Analysis and Development of Experimental Method of Charle's Law Applicable to School

학교 현장에 적용 가능한 '샤를의 법칙' 실험방법의 분석 및 개발

Abstract

In this study, we developed an experimental method of the Charles' law applicable to school. Science textbooks and literatures on this principle were analyzed to extract factors utilized in organizing the experimental setup and method. A combined structure such as with a vial and a glass tube, the former of which is for deciding the total volume and the latter of which is for easy measurement of volume, was better in measurement of volume with temperature rather than a simple structure such as syringe. Use of graduated cylinder as a water bath to control the temperature showed advantage in cooling time than using other bath of larger volume such as a beaker. A liquid drop was used as a plug in the glass tube. This plug has little resistance with the glass wall when the gas volume changes. Water as a liquid drop in the glass tube had a significant effect in volume change of gas due to evaporation, especially in the beginning of the measurement. Glycerol showing negligible effect in volume change was used. This method took about one hour and produced a good linear relationship between the temperature and volume of gas with $R^2$ = 0.999 and absolute zero temperature = $-216.7\;{^{\circ}C}$. The Charles' law experiment developed in this study can be performed with appropriate adjustment of procedure considering the purpose of the curriculum of science and chemistry subject at each school level.

본 연구에서는 학교 현장에 적용 가능한 ‘샤를의 법칙’ 실험방법을 개발하였다. 교과서 및 문헌 분석을 통하여 실험 장치 및 방법을 구성하는데 필요한 요소를 분석하였다. 전체 부피를 결정하는 부분 으로 단순 구조인 주사기를 사용할 때 보다 바이알과 부피 변화를 관찰하는 부분으로 유리관을 연결한 구조를 사용하였을 때 온도 변화에 따른 기체의 부피 변화를 쉽게 측정할 수 있었고, 비커 같은 큰 부피 의 물중탕 기구 보다 눈금실린더를 이용한 물중탕 방법이 냉각 시간에 있어서 이점을 보여주었다. 부피 변화 부분에서 저항이 최소화된 형태로 액체 마개 형태가 이용되었다. 액체 마개로 물방울을 사용할 경 우 측정 초반에 증발에 의해 기체 부피변화에 큰 영향을 주는데, 글리세롤을 사용할 경우 이 같은 영향 은 거의 없었다. 제안된 실험방법으로 대략 1 시간 이내의 실험 시간을 소요하여 높은 선형 상관계수($R^2$ = 0.999)를 갖는 결과를 얻을 수 있었고, 부피가 0이 되는 온도가 $-216.7\;{^{\circ}C}$로 예측되는 정도로 매우 정확 한 결과를 보여주었다. 본 연구를 통해 개발된 샤를의 법칙 실험은 학교 급별 교육과정에 따라 수준을 조절하여 실시할 수 있을 것으로 예상한다.

서 론

과학교육의 목적은 학생들로 하여금 과학적 탐구능력을 갖게 하는데 있다. 탐구능력을 향상시키기 위해서는 학생들이 직접 과학의 과정을 경험해 보는 것이 중요한데, 이러한 이유에서 과학 교과에서는 실험 실습을 통한 수업을 강조하고 있다. 특히, 실험 활동은 학생들에게 새로운 개념이나 이론을 탐색할 수 있는 구체적인 학습경험을 제공해 줄뿐만 아니라 과학에 대한 긍정적인 태도를 개발하도록 도와준다.1 실제로 제7차 교육과정에서는 과학 수업에서 탐구 중심의 수업활동을 강조하여 과학의 기본개념을 탐구활동과 탐구 과정을 통해 습득하도록 하고 있으며,2 2007 개정 교육과정에서도 “과학적 소양이라는 목표를 달성하기 위한 가장 효과적인 교육방법 중 하나는 모든 학생들을 되도록 자주 자연탐구에 참여시켜서 과학자들이 하는 탐구 방법을 체험할 기회를 제공하는 것”이라고 강조하고 있다.3

모든 과학지식이 실험을 통해서 획득되는 것은 아니다. 하지만, 잘 구성된 실험은 학생들에게 흥미와 관심을 주어 과학에 대한 긍정적인 태도를 취하게 하고 새로운 과학적 개념을 이해하는 데 도움이 된다. 그러나 대부분의 중․고등학교의 과학수업에서는 실험도구나 그 방법의 제약 때문에 탐구 및 실험 활동보다 주로 이론수업을 통해 과학지식을 가르치고 있는 것이 현실이다. 특히 화학 교과 영역은 이론과 실험을 통합적으로 가르치는 것이 효과적임에도 불구하고 이론수업과 실험 수업을 서로 분리하여 수업하는 경우가 대부분이며, 이마저도 실험수업보다는 이론 위주의 수업에 더 큰 비중을 두고 있다.4 이러한 까닭에 탐구 활동 없이 중등학교에서 과학을 효과적으로 가르칠 수 있는지, 또한 학생들이 탐구 실험 활동으로 얻는 교육의 효과를 다른 방법으로 더 효과적으로 얻을 수 있는지에 대한 회의가 있다.5

중등 교육과정에 들어있는 기체의 성질을 나타내는 ‘샤를의 법칙’은 일정한 압력에서 기체의 부피와 온도와의 관계를 나타내는 법칙으로 중학교 1학년 과학 교과서는 9종, 고등학교 화학Ⅰ 교과서는 8종, 고등학교 화학Ⅱ 교과서 8종에 모두 소개되어 있다. 2007년 개정 교육과정 중 중학교 1학년 과학에서는 ‘기체의 온도와 부피 사이의 관계’를 보여주는 필수 탐구활동으로 “기체의 압력에 따른 부피 변화, 기체의 온도에 따른 부피 변화를 관찰하여 그래프로 나타내기”를 수행하도록 하고 있어 정량적인 데이터로부터 온도와 기체의 부피 관계를 알아내는 수준을 요구하고 있다. 그러나 현재 교과서에 수록된 내용을 살펴보면 샤를의 법칙을 탐구과정의 간단한 실험을 통해 정성적으로 설명하거나 실험 없이 이론 설명으로 그치고 있기 때문에 이 실험에 대한 중학교 1 학년 수준의 실험 개발이 필요하고 더불어 고등학교 과정에 필요한 실험에 대한 검토도 필요하다.

