의반응에서불투명해졌고 24시간이내에갈색침전물을형성했으며, ph는낮아졌다. 한편, 철이온과아연막대와의반응에서는 24시간이내에아연막대표면에서검은색침전물이형성되었고이물질을긁어서자석에가까이했을때자석에끌려왔다. Table 2. Expected results of reactions between metal and metal ions according to the standard reduction potentials of metals ZnSO 4(aq) FeSO4(aq) CuSO 4(aq) Al (-1.66 V) Zn (-0.76 V) Fe (-0.44 V) Cu (0.34 V) Al is dissolved, Zn is precipitated Al is dissolved, Fe is precipitated. Al is dissolved, Cu is precipitated Zn is dissolved, Fe is precipitated Zn is dissolved, Cu is precipitated. Fe is dissolved, Cu is precipitated Table 3. Observed results of reactions between metal and metal ions in 30 minutes ZnSO 4 (aq) FeSO 4 (aq) CuSO 4 (aq) Al Zn Fe Cu No change No change No change The surface of metal was changed muddily in a few minutes, and bubbles were generated The surface was covered with black thing in a few minutes, and bubbles were generated The surface of metal was changed to muddy and the solution to yellow in 30 minutes Gray line at the metal of solution boundary was formed in 5 minutes Red precipitation appeared in 30 minutes and the solution was changed to opaque and yellow The surface treated with sandpaper was changed to dark-red.

372 성숙경 최취임 정대홍 실험결과에대한논의 24시간동안관찰된현상은다양하고복잡한형태로나타났지만, 특징적인변화및관찰내용은 Table 3과같았다. 특히, 이연구에서는위에서정리한특징적인세현상에대해서주로논의하고자한다. 예상되는변화가관찰되지않은알루미늄의반응. 알루미늄은표준환원전위값이 -1.67 V로반응성이큰물질로알려져있다. 그런데알루미늄과황산아연, 황산철및황산구리수용액과의반응에서어떤변화도관찰되지않았다. 알루미늄은반응성이매우커서공기중의산소와반응하여표면에산화알루미늄 (Al 2O 3) 피막을형성하는것으로잘알려져있는데, 19 이산화막이알루미늄과수용액속이온간의반응을막는것으로여겨진다. 그래서교과서에제시된방법인사포로표면처리를하였으나여전히예상되는화학반응은일어나지않았다. 알루미늄산화막은두께가 5~10 nm로매우얇은막이기때문에작은마찰에도쉽게제거된다. 19 하지만알루미늄은공기중에서 10-6 초, 10-6 mmhg의진공중에서도 1 초면산화막이생성되므로 20 공기중이나수용액속에서매우빠른속도로다시산화막이생성되어알루미늄과금속이온사이의반응을막을수있다. 즉, 교과서에서쉽게찾아볼수있는사포로미는방법으로는산화막을제거하고예측되는반응을관찰하기에는한계가있다. 알루미늄의산화와관련된연구들에서 21,22 일차적으로산화피막을제거하는방법으로산에담그기, 염기에담그기, 사포로밀기의세가지를제시하고있다. 산화막이산또는염기에의해서제거되는과정에는아래반응식에서보듯기체가발생하지않는다. 막이제거된후에드러난알루미늄이산과반응하여수소기체를발생하는것이다. 즉기체발생은산화막이제거되었음을의미한다. 2Al(s) + 6H + (aq) 2Al 3+ (aq) + 3H 2(g) 하지만알루미늄을산에담가피막을제거한후에라도물에씻거나공기중에오랫동안노출되었을때, 금속염수용액에서의반응은일어나지않았다. 