양식 작품설명서표지 작품번호 39 물의끓는점측정실험개선연구 출품분야학생출품부문화학 2014. 5. 12 구분성명 출품자 지도교사
목차 Ⅰ. 탐구동기 1 Ⅱ. 탐구목적 1 Ⅲ. 이론적배경 1. 선행연구조사 2 2. 끓는점에대한이해가. 끓는점 4 나. 물의상평형그림 4 다. Clausius-Clapeyron equation( 클라지우스-클라페이론식 ) 5 라. 끓는점오름 6 3. 코트렐람세이영끓는점측정장치 6 Ⅳ. 탐구내용 1. 실험기구의선정가. MBL 실험장치 7 나. PT 온도센서 8 다. 대기압센서 8 라. 캠핑용버너 ( 코베아 X1 GAS STOVE) 9 마. 증류수 9 바. 열화상카메라 9 2. 교과서속물의끓는점측정실험분석가. 중학교 1학년과학교과서속끓는점실험 10 나. 실험결과 12 다. 토의 14 4. 삼각플라스크와비커를이용한끓는점측정값비교가. 실험방법 17 나. 실험결과 18 다. 열화상카메라를통한비커와삼각플라스크의끓는점에서의온도비교 18 5. 코트렐람세이영끓는점실험장치를이용한분석가. 실험방법 19 나. 실험결과및토의 20 6. 온도계를깔때기나작은고깔로덮어끓는점측정가. 비커에온도계를거꾸로꽂은깔때기사용 21 나. 삼각플라스크에작은고깔을씌운온도계사용 22 Ⅴ. 탐구결과 1. 개선된물의끓는점측정실험방법 24 2. 실험결과및토의 25 3. 열화상카메라를이용한분석 26 Ⅵ. 연구를마치며 1. 활용가능성과효율성 26 2. 느낀점 26 3. 제언 27 Ⅶ. 참고문헌 28 3. 온도계의위치에따른측정값분석가. 비커를이용한온도계위치에따른측정값분석 14 나. 삼각플라스크를이용한온도계위치에따른물의끓는점측정값 15 다. 온도계위치에따른끓는점측정값분석 16
표목차 그림목차 < 표 1> 물의끓는점과관련된선행연구 2 < 표 2> MBL 실험장치의구성 8 < 표 3> 교과서속물의끓는점실험결과 13 < 표 4> 비커를이용한온도계위치에따른끓는점측정값 15 < 표 5> 삼각플라스크를이용한온도계위치에따른물의끓는점측정값 16 < 표 6> 삼각플라스크와비커를이용한끓는점측정값 18 < 표 7> 코트렐람세이영실험장치를이용한끓는점측정값 20 < 표 8> 비커에온도계를거꾸로꽂은깔때기를사용한끓는점측정값 21 < 표 9> 삼각플라스크에작은고깔을씌운온도계비교실험장치를사용한끓는점측정값 23 < 표 10> 개선된물의끓는점측정실험장치를이용한끓는점측정값 25 [ 그림 1] 물의상평형그림 4 [ 그림 2] 코트렐람세이영끓는점실험장치 7 [ 그림 3] PT 온도센서 8 [ 그림 4] 대기압센서 8 [ 그림 5] 코베아 X1 9 [ 그림 6] FLIR i2 9 [ 그림 7] A 교과서에제시된사진 10 [ 그림 8] A의실제실험 10 [ 그림 9] B 교과서에제시된사진 11 [ 그림 10] B의실제실험 11 [ 그림 11] C 교과서에제시된사진 11 [ 그림 12] C의실제실험 1 11 [ 그림 13] C의실제실험 2 11 [ 그림 14] D 교과서에제시된사진 12 [ 그림 15] D의실제실험 12 [ 그림 16] 교과서속물의끓는점실험결과 13 [ 그림 17] 온도계위치에따른끓는점실험장치 15 [ 그림 18] 온도계위치에따른온도변화그래프 16 [ 그림 19] 삼각플라스크를이용한온도계위치에따른물의끓는점실험장치 17 [ 그림 20] 삼각플라스크를이용한위치별온도측정가열곡선그래프 17 [ 그림 21] 삼각플라스크를이용한끓는점실험장치 18 [ 그림 22] 비커를이용한끓는점실험장치 18 [ 그림 23] 삼각플라스크 (A) 에서의물의끓는점실험열화상사진 18 [ 그림 24] 비커 (B) 에서의물의끓는점실험열화상사진 19 [ 그림 25] 코트렐람세이영실험장치 20 [ 그림 26] 코트렐람세이영실험장치를이용한끓는점실험결과 20 [ 그림 27] 코트렐람세이영실험장치의열화상사진 21 [ 그림 28] 비커에온도계를거꾸로꽂은깔때기를사용한끓는점실험장치 22 [ 그림 29] 비커에온도계를거꾸로꽂은깔때기를사용한끓는점실험결과 22 [ 그림 30] 삼각플라스크에작은고깔을씌운온도계비교실험장치 22 [ 그림 31] 삼각플라스크에작은고깔을씌운온도계비교실험장치를확대한모습 23 [ 그림 32] 삼각플라스크에작은고깔을씌운온도계비교실험결과 (1회) 25 [ 그림 33] 개선된물의끓는점측정실험장치 25 [ 그림 34] 개선된물의끓는점측정실험장치를확대한모습 25 [ 그림 35] 개선된물의끓는점측정실험장치를이용한실험결과 26 [ 그림 36] 개선된실험장치의열화상사진 26
