교육 과정
⑵ 용해와 용액
㈎ 용질의 녹는 양은 용매의 종류와 양에 따라 다름을 안다.
㈏ 온도와 용질의 녹는 양과의 관계를 설명할 수 있다.
㈐ 용해 전과 후의 무게가 변하지 않음을 안다.
[
탐구 활동]㈎ 여러 가지 용매에 따른 물질의 용해 정도 관찰하기
㈏ 물질의 녹는 양과 온도의 관계 알아보기
㈐ 용해 전과 후의 무게 측정하기
단원의 개관
이 단원에서는 고체가 액체에 녹는 과정에 영향을 주는 요인에 대하여 다룬다. 3, 4학년에서 다룬 물질이 순수한 물질에 대한 것이라면 이 단원에서는 혼합물을 대상으로 하여 용해 과정과 용해 과정에 영향 주는 여 러 요인을 다루게 된다. 그리고 이 단원에서 배운 용해와 온도에 따른 용해의 개념은 9학년 ‘물질의 특성’에서 용해도를 배울 때 기초가 되며, 과학의 기본 법칙인 질량 보존의 법칙을 이해하기 위한 기초를 제공해 준다.
이 단원의 학습 과정을 통해 용해와 용액에 관한 기본 개념을 이해하고, 예상, 관찰, 측정, 실험설계, 자료해 석 등의 탐구 능력의 발달에 초점을 맞추어 지도한다. 단원의 1차시에서는 스타일로폼 공을 물과 아세톤에 넣 었을 때 나타나는 현상을 관찰하고, 용액의 진하기에 따른 밀도의 차이를 이용해서 설탕물의 탑쌓기 실험을 하여 흥미를 유발한다. 2차시에서 8차시에 이루어지는 학습 단계는 물과 아세톤에 여러 가지 가루 물질을 녹 여봄으로써 용액, 용해, 용질, 용매 등 과학 용어의 의미를 파악하는 것으로 시작된다. 또한 물, 아세톤에 여러 가지 가루 물질이 용해되는 정도가 다름을 관찰하여 용매에 따라 용질이 용해되는 양이 다름을 인식하게 한 다. 그리고, 용매에 녹이는 용질의 양을 조절하여 용액의 진하기를 달리한 후, 용액의 색깔, 용액에서 물체가 뜨는 정도를 비교하여 용액의 진하기를 구분하게 한다. 그리고 용해 전과 후의 무게를 비교 측정하는 실험을 통해 용질의 존재를 추리하도록 지도한다. 용해와 용액에 관한 기본 개념을 학습한 후에는 용질이 용해되는 빠르기와 양에 영향을 주는 요인에 대해 탐구하게 된다. 즉 젓는 빠르기, 용질 알갱이 크기, 용매의 온도와 용 질이 녹는 빠르기의 관계에 대한 가설을 세우고, 학생 스스로 실험 계획을 세워 결과를 수집하고 해석하여 결 론을 도출하는 일련의 탐구과정을 경험하게 한다. 용질이 녹는 양과 관련된 탐구활동에서는 용매의 양과 종류 가 같다 하더라도 온도를 달리함으로써 용질의 녹는 양이 달라진다는 사실을 실험 결과를 토대로 설명하게 한다. 그리고 각 차시 후반에 제시된 ‘창의 활동’과 ‘더 탐구해볼까요?’를 통하여 학생들의 사고를 확장시킨다.
단원의 학습 계열
선수 학습 이 단원의 학습 후속 학습
“혼합물의 분리(3-2)” “용해와 용액” “산과 염기(6-1)”
․생활 속의 혼합물
․혼합물을 분리하는 여 러 가지 방법
․용매에 따른 물질의 용해 정도 관찰
․용매의 양와 온도에 따른 용질의 녹는 양
․용해 전과 후의 무게
․여러 가지 용액 분류
․산성 용액과 염기성 용액의 성질
․지시약을 만들어 산도 측정
․산과 염기를 섞을 때의 변화 관찰
․산과 염기를 생활에 이용하는 예
단원의 학습 목표
1. 용매의 종류에 따라 녹는 용질의 양이 달라짐을 설명할 수 있다.
2. 용질의 녹는 양을 조절하기 위해 용매의 양과 온도를 변화시킬 수 있다.
3. 용해 전과 후의 무게 비교를 통해 용액 속 용질의 존재를 추리할 수 있다.
4. 여러 가지 용매에 대한 가루 물질의 용해 정도를 관찰할 수 있다.
5. 용매의 온도와 용질이 녹는 양과의 관계를 알아보기 위한 실험을 수행하고 결론을 도출할 수 있다.
6. 용해 전과 후의 무게를 측정하여 비교할 수 있다.
7. 생활에서 물질이 녹는 현상에 대해 관심을 갖는다.
8. 고체 물질의 용해 실험과 토론 등의 소집단 활동에 적극적으로 참여한다.
준 비 물(수량은 모둠 단위)
아세톤 50mL 또는 100mL 비커 14개 250mL 비커 1개(아세톤 담음) 소금 조금 설탕 조금 탄산칼슘 조금 나프탈렌 조금 수성잉크 유성잉크 시트르산(Citric acid) 전자저울 1개 페트리 접시 6개(물질 담는 용도) 약수저 2개 스포이트 2개 유리막대 2개 삼발이 1개 쇠그물 1개 성냥 면장갑 1개 집게 1개 보안경 1개 알코올램프 1개 약포지 2장
단원지도계획
단계 차시 주제 학습 목표 교과서 쪽
(실험관찰 쪽) 지식 탐구 과정
재미있
는 과학 1/10 사라지는 물질
ㆍ물질을 물과 아세톤에 넣었을 때 나타나는 현상에 대해 관찰한 결과를 말할 수 있다.
ㆍ진하기가 다른 용액으로 액체탑을 쌓을 수 있다.
ㆍ우리 생활에서 용해와 관련된 현상에 대해 흥미를 갖는다.
64
과학 실험방
2/10 용해와 용액의 정의
ㆍ물에 여러 가지 가루를 넣었을 때 나타난 변화에 대해 관찰할 수 있다.
ㆍ용해와 용액의 개념을 이해하고 설명할 수 있다.
66 (30)
용해, 용액, 용질, 용매
관찰 의사소통
3/10 용액의 진하기
ㆍ진하기가 다른 용액에서 용액의 색깔, 물체가 뜨는 정도를 관찰하여 비교할 수 있다.
ㆍ진하기가 다른 용액을 구분할 수 있는 방법을 설명할 수 있다.
70 (31)
용액의 진하기
관찰 의사소통
4/10
용해 전과 후의 무게
비교
ㆍ설탕이 물에 용해되기 전, 용해 중, 용해된 후의 무게를 측정하여 비교할 수 있다.
ㆍ용액 속 용질의 존재를 설명할 수 있다.
74 (32)
관찰 측정 의사소통
5/10
용질이 녹는 빠르기에 영향을 주는
요인
ㆍ백반이 녹는 빠르기에 영향을 주는 요인을 알아볼 수 있는 실험을 설계하여 수행할 수 있다.
ㆍ용질이 녹는 빠르기에 영향을 주는 요인을 설명할 수 있다.
76 (33)
변인통제 자료해석 결론도출
6/10
물의 양에 따른 녹는 용질의 양
ㆍ물의 양에 따라 탄산수소나트륨과 백반이 녹는 양을 관찰하여 비교할 수 있다.
ㆍ물의 양과 용질의 녹는 양의 관계를 설명할 수 있다.
78 (35)
관찰 자료해석 결론도출
7,8/10
물의 온도에 따른 녹는 용질의 양
ㆍ물의 온도와 백반이 녹는 양과의 관계를 알아보기 위한 실험을 계획할 수 있다.
ㆍ붕산과 백반이 녹은 따뜻한 용액을 식혔을 때 나타나는 현상을 관찰하고 그 이유를 추리할 수 있다.
82 (36)
변인통제 측정 추리 자료해석 결론도출 과학
생각모음 9/10 정리
ㆍ탐구 결과를 정리하여 용해와 용액에 관련된 개념을 설명할 수 있다.
ㆍ용해와 관련된 원리를 적용하여 보여줄 수 있는 마술 방법을 만화로 나타낼 수 있다.
