"과학문화교육"

2006-09-25 (Vol 3, No 9)

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학교 과학교육의 실제

화학지도 자료의 면모

땀 흘리는 컵

맑은 날 아침 아파트 화단에 있는 식물을 관찰해 본적이 있나요? 식물의 잎에는 아주 작은 물방울들이 맺혀 있답니다. 이 이슬들은 어디서 왔을까요? 어떻게 생긴 것일까요?

1. 활동 목표
컵 표면의 수증기가 응결하는 과정을 경험을 통해 느끼도록하여 아침에 이슬이 맺히는 원리를 말로 설명할 수 있다.

2. 준비물
마른수건, 물병, 비이커(500ml), 차가운 물

3. 대상
초등학교 1~6학년

4. 실험과정
① 2개의 비이커를 준비하여 표면을 깨끗이 닦는다.
→ 컵 표면에 물기가 없음을 손으로 확인한다.
② 2개의 비이커에 각각 같은 양의 물을 붓는다.
③ 1개의 비이커에는 얼음을 넣고, 다른 한개는 그냥 둔다.
④ 1~2분 경과 후 양쪽의 컵의 표면을 손으로 느끼게 한다.
→ 얼음이 있는 컵의 표면에는 물방울이 맺혔음을 손으로 알 수 있다.

5. 원리
① 겨울에 버스에 타면 안경에 김이 맺히는 현상도 이슬이 생기는 원리와 같다.
② 공기중에 포함된 수증기가 찬 물체의 표면에 닿아 식어서 생긴 작은 물방울을 이슬이라 한다.

6. 관찰 방법
① 물방울이 생기는 과정을 실험으로 알아봅시다.
② 물체 주변에 물방울이 생긴 까닭을 알아봅시다.

7. 관찰 과정
① 맑은 날 아침에 풀밭에 가 본적이 있나요?
② 그 때 풀잎을 만져 본적이 있나요?
③ 풀잎에 묻는 물방울들은 어디서 왔을까요? 비가 왔을까요?
④ 어디서 왔는지 자신의 생각을 말해보세요.
⑤ 그런 물방울을 이슬이라고 하는데, 우리도 이슬을 만들 수 있어요.
⑥ 실험을 진행.(모두 만져보고 느껴보게 할 것)
⑦ 이 컵에 맺힌 물방울은 어디서 온 것일까요?
⑧ 공기 중에 떠다니는 수증기가 컵 표면의 차가운 공기와 만나서 물방울형태로 바뀌는 것이랍니다.(액화 현상 설명)
⑨ 더 이해가 되는 학생은 물의 순환에 대해서도 설명해 준다.(고체 ↔ 액체 ↔ 기체)
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냉장고 없이 만드는 얼음과자

아이스크림을 좋아 하나요? 냉장고나 냉동실이 없었던 아주 옛날에는 해마다 아이스크림 없는 여름을 보냈을까요? 그렇지 않습니다. 지혜로웠던 조상들은 냉동실 없이도 얼음과자를 만들어서 시원한 여름을 보낼 수 있었습니다. 지금부터 선생님과 함께 냉장고 없이 얼음과자를 만들어 봅시다.

1. 수업 목표
얼음과자를 만드는 흥미있는 과정을 직접 경험하고, 어는점 내림에 대한 개념을 이해하도록 하여 설명할 수 있도록 한다.