이는산화막이쉽게재생되었기때문이라고해석된다. 이를방지하기위해산에서충분히반응시킨후, 증류수로씻지않고금속이온과반응시키는방법을시도하였다. 즉, 알루미늄이다른금속이온과만나는순간까지알루미늄과산의반응이계속진행되도록유지함으로써알루미늄의산화막형성반응을억제하는효과를기대하였다. 그결과 Figure 1처럼알루미늄이구리이온과활발하게반응하는것을관찰할수있었다. 즉, 용액은푸른색으로변했고알루미늄주변에금속이다량석출되었다. 실험결과알루미늄의피막을제거하여반응성을확인하기위해서는 5 M농도이상의 HCl 수용액을사용하고, Zn, Fe 등의금속과반응성의크기를비교하기위해서 CuSO 4(aq) 은 3-5% 정도로했을때관찰하기좋은속도로반응하였다. 교과서에언급되지않은기포의발생. 아연과철이온의반응그리고아연과구리이온의반응에서표준환원전위의차이에의해서자발적으로금속간의산화-환원이일어나므로아연 Al 2O 3(s) + 6H + (aq) 2Al 3+ (aq) + 3H 2O(l) Al 2O 3(s) + 2OH (aq) + 3H 2O(l) 2Al(OH 4) (aq) 그런데실제산에알루미늄을담가산화막을제거하면격렬하게기포가발생한다. 이는산화 Fig. 1. The photo image showing the result of the reaction between Al(s) and Cu 2+ ion by suppressing surface oxidation with HCl pre-treatment. Journal of the Korean Chemical Society

화학 I 금속의반응성실험의문제점분석및개선방안 373 표면에서색변화가관찰된다. 그런데아연과이들금속이온의반응에서기포발생이관찰된다. 이러한반응은수용액상태에서일어나기때문에물이관여하는산화-환원이일어날수있다. H 3O + 가환원되어수소와물이되는반응의표준환원전위는 0 V로, 아연이산화되면서내는기전력 (+0.76 V) 에의해서자발적으로 H 3O + 의환원이일어나고수소가발생할수있다. 그러나실제이반응이일어날지를판단하기위해서는 H 3O + 의농도를고려하여해당농도에서의기전력을비교해야한다. Nernst 식에의해수소이온의농도에따른환원전위는다음과같이표현된다. E E E 아연과 H 3O + 사이의반응에대한환원전위차이가 0보다크면수소발생반응이자발적으로일어날수있다. E 대기압에노출된장치에서수소기체공기방울이발생하고있으므로 = 1로근사한다면, 인상태에서 E 이된다. 즉, ph = 13 이하인상태에서는수소기체가발생할 수있다. 이를확인하기위하여 ph = 7에서 14 까지의수용액에아연판을담갔을때, ph = 7에서 10사이의용액에서기체발생이관찰되었고 ph = 11 이상에서는기체가발생하지않았다. 여기서계산에의한예측과차이가나는것은수소기압에대한근사와각화학종에대한정확한활동도값을사용하지않은차이에기인하는것으로판단된다. 학교현장에서는이실험에서주된관심이아연과철및구리이온간의반응에있으므로수소발생현상이관찰되더라도이를부차적인현상으로취급하거나그의미를간과할때가종종있다. 때로는기전력차이가많이나는반응만일어날것으로판단하기도한다. 즉, 아연과황산구리의반응에서아연과구리이온의반응에의한전위가아연과수소이온의반응에의한전위보다크므로아연과구리이온의반응만일어난다고보는경우가있다. 그러나실제관찰된현상에서보듯이수소기체발생도동시에일어난다. 철이온의반응. 황산철 (FeSO 4) 수용액에아연판을담갔을때, 자성을띠는검은색침전물이아연판표면에석출되고, 연녹색의투명한 FeSO 4(aq) 은시간이지나면서불투명해지고갈색침전을형성하게된다. 여기서생성된검은색침전물과갈색침전물은무엇일까? 먼저수용액에서형성된갈색침전물의구조에대한정보를얻기위해 XPS 스펙트럼을측정 (a) (b) Intensity (A.U.) Intensity (A.U.) Binding Energy (ev) Binding Energy (ev) Fig. 2. XPS spectra of brown precipitates in FeSO 4(aq) solution with zinc plate. (a) and (b) are the spectral regions corresponding to oxygen and iron bands, respectively.