86
나도
과학자 10/10 결정 만들기
ㆍ물질을 연구하는 과학자들의 활동이 용해 원리와 어떤 관련이 있는지 설명할 수 있다.
ㆍ미지의 물질로 결정을 만들어 관찰한 결과를 말할 수 있다.
90
사라지는 물질 사라지는 물질 1차시
물과 아세톤에 스타일로폼 콩을 넣었을 때 어떤 변화가 일어나는지 관찰하고, 그런 현상이 일어난 이유에 대해 이야기하여 봅시다.
관찰 현상 이유
같은 양의 물에 백설탕, 황설탕, 흑설탕의 양을 다르게 녹인 세 가지 설탕물로 탑을 쌓아 봅시다. 탑을 잘 쌓을 수 있는 방법을 생각해보고, 그 이유를 이야기하여 봅시다.
방법 이유
1. 유리병 4개에 물을 반쯤 담습니다. 그리고 네 가지의 가루 물질을 각각 한 숟가락씩 넣고 흔든 후 변화를 관찰합니다.
2. 유리병 4개에 아세톤을 반쯤 담고, 네 가지의 가루 물질을 각각 한 숟가락씩 넣고 흔든 후 변화를 관찰합니다.
용해와 용액의 정의 용해와 용액의 정의 2차시
사전 조사 나프탈렌, 탄산칼슘, 시트르산(화학식, 성질, 구조 등)에 대해 조사하자.
나프탈렌 탄산칼슘 시트르산
여러 가지 물질을 각각 물과 아세톤에 넣은 후 녹는지 알아보자.
물과 아세톤에 설탕, 시트르산, 탄산칼슘, 나프탈렌을 넣었을 때 관찰한 모습을 적어봅시다.
구분 물 아세톤
설탕
시트르산
탄산칼슘
나프탈렌
이 실험 결과로 알 수 있는 사실은 무엇인가?
식용유에 위의 물질들을 넣으면 녹을지 예상하여 O, X로 표시해보자.
설탕 소금 나프탈렌 탄산칼슘 시트르산
식용유
우리 생활에서 용해 현상을 이용하는 예를 찾아봅시다.
활동 정답
사전 조사
나프탈렌
나프탈렌은 흔히 방부제, 방충제, 방취제의 원료로 이용되는데, 많은 양을 먹거나 기체를 흡입 하면 메스꺼움, 구토, 두통, 발한, 혈뇨, 간장 기능 소실, 혼수 상태 등의 증상이 나타날 수 있 다. 물보다 가벼워 물에 뜨게 되며, 고체 상태에서 기체 상태로 변하는 승화성 물질이다.
탄산칼슘 탄산의 칼슘염으로 자연계에 존재하는 염 가운데 가장 많은 양을 차지한다. 그 형태도 대리 석, 방해석, 석회석, 빙주석, 산호, 조개껍데기, 달걀 껍데기 등 여러 가지이다.
시트르산 흔히 구연산이라고 부르며, 식물의 씨나 과즙에 많이 들어있다. 신맛을 가지고 있어 청량 음 료의 신맛을 내는데 사용된다.
실험 결과
실험 결과로부터 알 수 있는 사실은?
ㆍ 물과 아세톤에 모두 용해되거나, 모두 용해되지 않는 물질도 있고, 어느 한 액체에만 용해되는 물질도 있다.
ㆍ 액체마다 용해되는 물질이 서로 다르다.
식용유에 넣었을 때 결과
설탕 소금 나프탈렌 탄산칼슘 시트르산
식용유 × × ○ × ×
학생들은 용매와 용질에 대한 정확한 지식이 없으므로, 식용유에 녹는 고체에 대해서는 정확하게 예상 할 수 없을 것이다. 하지만 아세톤과 식용유는 서로 섞이며, 물과 식용유는 전혀 다른 성질을 가지고 있 다는 사실을 기억한다면 몇 가지는 예상할 수도 있다. 설탕, 소금, 시트르산, 탄산칼슘은 식용유에 녹지 않으며, 나프탈렌만이 식용유에 녹는다.
우리 생활에서의 용해 현상 예
ㆍ 소금을 물에 녹여서 음식의 간을 맞춥니다.
ㆍ 설탕을 넣어 음식의 단 맛을 냅니다.
ㆍ주스 가루를 물에 녹여 주스를 만들어 마십니다.
개념 해설
용해와 용액이란 무엇인가?
용액이란 두 가지 이상의 순수한 물질이 균일하게 섞여 있는 균일 혼합물을 나타내는 용어이다. 이 때 서로 섞이는 물질의 상태는 상관이 없다. 즉, 서로 섞 이는 물질은 각각 고체, 액체, 기체일 수도 있으며, 서로 섞이고 난 후의 상태도 고체, 액체, 기체일 수 있다. 예를 들어, 공기는 질소와 산소, 그리고 여러
가지 기체가 균일하게 섞여 있는 혼합물이므로 용액이라고 할 수 있으며, 합금의 경우도 각 금 속의 성분이 어느 부분이나 일정한 혼합물이므로 용액이라고 할 수 있다.
소금이 물에 녹듯이 어떤 물질이 다른 물질에 녹아 들어가는 현상을 용해라고 한다. 흔히 용액에서 녹아 들어가는 물질을 용질, 녹이는 물질을 용매라고 하지만, 엄격히 구별할 수 있는 것은 아니다. 액체-고체, 액체-기체 용액의 경우는 액체를 용액이라고 부르고, 기체나 고체를 용질이라고 부른다. 액체-액체, 기체-기체 용액의 경우에는 양이 많은 쪽을 용매, 양이 적은 쪽을 용질이라고 부른다.
용해의 원리(엔탈피 측면) 용해의 원리는 무엇인가?
용해 현상이 일어나기 위해서는 엔탈피(에너지) 측 면과 엔트로피(무질서도) 측면을 모두 고려해야 한다.
용해 과정에서의 엔탈피 변화는 용해되기 전의 용질 입자-용질 입자, 용매 입자-용매 입자 사이의 인력과 용해된 후의 용매 입자-용질 입자 사이의 인력의 차 이에 의존한다. 즉, 용해 현상이 자발적으로 일어나기 위해서는 용질-용매 입자 사이의 인력이 용질-용질
입자들 사이나 용매 입자들 사이에 작용하는 인력보다 커야 한다(발열, 엔탈피 감소, 에너지 낮아짐). 또한, 용해되기 전보다 용해된 후의 엔트로피가 증가해야 한다.
만일 용해되는 과정이 엔탈피도 감소(발열, 에너지 낮아짐, 인력 증가)하고 엔트로피도 감소 하거나, 엔탈피도 증가(흡열, 에너지 높아짐, 인력 감소)하고 엔트로피도 증가할 경우에는 엔탈 피와 엔트로피 중 더 큰 영향을 주는 것에 의해 용해의 여부가 결정된다.
이를 바탕으로 극성 분자는 극성 분자들끼리(극성 용질-극성 용매), 무극성 분자는 무극성 분자들끼리(무극성 용질-무극성 용매) 용해되는 반면, 극성 분자와 무극성 분자들끼리(극성 용 질-무극성 용매, 무극성 용질-극성 용매)는 용해되지 않는 이유를 설명하면 다음과 같다. 그 전에 먼저 분자 사이의 인력 크기는 극성 분자 사이의 인력 > 극성-무극성 분자 사이의 인력
> 무극성 분자 사이의 인력 순임을 알아야 한다.
1. 극성 용질-극성 용매의 경우
용해되기 전의 용질 입자-용질 입자, 용매 입자-용매 입자 사이의 인력과 용해된 후의 용매 입자-용질 입자 사이의 인력은 모두 극성 분자 사이의 인력이다. 따라서 용해되기 전과 후의 입자 사이의 인력은 유사하다. 그러나 용해되기 전에 비해 용해된 후에는 엔트로피가 증가하므 로, 이 경우에는 용해 현상이 잘 일어난다.
2. 무극성 용질-무극성 용매의 경우
용해되기 전의 용질 입자-용질 입자, 용매 입자-용매 입자 사이의 인력은 모두 무극성 분자 사이의 인력이고, 용해된 후의 용매 입자-용질 입자 사이의 인력도 무극성 분자 사이의 인력이 다. 따라서 용해되기 전과 후의 입자 사이의 인력은 유사하다. 그러나 용해되기 전에 비해 용 해된 후에는 엔트로피가 증가하므로, 이 경우에는 용해 현상이 잘 일어난다.