샤를의 법칙을 정량적으로 확인하는 실험 방법에 대해서 최근 몇 가지 실천적인 제안이 있었다. Snyder6는 미네랄 오일을 넣은 큰 사이즈의 시험관 속에 공기가 포함된 U자관을 넣어 중탕 가열하면서 온도와 공기의 부피관계를 측정하는 실험 장치를 제안하였고, Rockley 외 1인7은 바이알과 테플론 튜브를 연결한 장치에 글리세롤 방울을 넣어 기체 부피 변화를 측정하는 실험장치를 제안하였다. 이 외에 김현태8는 전국과학전람회 출품작으로 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 개선하여 하나로 통합할 수 있는 정량적인 실험 장치를 개발하였다.

본 연구에는 위 선행 연구를 포함한 기존 교육자료의 분석을 수행하여 ‘샤를의 법칙’의 정량적인 실험 수업이 실시되기 어려운 요소들을 찾아 분석하고 이를 개선한 우리나라 수업 환경에 맞는 실험을 제안하고자 하였다. 즉 간편하고 결과가 명확한 실험 방법과 실험 장치를 개발함으로써 학생들의 실험수업을 통한 정확한 개념 형성에 기여하고 정교하게 계획된 실험을 학교 급별에 따라 정성적, 정량적 설명 모두 가능하게 제시하고자 하였다.

 

연구 내용 및 방법

교육자료 분석

제7차 교육과정 중학교 1학년 과학 교과서, 고등학교 화학Ⅰ 교과서, 고등학교 화학Ⅱ 교과서의 ‘샤를의 법칙’ 탐구 내용 및 설명에 관해 분석하였다. 각 중․고등학교 과학 교과서에는 ‘샤를의 법칙’과 관련한 내용이 서로 다른 방식으로 반영되거나 기술되어 있다. 교과서 분석은 교육내용으로서 ‘샤를의 법칙’이 얼마나 중요하게 다루어지고 있는지, 그리고 학교 급별에 따라 탐구활동과 내용 전개가 어느 정도 깊이 있게 전개되고 있는지 파악할 수 있게 할 것이며 탐구활동의 실험이 효과적으로 학습될 수 있는 성격의 활동인지 알 수 있게 할 것이다. 또한 실험들에서 활용한 기구들을 살펴보고 장점과 단점 등을 분석하였다. 분석된 교과서는 다음과 같다.

실험 분석 및 개선 실험 개발

선행 연구된 ‘샤를의 법칙’ 실험의 분석을 통해서 현장에서 적용하는데 따르는 문제점을 도출하고 이를 토대로 개선한 실험을 개발하였다. 국내․외 ‘샤를의 법칙’ 관련 실험 연구들을 조사하여 그 연구들에서 활용한 또는 개발한 장치들의 장․단점을 분석하고, 과학 교과서에 제시된 실험들의 현실적인 문제점들을 실험 정확성과 학교 수업 현장에서의 활용 가능성의 측면에서 분석하여 현장 적합성을 가진 실험 장치 및 실험방법을 구안하는데 활용하였다.

현장 적용 방안 제안

개발한 실험의 학교 급별에 따른 적용 방안을 제시하였다. 중학교 1학년, 화학Ⅰ, 화학Ⅱ에 ‘샤를의 법칙’ 내용이 모두 포함되어 있다. 그러나 내용 수준에서 차이가 나므로 개발한 실험도 이에 맞게 수준을 조절하여 학교 급에 따라 활용할 수 있을 것이다.

 

연구 결과 및 논의

교육자료 분석

교육인적자원부에서 검정한 7차 교육과정의 중학교 1학년 과학 교과서는 9종으로, 이들 모두가 분석 대상이 되었다. Table 1에서 보는 바와 같이 모든 교과서가 기체의 온도와 부피에 관한 내용을 수록하고 있었다. 기체의 온도와 부피 단원 내용은 모두 탐구와 설명으로 구성되어 있었고, 탐구 형태는 기체의 부피가 온도가 변함에 따라 변하는 것을 체험할 수 있는 활동으로 구성된 실험이었다. 풍선의 크기가 온도에 따라 변하고, 플라스크에 연결된 유리관 속 액체 방울이 온도가 변함에 따라 움직이는 것을 관찰하는 것 등이 그것이다. 이런 까닭에 온도가 높아지면 기체의 부피도 커진다는 수준에서 정성적으로 보여줄 뿐 정량적인 설명, 즉 기체의 부피 변화가 온도 변화에 비례해서 변한다는 정량적인 경향성을 다루는 실험 내용은 포함하고 있지 않았다. 그러나 9종중 6종에서 ‘샤를의 법칙’을 “모든 기체는 압력이 일정할 때 온도가 올라가면 부피가 일정하게 증가하여 비례관계가 있다”는 개념은 설명으로 소개하고 있었는데, 그 중 1종에서는 온도가 1 ℃ 올라갈 때 기체의 부피가 0 ℃ 부피의 1/273씩 증가한다는 설명도 포함되어 있었다. Table 1에 표시한 개념 수준은 탐구활동과 설명을 종합적으로 표시한 것으로 샤를의 법칙 내용이 어느 정도 설명되었는지에 따라 위계를 정한 것이다.

Table 1.level 1: The gas volume increases as the temperature increases. level 2: The gas volume changes linearly to the change of temperature. level 3: The gas volume changes by 1/273 of the volume at 0 ℃ as temperature increases by 1 ℃. level 4: Concept of absolute zero temperature.

Table 2는 화학 I 교과서 내용을 분석한 것이다. 교육인적자원부에서 검정한 고등학교 화학 I 교과서 8종으로 모두가 분석 대상이 되었다.