374 성숙경 최취임 정대홍 Fig. 3. The shape change of ferrous ion in water 하였다 (Fig. 2). 산소는 529.8, 531.4, 532.4 ev의결합에너지를갖는밴드가관찰되었다. 표준으로제시된결합에너지와비교한결과, 23 529.8과 531.4 ev에해당하는밴드는각각 FeO(OH) 의 Fe-O-와 -O-H의산소상태이며 532.4 ev에해당하는미처씻기지않은황산이온에존재하는산소임을알수있었다. 또한철영역에서는철의산화상태를결정짓는 2P 3/2 의결합에너지로 711.1 ev에서밴드가관찰되었는데, 이와같은결합에너지를갖고자성을띠지않는물질은 FeO(OH) 형태의 3가철상태인것으로해석할수있다. Fe 2O 3 H 2O와 FeO(OH) 는같은상태이며, FeO(OH) 에서물이빠지면 Fe 2O 3 가된다. 24 철이온은 Figure 3처럼물속에서 6 배위된상태로존재하며수소이온을내놓고산성을띠는데, 이때젤라틴형태의흰색앙금인 Fe(OH) 2 가생성된다. 25 용액이탁해지는것은이반응으로설명할수있다. 생성된 Fe(OH) 2 는불안정한물질로산소에의해쉽게산화되므로, 갈색침전으로변한것으로판단된다. FeSO 4 수용액의 ph변화는 FeSO 4(aq) 이 Fe(OH) 2 을거쳐갈색침전을형성하는과정과일치되는결과를보인다 (Table 4). ph는반응당일 4까지급격하게떨어졌다가천천히 3까지떨어지는데, 이는 Fe(OH) 2 가갈색앙금으로변하면서 Fe(OH) 2 가추가로생성되는과정이계속해서진행되고있음을보여준다. 이과정은간단한실험으로도확인할수있다. 과량의 NaOH 수용액에 FeSO 4(aq) 를조금씩넣으면흰색젤라틴형태의앙금이생성되고, 이앙금은시간이지나면서산화되어용액의표면에서부터갈색-녹색-흰색의층을형성한다. 또한용액이갈색으로바뀌는것은아연표면에서아연이관련된산화-환원반응이진행되는것과별개의반응으로환원반응에참여하지않은표면에서멀리존재하는용액속의철이온들의반응이다. 이를확인하기위하여 2가황산철만녹인수용액을공기중에노출하였을때, 갈색앙금이생성되고 ph가낮아졌으며동일한결합에너지의 XPS가얻어졌다. 한편아연판에침전된자성을띠는검은색고체는환원된철일까? 검은색침전물의구조를확인하기위해 XPS 스펙트럼을측정했다 (Fig. 4). Fe(0) 의결합에너지에해당하는 707 ev에서는 23 XPS 밴드가전혀나타나지않았다. 즉, 2가철에서환원된형태의철은발견되지않았다. 반 Intensity (A.U.) Table 4. The temporal change of ph-value of FeSO 4 aqueous solution with zinc plate Time (day) 0 1 2 3 4 5 6 ph 3.78 3.43 3.35 3.14 3.10 3.00 3.00 Binding Energy (ev) Fig. 4. XPS spectrum of black precipitates on the surface of zinc plate Journal of the Korean Chemical Society

화학 I 금속의반응성실험의문제점분석및개선방안 375 면 2P 3/2 에해당하는밴드를 Fig. 2의스펙트럼과비교할때 711.1과 713.1 ev의밴드가 710.7과 714.6 ev로이동된변화를볼수있다. 710.7 ev 에서큰밴드가나왔는데, 이밴드는 3가산화철의결합에너지보다작은값으로산화수가 3보다더작은상태임을나타낸다. 23 또상대적으로선폭이좁게 710.7 ev에나타난밴드와 715에서 720 ev 사이에서넓게나타난밴드는문헌에보고된 Pristine Fe 3O 4 의 710과 718 ev 밴드에해당하는것으로볼수있다. 26 검은색에자성을띠는이같은산화상태를지니는산화철로는 FeO과 Fe 3O 4 이있다. FeO은검은색분말에강한자성을보이지만공기중에서쉽게산화되므로, 27 이침전물은 Fe 3O 4 로볼수있다. 이상의고찰로부터 FeSO 4(aq) 과아연의반응에서환원된철인 Fe(0) 은관찰되지않음을알수있으며, 아연막대표면에서관찰된고체는 Fe 3O 4 로확인되었다. 하지만생성된 Fe 3O 4 가어떤메커니즘을통해서생성되었는지는이연구에서확인하지못했다. 결 론 지금까지의연구로부터금속의반응성실험에서쉽게이해되지않는 3가지현상에대한결과를요약하면다음과같다. 