3. 극성 용질-무극성 용매, 무극성 용질-극성 용매의 경우
용해되기 전의 용질 입자-용질 입자, 용매 입자-용매 입자 사이의 인력은 극성 분자 사이의 인력이나 무극성 분자 사이의 인력이고, 용해된 후의 용매 입자-용질 입자 사이의 인력은 극성 -무극성 분자 사이의 인력이다. 따라서 용해된 후의 용매 입자-용질 입자 사이의 인력이 용해 되기 전의 용매 또는 용질 입자 사이의 인력보다 작으므로, 이 경우에는 용해 현상이 일어나지 않는다.
격자 상태로 입자들끼리 강하게 끌어당기고 있는 고체의 경우에는 상황이 다소 다르다. 고 체가 물에 용해되는 상황을 NaCl과 같은 이온성 물질과 설탕과 같은 분자성 물질로 설명하면 다음과 같다. 물에 NaCl을 넣으면 나트륨 이온(Na+)이나 염화 이온(Cl-)은 물 분자에 강하게 이끌려 떨어져 나오게 된다. 떨어져 나온 나트륨 이온(Na+)과 염화 이온(Cl-)은 물 분자에 둘러 싸여 물 속으로 확산된다. 이와 같이, 물질을 구성하는 입자가 용매인 물 분자에 둘러싸이는 현상을 수화라고 한다. 설탕의 경우에도 역시 설탕 분자에서 약간 양성 전하를 띤 부분과 약 간 음성 전하를 띤 부분 주위를 물 분자들이 둘러싼다.
이 때, 용질 입자들이 분리되는 과정과 이 용질 입자들이 용매 사이로 끼어들 수 있도록 용 매 입자들이 벌어지는 과정은 모두 흡열 과정(엔탈피 증가)이며, 용질 입자들이 용매 입자들에 의해 둘려 싸여 용매화되는 과정은 발열 과정(엔탈피 감소)인데, 이 때 흡열과 발열의 크기에 따라 전체 과정이 흡열이 될 수도 있고, 발열이 될 수도 있다. 이와 같이 고체의 용해 과정에 서의 엔탈피 변화는 용질과 용매 각 입자간의 인력에 의존하므로 용질과 용매에 따라 달라 질 수 있어 일반적인 규칙을 정하기는 어렵다.
그러나 대체적으로 NaCl과 같이 이온의 전하수가 1인 이온성 고체 화합물이 물에 용해되는 과정은 흡열 과정이다. 그럼에도 불구하고 NaCl이 물에 용해되는 이유는 무엇인가? 그것은 바 로 비록 흡열 과정이긴 하지만 Na+ 이온이나 Cl- 이온과 물 분자 사이의 강한 인력으로 인해 용해 전과 후의 엔탈피 차이가 작아 흡수하는 열이 적은 상태에서 엔트로피가 증가하기 때문 이다. 즉, 엔탈피 변화보다 엔트로피 변화의 영향이 NaCl 용해의 원동력이라 할 수 있다.
이는 설탕의 경우에도 마찬가지이다. 따라서 용매-용질 사이의 인력이 반드시 더 크지 않아
도 용해 현상이 일어날 수 있음을 꼭 기억해야 한다. 그러나 Al2O3, BaSO4 등과 같이 고체 상태에서 이온 사이의 결합력이 매우 큰 경우에는 잘 용해되지 않는다.
한편, 이온성 고체들 중에서는 발열 과정에 해당하는 화합물들도 있는데, Na2SO4, Ce2(SO4)3
등이 그 예이다. 이 화합물들의 경우는 물 분자의 용매화에 의한 용질 입자-용매 입자 사이의 인력이 용질 입자-용질 입자 사이의 인력보다 상대적으로 더 큼을 알 수 있다. 또한, 용해 과 정에서 엔트로피도 증가하므로 물에 잘 녹는다.
※ 왜 소금은 아세톤에 녹지 않을까?
위의 설명에서와 같이 용질과 용매 입자 사이의 인력, 용질 입자 사이의 인력, 용매 입자 사 이의 인력을 생각하면 쉽게 이해할 수 있다. 즉, 소금을 이루는 나트륨 이온(Na+)과 염화이온 (Cl-) 사이의 인력이나 아세톤 분자 사이의 인력이 각 이온과 아세톤 분자 사이의 인력보다 훨 씬 크기 때문에 녹지 않는다.
극성 분자와 비극성 분자
2개의 뷰렛을 장치하고, 한 쪽에는 물을 넣고 다른 쪽에는 식용유를 넣은 다음, 그림과 같이 뷰렛의 콕을 열어 액체를 일 정하게 흘려보내면서, 털가죽을 비벼 전하를 띠게 한 에보나이 트 막대를 가까이 대어 본다. 그러면 물줄기는 휘어지지만 식용 유는 휘어지지 않는 것을 관찰할 수 있다.
수도꼭지에서 물줄기가 가늘게 나오도록 흘려보내면서 플라 스틱 빗을 머리에 비벼 전하를 띠게 한 다음 가까이 대어보아 도, 흘러내리는 물줄기가 휘어지는 것을 관찰할 수 있다. 이것 은 물 분자와 식용유 분자가 각각 다른 전기적 특성을 가지고 있기 때문에 나타나는 현상이다.
물 분자는 분자 내에 전하가 불균일하게 분포되 어 분자 내에 부분적으로 (+) 전하와 (-)전하를 띠 게 되는 데, 이러한 성질을 극성이라고 하며 물 분 자와 같이 극성을 띠고 있는 분자를 극성 분자라고 한다. 식용유의 분자와 같이 분자 내에 전하가 골고
루 분포되어 극성을 가지지 않는 분자를 무극성 분자라고 한다. 분자가 극성을 띠는 지의 여부 는 분자의 구조와 밀접한 관계가 있다. 대개 비대칭 분자인 경우 극성을 띠는 경우가 많으며, 대칭 구조를 갖는 분자는 무극성인 경우가 많다.
여러 가지 용매
초등학교 과학 시간에 사용하는 용매는 물과 아세톤, 알코올, 식용유로 제한하고 있다.
물 : 가장 흔히 사용되는 용매로, 분자 구조는 비대칭적이며, 극성이 매우 크다. 이온성 물질과 극성을 띤 물질은 대부분 물에 녹는다.
에틸알코올 : 비교적 흔히 사용되는 극성이 큰 용매로, 극성을 띤 물질 들을 잘 녹이며, 식용유나 나프탈렌 같은 비극성 물질도 조금 녹인다.
아세톤 : 약간의 극성을 띤 용매로 극성 물질과 비극성 물질을 모 두 녹일 수 있다. 하지만 약간의 극성을 띠고 있기 때문에 비극성 물질을 많이 녹이지는 못한다.
식용유 : 식용유는 한 가지 성분으로 된 물질은 아니지만 생활에 서 손쉽게 얻을 수 있기 때문에 흔히 사용된다. 초등학교에서 대 표적인 무극성 용매로 사용된다. 극성 물질은 잘 녹이지 못하며, 나프탈렌과 같은 무극성 물질은 잘 녹인다. 순수한 물질로는 노르 말 헥산이 식용유와 유사하다.
이들 용매의 극성을 도식적으로 나타내면 다음과 같다. 여기서 주의할 점은 극성, 무극성은 이분법적인 것이 아니라 연속선상에 있다는 것이다.
설탕이 물에 잘 녹고, 아세톤에 녹지 않는 이유
설탕 분자에는 많은 -OH 작용기를 가지고 있어 물 분자와 수소 결합을 할 수 있다. 따라서 용해 후에 에너지가 안정화될 뿐만 아니라 엔트로피가 증가하므로 물에 잘 녹는다. 하지만 아 세톤 분자와는 수소 결합을 할 수 없고, 따라서 설탕 분자와 설탕 분자 사이의 인력이 설탕 분 자와 아세톤 분자 사이의 인력보다 더 크기 때문에 아세톤에는 녹지 않는다.
