반사분광분석기법을 채용한 광학적 반자동적정장치를 제작하여 산-염기적정, 산화-환원적정, 침전적정,그리고 착화적정과 같은 네가지 대표적 유형의 적정분석에서 적정장치의 효용성을 알아보았다. 광학적 반자동적정장치는 적정분석에서 적정액의 색만이 변하는 산-염기적정, 산화-환원적정, 그리고 EDTA적정의 종말점 뿐 아니라 적정이 진행되는 동안 적정액에서 고체 입자들이 형성되는 침전적정의 종말점 역시 성공적으로 판별할 수 있었다. 따라서 현재의 광학적 반자동적정장치는 앞으로 완전한 형태를 갖춘 광학적 자동적정장치의 제작으로 이어질 수 있는 가능성을 보여 주었다.
부피 측정법을 이용하여 산 염기 적정 실험에서 중화점을 측정할 때, 나는 용액의 부피 변화에 대한 한국 대학생들의 개념을 조사하였다. 이 연구에 의하면, 대부분의 대학생들은 산 염기 적정 동안 중화반응에 의해 물이 생성되기 때문에 부피가 증가한다는 오개념을 갖고 있었다. 그러나 이것은 용액에 있는 염에 의한 효과를 무시한 것이기 때문에, 부피 변화를 설명하는데 충분하지 않다. HCl/NaOH 중화반응 동안 용액의 부피 증가를 설명하기 위해, 나는 생성된 NaCl의 부분 몰부피를 계산하였다. 실험 결과와 계산된 부분 몰부피를 비교할 때, 나는 부피 증가의 주요 효과는 HCl/NaOH 중화반응 동안 생성된 NaCl의 부분 몰부피 때문이라는 것을 밝혔다. 여기서 산 염기 중화 적정 동안 용액의 부피 변화에 대한 오개념을 줄이기 위해, 나는 부분 몰부피의 개념을 대학생들에게 도입하도록 제안한다.
토양의 산/염기 완충능은 토양-오염물질-공극수로 이루어진 시스템의 pH에 직접적인 영향을 미치므로 오염물질의 토양내 거동예측시에 많은 영향을 미치는 매우 중요한 토양의 성질이다. 본 연구는 이중확산층이론과 two layer electrostatic 흡착모델을 응용하여 토양의 산/염기 완충능의 이론모델을 유도하고 이 모델의 적용절차를 제시하였다. 산-염기 적정실험을 통하여 두 종류의 카올리나이트의 완충능을 실측하고 이를 본 연구에서 개발된 모델의 예측치와 비교하였다.
이 연구에서는 고등학교 1학년 학생을 대상으로 중 세 가지 다른 중화적정 실험 방법에 따른 고등학생들의 산 염기 관련 개념의 이해 분석 873 화적정 방법에 따른 산 염기 및 중화반응 개념의 이해도를 알아보고자 하였다. 세 개의 집단은 각각 지시 약, pH미터, MBL을 이용하여 중화적정 실험을 하도록 하였다. 각 집단별로 중화적정 실험 수업을 하기 전과 후에 산 염기 및 중화반응 개념 검사를 하여 그 향상 정도를 알아본 후 고등학생들이 산 염기 및 중화반응에 대한 과학적인 개념을 형성하는데 효과적인 실험 방법이 무엇인지 알아보았다. 세 집단 모두 중화적정 실험 수업을 마친 후 사후검사에서 개념 이해에 유의미한 향상이 있었지만 그 중에서도 MBL을 이용한 집단의 향상도가 가장 높았고 pH미터를 이용한 집단의 향상도가 가장 낮았다. 적극적인 동기 유형을 가진 학생들이 소극적인 학생들보다 사전검사 및 사후 검사 점수는 높았지만 평균 점수 차이를 볼 때 소극적인 학생들의 개념 이해의 향상 정도가 더 높은 것으로 나타났다. 적극적인 학습 동기를 갖는 학생들은 개념 이해에 있어서 실험 방법에 의존하지 않지만 소극적인 학생들은 그 차이가 크게 나타났으며 MBL을 사용할 때 가장 높게 나타났다. 인지수준에 따른 개념 이해 정도에서는 인지수준이 높을수록 산 염기 관련 개념 이해 정도가 높았다. 그리고 중화적정 실험 수업을 하기 전과 후의 개념 이해 향상 정도는 과도기를 포함한 구체적 조작기 학생들이 가장 큰 폭으로 상향변화 하였다. 각 집단별 인지수준과 학습동기에 따른 개념 이해를 비교해보면 적정 방법에 따라 향상 정도에 차이가 있었으므로 학습자의 인지수준과 동기 유형에 따라 적절한 실험 방법을 선택해 줌으로써 학생들의 개념 이해의 어려움을 최소화하도록 해야 한다.