순번 1 2 3 < 표 1> 물의끓는점과관련된선행연구 년도출품자제목내용 1991 ( 과학전 람회 ) 2002 ( 석사논 문 ) 2007 ( 과학전 람회 ) 윤용기 고정순 김성수 이영주 이요하 김남희 압력의변화에따른 끓는점측정장치개 발및그실험에관 한연구 끓는점과녹는점실 험장치에대한교 과서분석및과학 교사들의인식조사 라면스프가 에미치는영향 끓는점 압력을조절할수있는끓는점실험 장치를개발하여세팅한후각각압 력을다르게하여얻은끓는점의측 정값을구해비교하여압력과끓는점 과의관계를이해할수있게한다. 끓는점과녹는점에관련된실험장치 를교육과정의변화와교과서의유형 에따라분석하고, 중등과학교사들 을대상으로이에관련된실험값과 이론값이다른경우에대한인식을 조사하여교과서에제시되는실험장 치와내용이실험결과와이론값이 일치하는내용으로개선되기를요구 한다. 라면스프의양과구성물질의종류에 따른끓는점을측정하고, 고체 - 액체 혼합물의끓는점과비교분석하고주 - 1 - - 2 -
변에서볼수있는음료및음식의끓는점을측정하여라면스프가기포 4 1997 ( 연구논문 ) 이무상여수동여환진이우붕이광필배준웅 6 차교육과정에따 른개정된 8 종의중 학교과학교과서 중에서끓는점측정 실험의비교분석및 개선 생성및끓는점에끼치는영향을알아본다. 제 6차교육과정에서중학교 1학년학생들이사용하게되는 8종교과서에서공통으로다루고있는끓는점측정실험과정을비교분석하고 8종교과서에서제시하고있는실험방법대로실험한결과의문제점을제시하여실험결과에나타난문제점을개선방안한실험방법과실험장치를제시하고그실험결과를분석해본다. 기압조절을통하여끓는점을임의로 조절할수있는실험장치를제작하여 5 1987 ( 과학전람회 ) 류윤무 압력에따른끓는점 측정과건조장치 압력과끓는점의관계를직접확인할수있게하고과학실험중젖은시료를빠른시간내에가열하지않고건조시켜가열에서발생하는실험오차 를막고주어진시간내에실험할수 있게한다. [ 그림 1] 물의상평형그림 - 3 - - 4 -
υ υ H P H ln P R H T T T T RT T H lnp RT C H Jmol ln atm Jmol K C K H T C lnp R T ln - 5 - - 6 -
< 표 2> MBL 실험장치의구성 [ 그림 2] 코트렐람세이영끓는점실험장치 사이언스큐브사의대기압센서 (KDS-1016) 는 0.6hPa의분해능으로 0~2068hPa의사용범위를갖는다. 길고짧은기간대기압력의변화를측정할수있으며센서는 hpa나 Hg의단위로측정할수있으며, 1기압이하의낮은압력도측정할수있는것이특징이다. [ 그림 3] PT 온도센서 [ 그림 4] 대기압센서 - 7 - - 8 -
코베아사에서출시된캠핑용버너 X1 GAS STOVE는규격 57 57 100mm, 중량 124g으로압전자동점화방식을채택하며사용연료는나사식부탄가스이다. 최대 2,131kcal의화력을지니며이는실온의물 1L를 4분 40초이내에끓일수있다. 초소형헤드는강력한화력을고루분산시켜넓은면적을골고루가열할수있으며화력조절밸브는알루미늄으로제작되어경량화되어있으며사용하기편리하다. [ 그림 5] 코베아 X1 준비물 250mL비커, 온도계, 스탠드, 링, 알코올램프, 쇠그물, 삼발이, 실, 더운 물, 끓임쪽, 초시계, 보안경, 면장갑 1 비커에더운물을 정도넣고끓음쪽을몇개넣자. 실험 방법 2 온도계를실에매달아스탠드의링에연결한후, 위치를조절하여온도계가물에잠기가하자. 3 알코올램프에불을붙인후 30초 (0.5분) 간격으로 10분동안물의온도를측정해보자. 이때, 물에나타나는변화도함께관찰해보자. [ 그림 7] A 교과서에제시된사진 [ 그림 8] A의실제실험 [ 그림 6] FLIR i2-9 - - 10 -
[ 그림 9] B 교과서에제시된사진 [ 그림 10] B 의실제실험 [ 그림 14] D 교과서에제시된사진 [ 그림 15] D 의실제실험 H T C lnp R [ 그림 11] C 교과서에제시된사진 [ 그림 12] C 의실제실험 1 [ 그림 13] C 의실제실험 2-11 - - 12 -
< 표 3> 교과서속물의끓는점실험결과 l l l l [ 그림 16] 교과서속물의끓는점실험결과 - 13 - - 14 -