시트르산이 물과 아세톤에 잘 녹는 이유
시트르산 분자는 약간의 극성이 띠고 있으며. 수소 결합을 할 수 있는 -OH 작용기도 가지 고 있다. 따라서 수소 결합을 통해 물에 잘 녹을 수 있으며, 수소 결합을 하지 않더라도 약간 의 극성을 띤 용매인 아세톤에도 잘 녹는다.
나프탈렌이 아세톤에 녹는 이유
나프탈렌은 전형적인 무극성 물질이다. 따라서 극성 용매인 물에는 거의 녹지 않으며, 약간 의 극성을 띤 아세톤에는 약간 녹는다. 아세톤에 나프탈렌이 녹이려면 충분한 양의 아세톤이 필요하다. 나프탈렌이 녹아있는 아세톤에 스포이트로 물을 조금씩 넣어보면 투명하던 용액이 뿌옇게 되는데, 이는 아세톤-물 혼합 용매에 대한 나프탈렌의 용해도가 낮아지기 때문에 일어 나는 현상이다.
탄산칼슘이 물과 아세톤에 녹지 않는 이유
탄산칼슘은 염화나트륨과 같은 이온성 물질이다. 이온성 물질은 극성이 매우 큰 물질이라고 할 수 있다. 하지만 염화나트륨은 물에 잘 녹는 데 비해 탄산칼슘은 물에 녹지 않는다. 이것은 탄산칼슘을 이루고 있는 탄산 이온(CO32-)과 칼슘 이온(Ca2+) 이온 사이에 작용하는 힘이 이들 이온과 물 분자 사이에 작용하는 힘보다 더 크기 때문이다. 아세톤의 경우도 마찬가지이다.
수성잉크는 물에 녹고, 유성 잉크는 아세톤에 녹는 이유 교사용 지도서에 의하면 수성 잉크는 물에 잘 녹고, 유성 잉크는 아세톤에 잘 녹는다고 설명하고 있다. 하지만 실제로 실험을 해 보 면 제품에 따라 아세톤에 잘 녹는 수성 잉크도 있다. 아세톤은 물 과 성질이 비슷한 물질도 잘 녹이고 기름과 비슷한 물질도 잘 녹 이는 성질이 있으므로 수성 잉크도 잘 녹인다.
준비한 수성 잉크가 아세톤에 잘 녹을 때에는, 지도서대로 아세 톤에는 잘 녹지 않는 것으로 지도할 것이 아니라 실험 결과 나타 난 그대로 지도하도록 한다. 아세톤에는 수성 잉크가 반드시 녹지
않는다고 지도할 필요는 없다. 본 차시에서의 목표는 잉크에 따라 물과 아세톤에 넣었을 때의 차이점을 학습하는 것이므로 실험 결과 나타난 그대로 지도하도록 한다.
참고 사항
손쉽게 소금의 용해 현상 관찰하는 방법
오른쪽 그림은 헝겊 주머니에 소금을 넣고 실로 묶은 후, 물과 아세톤 을 넣은 비커에 담그고 어떤 현상이 일어나는 지 관찰하도록 하고 있다.
이 때, 학생들은 물에 넣은 소금 주머니에서 소금이 녹아 주머니 아래 부 분에 아지랑이처럼 녹아내리는 것을 관찰해야 한다.
하지만 학생들은 관찰해야 할 대상에 대해 아무런 사전 지식도 가지고 있지 않으므로, 주의 깊게 관찰하지 않으면 그 현상을 쉽게 관찰하기 어 렵다. 이럴 경우에는, 교실을 어둡게 하고 그림과 같이 실험 장치 뒤에 흰 종이를 대고 플래쉬 등으로 빛을 비춰주면, 물에 넣은 헝겊 주머니에 서 소금이 아지랑이처럼 녹아내리는 것을 쉽게 관찰할 수 있다.
* 물에 녹은 소금 주머니의 밑에 아지랑이가 생기는 이유
소금이 물에 녹으면 소금 주위의 물은 다른 부분의 물보다 밀도가 조
금 높아지게 된다. 따라서 소금이 녹은 물은 아래 부분으로 가라앉게 되는 데, 이때 그 부분을 통과하는 빛이 굴절되어 아지랑이처럼 보이는 것이다. 물론 물을 휘저으면 골고루 섞이게 되지 만 외부에서 교란이 없으면 진한 소금물이 아래쪽에 가라앉는다. 가끔 소금을 아세톤에 넣었을 때도 아지랑이가 생기는 경우가 있는데, 이것은 소금이 물을 흡수하여 축축해졌기 때문이다.
젖은 소금을 사용하지 말고 잘 말려서 사용한다.
우유도 용액일까?
초등학교에서의 용액은 어떤 물질을 액체에 녹였을 때 밑에 가라앉거나 위에 뜨는 것이 없어야 하며 투명하게 되는 것으로 정의하고 있다. 이것은 초등학교 수준에서 용액을 조작적으로 정의한 것이다.
초등학교 수준에서의 조작적 정의에 의하면 우유는 밑에 가라앉거나 위에 뜨는 것은 없지만 투명하지 않으므로 용액이 될 수 없다. 실제로 엄밀한 의 미에 있어서도 우유는 용액이 아니다. 우유는 단백질이나 지방이 물에 분산 되어 있는 것이다. 우유와 같이 단백질이나 지방과 같이 비교적 큰 입자가
물에 분산되어 있는 것을 ‘콜로이드 용액’이라하여, 진정한 의미에서의 ‘참용액’과 구별한다.
그렇다면, 초등학교에서 우유는 용액이 아니라고 가르쳐야 하나? 그렇지 않다. 우유가 엄밀 한 의미에서의 용액은 아니지만, 초등학교 수준에서는 콜로이드 용액을 학습하지 않으므로 용 액으로 분류하여 가르치도록 한다. 우유를 거름종이로 걸러 보았을 때 아무 것도 남지 않는다 는 사실을 근거로 하여 우유에는 단백질이나 지방이 물과 균일하게 섞여 있는 것으로 간주하 여 용액으로 분류할 수 있다.
과일주스는 용액일까?
실제 과일을 갈아 넣지 않고 인공향으로 맛과 냄새만 비슷하게 만든 과일 음 료는 모두 용액이다. 비록 색깔이 진하여 투명하지 않더라도 물을 부어 희석하 면 투명하게 되므로 용액이다. 하지만 실제 오렌지를 갈거나 짜서 만든 오렌지 주스는 그대로 두었을 때 바닥에 가라앉는 것이 있으므로 조작적 정의로 보더 라도 용액이 될 수 없다.
링거액
1. 5% 포도당 생리식염액
5% 포도당 생리식염액은 5%포도당과 0.9% NaCl이 함유되어 있는 수액제로서, 탈수 및 수술 전후의 수분 보급용으로 사용하는 기초 수액제다. 주사액 1리터에 포도당이 50g이 들어있고 염화 나트륨은 9g만 들어있다고 생각하면 된다.
2. 5% 포도당 주사액
주사액 1리터에 포도당이 50g 들어있는 용액이다. 흔히 힘없고 기력이 없을 때 주로 이용하는 주사액이다.
[생활과 과학] 매운 고추를 먹은 후, 얼얼한 입 안을 달래는 방법 우리나라 사람이라면 누구나 매운 고추 먹고
난 후 입에 불이 날 정도로 매워서 고생한 경험 이 있을 것이다. 이럴 때 해결책은 없을까?
흔히 찬물이나 뜨거운 물을 마셔서 매우 맛을 가시려 한다. 물을 마신 직후에는 매운 맛이 가 신 듯 하지만 잠시 후면 또 다시 입안이 얼얼해 진다. 이것은 찬물이나 뜨거운 물이 입 안의 감
각을 잠시 둔하게 해서 매운 맛을 못 느끼게 할 뿐 입 안의 매운 성분은 그대로 남아있기 때 문에 감각이 다시 살아나면 더욱 매운 것 같이 느껴지게 된다.
고추의 매운 맛을 내는 성분은 “캡사이신”이라는 물질인데, 이 물질은 물에는 녹지 않고 기 름에 잘 녹는 성질을 가지고 있다. 따라서 물로 아무리 입 안을 헹구어도 매운 맛은 그대로 남 아 있기 때문에 아무런 효과가 없는 것이다.