2. 대상
초급: 초등학교 1~3, 중급: 초등학교 4~중1, 고급: 중 2~고1

3. 준비물
잘게 부순 얼음, 소금, 15ml 시험관, 환타․사이다, 나무젓가락

4. 과정
1) 두 개의 큰 비이커를 준비한다. 두 개의 비이커에 잘게 부순 얼음을 똑같이 넣도록 한다.
2) 한쪽의 비이커에는얼음과 소금의 비율이 3:1이 되도록 소금을 골고루 뿌리고 막대로 잘 저어 준다. 한쪽의 비이커에는 소금을 넣지않고 비교하도록 한다.
3) 학생에게 환타나 사이다 중 한 가지를 고르개 하고 2개의 15ml 작은 시험관에 붓도록한다.
4) 3번을 양쪽의 비이커에 얼음 사이에 꽂는다.
(소금이 들어있는 얼음비이커와 소금이 들어 있지 않은 얼음비이커의 음료수의 동결변화를 비교하도록 한다.)
5) 양 쪽의 비이커에 완전히 묻힐 수 있도록 넣는 것을 도와준다.
6) 얼음과자의 손잡이가 될 나무젓가락을 반을 나누어 한 쪽을 음료은안에 꽂아 20-30분 방치한다.
7) 기다리는 동안 소금을 넣은 비이커의 표면과 소금을 넣지 않은 비이커의 표면의 변화를 느끼게 한다.
(소금을 넣은 비이커의 경우 비이커의 표면에 성애가 낀다.)
8) 소금을 넣은 비이커의 음료수가 얼은 것 같으면 학생스스로 양쪽의 나무젓가락을 뽑아 보게 한다. 소금이 들어 있는 비이커는 얼음과자가 되었을 것이고, 들지않은 비이커는 변화가 없다.

5. 원리
1) 초급
>> 얼음과자를 만드는 과정을 익히고 차이를 느끼도록 하는 경험 중점을 두어 진행함.

2) 중급
>> 신기하게도 작은 시험관 안에 들어 있던 설탕물은 어느새 얼음과자로 변해 있을 것입니다 그냥 얼음에 설탕물을 넣으면 얼음과자가 되지 않습니다. 그러나 얼음에 소금을 넣으면 온도가 아주 내려가게 되지요. 비율만 잘 맞추면 영하 20도까지도 내릴 수 있습니다. 얼음에 소금을 넣고 가만히 살펴보면 소금이 닿아 있는 쪽의 얼음이 녹아서 물로 변하는 것을 볼 수 있습니다. 이렇게 얼음이 물로 변하면서 주위의 열을 뺏어가기 때문에 온도가 낮아져 간이 냉동실이 되는 것입니다.
겨울철 온도가 영하로 내려가면 길가의 눈이나 물이 얼어 있습니다. 그러나 웬만한 겨울날씨에도 바닷물은 얼지 않지요. 그 이 유가 바로 바닷물이 소금물이기 때문입니다. 이렇게 물에 어떤 물질이 녹아 있으면 순수한 물의 어는 온도인 0도가 되어도 얼지 못하고 온도가 아주 많이 내려가야만 얼 수 있습니다. 물에 들어 있는 물질이 많을수록 더 낮은 온도에서 얼게 되지요. 이것은 한강에도 적용이 됩니다. 옛날 한강물이 오염이 되지 않고 깨끗했을 때에는 겨울철에 한강이 얼어서 그 위에서 스케이트도 탔다 고 합니다. 그러나 요즘은 한강이 오염이 많이 되어서 그 안에 불순물이 많기 때문에 겨울철 온도가 영하로 내려가도 얼지 않지요.
그렇다면 왜 소금이나 다른 물질은 물의 어는 온도를 낮추는 것일까요? 즉, 얼음에 소금이 들어가면 왜 얼음이 녹게 되는 것일 까요? 그 이유는 소금이 얼음에 닿아서 불규칙한 상황을 만들어 주기 때문입니다. 얼음보다 물이 더 불규칙한 분자 배열상태를 가지고 있다는 것을 인식한다면 쉽게 이해가 될 것입니다. 얼음에 있던 분자가 열을 받아서 더 활발하게 움직여 불규칙한 배열을 갖는 물이 되는 경우도 있지만, 소금이 얼음에 닿아서 얼음이 불규칙한 배열을 가질 수 있도록 도와주어서 물이 될 수도 있는 것입니다. 소금을 뿌릴 때 얼음의 온도가 영하 0.5도라고 한다면 이 온도에서 얼음이 물로 변해 버렸으니 얼음의 어는 온도가 낮아진 셈이 되는 것이지요. 이것을 '어는점 내림' 현상이라고 합니다.
어는점 내림 현상에 의해 얼음이 물로 변할 때 온도가 많이 내려가게 되지요. 그것은 물이 얼음보다 에너지를 많이 가지고 있는 상태이므로 얼음이 녹을 때 주위에서 열을 빼앗기 때문입니다. 그래서 간이 냉동실을 만들 수 있는 것입니다

3) 고급
>> 중급의 흡열반응의 원리와 더불어 석빙고의 역사까지 설명 하도록 한다.
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주물럭~퍽퍽!!

