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데이비슨-거머 실험 (Davisson-Germer Experiment) 데이비슨-거머 실험 (Davisson-Germer Experiment) 너는 좋은 사람이야? 아니면 나쁜 사람이야? 1927년 미국 물리학자인 클린턴 데이비슨(Clinton J. Davisson, 1881-1958)과 레스터 거머(Lester H. Germer, 1896-1971)는 루이 드 브로이가 제안한 입자-파동 이중성을 확인하는 실험을 실시했다. 이들의 실험은 '파동(wave)'과 '입자(particle)' 개념이 자연에서 발견되는 어떤 대상을 보다 잘 설명하기 위해 도입된 이상적인 모델(모형) 일뿐이며, 자연의 실체는 '입자' 또는 '파동' 중 하나로 명확하게 구분될 수 없음을 보여주었다. 광자, 전자, 원자들까지도 파동성과 입자성을 동시에 갖고, 이러한 입자-파동 이중성이 자연의 본래 모습이라..
고등학생을 위한 파동 방정식, 그리고 양자수의 의미 고등학생을 위한 파동 방정식, 그리고 양자수의 의미 0. 상상하기 쉽지 않은 오비탈 모형, 그리고 양자수 보어의 궤도 모형은 고등학교 교육과정상 물리와 화학에서 비슷한 시기에 다루고, 전자가 핵 주위를 회전하는 모습이 마치, 태양계 행성들을 떠올리게끔 하여 비교적 쉽게 받아들이는 편이다. 하지만, 바로 다음에 등장하는 현대 오비탈 모형은 좀 모호하고 어렵다. 오비탈이라는 단어부터 생소하다. 영단어 orbital만 떼놓고 보면, 보어 모형에서의 orbit(궤도)와 비슷하여 뜻도 비슷하게 생각하면 될 것 같은데, 자꾸 둘은 엄연히 다르다고 하니 미칠 노릇이다. 따라서, 수업을 준비하는 교사 입장에서는 오비탈을 처음 접하는 학생들이 이마를 탁! 칠만한 적절한 비유가 간절하다. 물론, 비유물은 실제 대상을 완벽..
[리뷰] "끼리끼리 녹인다." 개념을 가르치기 위한 용매 추출 시범 실험 [리뷰] "끼리끼리 녹인다." 개념을 가르치기 위한 용매 추출 시범 실험 A Colorful Solvent Extraction Demonstraction for Teaching the Concept of "Like Dissolves Like" 0. 들어가기 이번 여름 방학에도 과학교사 실험직무연수에서 한 꼭지를 맡게 되었다. 방학 중 일정이 너무 빡빡하여 거절하고 더 적합한 다른 분을 추천하고자 계획했으나, 어찌어찌하다보니 다시 연수를 준비하는 상황에 이르렀다. 막상 주제를 정하고, 원고를 보냈는데, 연수일이 다가오고 2 시간을 채우려고 하니 머릿속이 정리가 안된다. 이번 글쓰기는 연수를 준비하는 과정에서의 생각 정리 목적이 크다. 작년 초, 고등학교 과학교사 실험직무연수에서는 철-아세틸아세토네이트 착물..
평형 이동과 공통이온효과 평형 이동과 공통이온효과 | Common-ion Effect 1. 평형 이동과 르 샤틀리에 원리 (Le Chatelier's Principle) 평형 상태에 놓인 계에 외부 자극이 가해지면, 기존의 평형 상태가 깨지고 다시 평형에 도달하고자 반응이 진행된다. 이를 평형 이동이라 한다. 프랑스의 화학자 르 샤틀리에(Henry Louis Le Chatelier, 1850-1936)는 1884년, 평형 이동 방향을 연구하여 르 샤틀리에 원리(Le Chatelier's Principle)를 제안하였다. "Any change is one of the variables that determines that state of a system in equilibrium causes a shift in the posion..