이럴 때는 캡사이신을 잘 녹일 수 있는 올리브유나 식용유와 같은 기름으로 입 안을 헹구어 내면 되지만, 기름만을 먹기에는 맛이 그다지 좋지 않다는 단점이 있다. 가장 간단한 방법은
우유를 마시는 것이다. 특히 유지방이 많이 들어 있는 우유가 좋다. 우유에 들어 있는 유지방 이 캡사이신을 녹여 제거해 주므로 매운 맛이 곧 없어진다. 또는 마요네즈를 듬뿍 바른 야채를 먹는 것도 좋은 방법이다.
[생활과 과학] 드라이클리닝이란?
물세탁을 하면 섬유와 염료, 의복의 형태 등이 변형되거나 손상되기 쉬우므로, 모직물이나 견직물 제품은 주로 드라이클 리닝으로 세탁한다. 드라이클리닝은 유기 용매로 때를 직접 녹 여내는 방법으로, 비교적 인화점이 높은 석유계 유기 용매를 사용한다. 유기 용매는 기름때를 잘 녹여내지만 물에 녹는 때 는 잘 녹이지 못하므로 소량의 물을 넣어 사용한다, 유기 용매 와 물은 잘 섞이지 않으므로 서로 섞일 수 있도록 비누 성분 의 활성제를 섞는다.
유기 용제는 값이 비싸므로 사용 후에는 즉시 필터로 걸러 재사용한다. 유기 용제를 오래 사용하여 기름때가 너무 많이 녹아 있으면 증류하여 사용한다. 천과 천을 접착제로 붙여 만든 옷이나 고무를 입힌 옷은 접착제나 고무가 유기 용매에 녹을 수도 있으므로 주의해야 한다. 요 즘에는 집에서도 드라이클리닝을 할 수 있는 유기 용제를 판매하기도 한다.
실험 활동
용액의 진하기 용액의 진하기 3차시
예상하기: 진하기가 다른 설탕물에 메추리알을 띄웠을 때 어떤 현상이 나타날지 예상해보고, 그렇게 생각한 이유를 이야기해 봅시다.
예상 현상 이유
관찰하기
비커에 같은 양의 물을 붓고, 흑설탕과 백설탕을 녹였을 때 용액을 관찰하고, 진하기를 비교해 봅시다.
설탕의 양 흑설탕 백설탕
5숟가락 10숟가락 5숟가락 10숟가락
용액의 색깔 실험을 통해 알 수
있는 점
위에서 실험한 네 가지 용액에 메추리알을 넣은 후 관찰한 결과를 정리해봅시다.
설탕의 양 흑설탕 백설탕
1숟가락 3숟가락 5숟가락 10숟가락
메추리알의 모습
실험을 통해 알 수 있는 점
설명하기
이 실험 결과를 바탕으로 용액의 진하기를 구분하는 방법을 설명해 봅시다.
용액 위에 떠 있는 메추리알을 가라앉힐 수 있는 방법을 생각해보고, 그 이유를 적어봅시다.
방법 이유
활동 정답
예상하기: 학생들이 각자 나름대로 생각한 것들을 정리하여 활동지에 작성했는지 알아본다.
예상 현상 진한 용액의 색깔이 더 진할 것 같 습니다.
진한용액에서 물체가 더 잘 가라앉 을 것 같습니다.
이유 왜냐하면 가루 물질이 더 녹아 있기 때문입니다.
왜냐하면 물질이 많이 녹아 있어서 용액기 더 무겁기 때문입니다.
관찰하기
설탕의 양 흑설탕 백설탕
5숟가락 10숟가락 5숟가락 10숟가락
용액의 색깔 연한 갈색 진한 갈색 무색 무색
실험을 통해 알 수 있는 점
색이 있는 가루 물질을 녹인 용액의 진하기는 용액의 색이 진할수록 진하다.
하얀색 가루 물질을 녹인 용액은 색으로 진하기를 구분할 수가 없다.
설탕의 양 흑설탕 백설탕
5숟가락 10숟가락 5숟가락 10숟가락
메추리알의 모습 설탕물 아래 가라앉아 있다.
설탕물 위에 떠 있다.
설탕물 아래에 가라 앉아 있다.
설탕물 위에 떠 있다.
실험을 통해 알 수
있는 점 용액이 진할수록 작은 물체가 높이 떠오르게 된다.
설명하기
용액의 진하기 구분 방법
ㆍ진한 용액일수록 맛을 보면 더 강한 맛이 납니다.
ㆍ용액의 색이 진할수록 진한 용액입니다.
ㆍ작은 물체가 위로 떠오를수록 진한 용액입니다.
용액 위에 떠 있는 메추리알을 가라앉힐 수 있는 방법을 생각해보고, 그 이유를 적어봅시다.
방법 이유
용액의 진하기를 낮추어야 합니다. 상대적으로 메추리알의 무게가 무거워지기 때문입니다.
연한 용액을 만들기 위해서 물을 더 넣습니다. 상대적으로 메추리알의 무게가 무거워지기 때문입니다.
개념 설명
비중
비중은 어떤 물질의 무게가 그것과 같은 부피를 가진 표준 물질의 무게의 몇 배인가를 나 타낸 수치로 단위는 쓰지 않는다. 일반적으로 액체나 고체는 4℃의 물의 무게를 표준으로 하 고, 기체의 경우는 0℃, 1기압에서의 공기 무게를 표준으로 한다. 즉, 비중은 물이나 공기의 무게에 대한 상대적 값이다.
양팔 저울을 이용하여 같은 부피의 이산화탄소와 공기의 무게를 비 교해 보면 이산화탄소가 더 무겁다. 따라서 이산화탄소의 비중은 1 보다 크다.
물이 든 비커에 비중이 큰 소금물을 부으면 무거운 소금물이 아래로 내려간다.
‘위’, ‘아래’라는 개념은 중력이 작용하는 공간에서만 의미를 갖는다. 무거운 물질이 아래로 내 려가는 것은 질량이 큰 물질을 지구가 더 큰 힘으로 잡아당기기 때문이다.
비중계
물체의 비중을 재는 기구를 비중계라 하고 비중을 재려는 대상이 고체, 액 체, 기체인지에 따라 여러 가지 종류가 있다. 액체의 비중을 재는데 주로 이용 하는 대표적 비중계로는 액체 비중계와 비중병이 있고, 고체용으로서는 용수철 저울과 니콜슨 액체 비중계, 기체용으로서는 기체 저울 등이 있다. 액체 비중계 는 아랫부분에 추를 넣은 가늘고 긴 유리관으로 비중을 재려고 하는 액체에 이것을 넣어 액체 표면의 위치에 있는 액체 비중계 윗부분의 눈금을 읽음으로 써 비중을 알 수 있다.
1. 용액의 농도와 간이 비중계
농도는 용액 속에 용질이 녹아 있는 정도를 말하는데, 농도가 진하다는 것은 용액 속에 들 어있는 용질이 많다는 뜻이다. 그러므로 농도가 진한 용액은 농도가 옅은 용액보다 같은 부피 에 해당하는 무게가 당연히 더 무겁다. 따라서 농도가 진한 용액이 비중이 크고 비중이 큰 용 액에서 물체(간이 비중계)가 많이 떠오르는 것이다.
2. 비중계의 원리 - 아르키메데스의 원리
아르키메데스의 원리는 유체(기체나 액체) 속의 물체가 받게 되는 부력에 대한 법칙이다. 아 래 그림과 같이 물 속에 잠긴 물체에 모든 방향으로부터 수압이 작용하지만 옆에서 작용하는 압력은 방향이 반대이면서 크기는 같기 때문에 서로 상쇄되어 그 효과가 없어지게 된다. 수압 은 물 속에 깊이 들어갈수록 커지므로 물체의 위에서 작용하는 수압보다는 물체의 아래에서 작용하는 수압이 더 크다. 따라서 결국 위쪽 방향(중력 반대방향)으로의 힘만 알짜힘으로 남게 되며, 이러한 물체를 뜨게 하는 힘을 부력이라고 한다. 부력의 크기는 잠긴 물체의 부피와 같 은 부피의 유체의 무게와 같고 이를 아르키메데스의 원리라 한다.
용액의 농도
용액의 농도(진하기)란 용액 속에 용질이 녹아 있는 정도를 나타낸다. 이 때, 일정한 용매의 양을 기준으로 하여 용질의 양을 나타낸다. 농도는 색과 맛을 비교하여 알 수도 있고, 비중계 를 사용하여 알 수도 있다.