샤를의 법칙에 대한 설명과 탐구활동이 모든 교과서에서 수록되어 있었다. 탐구활동은 실험 및 자료 해석 형태로 포함되어 있으며 기체의 부피가 온도 변화에 따라 변한다는 것을 정성적인 수준으로 보여주는 것이다. 주사기나 풍선을 이용하여 온도가 변함에 따라 기체의 부피가 변하는 것을 보여주는 실험 등으로 정량적인 데이터를 얻거나 분석하는 내용은 아니다. 반면 샤를의 법칙에 대한 설명은 8종의 교과서 모두 정량적으로 이루어지고 있었다. 즉, 기체의 부피가 온도에 비례하는데 온도가 1 ℃ 올라갈 때 0 ℃ 부피의 1/273씩 증가한다는 구체적이고 자세한 설명이 포함되어 있었고 4종에서는 기체의 부피가 0이 되는 온도인 절대 0도에 대한 설명도 포함되어 있었다.

고등학교 화학 II 교과서에 대한 분석은 Table 3에 실었다. 분석 대상이 된 것은 교육인적자원부에서 검정한 고등학교 화학 II 8종 교과서이다. 모든 교과서에 실험 또는 자료해석의 형태로 샤를의 법칙 탐구활동이 수록되어 있었다. 탐구활동에 포함된 내용을 살펴보면 실험을 통해 얻은 결과나 제시된 자료로 그래프를 그리게 하고 이를 통해 부피와 온도가 비례관계임을 알게 하는 것이었고, 5종의 교과서에서는 그래프에서 절대 0도를 알아내는 질문도 포함하고 있었다. 내용설명에서는 모든 교과서가 ‘샤를의 법칙’을 다루었으며, 수식을 포함하여 정량적으로 자세히 나타내고 있었다.

Table 2.The analysis of the inquiries related to the Charles' law introduced in the chemistry I textbooks for high school students

Table 3.The analysis of the inquiries related to the Charles' law introduced in the chemistry II textbooks for high school students

교과서 및 문헌에 제시된 실험의 분석 및 장치 개발

부피를 관찰하기 위한 실험 기구의 형태와 관련된 문제를 살펴볼 필요가 있다. 교과서에 제시된 실험에서 많이 사용되는 실험 방법 중 하나가 주사기를 이용하여 부피 변화를 관찰하는 것이다. Table 1-3을 보면 중학교에서는 2개, 화학 I에서는 4개, 화학 II에서는 4개의 실험에서 주사기를 사용하고 있음을 알 수 있다. 주사기를 이용한 실험은 주사기 내부의 기체 상태 변화에 따라 피스톤이 움직여 부피 팽창을 간단하게 관찰할 수 있다는 점에서 매우 단순하면서도 직관적으로 쉽게 이해를 돕는 장점이 있다. 그러나 이 기구를 이용하여 실제 실험을 수행하고 측정을 하여 그래프를 그리고 경향성 있는 결과를 얻는 데는 현실적인 문제점이 따른다. 시중에 판매되는 주사기는 플라스틱 및 유리 재질로 되어있는데, 주사기 내벽과 피스톤 사이의 저항이 크고 일정하지 않아서 온도 변화에 따라 부피가 일정하게 팽창하지 못하고 불규칙적으로 온도 변화를 반영하는 단점을 가지고 있다. 즉, 압력이 일정하게 유지되는 조건을 만들어 주지 못하여 기체의 온도 변화에 따른 부피변화를 정확하게 관찰할 수 없게 된다.

Table 4.The data of experiment when an erlenmeyer flask and a syringe are used for measuring gas volume

이에 대해서 좀 더 실증적으로 알아보기 위해 교과서에 제시된 실험방법 중 한 형태의 실험을 실시하였다. 250 mL 삼각플라스크에 30 mL 유리주사기를 연결하고 물중탕 가열하면서 기체의 온도와 부피변화를 측정하였다. 이 때 위에 지적한 문제로 인해 압력의 변화가 예상되므로 MBL장비를 사용하여 부피변화 2 mL 간격으로 온도와 압력을 함께 측정하였다. 3차에 걸쳐 실험한 결과를 Table 4에 나타내었는데2) 온도와 부피가 변화면서 압력도 함께 변하는 것을 볼 수 있다. 정량적인 ‘샤를의 법칙’은 기체의 부피와 온도와의 관계를 알고자 일정한 압력상태 조건이 요구된다. 따라서 부피 팽창과 관련하여 저항의 문제를 일으키는 구조를 가진 주사기 사용은 문제가 있음을 알 수 있다.

부피 팽창에 따른 기구의 마찰 저항의 문제와 더불어 온도 구간에 대한 고려도 필요하다. Table 1-3에서 나타난 것과 같이 대부분의 실험에서 물중탕으로 가열하는 방법을 사용하고 있다. 물중탕 가열을 이용하는 것은 여러 가지 이유가 있을 것으로 사료되는데, 그 중 하나는 기체의 온도를 직접 측정하기 어려움 또는 불편함 때문에 물의 온도를 측정하여 기체의 온도를 가늠하는 것이고 또 다른 측면에서는 직접 가열할 때 발생할 수 있는 안전의 문제를 최소화하기 위한 것도 있을 것이다. 특히, 중학교 1학년 학생을 대상으로 하는 실험은 학생들이 조작에 미숙하고 안전에 대한 준비가 충분히 되어 있지 못하므로 이들이 안전하게 실험할 수 있는 온도 구간으로 실험이 설계될 필요가 있다. 예를 들면, 물중탕 가열을 하더라도 화상을 입지 않을 온도 구간으로 60 ℃ 이내에서3) 실험하도록 설계하는 것이 한 가지 방법일 수 있다.

