함께만드는화학수업 글 장보애 ( 서울오금고, rain323@nate.com) 실험목표화학반응의세가지특성을나열하고정의할수있다. 학생수준초등학교 3 학년 ~ 고등학교 1 학년모둠인원 1~3 명 실험개요 학습개념용액, 혼합물, 화학반응, 지시약실험요소서술, 정의, 측정, 설명 소요시간 45 분 ( 설치 20 분, 실험활동 20 분, 정리 5 분 ) 관련단원 초등학교 5학년 > 2. 용액의성질 > 생활주변용액의성질조사하기중학교 3학년 > 5. 물질변화에서의규칙성 > 물리변화와화학변화고등학교 1학년 > 3. 물질 > 산과염기의반응 들어가기 화학은물질과그물질이다른물질과어떻게반응하는지에대해연구한다. 두물질이화학적인방법으로반응하면서로변하고그결과는폭발, 변색등상당히극적인변화를동반한다. 화학변화에동반되는현상에대해알아보자. 1. 화학 이란단어를들었을때생각나는것은무엇인가? -폭발, 거품과기포가발생되는약, 골치아픈과학, 함께혼합하는것등 2. 일상생활중에서화학변화를이용하는구체적인예를열거해보자. -불, 건전지, 베이킹소다와식초, 염색머리, 음식요리, 부식, 승용차엔진속의가솔린, 가족구성원에게익숙한일련의의학실험 ( 예, 당뇨병 ) 등 3. 2 의예들이왜화학반응이라고생각하는가? -폭발, 색변화, 열이포함되기때문이다. 26 CHEMICAL EDUCATION
기본실험 : 화학반응의증거 1. 준비물 준비물재료확인밀봉식비닐봉지모둠별 1개플라스틱수저모둠별 3개강황 ( 카레가루 ) 모둠별 1티스푼탄산수소나트륨 ( 베이킹소다 ) 모둠별 1/4컵염화칼슘모둠별 1/4컵이소프로필알코올 30% 플라스틱컵 250mL 모둠별 3개 2. 교사참고사항 1 염화칼슘 (CaCl 2 ) 은제설제나제습제로이용된다. 제품물먹는하마를이용하여학생들에게실생활과관련시켜보여줄수있다. 2 염화칼슘이공기중에서수분을흡수할수있기때문에항상밀폐용기에보관한다. 3. 실험과정 1 비닐봉지에다섯숟가락의알코올과한숟가락의베이킹소다를넣는다. 봉지를꽉잠그고베이킹소다가용해될때까지베이킹소다와알코올을혼합한다. 2 콩크기의강황가루를넣고봉지를잠그고 30~60초동안봉지의내용물을혼합한다. 3 같은봉지안에한숟가락듬뿍염화칼슘을넣는다. 봉지를잠그고 30~60초동안봉지의내용물을혼합한다. 4 알코올 + 강황 + 베이킹소다색 ( 붉은색 ) 5 알코올 + 강황 + 베이킹소다 + 염화칼슘직후거품발생 ( 노란색 ) 6 알코올 + 강황 + 베이킹소다 + 염화칼슘결과앙금생성 2011 + Summer 27
함께만드는화학수업 4. 실험정리 1 혼합시키기전화학물질들의색을관찰하여쓰시오. -베이킹소다는흰색가루, 강황은노란색이고알코올은투명하다. 강황과베이킹소다의혼합물은빨간색이다. 2 과정2에서강황가루를넣었을때색변화를쓰시오. -투명한액체에노란색강황가루를넣으면붉은색으로나타난다. 3 염화칼슘을넣은후에혼합물은어떻게달라지는가? 관찰한내용을쓰시오. -노란색으로변한다. 열과온기가있다. 봉지는기체로채워진다 ( 기포가보인다. 거품이생긴다 ), 흰색가루가생긴다. 등 5. 생각해보기 1 과정2의색을나타내는물질을알아보기위해어떻게하면되는가? -다음과같이두가지물질을섞어본다. (30% 이소프로필알코올 + 강황, 베이킹소다수용액 + 강황 ) 2 과정2에서의색을나타내는물질은무엇이라고생각하는가? -베이킹소다, 강황가루 3 기체가생겼다는것을어떻게알수있는가? 그것을볼수있는가? -기포의관찰과봉지의부피증가로기체의존재를추측할수있다. 4 실험을통해알아낸화학반응의증거는무엇인가? -색이변했다. 새로운물질 ( 기체 ) 이생겼다. 온도가변했다. 5 [ 심화 ] 몇번의색변화를관찰했는가? 각각의경우에무슨일이일어났는가? -2번의색변화가있었다. 한번은노란색강황가루를베이킹소다에넣을때빨간색으로변하고, 또한번은염화칼슘을넣을때용액이노란색으로변한다. 각각의경우에강황가루는염기 ( 베이킹소다 ) 또는산 ( 이산화탄소 ) 을검출한다. 6 [ 심화 ] 기체는어디에서오는가? -베이킹소다는이실험에서이산화탄소를생성한다. 2NaHCO 3 + CaCl 2 2NaCl + CaCO 3 + CO 2 ( 기체 ) + H 2O 7 [ 심화 ] 기체외에새롭게생성된화학물질이있는가? 왜그렇게생각하는가? -노란색혼합액체속에하얗게가라앉은고체가있기때문이다 ( 탄산칼슘앙금 ). 8 [ 심화 ] 열은어디에서온다고생각하는가? -화학반응이일어나면기존의화학결합이끊어지고새로운결합이생성되는데이때에너지를흡수하거나방출하게된다. 이과정에서흡수하는에너지보다방출하는에너지가많으면열이발생하게된다. 28 CHEMICAL EDUCATION