여러 가지 농도 표기
농도는 일반적으로 퍼센트 농도(%)로 나타내지만 다음과 같이 여러 가지로 나타낼 수 있다.
1. 퍼센트 (%)
퍼센트 농도는 용액 100g 속에 몇 g의 용질이 녹아 있는가를 나타낸다. 즉, 5% 소금물 100g 속에는 소금이 5g 포함되어 있다. 일상생활에서 퍼센트 농 도는 주로 식품의 함량을 표시하는 데 사용된다. 특히, 같은 용질이라 하더 라도 생산지(국산, 외국산)를 구분하여 표시하기도 한다. 식품의 함량 표시를 통해 우리는 그 식품의 구성 성분과 함량을 알 수 있다.
2. 퍼밀(‰)
퍼밀(‰)은 천분비, 천분률이라고도 하며, 용액 1000g 중 용질의 g수를 나타낸다. 예를들어 소금물 1000g 중 소금 35g이 녹아 있을 때 이 소금물의 농도는35‰이 된다. 퍼 밀은 주로 적은 양의 용질이 들어 있는 용액의 농도에 사용한다. 일반적으로 바닷물 1kg에 약 35그램의 염분이 녹아 있어 바닷물의 염분도는 퍼밀(천분률)을 주로 사용 한다.
3. ppm
ppm은 백만분율(10－6)을 나타내는 영문 parts per million의 약자이다. ppm은 100만분의 1을 나타내는 단위이며, 무게 또는 부피에 대해 사용한다. 다시 말해 일정한 부피의 물이나 용매의 무게를 1로 보고 이 속에 100만분의 1 무게 만큼 의 물질이 포함된 것을 말한다.
ppm은 매우 적은 양의 용질이 들어 있는 용액에 사용하는데, 주로 수질 오염도 나 대기 오염도를 나타낸다. 수질 오염도의 경우 1kg의 물 속에 0.5mg의 오염 물질이 포함되어 있다면, 이 물의 오염도는 0.5ppm이 된다.
대기 오염도를 나타내는 ppm은 무게의 비가 아니라 부피의 비이다. 기체나 공기의 경우 무게 차이로 비 교가 어려울 만큼 가볍기 때문이다. 아황산가스가 1ppm이라면 공기 중에 아황산가스가 부피로 따져 100 만 분의 1만큼 포함되어 있는 것을 말한다. 그러나 공기는 온도가 높으면 부피가 커지고, 압력이 높으면 부피가 작아지는 등 변하므로 오염도는 보통 1기압, 25℃를 기준으로 나타낸다.
참고 자료
10% 농도의 설탕물 만드는 방법
퍼센트 농도란 용액 100g 속에 녹아 있는 용질의 g수를 말한다. 따라서 10% 설탕물 100g 속에는 10g의 설탕이 녹아 있다는 것이다. 용해되기 전 각각의 용질의 무게와 용매의 무게 의 합은 용해 후 용액의 무게와 같다. 따라서, 다음과 같이 10% 설탕물을 만들 수 있다.
[생활과 과학] 콜라를 얼리면?
콜라를 냉동실에 넣고 살짝 얼리거나 매우 낮은 온도의 냉장실에 오래 보관하면, 콜라가 완전히 얼지 않고 어느 정도 얼게 되면서 위 쪽에서부터 얼기 시작하는 것을 볼 수 있다.
그리고 얼지 않고 남아 있는 콜라는 얼기 전 의 콜라보다 맛이 더 진하고 달다는 것을 알 수 있다.
순수한 물의 경우 0℃에 도달하면 얼지만, 콜 라는 용질과 용매가 섞여 있는 혼합물이기
때문에 0℃가 되어도 얼지 않는다. 온도를 더 낮추면 얼기 시작하지만 일정한 어는점을 가지지 않고 콜라 속 설탕의 농도가 진할수록 어는점은 더 낮아진다.
물이 언다는 것은 물 분자와 물 분자가 수소 결합으로 연결되어 육각형을 이루는 것을 의미한 다. 그러나 물에 설탕이나 이산화탄소가 존재하는 경우에는 물 분자와 물 분자 사이의 상호작 용을 설탕 분자나 이산화탄소 분자가 방해하므로 어는점이 낮아지게 된다. 즉, 온도를 더 낮추 어야 비로소 물 분자끼리 육각형 구조의 수소 결합을 하게 된다. 물은 얼음보다 밀도가 크기 때문에 얼음은 물의 윗부분부터 생긴다. 따라서 콜라의 물이 얼 때 윗부분부터 얼게 된다.
냉장실의 온도를 더 낮추거나 냉동실에 콜라를 오래 두면 콜라도 완전히 얼릴 수가 있다. 이렇 게 언 콜라는 물이 언 얼음과 달리 버석거리는 것을 볼 수 있는데, 이것은 얼음의 육각구조가 설탕이나 이산화탄소로 인해 단단히 형성되지 못했기 때문이다.
[생활과 과학] 저염 식이요법
심장병이나 고혈압 환자들은 소금이 들어 있지 않은 음식을 먹으라는 말을 자주 듣는다. 많은 사람들이 소금이 들어 있지 않으면 음식이 맛이 없다고 느끼므로, 저염식 또는 무염식 식이요 법을 하는 사람들은‘소금이 아닌 소금(salt-free salt)’인 염화칼륨이라는 물질을 사용한다. 이 물질은 소금과 같이 짠맛을 내는 염화 이온을 포함한다. 그러나 나트륨 이온(Na＋) 대신에 칼 륨 이온(K＋)을 포함하므로 소금의 고소한 맛과는 달리 약간 쓴 맛이 난다.
나트륨 이온과 칼륨 이온은 다른 기작에 의해서 세포막을 통과하므로 그들이 세포 내에서 하 는 역할도 다르다. 따라서 칼륨 이온은 나트륨 이온이 일으킬 수 있는 문제들을 일으키지 않는 다.
[생활과 과학] 소독용 알코올은 농도100%일까?
소독용 알코올은 에탄올(Ethyl alcohol)인데, 이 에탄올이 소독약으로 쓰일 수 있는 것은 삼투 능력으로 세균 표면의 막을 뚫고 세균 내부에 들어가서 세균의 생명 기 초인 단백질을 응고시켜 세균을 죽이기 때문이다.
우리가 사용하고 있는 소독용 알코올은 농도 100%일까? 그렇지 않다. 소독용 알코 올의 농도는 70%~75% 정도라고 한다. 거의 농도 100%에 육박하는 에탄올보다
70%~75% 정도의 에탄올이 세균 살균 효과가 큰이유는 진한 에탄올은 세균의 단백질을 응고 시키는 능력은 매우 좋으나 너무 순간적으로 한번에 세균 표면의 단백질을 응고시켜서 세균의 외벽에 단단한 막을 형성시키게 된다. 그래서 세균의 내부까지 에탄올이 침투하는 것을 방해하 게 된다.
여러 번의 반복적인 실험 끝에 순수 에탄올에 비하여 70%~75% 정도의 에탄올이 서서히 세균 외벽의 단백질을 응고시킴에 따라 에탄올이 내 부까지 침투할 수 있기 때문에 더 효과적으로 세균을 죽일 수 있다는 것을 발견하게 되었다.
에탄올을 소독 작용을 할 뿐만 아니라 소주와 같은 술의 성분이기도 하 다. 알코올 중에는 에탄올과 유사한 메탄올(Methyl alchol)이라는 물질
이 있는데, 이 물질은 냄새나 맛 등 성질이 에탄올과 유사하지만 에탄올과 달리 조금만 마셔도 시신경 등을 파괴하기 때문에 매우 위험하다.
[생활과 과학] 소금 섭취와 건강
소금이 과거부터 귀하게 여겨져 온 것은 사람의 체액, 혈청, 양수에는 0.9% 농도의 염분이 들 어 있기 때문이다. 염분은 신진대사를 촉진시키고 혈관을 정화시키며 적혈구 생성을 도와준다.
미네랄의 주공급원이기도 한 소금은 소화와 위장의 기능을 돕고 심장과 신장의 기능을 강화시 키며, 해독 작용과 살균 작용, 해열, 지혈 작용 등을 한다.