한편, 학교 현장에서 쉽게 적용할 수 있는 실험 방법이라면 적절한 온도 구간에서 부피의 변화를 관찰하기가 용이해야 한다. 이 같은 관점에서 보면 화학 I에 제시된 큰 삼각플라스크와 상대적으로 부피가 작은 주사기를 연결한 구조는 매우 잘 설계된 구조라고 할 수 있다(Fig. 1(b)). 왜냐하면, 온도가 1 ℃ 증가할 때 0 ℃ 부피의 1/273이 증가하므로 부피 변화를 크게 하려면 전체 부피가 큰 구조이어야 하고 동시에 관찰하는 부분에서는 그 변화를 쉽게 관찰할 수 있어야 하기 때문이다. 그러나 교과서에 제시된 많은 실험에서 사용되는 기구를 보면 이와 같이 부피 구조가 이원화된 형태가 아니고 단일 구조를 띠고 있다. 예를 들면, 주사기의 마개를 막아서 이용하는 것 또는 구부러진 U-관을 이용하는 것 등이 이에 해당한다(Fig. 1(a)). 이 경우 상온에서 실험한다면 온도가 1 ℃ 증가에 따라 기구 전체 부피의 대략 300분의 1씩 부피가 변하게 되므로 기구가 충분히 크지 않다면 부피 변화를 관찰하기가 용이하지 않고 온도 구간을 넓게 잡아야 하는 한계를 지니고 있다.

Fig. 1.Apparatus (a) using single volume element and (b) using dual volume elements. (출처: HI-d, HII-a))

위의 분석 내용을 정리하면 다음과 같다. 첫째, 부피가 변하는 부분에 있어서 마찰 저항이 최소화될 수 있는 구조의 기구가 필요하다. 둘째, 측정 온도 구간은 너무 넓지 않으며 위험하지 않은 온도 구간에서 수행되는 것이 필요하다. 셋 째, 온도 구간이 넓지 않은 온도 구간에서도 부피 변화를 크게 관찰할 수 있는 구조의 기구가 필요하다. 이 외에도 기구를 구비하는데 필요한 비용이 학교 현장에서 대량으로 구입할 수 있을 정도의 가격 수준이어야 하고 조작이 간편해야 하고, 무엇보다도 적절한 수준의 경향성을 보여주는 그래프를 그릴 정도의 정량적인 결과를 얻을 수 있어야 한다. 이 기준에 따라 교과서 및 문헌에 제시된 실험 기구를 조사하였고 Rockley 외 1인(1995)이 보고한 실험 장치를 참조하여 다음과 같은 실험 장치 및 실험 방법을 개발하였다.

‘온도에 따른 기체 부피의 변화’ 관찰 실험 개발

‘온도에 따른 기체 부피’를 측정하는 실험 장치에서 부피를 측정하는 부분이 가장 핵심적인 내용이라고 할 수 있다. 이 실험 장치를 개발하는데 있어서 다음과 같이 여러 가지 측면을 고려하였다.

부피 측정 기구에 대한 고찰

온도가 1 ℃ 변함에 따라 기체의 부피는 0 ℃ 부피의 1/273씩 변하므로 그 양이 작다. 따라서 측정이 쉽게 하려면 기체가 담겨있는 기구의 부피는 크게 하고 그 부피의 변화를 관찰하는 부분의 부피는 작게 하여 변화폭이 크게 나타나게 하여야 한다. 이를 고려하여 부피를 측정하기 위한 기구는 바이알과 피펫을 활용하였다. 피펫의 내부 부피는 바이알에 비해서 매우 작으므로 기구의 전체 부피는 바이알의 크기에 의해 결정되고, 피펫의 내부는 가는 관의 형태이므로 전체 부피가 조금 변해도 피펫에서는 그 변화가 크게 나타나고 피펫에 새겨진 눈금은 이미 계량화되어 있으므로 쉽게 부피 변화를 측정할 수 있다. 피펫은 구입한 형태 그대로 사용할 수 있고 필요에 따라 적당한 길이로 잘라서 사용할 수 있다.4) 본 실험에서는 적당한 길이로 가공하여 사용하였다.

이런 이유로 바이알 속 공기의 부피 변화를 측정하는 기구로 내경이 작은 피펫을 선택하였다. 이를 실리콘 튜브를 이용하여 바이알에 연결하였다 (Fig. 2). 여기서 바이알의 역할은 전체 부피를 조절하기 위한 것이므로 측정하고자 하는 온도 범위 및 피펫 유리관의 내경에 따라 적절한 부피의 바이알을 사용한다. 유리관은 필요에 따라 적절한 길이로 잘라서 사용할 수 있다. 이 기구에서 부피를 관찰하기 위한 경계를 만들기 위하여 이 피펫 유리관에 액체 방울을 흘려주었다. 그러면 유리관 안에 작은 실린더 형태로 액체가 마개 역할을 한다.

Fig. 2.(a) Image of apparatus combining a vial and a glass tube, (b) a schematic diagram of experimental setup using the apparatus.

이 장치를 이용한 온도에 따른 부피의 측정은 다음과 같이 한다. 먼저 60 ℃ 내외의 물이 담긴 비커 또는 눈금실린더 속에서 피펫 유리관이 연결된 바이알을 담근다. 물의 온도를 측정하기 위하여 온도계를 이 장치와 함께 나란히 담근다. 물방울 등 액체를 피펫 유리관 입구에 한 방울 떨어뜨리면 온도가 내려가면서 유리관 속 기체의 부피가 축소하므로 액체방울이 유리관으로 빨려들어 가게 되어 유리관 안에서 실린더 형태의 마개로 형성된다. 이 마개는 유리관 속 기체를 외부 공기와 구별 지어주는 역할을 하게 되어 마개의 위치를 관찰함으로써 온도변화에 따른 기체 부피변화를 측정할 수 있게 한다. 또한 주사기의 피스톤에서 관찰되는 저항의 문제가 발생하지 않고 기체의 부피 변화 요인이 발생하면 바로 움직여서 정확한 부피 변화를 관찰할 수 있는 장점도 지니고 있다.