심화실험 : 강황 ( 카레 ) 지시약 1. 준비물 1 강황지시약 (30% 이소프로필알코올 1컵에 1/2 티스푼강황을용해시킴 ) 2 각종액체 -베이킹소다( 모둠별 1/4컵 ) -염화칼슘( 모둠별 1/4컵 ) -식초( 모둠별 1/4컵 ) -레몬또는라임주스 ( 모둠별 1/4컵 ) -암모니아수( 모둠별 1/4컵 ) -사이다, 다른투명한소다 ( 모둠별 1/4컵 ) -소금물( 모둠별 1/4컵 ) 2. 교사참고사항 베이킹소다와염화칼슘을강황지시약에넣어기본실험에서의색변화를확인할수있다. 그리고다양한가정용품에강황지시약을넣어산과염기를구별할수있다. 3. 실험과정 강황지시약을각각의액체에넣어라. 각액체에강황지시약을넣었을때색 4. 실험정리 1 강황이빨간색으로변하면그액체는염기이다. 2 강황이노란색으로남아있으면그액체는산이다. 실험실안전 1 실험을할때보안경을착용한다. 2 절대실험준비물을먹지않는다. 3 학생들에게강황지시약이학생들의손가락이나옷에얼룩이질수있으므로주의하도록주지시킨다. 2011 + Summer 29
함께만드는화학수업 더알아보기 [ 기본자료 ] 1. 화학반응의현상 1 새로운기체, 고체또는액체의출현 2 온도변화 3 빛의출현 4 색과 ph 변화 2. 봉지안에서일어난반응 2NaHCO 3 (aq) + CaCl 2 (s) 2NaCl(aq) + CaCO 3 (s) + CO 2 (g) + H 2 O ( 베이킹소다 ) ( 염화칼슘 ) ( 소금 ) ( 석회석 ) ( 이산화탄소 ) ( 물 ) 1 새로운기체 : 베이킹소다와염화칼슘에의해생성된이산화탄소가기체이므로봉지안의액체에서거품을일으킨다. 눈으로볼수없는많은기체분자들이봉지안에서생성됨에따라기체들은연속적으로봉지벽에부딪치고봉지를밀어내는압력이가해져서봉지의부피가증가한다. 2 색변화 : 강황은염화칼슘과베이킹소다의반응에서화학적지시약으로작용한다. 베이킹소다가염기라는것을나타내주는빨간색으로시작하여반응이지속됨에따라산이생성되는것을나타내주는노란색으로변한다. 3 새로운물질과남은물질 : 이반응으로이산화탄소기체외소금, 석회석, 물이생기지만이것을즉석에서검출하기란어렵다. 학생들은생성된탄산칼슘이분필과비슷하다고말할수도있다. 또한두가지혼합물중반응하지않고남는화합물을관찰할수도있다. 이런경우일정성분비의법칙을언급할수있다. 4 화학결합과에너지 : 화학반응이일어나면물질들은결합한원자들의위치를바꾸어재배열되며새로운성질을가진새로운분자 ( 물질 ) 들을생성한다. 이때기존의화학결합이끊어지고새로운결합이형성된다. 이과정에서기존의화학결합을끊기위해선에너지를흡수하고새로운결합을형성하면서에너지를방출한다. 이에너지의차이에의해열은방출또는흡수되고우리는차갑게또는뜨겁게열에너지를느낄수있다. [ 심화자료 ] 1. 강황 ( 심황, Turmeric Oleoresin) 비타르계천연색소로심황의뿌리에서추출한다. 카레가루나단무지, 햄, 소시지, 채소및과일가공품등에사용된다. 노란색 ~ 암적갈색의가루, 덩어리, 페이스트상또는액체로서특유의냄새가있다. 천연비타르계색소중다이케논계착색료로심황 (Curcuma longa) 의뿌리에서에탄올, 유지또는유기용제로추출하여얻어지는색소로서주색소는커큐민 (Curcumin, C 21 H 20 O 6 ) 이다. 물에거의녹지않으며에탄올이나프로필렌글리콜, 유지등에도잘녹지않는다. 특히찬물에는녹지않으나뜨거운물에는녹는다. 커큐민은알칼리성에서암적갈색을나타내며산성에서는연한노란색을나타낸다. 30 CHEMICAL EDUCATION