어느 날 준이라는 주방장이 있었는데... “내 오늘은 기필코 내 생애 최고의 수타면을 뽑겠다”라고 호언장담을 했었다. 그리하여 보통 사용하는 밀가루대신 옥수수 전분을 사용하게 되었는데 그 전분에 물을 붓고 반죽을 하는 순간 “헉, 큰일이다!!!!!” 반죽이 안 되지 않은가? 준 주방장은 다시 전의를 가다듬고 반죽을 했다. 그러나 반죽이 끝났다 싶으면 다시 풀어지는 것이었다. 준 주방장은 결국 최고의 수타면을 포기하고 밀가루로 자장면 반죽을 했다는 옛 이야기가 있었다. 왜 준 주방장이 수타면을 포기하게 되었는지 그 비밀을 알아볼까요?

1. 준비물
옥수수전분, 물, 세숫대야, 비커, 앞치마, 두건, 수건

2. 과정
① 옥수수전분을 준비한다.
② 물을 준비 한다.
③ 옥수수전분과 물을 거의 1:1의 양으로 섞는다.
④ 반죽을 한다.
⑤ 손을 넣어 반죽의 점성을 확인한다.
⑥ 확인 후, 주먹으로 내려치거나, 점성도를 확인하여 뭉쳐 본다.

3. 원리

이 실험의 원리는 위에 보이는 타원형통 모양의 분자로서 설명할 수 있어요. 속은 비어 있어서, 압력(P)을 가하면 녹말분자 사이에 물 분자가 들어가게 되죠. 다시 말해서 녹말 분자 속에 빈공간이 많고, 서로 사이가 많이 떨어져 있어서 액체 상태였다가, 힘을 주게 되면 빈 공간에 물 분자들이 강제로 끼어 들어가게 되요. 이렇게 하여 겔(GEL)화가 된답니다. 요약하건대, 물체에 힘을 가했을 때 액체와 고체의 성질이 동시에 나타나는 현상을 점탄성이라 해요. 여러분, 이젠 비밀이 풀렸죠?

4. 참고. 밀가루와 전분의 용도와 차이점이 무엇일까요???

기름에 튀겼을 때 바삭바삭한 질감의 정도입니다. 전분으로 튀겼을 때 튀김이 가장 바삭바삭해지죠..... 밀가루는 기름을 많이 먹어서 별로 안 바삭거리죠. 참고로, 튀김가루나 부침가루에는 여러 가지 혼합물을 첨가한 겁니다. 부침가루는 말 그대로 부침을 할 때 쓰시면 되고, 튀김가루 같은 경우 안에 베이킹파우더가 들어있어서 튀김을 하면 부풀어 오르는 효과가 있고 전분가루가 함유 되어있어 더 바삭바삭하죠..

전분 ☞ 튀김
밀가루 ☞ 수제비
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천방지축 탱탱볼 만들기

어렸을 적 한번쯤은 가지고 놀았던 탱탱볼~ 어디로 튀었는지 몰라서 찾아 헤매었던 기억 한번쯤은 가지고 계시죠? 어쩜~ 그렇게 자기 마음대로 잘 튀는지~

“탱탱볼의 숨겨진 원리”를 한번 알아봅시다.

1. 준비물
물풀(PVA), 붕사(BORAX), 물, 색소, 종이컵, 세숫대야, 비닐장갑.

1. 탱탱볼을 만들기 위하여 풀(PVA)과 소독용으로 쓰이는 붕사를 준비한다.

2. 세숫대야에 풀을 짜서 모은 다음 붕사 수용액을 풀에 넣는다.

응고물이 만들어 질 때까지 계속 저어준다.

풀을 뜯어내어 물기를 짜낸 후 손으로 반죽을 하여 둥글게 모양을 만들어 준다.