한편, 교과서에서 제시되는 실험 장치와 실험방법에서 같은 실험 기구를 사용하더라도 어떤 내용을 어떤 형태로 조직하느냐 하는 것은 매우 중요한 과제이다. 특히 화학영역은 시약의 양이나 실험기구 등의 미세한 변화에 의해 결과가 달라질 수 있는 물질의 변화를 다루기 때문에 교과서 실험의 결과 오류에 관련된 문제가 많이 발생하며, 그에 따라 실험 조건을 상세화하는 것은 더욱 필요하다고 하겠다.9,10 이 같은 측면에서 볼 때 기구를 선택하고 개선하는 것이 실험을 개선하는 일의 한 부분이라면 개발된 기구를 사용한 실험의 다양한 측면을 고찰하고 현장에 맞는 조건 및 방법을 찾는 것이 또 다른 한 부분이라고 할 수 있다. 이에 여러 단계의 실험 과정을 통해서 바이알과 피펫 유리관이 연결된 실험 장치를 이용한 실험 방법을 개발하였다.

온도 조절 방법에 대한 고찰

기체의 온도를 변화시키는 방법으로 물중탕 방법을 사용하였다. 물중탕 기구를 1 L 비커로 사용한 결과와 250 mL 눈금실린더로 사용한 결과를 비교하였다. 바이알은 2 mL 크기이고 피펫 유리관은 0.5 mL 피펫을 가공한 것을 동일하게 사용하였다. Table 5는 온도 범위를 같이 해서 실험할 때 걸리는 시간을 나타낸다. 비커에 부피 측정 기구를 담그고 실험했을 경우 온도가 약 15 ℃ 감소하는데 약 2.5 시간이 소요되는 반면 눈금실린더를 사용했을 경우 약 1.25 시간이 소요되었다. 이 같은 차이는 용기의 구조 및 물의 양에 따라 대기 중으로 열을 뺏기는 시간과 관련이 있는 것으로 눈금실린더를 이용하는 경우 측정 시간을 1/2 정도 앞당길 수 있음을 알 수 있다. 실험 수업을 2개 수업시간을 붙여서 운영한다고 가정할 때 물중탕 기구로 1 L 비커보다는 250mL 눈금실린더 사용하는 것이 좋을 것으로 판단된다.

Table 5.Elapsed time for temperature to decrease by approximately 15 ℃.

이 두 비교 실험에서는 대기 중에 가만히 두고 온도가 감소하는 현상을 이용하여 온도를 조절한 것이지만, 실제 실험 상황에서는 이와 달리 다양한 방법이 사용될 수 있다. 예를 들면, 비커와 같이 부피가 큰 용기를 사용하더라도 더운 물을 덜어내고 찬물을 가해주는 방식을 사용하면 더 빨리 온도를 감소시킬 수 있고 이에 따라 실험 시간을 줄일 수 있다.

부피 측정 기구의 크기 선정에 대한 고찰

실험에 참여하는 학생들은 미세한 변화에 대한 정밀한 측정에 익숙하지 못하고 비싼 고급 실험 장치가 학교 현장에 충분히 보급된다고 볼 수 없는 한계가 있다. 따라서 실험 장치는 온도에 따른 부피 변화를 쉽게 관찰할 수 있도록 설계되어야 한다.

부피 변화를 크게 보는 것을 고려하면 바이알의 크기가 클수록 좋지만, 눈금실린더에 넣을 것을 고려하여 선택하였다.5) 실험에 사용한 바이알은 부피가 대략 4 mL 인 것을 사용하였다. 바이알의 부피가 약 4 mL 이므로 15 ℃가 변하는 온도 구간에서 대략 0.2 mL의 부피가 변하므로 이 부피 변화를 충분히 읽을 수 있는 1.0 mL 피펫 유리관을 이용하였다. 유리관의 길이는 눈금실린더의 높이를 고려하여 적당히 잘라서 사용하였다.

기구 장치에 대한 고찰

교과서에 소개된 실험 중 이원화된 부피 측정기구를 사용하는 경우 기체가 담겨 있는 기구는 가열 또는 냉각시키지만 부피변화가 측정되는 부분은 그렇지 않다. 예를 들면 삼각플라스크와 주사기를 연결한 장치를 이용한 실험을 보면 삼각플라스크는 중탕하는 물속에 잠기는데 주사기는 물 밖으로 나와 있는 것을 볼 수 있다. 이 경우 물에 잠긴 부분의 기체의 온도와 물 밖에 있는 부분의 기체의 온도가 동일하지 않게 되어 정확한 실험 결과를 얻을 수 없다. 이 같은 문제는 쉽게 예측되는 문제인데, 실험적으로 무시할만한 정도인지 아닌지는 쉽게 예측되지 않는다.

이를 확인하기 위해서 위 기구를 이용하여 두가지 방법으로 비교 실험을 수행하였다. 하나는 바이알과 피펫 유리관이 연결된 기구를 물 안에 완전히 잠기게 하여 실험하는 것이고 하나는 바이알 부분만 잠기게 하고 피펫 유리관 부분은 공기 중에 노출하여 실험하는 것이다. Table 6과 Fig. 3은 두 실험의 결과를 보여준다.

Table 6.Control experiments with the glass tube part placed above the water surface and with the glass tube part placed in the water.

Fig. 3.Control experiments with the glass tube part placed above the water surface (a) and with the glass tube part placed in the water (b).

두 실험에서 보이는 선형성은 피펫 유리관을 물 밖으로 배치한 것에서 월등히 좋게 나타났다. 그러나 절대 0도에 대한 예측 값은 더 많이 벗어나고 있다. 한편 피펫 유리관을 물속에 배치한 것에서는 선형성이 매우 떨어질 뿐만 아니라 특정한 비선형 경향성이 관찰되고 있다. 이것으로 부터 실험 초기에 실험 디자인에 의한 구조적인 측정 오차가 관여하고 있음을 유추할 수 있다.

구조적인 측면에서 볼 때 피펫 유리관을 물 밖으로 내어놓으면 물속에 잠긴 부분의 기체 온도와 물밖에 놓인 부분의 기체 온도가 일정하지 않다. 이 같은 요인이 예상됨에도 불구하고 선형성은 매우 좋게 나오는 것은 이 구조에서는 피펫 유리관을 물속에 잠기게 했을 때 유발되는 오차요인이 억제될 가능성을 생각할 수 있다.