첫째, 매우반응성이좋은알루미늄은강산으로표면을처리하고알루미늄표면에산이묻어있는상태로반응을시킴으로써원하는반응이일어날때까지산화막생성을억제시킬수있다. 둘째, 아연과철이온및아연과구리이온의산화-환원반응에서발생하는기포는아연이산화하면서내는높은기전력에의해서물속의수소이온도환원되기때문에나타나는현상이다. 셋째, 아연막대와 FeSO 4 수용액의반응은두가지형태의침전물을만들었다. 수용액상에서생성된갈색침전물은자성을띠지않는 FeO(OH) 이고, 아연막대표면에생성된검은색침전물은자성을띠고 FeO(OH) 보다산화수가낮은형태인 Fe 3O 4 로확인하였다. 특이한점은아연판에서석출된검은색침전물은 2가산화철이온보다산화수가높은물질로아연의산화로생성될것으로기대되는 2가철 의환원된형태가아니며, 아연판과관계없이용액속에는갈색의침전물이형성된다는점이다. 위의결과로부터금속의반응성실험과관련하여다음과같은제안을할수있다. 첫째, 알루미늄의산화막은매우빠르게재생되므로, 강산에담가산화막을제거시킨후에도산이표면에남아있도록유지시키는방법을이용하여금속염수용액의반응을관찰할수있다. 이반응은 5 M 정도의강산에서가능하므로조심히다루어져야한다. 이러한방법으로확인할수있는알루미늄의큰반응성은학생의호기심을자극하는실험으로이용할수있을것이다. 둘째, 금속의산화-환원반응이주로수용액에서이루어지기때문에물이반응에참가하는것을배재할수없다. 금속의산화-환원을학습하다보면금속간의반응만일어날수있다고생각할수있으나실제는두가지이상의반응이서로경쟁하면서진행될수있다. 이와같이반응이경쟁하면서진행되는것은화학반응에서흔히일어나는현상이다. 따라서이실험은화학반응의경쟁적현상에대한학생들의이해를넓힐수있는실험으로사용하기에적절할것이다. 셋째, FeSO 4(aq) 을사용한실험에서는중성의철로환원된물질을관찰할수없으며복잡한부반응이나타난다. 따라서현재교과서에제시된실험방법을이용하여철이온의환원을확인할수는없으나, 영재교육이나동아리를지도할경우학생의호기심과탐구력을자극할수있는심화된활동으로이용할수있을것이다. 이연구의결과는금속의반응에대한교사의이해를높일뿐아니라교사나교과서개발자들이이에관련된실험을계획할때도움을줄수있을것으로기대된다. 또한예비교사교육이나영재교육, 심화학습등의자료로서이용될수있을것이다. 인용문헌 1. Hodson, D. Internal. J. of Sci. Edu. 1996, 18, 755. 2. Watson, R. In Good practice in science teaching: what research has to say; Osborne, J., Ed.; Open University Press: Buckingham, U. K., 2000; p 57. 3. Wellington, J. J. In Practical work in school science:

376 성숙경 최취임 정대홍 Which way now?; Wellington, J. J, Ed.; Routledge: New York, U. S. A., 1998. 4. Kim, H. B.; Kim, D. W. Elementary Sci. Edu. 1995, 14, 163. 5. White, R. T. Internal. J. of Sci. Edu. 1996, 18, 761. 6. Bybee, R. In Inquiring into inquiry learning and teaching in science; Minstrell, J., van Zee, E. H., Eds.; American Association for the Advancement of Science: Washington DC, U. S. A., 2000; p 20. 7. Lunetta, V. N. In International handbook of science education; Fraser, B. J., Tobin, K. G., Eds.; Kluwer Academic Publisher: London, U. K., 1998; Vol. 1, pp 249-262. 8. Hodson, D. K. School Science Review 1990, 71, 33. 9. Koh, H. J.; Moon, S. H.; Han, K. L. Elementary Sci. Edu. 2001, 20, 153. 