반응의 자발성과 자유에너지 1. 저절로 일어나는 반응 기체는 진공 쪽으로 팽창하지만, 이미 퍼져나간 기체가 저절로 한쪽 방향으로 모여 압축되지는 않는다. 물에 풀어놓은 잉크 한 방울이 점차 퍼져나가는 것은 자연스럽지만, 퍼져나간 잉크들이 재차 한 지점에 모이는 것은 부자연스럽다. 뜨거운 물체와 차가운 물체가 접촉했을 때, 뜨거운 물체에서 차가운 물체 쪽으로 열이 이동하는 것은 자연스럽지만, 반대 방향으로 열이 이동해 뜨거운 물체는 더 뜨거워지고 찬 물체는 더욱 차가워지는 일은 일어나지 않는다. 이러한 몇 가지 예들을 살펴보면, 우리 주위 저절로 일어나는 반응들에는 방향성이 있다는 생각을 하게끔 한다. 반응 전보다 반응 후에 에너지(엔탈피)가 낮아지는 반응들은 주위에 열을 내어놓고, 자발적으로 일어나는 경우가 많다. 하지만, 주위로..
기체의 성질과 기체에 관한 실험 법칙 0. 들어가기 개인적인 잡담 더보기 2022학년도 새 학기가 시작되었고, 화학2 선택 학생수가 작년보다 많다. 대부분의 학생들이 이공계 관련 진로를 희망하고 있음과 동시에 수능에서 화학2를 선택하지 않을 거라는 점들을 확인했다. 이에 부응하기 위해 나는 학생들이 대학교에 진학한 이후 일반화학 수업을 듣기 전 준비 과정으로 화학2 수업을 운영하기로 했다. 진로 선택이라는 과목 성격을 보다 잘 살려보기로 했다. 되도록 시험 부담은 줄이고, 교육과정에 포함된 내용은 빠짐없이 다루되, 특정 단원을 왜 학습하고, 해당 성취 기준이 왜 중요하게 다뤄지는지에 대해 자세히 소개해야겠다고 마음먹었다. 그리고 2차시의 수업을 마쳤다. 그런데 생각보다 빠르게 문제점이 드러났다. 학생들이 말하길, 수업 내용이 너무 매콤하단다..
자유에너지와 화학 평형의 위치 0. 들어가기 더보기 2015 개정 교육과정 "화학2" 교과목에서 깁스 자유에너지가 빠졌다. 정확하게는 과학 계열 전문 교과로 분류되는 "고급 화학"으로 올라가버렸다. 학생들의 진로 선택 교과로 분류된 "화학2" 까지는 선택에 따라 일반 학교에서 개설이 되기에 어려움까지는 없겠지만, 고급 화학은 과학중점학교나 과학고, 소인수 교육과정을 운영하지 않고서는 개설이 쉽지 않을 듯하다. 아마도, 교육과정 편성 위원분들께서는 "깁스 자유에너지와 반응의 자발성"개념을 일반 학생들에게 소개하는 것이 큰 의미를 갖지 않는다고 생각하셨거나 너무 과하다고 생각하셨을지 모른다. (대부분의 화학 관련 구술 면접에서 반응의 자발성이 빠지지 않고 거의 매년 등장했던 것을 생각해보면, 화학 전공 교수님들께서 반응의 자발성에 관한 ..
고등학생을 위한 분광광도법 : (3) 정량분석 고등학생을 위한 분광광도법 : (3) 정량분석 - 검량선의 작성과 미지 용액의 농도 결정 - 0. 들어가기 다음 문제를 살펴 보자. 주어진 문제는 교육부에서 제공하는 2015 개정 교육과정 "화학 실험" 교과의 평가 도구 예시 문항이다. 출처는 글 하단에 링크로 첨부하였다. 제시된 문제 (1) ~ (3)을 무리 없이 해결할 수 있다면, 분광광도법을 통한 정량 분석의 기본 원리를 이미 이해하고 있는 것이다. 만일 위 실험 내용이 생소하고, 어렵게 느껴진다면 아래의 내용이 조금이나마 도움이 될 수 있을 것이다. 1. 정성 분석과 정량 분석 정성 분석(qualitative analysis)이란, 시료에 포함된 화학종이 무엇인지를 결정하는 것을 말한다. "내가 커피에서 추출한 것은 카페인이었어!" "나는 아스피..