두 장치 배치의 차이가 주는 영향 중 하나는 초기에 유리관의 마개로 사용되는 액체가 느끼는 온도가 다르다는 것이다. 유리관이 물 밖에 있으면 넣어준 액체가 느끼는 온도가 대기의 온도와 크게 다르지 않다. 즉, 실험을 60 ℃ 정도의 물중탕에서 시작한다면 대기의 온도는 상대적으로 매우 낮은 상태이다. 반면 유리관이 물속에 잠기어 있으면 넣어준 액체는 온도가 물중탕의 온도만큼 높아진다. 이 과정에서 예상할 수 있는 것은 유리관의 마개로 넣어준 액체, 즉 물의 온도가 다르고 이에 따라서 증기압의 차이가 나타난다는 것이다. 즉, 물의 온도가 60 ℃ 가량 높아지면 대기 온도에서보다 증기압이 높아지고 용기 안쪽에 기체 분자 수가 증가한다. 기체 분자 수가 증가하면 기체의 부피 증가 요인이 된다. 따라서 실험 초기에 온도가 감소하면서 부피가 감소하는 과정에서 물의 증발에 의해서 기체의 부피가 증가하는 요인이 더해져서 부피가 예상보다 작게 감소하게 되고 시간이 어느 정도 지나면 수증기가 포화되어 이 영향이 줄어들게 된다. Fig. 3(b)의 그래프에서 초기에 보이는 경향이 이와 일치한다. 반면 피펫 유리관이 밖으로 나와 있는 경우는 초기에 이와 같은 영향이 크지 않아 물의 증발에 의한 영향이 두드러지게 나타나지 않는다. Fig. 3(a)를 보면 이 같은 경향을 확인할 수 있다. 증발에 의한 영향이 두드러지게 나타나지는 않지만 비슷한 경향이 존재한다는 것도 그래프에서 관찰된다.

증발의 영향을 확인하고 그 정도를 가늠하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다. 2 mL 바이알과 1.0 mL 피펫을 개량한 유리관을 연결한 장치를 60 ℃ 항온조의 물에 담그고 ‘마개’로 작용할 물질(액체방울)을 아주 가는 스포이트를 사용하여 유리관 아래 부분에 넣어주었다. 그리고 시간이 지남에 따라 액체방울의 위치, 즉 기체의 부피를 측정하였다. 온도가 일정하게 유지되므로 수증기 영향이 없다면 액체방울의 위치는 변하지 않아야 한다(즉, 부피가 일정하게 유지되어야 한다). 액체방울로 물방울과 글리세롤 방울을 동시에 실험하여 얻은 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 물방울의 경우 유리관에 넣어주자마자 빠르게 부피가 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. 시간이 지남에 따라 부피가 증가하는 속도가 느려지고 결국에는 일정하게 유지되었다. 이것은 유리관에 넣은 물방울에서 수증기가 발생하는 것을 보여주는 결과로서 발생한 수증기로 포화상태에 이르게 되면 더 이상 증발이 일어나지 않아 부피가 변하지 않는 것으로 해석할 수 있다. 반면 글리세롤 방울 실험 결과에서는 부피 변화가 없으므로 증발의 영향이 거의 없음을 확인하였다.

Fig. 4.The volume change of gas with time when water and glycerol are used as a plug of the glass tube, respectively.

유리관을 막는 ‘마개’로서 액체의 종류에 대한 고찰

온도와 부피 간의 일정한 비례 현상이 정밀하게 측정되기 위해서는 실험에 사용되는 장치나 물질이 의도하지 않은 방식으로 실험 결과에 간섭하지 않도록 통제해야 한다. 위의 물과 글리세롤을 이용한 실험을 통해 마개로 사용하는 액체로 물은 증발의 영향이 매우 크다는 것을 알 수 있다. 따라서 이 영향을 최소화하기 위하여 증발의 영향이 거의 없는 물질을 사용하는 것이 필요하다. 이 실험에서 확인한 것처럼 글리세롤을 사용하면 그 영향은 배제할 수 있을 것으로 판단된다. 같은 조건하에 글리세롤을 ‘마개’로 사용하여 실험을 하고 결과를 얻었다(Table 7, Fig. 5). 예상대로 수증기 영향이 없었기 때문에 선형성을 나타내는 상관계수가 0.999로 물을 사용했을 때의 값 0.969(Table 6, Fig. 3 참조)보다 높게 나타났고, 절대 0도에 대한 예측 값도 -216.7 ℃로 물에서의 -203.4 ℃보다 이론값에 근접한 값을 얻을 수 있었다. 이로써 더욱 정량적이고 정밀한 ‘샤를의 법칙’ 실험 결과를 얻기 위해서는 ‘마개’로 사용할 액체 물질을 선정할 때 증발의 영향을 최대한 받지 않는 물질을 선택해야함을 확인할 수 있었다.

Table 7.The data of experiment when glycerol is used as a plug.

Fig. 5.The data of experiment when glycerol is used as a plug. (a) is for temperature range from 30 to 60 ℃ and (b) is an extended plot to zero volume.

측정 온도 구간에 대한 고찰

중등학교 수업시간에 활용할 수 있으려면 실험 시간이 적절해야 한다. 이는 물의 냉각 속도와 관련이 있으므로 이를 알아보기 위해 물중탕 기구로 사용하는 250 mL 눈금실린더 속에 물을 넣고 냉각시키면서 시간과 온도를 측정하였다.

측정된 온도 구간은 68.8～27.8 ℃로 결과를 시간에 따른 온도 변화 그래프로 나타내 보면 Fig. 6과 같다. 시간이 지날수록 기울기가 감소하는데, 이는 냉각속도가 감소하는 것을 나타낸다. 즉, 같은 온도 구간을 관찰하더라도 처음 온도가 높을수록 짧은 시간에 실험을 끝마칠 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 수업 시간을 고려하여 측정온도 구간을 높은 온도 구간으로 정해야 한다. 하지만 미리 언급한 바와 같이 너무 높은 온도 구간에서는 실험 안전에 위험 요소가 있으므로 이 점을 같이 고려하면 50～60 ℃ 구간으로 실험하는 것이 적절하다.