그러나 인체에 필수적인 소금도 너무 많이 섭취하면 건강에 좋지 않은데, 특히 고혈압에 나쁘 다. 소금의 섭취가 많아지면 혈액 내에 소금의 주성분인 나트륨의 양이 많아지는데 항상 수분 을 끌고 다니려는 나트륨의 성질에 따라 전체 순환 혈류량이 많아지고 혈관은 더 큰 압력을 받게 된다. 이렇게 나트륨은 혈압을 올리는 중요한 원인이 되므로 고혈압시에는 소금뿐만 아니 라 나트륨을 많이 함유하고 있는 모든 식품의 섭취를 줄여야 한다.
우리나라 사람들의 하루 평균 소금 섭취량은 15-2 5g으로 세계보건기구(WHO)가 정해 놓은 하 루 평균 소금 섭취량 6g보다 3배 이상 많다. 우리의 식생활에 간장, 고추장, 김치, 젓갈류 등 염분 함유량이 많은 식품이 차지하는 비중이 높으므로 그만큼 일상생활에서 소금의 과잉 섭취 에 주의를 기울여야 한다.
나트륨은 소금의 약 40% 정도를 차지하는데, 미국 국립 과학원이 정한 성인의 하루 적정 나트 륨 섭취량은 1.5g이다. 건강 유지에 필수적인 최소 나트륨 필요량은 유아의 경우 1일 0.12g, 10 세 이상의 아동과 성인은 0.5g으로 알려져 있어 스낵 한 봉지만 먹더라도 1일 나트륨 최소 필 요량을 모두 섭취하게 된다는 말이다. 나트륨은 여러 가지 식품을 통해 섭취하는 양이 많아서 과잉 섭취가 항상 문제가 된다. 따라서 나트륨 함량이 높은 가공 식품이나 짠 음식을 많이 먹 지 않도록 바른 식습관을 가져야 한다.
[생활과 과학] 바다가 남긴 선물 - 살라 데 우유니(Salar de Uyuni)
남아메리카 중서부에 위치한 볼리비아 공화국의‘살라 데 우유니’는 세계 최 대의 소금 산지로 많은 관광객이 찾고 있는 곳이다. 살라 데우유니란 ‘우유 니 소금 호수’라는 뜻인데, 마치 남극의 하얀 설원이 펼쳐진 듯한 광활한 소 금 평원은 우리나라 경상남도 넓이보다 더 넓다.
우유니 소금 호수 일대는 아주 오래 전 바다였는데, 선사시대 지각 변동으로 안데스 산맥과 알 티플라노 고원이 솟아오르자 화산들에 둘러싸인 거대한 호수가 형성되었다.
그 후 이 지역의 건조한 기후 특성상 호수의 물이 모두 증발하면서 결국 침전 물로 소금만 남게 되었다는 것이 정설이다. 그 소금이 오랫동안 굳어 쌓이면 서 드넓은 평원을 이루게 되었고, 과거 호수였던 것을 기억하며 소금 호수라 고 부른다고 한다.
[생활과 과학] 해수의 밀도류
가운데 칸막이가 있는 수조를 이용하여 한쪽에는 농도가 큰 소금물을, 다른 쪽에는 농도가 작 은 소금물을 넣고 양쪽에 다른 색소를 넣어 물의 색을 서로 다르게 한다. 그런 다음 중앙의 칸 막이를 제거하면 양쪽의 물이 섞이는 과정에서 밀도가 큰 소금물은 아래로, 밀도가 작은 소금 물은 위로 흘러가는 것을 볼 수 있는데, 자연 상태에서 이렇게 밀도차에 의해 나타나는 해류를 밀도류라고 한다. 참고로 해수의 밀도를 결정하는 요인으로는 바닷물 속에 녹아 있는 염분(염 분은 바닷물 1㎏ 속에 녹아있는 염류들의 양을 의미한다.) 외에도 수온, 수압 등을 들 수 있으 며 이중 해수의 밀도에 가장 큰 영향을 주는 것이 수온이다.
이런 실험도 있어요.
♠ 진하기를 재는 기구 만들기
① 수수깡은 지름이 1cm 정도의 것이 알맞으며, 수수깡에 꽂는 압핀의 수는 용액에 담가보고 조절한다.
② 압핀이 꽂힌 쪽이 아래로 향하도록 용액에 담근다.
③ 기구를 시험관에 넣었을 때, 눈금의 차이가 없고 많이 떠오르면 압핀을 더 꽂는다
④ 기구의 아래쪽이 시험관 바닥에 닿으면, 꽂힌 압핀의 수를 적게 한다.
⑤ 압핀을 여러 개 꽂을 때는 수수깡의 아래 쪽 옆면에 균형을 이루도록 꽂는다.
심화활동 떠오르는 감자
감자는 보통 물에 넣으면 가라앉지 만 ,소금물에 넣으면 뜹니다. 감자와 같은 부피의 소금물의 무게가 감자 의 무게와 같던지 그보다
크면 감자가 뜹니다.
진한 소금물에서는 감자의 일부가 물 위로 나올 정도로 뜹니다.
심화활동 달걀 띄우기
① 비커에 물을 넣고 달걀을 넣어 봅시다. 어떻게 됩니까?
② 소금을 한 숟가락 넣고 살펴봅시다.
③ 소금을 점점 더 많이 넣으면서 어떻게 되는 지 살펴봅시다.
④ 왜 그런지 생각하여 봅시다.
- 30 -
실험 활동
용해 전과 후에 무게가 변할까?
용해 전과 후에 무게가 변할까?
4차시
예상하기: 설탕을 물에 넣고 완전히 용해시키면 무게는 어떻게 될까? 용해 전보다 가벼 울까? 무거울까? 같을까? 이에 대한 철수(왼쪽)와 영희(오른쪽)의 주장 중 어느 것에 동 의하는가? (철수, 영희)
- 31 - 1. 전자 저울의 영점을 조절한다.
2. 물이 반쯤 들어있는 100mL 비커와 설탕의 무게를 잰 다. 이때, 설탕의 무게는 약포지를 올려놓은 상태에서 전자저울의 영점을 조절한 후, 잰다. (단, 설탕은 10g 이하로 준비)
3. 물이 들어 있는 100mL 비커에 설탕을 모두 녹인 후, 무게를 잰다.
관찰하기: 설탕의 용해 전과 후의 무게를 측정해보자.
비커의 무게물이 든 설탕의 무게 용해 전 무게
(비커+설탕) 용해 후 무게
(비커+설탕) 변화 여부
설명하기: 예상한 현상과 관찰한 현상이 일치하는가? 이런 현상이 나타난 이유는 무엇인가?
- 32 -
활동 정답
예상하기: 영희
관찰하기: 용해되기 전의 설탕과 물의 무게의 합은 용해된 후의 설탕물의 무게와 같다.
설명하기: 설탕이 물에 용해되어도 없어지거나 새로 생기지 않으므로 무게는 변하지 않는다.
양팔 저울로 무게 측정할 경우
1. 바늘의 눈금이 0이 되도록 조정나사를 돌려 수평을 맞춘다.
2. 비커에 물을 반쯤 넣고, 약 포지에 설탕을 두 숟가락 덜 어 놓는다.
3. 물이 담긴 비커와 설탕을 덜어 놓은 약포지를 윗접시 저울의 왼쪽 접시에 올려놓고 무게를 잰다.
4. 약포지의 설탕을 비커에 넣고 녹인다.
5. 설탕물의 무게를 잰다.
- 33 -
개념 해설
용해 전후의 무게 예상하기
본 차시에서 학생들이 용해 전후의 무게를 예상해 보는 활동은 피아제의 인지 발달론과 관계하여 ‘질량 보존 개념’을 가지고 있는 지 여부와 관련이 있다. 대부분의 5학년 학생들은 구체적 조작기에 해당되므 로 용해 전후의 무게가 변함이 없다는 것을 알고 있을 것이다. 일부 학생의 경우 무게가 무거워 지거나 가벼워진다는 답을 할 수도 있다. 무게가 가벼워진다는 학생에게 그 이유를 물어보았을 때, ‘설탕이 없 어졌기 때문’이라고 대답한다면 그 학생은 ‘질량 보존 개념’을 가지고 있지 않은 것이
다.