3. 원리

문방구용 고무풀은 폴리비닐알코올(PVA)로 이루어져 있습니다. 여기에 붕사 수용액을 혼합하면, 물에 녹은 붕사 용액이 풀 속의 P.V.A(폴리비닐 알코올) 분자와 P.V.A 분자 사이에 끼어들게 되지요.

분자 사이를 거대한 사슬로 연결시키기 때문에 고탄성의 성질을 가진 고분자 사슬구조의 물질이 만들어 지는 것이지요.

이것이 고무의 특징을 가지게 만드는 것이랍니다. 이렇게 만들어진 합성고무는 탄성이 크기 때문에 통통 튀는 탱탱볼을 만들 수 있는 것입니다.

4. 참고. 합성고무

탱탱볼은 합성고무라는 탄성체의 일종입니다. 탄소(C)원자와 수소(H)원자가 결합된 분자 덩어리가 수백, 수천 개씩 연결되어 만들어진 긴 사슬체로서, 우리 생활 속에서 많이 볼 수 있는 고무장갑, 농구공, 지우개, 타이어 이러한 것들이 있습니다.

어려울 것 같지만 알고 보면 손쉽게 만들어 볼 수 있다는 것!!!
자, 그럼 지금부터 탱탱볼 만들기에 한번 빠져 볼까요?
슬러쉬 만들기

무더운 여름날, 우리의 갈증을 식혀주는 맛있는 슬러시~ 이 슬러쉬는 어떻게 만들까요? 슬러쉬를 만드는 과정 속에 숨겨진 원리를 한번 알아봅시다.

1. 실험준비물
큰 통, 비닐 팩, 얼음, 소금, 탄산음료, 종이컵

2. 방법
① 비닐 팩에 탄산음료를 넣고 묶는다.
② 두 통에 모두 얼음을 반쯤 채우고 음료를 채운 비닐 팩을 넣는다.
③ 한 통에만 소금을 다량 넣어준 다음, 다시 얼음을 더 넣는다.
④ 뚜껑을 닫고 3~5분정도 흔든다.
⑤ 얼음만 넣은 통과 소금을 넣은 통의 온도 차를 비교한다.
⑥ 완성된 슬러쉬를 종이컵에 붓고 학생들에게 맛보게 한다.

3. 원리
[어는점 내림]이란 비휘발성 용질이나 비전해질이 용해된 용액의 어는점이 순수한 용매의 어는점보다 더 낮아지는 현상, 혹은 그 낮아진 정도를 일컫는 말이예요.
쉽게 말하면, 보통 액체의 어는점은 그 액체에 다른 물질을 녹였을 때 낮아진답니다. 이때 낮아지는 정도는 용액의 몰랄 농도에 비례해요.
여기서 몰랄 농도란 용매 1Kg당 녹아있는 용질의 몰수로서 온도와 압력의 영향을 받지 않는다는 점에서 몰 농도(용액 1L당 녹아있는 용질의 몰수)보다 유용하게 쓰일 수 있는 농도예요.
우리가 음료수를 슬러쉬 형태로 만들기 위해서는 얼음이 어는 온도보다 더 낮은 온도를 만들어 주어야하는데, 얼음에 소금을 넣으면 어는점이 내려가서 음료수가 차가운 상태에서 슬러쉬 형태로 바뀌게 된답니다.
이것은 몹시 추운 겨울날 강물은 얼지만 바닷물은 얼지 않는 것과 같은 원리랍니다. 바닷물은 짜지요? 즉, 바닷물은 각종 염류가 녹아있는 비교적 고농도의 용액이기 때문에 [어는점 내림]의 정도가 강물이나 호수에서 보다 더 크답니다. 그래서 강물이나 호수가 얼어도 바닷물은 얼지 않지요.

원리를 설명하는 용어들은 어렵지만, 실제로 실험을 해보면 매우 재밌고 간단한 실험이랍니다. 자, 그럼 맛있는 슬러쉬를 만들어 볼까요?
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Hot and Cool

어릴적 누구나 한번쯤, 문구점에서 구입해본 손난로, 운동선수들이 흔히, 사용하는 냉찜질팩 이두가지가 간단한 열의 이동의 원리로 된다는 사실!!
지금부터, 어떠한 원리로 열이 이동하는지 살펴보도록 합시다.