Fig. 6.The temperature change of water in graduated cylinder.

종합적인 실험 장치 및 조건 제안

본 연구에서 개발한 우리나라 중․고등학교 학교 수업에서 활용할 수 있는 정량적인 ‘샤를의 법칙’ 실험의 예를 다음과 제시한다.

기체의 부피 측정 기구로 4 mL 바이알을 1.0mL 피펫을 개량한 유리관에 실리콘 튜브 등으로 연결한 유리 기구를 사용한다. 유리 기구를 250 mL 눈금실린더에 담긴 물에 유리관이 충분히 잠길 정도로 넣고 물중탕 가열한다. 온도 60 ℃정도에서 가열을 멈추고 온도가 떨어지기 시작할 때까지 기다린다. 온도계는 바이알에 최대한 근접시켜 장치한다. 온도가 떨어지기 시작하면 유리관 안에서 변화하는 기체의 부피를 식별하기 위해 ‘마개’로서 유리관 끝에 액체방울을 떨어뜨린다. 그러면 온도가 감소하면서 액체 방울이 유리관 안으로 빨려 들어가고 이때부터 온도와 부피를 관찰한다. 넣어주는 액체로 물을 사용할 경우 수증기 영향을 받게 되므로 수증기 영향을 받지 않는 글리세롤을 사용한다. 적정한 측정 온도 구간은 50～60 ℃ 구간으로, 이는 학교 수업시간에 실험을 실시하려면 온도가 어느 정도 높아서 냉각 속도가 빨라야 하기 때문이며 반면 너무 온도가 높을 경우 가열에 따른 실험 안전에 위험이 있을 수 있기 때문이다. 냉각시키면서 변화하는 기체의 온도와 부피를 측정하여 얻어진 결과로 그래프를 그려 선형성을 찾고 그래프를 연장하여 절대 0도 값을 예측해 본다.

학교급에 따른 적용 방안

현행 제7차 과학과 교육과정은 중․고등학교 급에 따라 기체의 온도와 부피의 관계에 대한 원리적 이해의 수준과 방식을 달리하도록 하고 있다. 그에 따라 ‘샤를의 법칙’을 확인하는 탐구 활동에도 다른 접근이 필요하다.

중학교 1학년 과학과 내용으로 포함된 가열에 따른 기체 부피의 변화는 분자 운동과 관련이 있으나 학생들이 이에 대해 이해하기가 쉽지 않으므로 ‘바람 빠진 축구공에 불을 쬐면 팽팽해지는 것’ 같은 전형적인 예를 통한 정성적인 설명, 또는 교사에 의한 시범 실험 등을 통해 지도하도록 되어 있다. 기체의 부피가 온도에 따라 변하는 것을 학생들이 알 수 있는 정도로만 학습하기를 요구하므로 온도가 올라가면 기체의 부피가 커지고 온도가 낮아지면 기체의 부피가 작아지는 것을 관찰하는 정도로만 실험 방법을 조절할 수 있을 것이다. 즉, 학생들이 바이알 속 기체의 온도를 변화시키면서 유리관 속의 액체 방울이 움직이는 현상을 관찰하게 하는 것이다. 이 때 바이알과 피펫을 연결한 기구는 교사가 미리 준비하여 주고 액체 방울은 관찰이 용이하게 색이 있는 물감으로 염색을 하면 좋을 것이다.

온도를 변화시키는 방법은 바이알을 손으로 감싸 쥐어서 열을 전달하는 방법과 뜨거운 물과 얼음물을 준비하여 바이알을 담그는 방법 등이 있을 수 있겠다. 실제 실시해 본 결과 손으로 바이알을 감싸 쥐기만 해도 액체 방울이 잘 움직이는 것을 관찰할 수 있었는데 이런 간단한 활동을 통해 학생들의 흥미를 유발하고 쉽게 과학 개념을 이해할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 온도계의 원리 이해로 개념 확장을 할 수 있는 장점도 있다. 다만 심화 과정에서는 기체의 부피와 압력의 관계를 정량적 실험을 통해 수행하게 되어 있고, “학생들이 창의력을 발휘하여 실험 방법을 직접 고안하고, 그에 따라 실험을 하도록 권장”하고 있으므로11 학생들로 하여금 기체의 온도와 부피의 관계를 정량적으로 확인할 수 있는 실험 아이디어를 산출하도록 활동을 실시 할 수 있다.

2007년 개정 과학과 교육과정에서는 7학년 교육 내용으로 분자 운동이 포함되어 있고 이를 바탕으로 기체의 압력과 부피, 기체의 온도와 부피 사이의 관계를 설명하도록 설정되어 있다.12 현행 교육과정에서 중학교 1학년에 다루어지던 온도와 부피의 관계에 대한 기초적인 실험은 초등학교 6학년 ‘여러 가지 기체’에서 다루도록 앞당겨져 있고 중학교 1학년에서는 정량적 실험을 수행하도록 설정되어 있다.

따라서 향후 중학교 1학년 과학과 수업에서는 앞서 제안한 실험 방법을 사용하여 기체의 부피를 온도를 변화시키면서 측정하게 하고 측정된 결과를 그래프로 나타내도록 하는 것이 좋을 것이다. 이 때 “온도가 증가하면 부피도 증가하고, 온도의 변화에 따라 일정하게 부피도 변한다”는 수준의 학습이 가능하도록 실험의 수준을 조절하는 것이 필요하다. 예를 들면, 디지털 온도계를 사용하여 정교한 실험을 진행하기보다는 알코올 온도계를 이용하여 대략의 경향을 관찰할 수 있다면 충분할 것이다. 특히, 실험 안전을 고려하여 상온에서 많이 벗어나지 않은 온도 구간을 설정하는 것도 고려할 점이다.