철이온에의해착화합물을형성하여붉은색으로변색될수있으나열및산화 환원에안정하고색조변화가거의없다. 다만, 빛에의해갈색화하기쉬워암소에보관하는것이좋다. 단백질에대한염착성이우수하고무착색부분에는착색되지않는다. 색가조정및품질보존등을위하여희석제, 안정제및용제등을첨가할수있다. 카레가루나단무지, 햄, 소시지등의착색에사용되며최근에는채소및과일가공품에많이이용되고있다. 착색료외에착향료로이용된다. 2. curcumin 성질화학식은 C 21H 20O 6 이고분자량은 368.38이다. 커큐민은동인도산의생강과에속하는식물인 Curcuma longa Linn(Zingiberaceae) 의뿌리에서추출되어인도음식에널리사용되어온폴리페놀성분의노란색향신료로심황 (turmeric) 의커큐미노 <curcumin 구조식 > 이드 (curcuminoid) 이다. 식품첨가물에서는노란색색소로사용되며향신료로이용되고있다. 커큐민은항종양, 항산화, 항아밀로이드와항염증작용을가지고있다. 항염증작용은이코사노이드 (eicosanoid) 생합성의억제에의해서기능을수행한다. 커큐민은산화에의한 DNA 손상과지질과산화를억제하고, 항산화작용과자유래디컬의청소부역할을한다. 강황은산에서노란색, 염기에서빨간색으로변하는화학물질인 curcumin을포함하고있다. 베이킹소다는염기여서학생들이강황을추가할때 curcumin은빨간색으로변한다. 반응에서생성된이산화탄소는물에녹아탄산이된다. 그러면용액은노란색으로변한다. CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 탄산은눈에보이지않지만물속에서 curcumin과반응하여 curcumin분자의형태를바꾸어다른빛깔이나타나게한다. 이것이 curcumin을노란색으로바꾼다. 참고문헌 1. OMSI(2007). No Hassle Messy SCIENCE WITH A WOW : Chemistry in the K-8 classroom 2. 두산백과사전 http://www.encyber.com/ 3. 영어위키백과 http://en.wikipedia.org/wiki/file:curcumin_structure_(keto).svg 2011 + Summer 31
함께만드는화학수업 탐구활동보고서 : 주제. 학번 이름 활동목표화학반응의세가지특성을나열하고정의할수있다. 준비물 밀봉식비닐봉지, 플라스틱수저, 강황 (turmeric), 베이킹소다, 염화칼슘, 이소프로필알코올, 플라스틱컵 들어가기 1. 화학 이란단어를들었을때생각나는것은무엇인가? 2. 일상생활중에서화학변화를이용하는구체적인예를열거해보자. 3. 2 의예들이왜화학반응이라고생각하는가? 실험과정 1. 과정A 화학변화의증거찾기 1 비닐봉지에다섯숟가락의알코올과한숟가락의베이킹소다를넣는다. 봉지를꽉잠그고베이킹소다가용해될때까지베이킹소다와알코올을혼합한다. 2 콩크기의강황가루를넣고봉지를잠그고 30~60초동안봉지의내용물을혼합한다. 3 같은봉지안에한숟가락듬뿍염화칼슘을넣는다. 봉지를잠그고 30~60초동안봉지의내용물을혼합한다. 2. 심화실험강황지시약과생활속액체의액성 1 5mL 강황지시약을다음각액체에넣고색변화를관찰한다. 2 각종액체 (20mL) : 베이킹소다수용액, 염화칼슘수용액, 식초, 레몬주스, 암모니아수, 사이다, 소금물 실험정리 1. 과정 A-1 에서혼합시키기전화학물질들의색을관찰하여쓰시오. 2. 과정 A-2 에서강황가루를넣었을때색변화를쓰시오. 3. 과정 A-3 에서염화칼슘을넣은후에혼합물은어떻게달라지는가? 관찰한내용을쓰시오. 4. 강황지시약을가했을때색을아래표에기록하시오. 액체 베이킹소다수용액 염화칼슘수용액 식초레몬주스암모니아수사이다소금물 색깔 32 CHEMICAL EDUCATION
생각해보기 1. 과정 2 의색을나타내는물질을알아보기위해어떻게하면되는가? 2. 과정 2 에서의색을나타내는물질은무엇이라고생각하는가? 3. 기체가생겼다는것을어떻게알수있는가? 그것을볼수있는가? 4. 실험을통해알아낸화학반응의증거는무엇인가? 5. [ 심화 ] 몇번의색변화를관찰했는가? 각각의경우에무슨일이일어났는가? 6. [ 심화 ] 기체는어디에서오는가? 7. [ 심화 ] 기체외에새롭게생성된화학물질이있는가? 왜그렇게생각하는가? 8. [ 심화 ] 열은어디에서온다고생각하는가? 2011 + Summer 33