분광학적 검출에 의해 종말점을 확인하는 적정기(Spectrator; SPT)와 기존 적정기(automatic burette; ABT, autotitrator; ATT)를 사용한 분석 결과를 비교하기 위하여 동일한 시료에 대한 산-염기 적정 실험을 수행하였다. 각기 다른 적정장치를 사용하여 얻어진 측정값(종말점)의 직진성, 동등성, ANOVA, F-테스트, t-테스트 등을 통하여 차이점을 통계학 분석을 수행하였으며, 직진성에서 확인된 결정계수는 모두 0.999 이상이고 통계적으로 분석된 결과에 의하여 측정값에 차이가 없다는 귀무가설은 채택되었다. 새로운 실험방법에 대한 일치성을 확인하는 Bland-Altman 분석을 통하여 본 연구에서 사용한 적정장치에서 얻어진 측정값에서 불일치 양상이 확인되지 않았다.
적정 화학반응에는 화학종의 전위차 변화뿐만 아니라 지시약의 색깔 변화도 포함된다. 전위차 적정에서는 종말점에서 전위의 급격한 변화를 측정하여 적정 곡선을 얻는다. 산-염기 적정은 일반적으로 지시약의 색 변화를 관찰하여 종말점을 결정함으로써 수행된다. 전위차를 측정하여 종말점을 결정하는 방법은 잘 확립 되어 상용화되어 있지만 색의 변화를 관찰하여 종말점을 얻는 장치는 많지 않은 실정이다. 적외선 광원과 감지기로 적정액 방울을 계수하고, 백색광원과 광 검출기로 종말점의 변색을 감지하여 아날로그-디지털 변환기인 아두이노 (Arduino)가 적용된 간단하고 정밀한 스펙트럼 종말점 검출 기구를 제작하였다. Spectrator는 지시약으로 티몰 블루를 사용한 산-염기 적정에서 재현성 측면에서 우수한 결과를 보였다. Spectrator 제작 과정과 이를 사용한 실험결과를 공유한다.
이 연구에서는 산-염기 중화반응의 실험 방법에 관련된 과학 교과서 내용을 분석하고, 문제점을 개선하는데 목적이 있다. NaOH-HCl 수용액의 중화반응실험에서 1) 페놀프탈레인의 decoloration, 2) 염 생성 확인을 위해 적정된 용액의 농축을 위한 가열 과정에서의 색 변화, 3) 염 결정 확인의 어려움이 문제점으로 지적되었다. 이러한 문제점들은 페놀프탈레인의 구조변화에 근거하여 설명하였고, 개선된 실험방법을 제시하였다.
본 연구의 목적은 산-염기 적정 실험에서 MBL 방법과 전통 방법에서 실험 소요 시간과 학생-학생 언어적 상호작용을 비교 분석하여 MBL방법이 실험수행과정에 미치는 영향을 알아보는 것이다. MBL 실험 방법은 염산과 수산화나트륨의 중화 반응에서 전도도 센서를 사용하였고, 전통 실험 방법은 전류계를 이용하여 전도도 변화를 측정하였다. 전통 방법의 실험 소요 시간은 MBL의 소요 시간에 비해 1시간 이상 더 길었으며, 이러한 시간의 차이는 대부분 실험 수행 과정에서 나타났다. 두 방법의 학생-학생 언어적 상호작용의 차이도 실험수행 과정에서 크게 나타났고, MBL 방법에서는 전통 방법보다 심층적 대화수와 심층적 대화 비율이 각각 2배 이상 차이를 보였다.
숙성 중인 김치에서 생육과 산 생성이 우수한 유산균을 분리하여 API 50 CHL kit로 확인하고 16S rDNA의 염기 서열을 분석한 결과 Leuconostoc mesenteroides로 동정되어 Leuconostoc mesenteroides KC51로 명명하였다. 대두에 10배의 증류수를 가하여 제조한 두유에 KC51 균주를 접종하고 $30^{\circ}C$에서 정치 배양한 결과, 생균수는 접종 후 9시간까지 급격히 증가하였으며 그 이후 완만하게 증가하여 배양 12시간에는 $2.70{\times}10^9$ CFU/g까지 증가하였다. 적정산도는 배양 12시간에 0.35%까지 증가하였으며,pH 는 pH 4.52까지 감소하였다. 이때 유기산 농도는 젖산과 초산의 함량이 각각 0.56%와 0.10%로 분석 되었다. 두유 발효액에서 Leuconostoc mesenteroides의 증식에 의한 점도의 증가는 관찰되지 않았으며, 관능적으로도 신맛을 제외한 항목에서 두유와 유사하였다. 또한 $4^{\circ}C$에서 두유 발효액은 2주일의 저장기간 동안 pH, 적정산도와 생균수의 변화는 미미하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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