한편 현행 제7차 고등학교 교육과정 화학에서는 ‘전이가(轉移價)가 큰 지식’을 산출하는 것을 중시하고 있으며, 이러한 맥락에서 학생들로 하여금 탐구 활동에 적극 참여하도록 내용 설정을 해 두고 있다.13 이를 위해 확산과 같은 기체 분자의 움직임이나 기체의 부피에 미치는 압력과 온도와의 영향 관계에 대한 좀 더 심화된 내용으로서 ‘기체 분자 운동론’을 이용한 정성적 수준의 설명을 하도록 하고 있다. 즉, 온도와 기체의 부피 관계를 기체상태방정식으로 표현하는 수준을 요구하고 있다.

특히, ‘샤를의 법칙’은 “먼저 섭씨 온도와 기체의 부피 간의 관계를 도출한 후, 이를 절대 온도와 기체의 부피 간의 관계로 정량화”하게 하고 있다. 따라서 고등학교 과학과 수업에서는 이 연구에서 제안한 실험 방법을 활용하여 실험에서 얻어진 결과로 그래프를 그려서 기체의 부피와 온도가 선형 비례하는 정도뿐 아니라 절대 0도 까지 구해 보게 하는 정교한 실험 방법을 적용할 수 있다.

 

결론 및 제언

기체의 성질을 나타내는 ‘샤를의 법칙’은 중학교 과학 및 고등학교 화학에 걸쳐 소개되는 중요한 내용이다. 이에 본 연구에서는 학교 현장에서 직접 실험해서 교육적으로 의미있는 결과를 얻을 수 있고 실질적으로 활용 가능한 실험 방법을 개발하였다. 이를 위해 교과서에 소개된 실험과 선행 연구들을 분석하여 실험 기구들의 장․단점을 알아내고 이를 바탕으로 최적의 실험 장치와 실험 방안을 구안하였다. 실험 장치로 기체의 부피를 측정하기 위해 바이알과 피펫을 개량한 유리관을 연결하였고 온도를 변화시키는 방법으로 물중탕 가열 방법을 선택하였다. 또한 기체의 부피 변화를 알아보기 위해 유리관 위에 액체 방울을 넣어 측정하였고 온도 측정을 디지털 온도계를 사용하였다. 이러한 방식으로 실험을 실시하면서 학교 현장 수업에 적용 가능한 실험 방법 및 조건을 탐색하였다.

중․고등학교 단위 수업 시간은 45～50분이다. 눈금실린더를 사용하면 냉각 속도를 빠르게 한다는 점에서 장점이 있어 수업 시간 내에 실험이 수행 가능하다. 부피 측정 기구인 바이알과 피펫유리관의 크기로는, 기체부피가 큰 곳인 바이알은 크기가 큰 것이 좋고 그 변화를 측정하는 부분인 피펫 유리관은 굵기가 가는 구조가 좋다. 그러나 두 기구가 연결되어야 하므로 내경이 가는 피펫 유리관에 연결되는 바이알의 크기가 커지는 것은 한정이 있었다. 본 연구에서는 4 mL 정도 크기의 바이알을 선택하고 연결되는 유리관은 1.0 mL 피펫을 가공하여 사용하였다.

부피변화를 측정하기 위해 유리관에 ‘마개’로서 액체 방울을 넣어 주었는데, 물방울을 사용하였을 때는 실험 결과 얻어진 그래프에서 곡선으로 약간 휘는 현상이 관찰되었다. 이를 물방울에서 증발한 수증기 영향으로 가정하고 다른 형태의 실험을 통해 확인하였다. 좀 더 정량적이고 정밀한 ‘샤를의 법칙’ 실험 결과를 얻기 위해선 이 요소도 고려하여야 하므로 물방울 대신 수증기를 발생시키지 않는 글리세롤 방울로 실험하여도 좋을 것으로 연구되었다.

결과적으로 4 mL 바이알과 1.0 mL 피펫을 가공한 유리관을 연결하여 눈금실린더에 넣고 물중탕 가열하여 온도를 높인 후 60 ℃ 정도에서 글리세롤을 유리관에 넣고 냉각시키면서 온도와 부피를 측정하여 ‘샤를의 법칙’을 나타내는 우수한 결과를 얻었다. 온도에 따른 부피를 그래프로 나타내었을 때 일차함수 형태의 직선을 얻었고(R2 = 0.999), 데이터를 확장하여 절대 0도 값을 구하면 -216.7 ℃로 이론값(-273 ℃)에 많이 근접한 값을 얻을 수 있었다.

이 연구를 통해 개발한 실험은 학교 급별 교육과정에 따라 수준을 조절하여 실시할 수 있을 것이고 각 학교 실험실이나 수업 환경에 맞추어 조정할 수 있을 것으로 기대한다.

과학 교과서에서 탐구 활동으로 제시되고 있는 많은 실험 활동들은 실험 장비나 실험 방법, 실험 조건 등 여러 측면에서 개선되어야 할 문제점들을 지니고 있다. 이러한 현장 여건 때문에 실제 실험이 이루어지지 않거나 실험을 하는 경우에도 이론적 설명과는 일치하지 않는 실험 결과를 얻게 되는 경우가 많다. 과학 교과에서 실험이 학생들로 하여금 과학적 탐구의 과정을 체험하게 함으로써 과학적 개념과 지식을 원리적으로 터득할 수 있게 한다는 점을 생각해 보면, 과학적 설명과 실험의 일치는 학생들의 과학적개념 형성에 매우 중요함을 알 수 있다. 이 연구는 ‘샤를의 법칙’을 확인할 적절한 실험 방법을 제안하였다. 이와 같이 과학적 설명과 실험 검증이 일치하도록 실험 장치와 방법을 개선하는 후속 연구들이 다양하게 시도되고 제안될 필요가 있다.

본 연구는 제 2단계 두뇌한국21 프로그램의 지원을 받았음.