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교과서 실험에 대한 개인적인 생각
교과서에는 다양한 실험이 수록되어 있다. 개인적으로 실험 과정이 모두 제공된 실험을 단순히 따라 해보는 것만으로는 관련 내용을 제대로 이해하기에는 어려움이 있다고 생각해서 억지로 실험 활동을 끼워 넣지는 않는 편이다. 물론, 직접 눈으로 보고, 소리를 듣고, 손으로 만지면서 알게 되는 것들이 있기 때문에, 경험 자체로써 기억에 도움이 되는 부분이 있을 것이라는 것에는 이견이 없다. 그냥 별생각 없이 제공된 실험 과정을 로봇처럼 그냥 따라 하는 것이 싫은 것이다. 차라리 질문이 함께 제공된 시각 자료와 충분히 생각하고, 고민할만한 시간을 제공하는 것이 더 효과적이라고 생각하는 편이다.
이에 교과서 실험을 직접하지는 않더라도, 학생들이 직접 교과서에 제시된 실험 단계를 해석하고, 왜 이렇게 실험이 구성되었지는지에 대해 생각하고 정리할 기회를 주는 것을 좋아한다.
"해당 단계는 왜 필요한 단계일까? 왜 해당 기구를 써야하는 것일까? 교과서에는 굳이 이러한 표현을 써야만 했을까? 다른 방법으로는 대체할 수 없을까?"와 같은 질문들을 통해 실험 전체의 목적과 이를 확인하기 위한 과정의 구성에 대해 생각해 보길 유도한다.
실험 과정은 주어진 문제(탐구 주제)를 해결하기 위해 실험자가 수행해야 하는 일련의 단계다. 따라서 실험을 수행하는 사람이 설계하는 것이 가장 바람직하다. 그렇다고, 모든 탐구를 설계과정부터 밟아나갈 수는 없고, 모든 시행착오를 겪을 필요는 없다. 때로는 잘 짜인 선행 연구로부터 아이디어를 얻기도 하며, 찬찬히 따라 해보다 보면, 해당 과정이 갖는 의미를 이해하기도 한다. 이 모든 것은 제공된 실험에 대해 충분히 생각해 볼 시간이 허락할 때 가능하다.
이상 기체 방정식을 활용하여 분자량 구하기
화학2(2015), 천재교육, 19p
탐구 목표 :
이상 기체 방정식을 활용하여 아이소프로판올(C3H8O)의 분자량을 구할 수 있다.
탐구 과정 :
줄 글, 또는 단계별 목록으로 나열된 과정만 보면, 전체적인 흐름이 잘 드러나지 않거나 해당 단계가 왜 필요한지를 파악하기 어려운 경우가 많다. 이에, 탐구를 직접 설계하는 경우나 제공된 단계를 따르는 경우에도 반드시 전체 과정을 그림이 포함된 모식도로 나타내보는 것을 추천한다.
또한 단계별 과정만으로 전체 실험이 어떻게 진행되는지를 파악하는 가장 좋은 방법은, 해당 단계를 수행하기 위해 필요한 실험 기구들이 무엇이 몇 개나 필요한지, 제시되지 않은 것들 중에 추가로 필요한 것은 무엇인지를 떠올려보는 것이다. 머릿속으로 단계를 하나씩 밟아 나가면서, 실험자 동선이나 필요 기구, 행위의 목적 등을 파악하는 것이다.
[탐구 과정]
1. 중탕용 비커에 물을 3/4정도 넣고, 90 ℃ 이상이 될 때까지 가열한다.
2. 둥근 바닥플라스크(rbf)에 알루미늄 박으로 뚜껑을 만들어 씌운 뒤, 바늘로 작은 구멍을 뚫고, 질량(w1)을 측정한다.
3. 이 플라스크에 아이소프로판올 1 mL 정도를 넣고, 알루미늄 박 뚜껑을 꼭 덮는다.
4. 플라스크를 과정 1의 비커에 넣고, 중탕하다가 아이소프로판올이 모두 증발하면 가열을 멈추고, 물의 온도(t )를 측정한다.
5. 플라스크를 찬물이 담긴 수조에 넣어 식힌 뒤, 꺼내서 겉에 묻은 물을 완전히 닦아 내고, 질량(w2)을 측정한다.
6. 응축된 아이소프로판올을 버리고, 플라스크 안을 물로 가득 채운 뒤, 눈금실린더로 물의 부피(V )를 측정한다.
7. 실험실의 대기압을 측정한다.
1. 중탕용 비커에 물을 3/4 정도 넣고, 90℃ 이상이 될 때까지 가열한다.
- 중탕용 비커에 담긴 물의 양은 둥근 바닥플라스크가 완전히 잠길 정도이면 된다. 중탕 온도는 왜 90℃ 이상으로 설정한 것일까? 정확하게 몇 도가 될 때까지라고 되어있지 않고, 대략적인 값으로 온도가 주어진 것은 90℃ 가 넘는다면 어떤 온도여도 크게 문제가 되지 않는다는 의미이기도 하다. 이는 아이소프로판올의 끓는점(boiling point)과 관련이 있다.