1. 준비물
(1) 손난로
먼저, 손난로 안에 들어갈 시료로는 아세트산나트륨이 필요합니다, 그리고, 비닐봉투, 비닐봉투가 들어갈 크기의 비커, 그리고 똑딱이가 필요합니다.

(2) 냉팩
질산암모늄, 비닐봉지, 물

2. 과정
(1) 손난로
① 액체상태의 손난로를 들고, 손난로 안에있는 똑딱이를 몇 번 꺽어보자
② 똑딱이로 꺽은 몇초뒤, 손난로가 따뜻해지는 것이 느껴지는지 손으로 느껴보자

(2) 냉팩
① 비커에 질산암모늄을 넣고, 조금뒤에 물을 넣어보자
② 비커에 손을 대어보면, 차가운것이 느껴지지 알아보자

3. 원리

손난로는 액체상태의 물질이 고체상태로 되면서 에너지인 “열” 을 내는 겁니다. 그럼, 어떻게 열이 나오는지 알아봅시다.
열도 에너지의 일종이에요, 에너지가 보존된다는 사실은 알지요,??
그럼 이것도 그런 원리와 똑같은 겁니다. 높은 상태의 에너지(액체)에서 낮은에너지(고체)로 에너지를 보내는 것입니다. 이때 에너지가 높은곳에서 낮은곳으로 이동할 때, 에너지의 차이가 나는데, 이때 차이나는 에너지 만큼 주위에 열을 방출하는 것을 말합니다. 이것이 바로 에너지 방출 바로 발열반응 인 것입니다. 발열반응의 예가 바로 위에서 실험한 손난로가 되는 것입니다.
잠깐, 손난로안에 있는 똑딱이는 어떤 역할을 맞고 있는지 알아봅시다. 바로 똑딱이는 높은에너지 상태에서 낮은에너지 상태로 갈수 있게, 도와주는 역할을 합니다. 액체로된 아세트산나트륨에 똑딱이로 충격을 주면, 바로 에너지변화를 주게 되는 것입니다.

흡열반응은 이것과 반대 원리라고 생각하시면 됩니다. 낮은 에너지상태에서 높은에너지의 상태로 변하고자 하면, 차이나는 에너지만큼, 에너지가 필요하게 됩니다. 바로 이때는 주위의 열을 빼앗아 높은 에너지상태로 되고자 합니다. 이때 주위로부터, 열을 빼앗기 때문에 주위는 온도가 내려가, 우리가 시원하게 느끼게 되는 것입니다.

이러한 간단한 열의 이동으로 우리주위에 여러 가지 유익함을 주는 제품들이 많습니다. 이제 이러한 원리를 알았으니, 우리주위에 어떠한 것들이 있는지 한번 알아보는 것도 재미있는 일 이 될 것입니다..

4. 참고

지금까지, 설명한 손난로의 원리는 단순한 발열반응으로 설명한 것입니다. 깊게 들어가면, 실제 손난로는 재결정을 이루면서 열을 방출하는 반열반응인 것입니다.
액체형 손난로에 쉽게 사용되는 티오황산나트륨(하이포) Na2S2O3.으로 분자1개가 물분자 5개씩 포함하고 있는 화합물입니다. 이것은 물에 대한 용해도가 작아서 고체로 굳어있지만, 가열해 주면 온도가 높아지기 때문에 액체상태로 됩니다. 녹은 티오황산나트륨은 굳어있는 상태보다 높은 열에너지를 많이 포함하고 있습니다.
티오황산나트륨을 액체로 만들어 식힐 때, 열을 방출하면서 고체 결정이 석출되어야 하는데도 티오황산나트륨은 그대로 녹아있는 과포화 상태를 유지하게 됩니다. 과포화상태는 매우 불안정하기 때문에 약간의 충격만 가해주면, 한꺼번에 고체 결정이 석출되면서 내부에 포함하고 있던 열에너지를 방출하게 되는데, 이것이 액체형 손난로의 원리이다. 이때, 액체형 손난로 속에 들어있는 작은 똑딱이 금속 단추는 과포화 상태의 티오황산나트륨에 충격을 가해 불안정한 상태에서 안정한 상태로 되게 해주는 역할을 해주는 것입니다.
그리고 냉팩에 사용한 질산 암모늄은 물과 반응을 하지 않습니다. 단지 설탕이 물에 녹듯이 용해되며 그 과정에서 열을 흡수하기 때문에 매우 차가워지게 되는 것입니다. 중요한 점 한 가지는 손난로는 다시 끓는물에 넣으면, 다시 액체상태로 만들어 사용할 수 있지만, 냉팩은 이론적으로 주변 습기만 잘 차단된다면 원위치를 시킬 수는 있지만, 생각만큼 일상생활에서 다시 분리한다는 것은 쉽지 않을 요인들이 있기 때문에 실험적으로는 재사용하지 못하였습니다. 냉팩을 만드는 방법은 질산암모늄에 물을 붓기만 하면 됩니다.
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드라이아이스의 미스테리