10. Bang, J. A; Yoon, H.; Choi, W.; Jeong, D. H. J. Kor. Chem. Soc. 2006, 50, 404. 11. Ryu, O. H.; Choi, M. Y.; Song, J. H.; Kwon, J. G.; Paik, S. H.; Park, K. T. J. Kor. Chem. Soc. 2001, 45, 481. 12. Park, D. J.; Paik, S. H.; Kang, S. J. J. Kor. Assoc. Res. Sci. Edu. 2001, 21, 547. 13. Jeon, Y. H.; Hong, R. S.; Kang, Y. J.; Kang, S. J. J. Kor. Chem. Soc. 2004, 48, 189-194. 14. Choi, K. H.; Kim, S. J. J. Kor. Assoc. Res. Sci. Edu. 1996, 16, 303. 15. Chiang-Soong, B.; Yager, R. E. J. Res. Sci. Teach. 1993, 30, 339. 16. Kim, M. H.; Yoon, I. H.; Ann, B. H.; Kang, Y. H.; Jung, W. W. J. Kor. Earth Sci. Soc. 1999, 20, 289. 17. Jung, J. K. Improvement of the experiments for the comparison of reactivity of metals and electrolysis in high school chemistry textbooks; Master's Thesis of Korea National University of Education, 2006. 18. Harris, D. C. Quantitative Chemical Analysis, 6th ed.; Freeman: New York, U. S. A., 2003. 19. King, D. E.; Swart, W. E. J. Chem. Edu. 1987, 64, 981-983. 20. Ju, I. J. Study on the characteristics and reflectance of the aluminium oxide films using anodic oxidation; Doctorate's Thesis of Kangwon National University, 2004. 21. Muller, B. J. Chem. Edu. 1995, 72, 350-351. 22. Ahn, J. H. Study on the reactions and interface morphology during anodization of aluminum; Master's Thesis of Seoul National University, 2007. 23. Chastain, J.; King, R. C.; Moulder, J. F. Handbook of x-ray photoelectron spectroscopy; Physical Electronics: Minn., U. S. A., 1995. 24. Martha W.; Susan, B.; Rosemary, F. B.; Elizabeth, S. O. The Merck index; Merck & Co.: New Jersey, U. S. A., 1984; pp 69, 3960. 25. Cotton, F. A.; Wilkinson, G.; Murillo, C. A.; Bochmann, M. Advanced inorganic chemistry; John wiley & Sons, Inc.: New York, U. S. A., 1999; p 787. 26. Cohen, H.; Gedanken, A.; Zhong, Z. J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 15429. 27. Miller, C. D.; DiStefano, R. E. J. Chem. Edu. 1987, 64, 545. Journal of the Korean Chemical Society