- 탐구 과정에서는 이상기체방정식(PV = nRT )을 이용하며, 분자량을 구하고자 하는 물질은 아이소프로판올이다. 아이소프로판올은 상온에서 액체 상태로 존재하며, 아이소프로판올을 기체 상태로 만드는 과정이 필요하다. 따라서 뜨거운 물이 담긴 비커에 넣어 순간적으로 기화시키기 위함이다. 그렇다면, 아이소프로판올의 끓는점은 90 ℃보다 높겠는가? 낮겠는가?
아이소프로판올의 끓는점 = 82.5 ℃
2. 둥근 바닥플라스크에 알루미늄 박으로 뚜껑을 만들어 씌운 뒤, 바늘로 작은 구멍을 뚫고, 질량(w1)을 측정한다.
- 둥근 바닥플라스크는 탐구과정 중에 기체 아이소프로판올의 질량(w ), 부피(V ), 압력(P ) 등을 측정하기 위한 실험 도구로 사용된다. 완전히 마개로 밀폐된 환경을 만들지 않고, 작은 구멍을 내는 것은 항상 대기압과 압력 평형을 유지하게 하기 위함이다.
측정한 질량(w1) = 둥근바닥플라스크 + 알루미늄박 뚜껑 + 내부 공기 질량
3. 이 플라스크에 아이소프로판올 1 mL 정도를 넣고, 알루미늄 박 뚜껑을 덮는다.
- 아이소프로판올의 양을 정확하게 1 mL가 아닌, 1 mL 정도라고 주어진 것도 위의 1번 과정과 마찬가지의 이유이다. 처음부터 액체 상태의 아이소프로판올의 양을 정확하게 측정하여 넣는 것이 큰 의미가 없기 때문이다. 어차피 이후 과정은 아이소프로판올을 기화시킬 것이며, 일부는 플라스크 밖을 빠져나갈 것이다.
- 대략적인 양을 1 mL 정도로 비교적 적은 양으로 제시해 준 것은, 이후에 중탕 용기에 넣어 기화되는 시간을 단축시키기 위함이라고 할 수 있다. 아무리 끓는점 이상의 온도에서 중탕한다고 해도, 기화시켜야 할 액체량이 많으면 어느 정도의 시간이 소요될 수밖에 없다.
- 외부 공기가 유입되는 것을 막고, 이후에 기화된 아이소프로판올 기체가 한 번에 빠져나가는 것을 막기 위해 뚜껑을 덮는다.
4. 플라스크를 과정 1의 비커(중탕 용기)에 넣고 중탕하다가 아이소프로판올이 모두 증발하면, 가열을 멈추고 물의 온도(t , ℃)를 측정한다.
- 중탕용 물의 온도를 측정하는 것은 액체였던 아이소프로판올이 완전히 기체가 되어 플라스크를 가득 채웠을 때의 온도를 측정하기 위함이다.
- 만약, 온도를 측정한 이후에도 계속 가열하게 되면 플라스크 내부의 기체 상태의 아이소프로판올이 계속 가열되어 밖으로 빠져나가는 것을 가속화할 수 있으므로 온도 측정 이후 플라스크를 중탕 용기에서 바로 빼내는 것이 좋다. (이경우 아이소프로판올의 질량이 예상보다 작게 측정되고, 분자량이 작게 구해질 수 있다.)
중탕용 물의 온도 (t, ℃) + 273.15 = 기체 아이소프로판올의 절대 온도(K)
5. 플라스크를 찬물이 담긴 수조에 넣어 식힌 뒤, 꺼내어 겉에 묻은 물을 완전히 닦아내고 질량(w2)을 측정한다.
- 갑자기 기체 아이소프로판올로 가득 찬 플라스크를 찬물이 담긴 수조에 넣으면, 플라스크의 온도가 급격히 떨어지고 기체가 냉각되어 아이소프로판올이 액체로 응축된다. 이에 플라스크 내부 기압은 낮아지고, 알루미늄 뚜껑의 구멍을 통해 공기가 다시 유입된다.
측정한 질량(w2) = 둥근 바닥플라스크 + 알루미늄 뚜껑 + 내부공기 + 액화된 아이소프로판올의 질량
6. 응축된 아이소프로판올을 버리고, 플라스크 안을 물로 가득 채운 뒤, 눈금실린더로 물의 부피(V )를 측정한다.
- 이상기체방정식 PV = nRT = wRT/M 에서 M = wRT/PV 이다. 현재까지의 과정을 통해 기화된 아이소프로판올의 온도(T )를 중탕한 물의 온도(t + 273.15, K)로 간접적으로 측정했으며, 기체 아이소프로판올의 질량을 w2 - w1을 통해 알아내었다.
- 이제, 둥근 바닥플라스크를 가득 채웠던 아이소프로판올 기체의 부피(V )를 알아내야 하는데, 사용한 둥근 바닥플라스크에 물을 가득 채우고 모두 눈금실린더로 옮김으로써, 아이소프로판올 기체 부피(V )를 간접적으로 측정한다.
눈금실린더로 측정한 물의 부피 = 플라스크 내부 부피 = 기체 아이소프로판올의 부피
7. 실험실의 대기압을 측정한다.
- 아이소프로판올 기체가 평형을 이루고 있던 압력(P )을 확인하는 과정이다.
* 끝까지 읽어주셔서 감사합니다.
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