물질의 상태에 따른 분자운동을 청각과 촉각으로 느낄 수 있는 실험이예요. 드라이아이스의 상태변화를 직접 느껴보는 실험이랍니다. 또, 상태변화에 따라 다른 분자운동을 소리로 알아보아요. 자 이제 시작해 볼까요?

1. 준비물
지퍼팩, 드라이아이스, 장갑

2. 방법
① 장갑을 끼고, 드라이아이스를 만져보세요. 드라이아이스의 크기 확인해 보세요.
② 지퍼팩을 열고 드라이아이스를 넣어 주세요.
③ 지퍼팩 안의 공기를 빼고 꽉 닫아주세요.
④ 지퍼팩을 양손 사이에 놓고 잠시 기다려보세요. 자~ 어떻게 될까요?”

3. 원리

아까 실험에서 드라이아이스가 담긴 지퍼팩이 부풀어 올랐죠? 이것은 드라이아이스가 고체에서 기체로 변하는 승화현상 때문이랍니다. 승화란 고체가 액체 상태를 거치지 않고 직접 기체로 변하는 현상을 말해요. 옷장에 넣어둔 나프탈렌(좀약)이 크기가 점점 작아지는 것도 같은 현상입니다. 생활 속에서 또 다른 승화의 예를 찾아볼까요?

앞의 구슬을 넣은 같은 크기의 통 3개가 있어요. 각각 흔들어 보세요. 소리가 다르죠? 소리가 작은 순서대로 배열해 보세요. 소리가 작은 순서대로 고체, 액체, 기체랍니다. 통안에 소리나는 것은 구슬이예요. 구슬은 분자 또는 원자 모형이라고 생각하시면 되요. 고체는 분자가 많고, 분자간 거리가 아주 짧아 진동운동만 해요 그래서 소리가 거의 안 나는 거예요. 액체는 고체보다는 분자수가 적지만 기체보다는 많답니다. 고체보다는 분자의 운동이 활발하겠죠? 물질의 상태 중에 기체는 같은 부피속의 분자수가 가장 적어요. 그리고 분자들의 운동이 가장 활발하답니다.
3개의 사각형 그릇에 구슬이 들어있어요. 각각 손을 넣어 구슬의 개수가 어느 정도인지 느껴보세요. 가장 많이 들어있는 통의 구슬을 둥근 그릇에 부어보세요. 둥근 그릇의 구슬을 다시 만져보세요. 구슬의 모양이 사각형 그릇에 담겨있던 때와 둥근 그릇에 담겨있을때와 어떻게 다른가요?? 모양이 똑같죠? 고체가 존재하는 용기가 달라도 모양이 변하지 않는 답니다. 또 다른 사각형 그릇이 있죠? 이번에도 둥근 그릇에 부어보세요. 이번엔 어떤가요? 아까와는 달리 구슬들이 둥근 그릇에 맞게 담겨있죠? 액체는 액체가 존재하는 용기가 달라지면 그 모양도 달라진답니다. 구슬이 가장 적게 들어있는 사각형 그릇을 둥근 그릇에 부어보고, 만져보세요. 기체는 용기와는 상관없이 자유롭게 존재하는 성질을 가지고 있고, 액체처럼 용기에 따라 모양도 달라진답니다.

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대구대학교 과학교육학부 화학교육 전공

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