[ 그림 17] 온도계위치에따른끓는점실험장치 A 온도계는물의표면바로위에위치시켜측정 B 온도계는물의표면아래 1cm 위치시켜측정 C 온도계는비커의바닥면위 1cm 위치시켜측정 < 표 4> 비커를이용한온도계위치에따른끓는점측정값 물이끓을때측정된온도 ( C) A B C 1회 66.78 95.7 99.54 2회 69.3 97.62 100.38 3회 66.12 96.72 100.32 [ 그림 19] 삼각플라스크를이용한온도계위치에따른물의끓는점실험장치 < 표 5> 삼각플라스크를이용한온도계위치에따른물의끓는점측정값 A B [ 그림 18] 온도계위치에따른온도변화그래프 [ 그림 20] 삼각플라스크를이용한위치별온도측정가열곡선그래프 - 15 - - 16 -
[ 그림 22] 비커를이용한끓는점 실험장치 A( 끓는점 = 99.78) B( 끓는점측정불가 ) [ 그림 23] 삼각플라스크와비커를이용한물의끓는점실험비교 [ 그림 21] 삼각플라스크를이용한 끓는점실험장치 [ 그림 23] 삼각플라스크 (A) 에서의물의 끓는점실험의열화상사진 [ 그림 24] 비커 (B) 에서의물의끓는 점실험의열화상사진 - 17 - - 18 -
< 표 7> 코트렐람세이영실험장치를이용한끓는점측정값 끓는점 ( C) 1 회 2 회 3 회 100.2 100.2 ( 화력높인후 ) 99.7 99.7 ( 화력높인후 ) 99.6 99.66 ( 화력높인후 ) 기압 (hpa) 1023.6 1024.3 1025 이론값 ( ) 100.28 100.31 100.31 오차율 (%) 0.08 0.60 0.65 [ 그림 26] 코트렐람세이영실험장치를이용한끓는점 실험결과 [ 그림 27] 코트렐람세이영실 험장치의열화상사진 [ 그림 25] 코트렐람세이영실험장치 - 19 - - 20 -
[ 그림 28] 비커에온도계를거꾸로꽂은깔때기를사용한끓는점실험장치 < 표 8> 비커에온도계를거꾸로꽂은깔때기를사용한끓는점측정값 1회 2회 3회 끓는점 ( C) 99.9 99.96 99.9 기압 (hpa) 1028.2 1028.2 1028.2 이론값 ( ) 100.42 100.42 100.42 오차율 (%) 0.52 0.46 0.52 [ 그림 30] 삼각플라스크에작은고깔을씌 운온도계비교실험장치 [ 그림 31] 삼각플라스크에작은고깔을씌운온 도계비교실험장치를확대한모습 [ 그림 29] 비커에온도계를거꾸로꽂은깔때기를사용한끓는점실험결과 끓는점에도달후온도가낮아 지고요동치는현상이나타남 < 표 9> 삼각플라스크에작은고깔을씌운온도계비교실험장치를사용한끓는점측정값 1 회 2 회 3 회 A B A B A B 끓는점 ( C) 99.36 100.02 99.36 100.02 99.36 100.02 기압 (hpa) 1027 1027 1027 이론값 ( ) 100.40 100.40 100.40 오차율 (%) 1.04 0.34 1.04 0.34 1.04 0.34-21 - - 22 -
[ 그림 32] 삼각플라스크에작은고깔을씌운온도계비교실험결과 (1 회 ) [ 그림 33] 개선된물의끓는점측정실 험장치 [ 그림 34] 개선된물의끓는점측정실 험장치를확대한모습 - 23 - - 24 -
< 표 10> 개선된물의끓는점측정실험장치를이용한끓는점측정값 1 회 2 회 3 회 끓는점 ( C) 100.02 100.02 100.02 기압 (hpa) 1027 1027 1027 이론값 ( ) 100.40 100.40 100.40 오차율 (%) 0.34 0.34 0.34 [ 그림 36] 개선된실험장치의열화상사진 [ 그림 35] 개선된물의끓는점측정실험장치를이용한실험결과 - 25 - - 26 -
1) 류해일, 화학 Ⅱ 교사용지도서 192p, 천재교육 2) 류해일, 화학 Ⅱ 151p, 천재교육 3) 윤용기, 고정순, 제 37 회전국과학전람회압력의변화에다른끓는점측정장치개발및그실험에관한연구 4) 사이언스큐브 /www.sciencecube.com 5) 코베아홈페이지 http://www.kovea.co.kr 6) 네이버지식백과 http://terms.naver.com/entry.nhn?docid=1143922&cid=40942 &categoryid=32251 7) 플리어홈페이지 http://www.flir.com - 27 - - 28 -