고등학생을 위한 분광광도법 : (2) 정성분석 고등학생을 위한 분광광도법 : (2) 정성분석 - 흡광 스펙트럼의 최대 흡수 파장 - 0. 들어가기 우리는 앞선 글(1)을 통해 장치(분광광도계)가 시료를 분석하는 과정에 대해 간단히 알아보았다. 간략히 정리하면 다음과 같다. 일정한 세기의 빛(P0)이 장치의 램프 광원으로부터 출발한다. 빛이 지나가는 경로에 시료가 놓이면, 시료는 빛을 흡수한다. 시료를 통과한 나머지 빛(P)이 검출기에 도달한다. 장치는 검출기에 도달한 빛의 세기(P0)와 처음 쬐어 준 빛의 세기(P)의 분율인 투과도(T)를 알려준다. 물론, 대부분 장치들이 투과도를 흡광도로 변환하여 알려줄 수 있다. 그런데, 이 흡광도(A) 값이 농도와 완전히 선형적으로 비례하기 때문에 유용하게 사용될 수 있다. 그렇다면 우리는 언제 분광광도계를 사..
고등학생을 위한 분광광도법 : (1) 기초 들어가기 바쁘디 바쁜 고등학생이 분광광도계(spectrophotometer)를 사용할 일은 거의 없다. 보통의 경우 이공계열의 대학교 1학년, '일반화학실험'에서 처음 접한다. 스무 살 성인 되고, 대학생 되었다고 해서 한 번도 사용해 본 적 없는 분석 기기의 원리부터 작동법까지 단번에 이해될 리는 없다. 비교적 가벼운 수준의 분광학 내용이지만 생소함이 더 크기 때문에 어려운 게 당연하다. 사실, 이공 계열로 진학을 희망하는 고등학생들의 경우, 분광법을 간단하게라도 알면 자유탐구나 과제연구에 활용할 수 있는 여지가 꽤나 많다. 초반 진입 장벽이 있긴 하지만 가볍게 자외선-가시광선(UV-Vis) 분광기 정도만 사용해도 결과의 퀄리티를 바꿔줄 수 있다. 물론, 학교에 분광광도계가 구비되어 있어야 가능한 일이..
불변 끓음 혼합물 (azeotrope) 분별 끓음 혼합물 (azeotrope) 이번 글을 통해서는 불변 끓음 혼합물(azeotrope)에 대해 알아보고자 한다. 불변 끓음 혼합물을 한자로 나타내면 공비(共沸) 혼합물(함께 공, 끓을 비)인데, 풀어쓰면 '함께 끓는 혼합물(constant boiling mixture)'이다. 고등학교 화학2 용액 단원에서는 총괄성만 주구장창 다루다가 대학교 일반화학 용액 단원에서 갑자기 분별 끓음 혼합물을 맞이한다. 보통의 경우, 관련 내용은 깊이 다뤄지지 않고, 소개 정도에 머무르는 것이 대부분이기에 학생들은 개념을 정확하게 형성하기에 어려움이 있다. 대부분의 물리화학 교재에 비교적 상세히 기술되어 있지만, 이마저도 혼자 공부하는 상황이라면 머릿속에 명확하게 그려지지 않는 경우가 많다. 이 글 역시 마찬가지일..
수소꼴 원자의 슈뢰딩거 방정식 풀이 (2) 수소꼴 원자의 슈뢰딩거 방정식 풀이 (2) [수소꼴 원자의 슈뢰딩거 방정식 풀이 (1)] https://stachemi.tistory.com/73 지난글을 통해 1개의 전자만을 갖는 수소꼴 원자의 슈뢰딩거 방정식의 좌표계 변환과 변수 분리를 통해 세 가지 방정식으로 표현할 수 있음을 알게 되었다. 1. Φ - 방정식의 해 : Φ (φ) 위의 세 방정식 중에 φ 에 관한 방정식 해(일반식)를 구하는 과정이 가장 쉽다. φ 에 관한 방정식의 해 Φ 는 φ 에 대해 두 번 미분했을 때, 본래의 자신인 Φ 와 - m2의 곱한 형태를 가져야 한다. 이 방정식의 해는 e(imφ) 와 e-(imφ)이다. 따라서 정규화가 이루어지지 않은 φ-방정식의 일반해는 다음과 같이 나타낼 수 있다. 파동함수는 확률함수이므로, 모..

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