용질이 용해되면 용해 전과 용해 후에는 물리적 상태에 분명한 변화가 있다. 설탕을 물에 녹이면 설탕은 흔적도 없이 사라지고 물만 남아 있는 것처럼 보인다. 고체가 액 체에 녹을 때 고체가 눈에 보이지 않는다고 사라지는 것이 아니고 작은 알갱이로 나 뉘어져 액체 사이에 끼어 들어가기 때문에 눈에 보이지 않는 것이다.
※ 학생들이 가지고 있는 질량 보존 개념에 대한 응답 유형은 「참고 사항」의 ‘용액 과 용해에 대한 학생들의 오개념 유형’을 참고하시오.
용해 전후에 저울 눈금에 차이가 나는 경우
윗접시 저울을 이용하여 무게를 측정하면 용해 전후의 측정값에 차이가 나는 경우가 많다. 이럴 경우에 는 학생들이 무게를 제대로 측정하지 못한 것으로 설명하지 않도록 한다. 실제 과학자들도 정밀한 기기 를 이용하여 같은 실험을 하더라도 항상 동일한 값을 얻는 것은 아니다. 측정에는 여러 가지 요인에 의 한 오차가 있을 수 있다. 더구나 윗접시 저울과 같이 정밀도가 낮은 기기의 경우에는 오차가 더 커질 수 밖에 없다. 용해 전후에 측정값에 약간의 차이가 있는 경우에는 오차의 원인과 함께 과학자들도 항 상 동일한 측정값을 얻는 것이 아니라는 점을 설명하도록 한다.
질량과 무게의 차이는?
간단하게 정의를 내리자면, 질량은 물질이 가지고 잇는 고유한 양을 나타내고, 무게는 물체에 작용하는 중력의 크기를 나타낸다. 즉, 질량은 양을 뜻하고 무게는 힘의 크기를 뜻합니다. 질량의 단위는 g, kg 등 이 있으며, 무게의 단위는 힘의 단위인 N(뉴턴), g중, kg중 등이 있다.
어떤 물체의 질량은 우주 어디서 측정해도 변하지 않지만, 무게는 중력에 따라 달라질 수 있다. 어떤 물 체의 질량은 지구에서 측정하거나 달에서 측정하거나 동일하지만, 무게는 지구와 달의 중력 차이 때문 에 지구에서 6배 더 무겁게 측정된다.
윗접시저울과 분동을 이용해서 측정하는 것은 질량을 측정하는 것이며, 용수철 저울을 이용해서 측정하 는 것은 무게를 측정하는 것이다. 하지만 초등학교 교육과정에서는 이 둘을 구별하지 않고 사용한다.
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참고 자료
용액과 용해에 대한 학생들의 오개념 유형
용해
∙물질이 용해되면 상태 변화를 일으킨다.
∙포화 용액이라도 용질을 많이 넣으면 용액의 농도는 진해진다.
∙물에 소금을 녹이면 소금물의 아랫부분이 가장 짜다.
용해도
∙용매에 열을 가하면 포화 용액보다 더 많은 용질을 녹일 수 있다.
∙용해도는 용액 100g중에 최대로 녹을 수 있는 용질을 g으로 나타낸 것이다.
∙용해도는 온도에 따라 변하므로 물질의 특성이 될 수 없다.
∙기체의 용해도는 온도를 높이면 증가한다.
∙기체의 용해도는 압력을 높이면 감소한다.
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- 36 - 소금 용액과 설탕 용액
본 차시에서 실험한 설탕이 녹은 용액과 소금 용액은 둘다 무색투명해 보이지만, 성질이 다 르다. 소금은 양이온과 음이온이 결합한 이온성 화합물이기 때문에 물에 용해될 경우 나트륨 양이온과 염소 음이온으로 나누어지게 된다. 설탕은 분자성 화합물이므로 물에 용해될 경우 작 은 분자 상태로 쪼개진다. 즉 소금용액에서 용해된 입자는 이온이지만, 설탕 용액 속에 용해된 입자는 설탕 분자이다. 이온은 전하를 가진 입자이기때문에 소금 용액은 전기 전도성이 있지 만, 설탕 용액은 전기 전도성이 없다.
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실험 활동
용질이 녹는 빠르기에 영향을 주는 요인 용질이 녹는 빠르기에 영향을 주는 요인
5차시
백반이 녹는 빠르기에 영향을 주는 요인을 알아보기 위한 실험을 설계해봅시다.
자신의 가설 무엇이 필요할까?
같게 해야 할 조건 다르게 해야 할 조건
측정해야 할 것
실험 결과를 정리하고 내 가설과 비교해 봅시다.
물을 젓는 빠르기 백반이 녹는데 걸린 시간
가설과의 비교 실험을 통해 알 수 있는 점
- 38 - 물의 온도
백반이 녹는데 걸린 시간 가설과의 비교 실험을 통해 알 수 있는 점
알갱이의 크기 백반이 녹는데 걸린 시간
가설과의 비교 실험을 통해 알 수 있는 점
실험 결과를 바탕으로 백반이 녹는 빠르기에 영향을 주는 요인을 정리해 봅시다.
많은 양의 설탕을 빨리 물에 녹여서 진한 설탕물을 만드는 편리한 제품을 만들려면 어떻게 해야 할지 글과 그림으로 설명하여 봅시다.
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활동 정답
실험 설계
실험 결과 정리
백반이 녹는 빠르기에 영향을 주는 요인 물을 빨리 저을수록 가루가 빨리 녹는다.
물의 온도가 높을수록 가루가 빨리 녹는다.
알갱이가 작을수록 빨리 녹는다.
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개념 해설
저으면 가루 물질이 빨리 녹는 이유
온도가 높으면 가루 물질이 빨리 녹는 이유
- 43 - 가루 형태가 덩어리보다 빨리 녹는 이유
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참고 자료
[수업 도우미]
- 45 -
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- 47 - [생활과 과학] 여러분이라면 어떻게 했을까요?
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실험 활동
물의 양에 따른 녹는 용질의 양 물의 양에 따른 녹는 용질의 양
6차시
예상하기: 물의 양에 따라 녹는 탄산수소나트륨과 백반의 양을 예상해 봅시다.
관찰하기: 물의 양을 달리하였을 때 탄산수소나트륨과 백반이 녹는 양을 알아봅시다.
물의 양 탄산수소나트륨 백반
50mL 50mL 더 넣기50mL 더 넣기
설명하기: 이 실험을 통해 알 수 있는 사실을 설명해 봅시다.
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활동 정답
예상하기: 물의 양이 많을수록 백반이 많이 녹을 것 같습니다.
관찰하기
설명하기
ㆍ물의 양이 많을수록 가루 물질이 더 많이 녹는다.
ㆍ녹지 않고 남아 있는 가루 물질은 물을 더 넣어서 녹일 수 있다.
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참고 자료
[생활과 과학] 바닷물, 얼마나 짤까?
‘바닷물은 정말 짜다’고 생각하는 사람들이 많지만, 실제로 우리가 먹는 간장과 비교했을 때 그렇게 짠 것은 아니다. 보통 간장을 만들 때 물 1kg에 약 500g의 소금을 넣지만, 바닷물 1kg에는 염류(소금을 포함한)의 양은 겨우 5g정도이다. 바닷물이 짠 정도, 즉 바닷물의 농도를 나타내는 말을 염분이라고 한다. 염분을 나타내는 단위인 퍼밀(‰)로 나타내면 바닷물의 평균 농도는 35퍼밀이다. 바닷물의 염분은 지리적인 조건에 의해 바뀔 수 있다. 담수의 유입이 있는 곳은 염분이 낮으며, 증발량이 많고 담수의 유입이 없는 곳에서는 염분이 높다. 오른쪽 그림은 바닷물의 염분 분포를세계 지도에 나타낸 것이다.
[생활과 과학] 사해
세계에서 염분이 가장 높은 곳은 아라비아반도 서북쪽의 소금 호수인 사해이다. 이 지역은 건조 기후이기 때문에 유입수량과 거의 같은 양의 수분이 증발해 염분농도가 극히 높아 바다의 표면의 경우 2백퍼밀로 해수의 5배 정도이다. 따라서 하구 근처 외에는 생물의 거의 살지 않으며, 사해(Dead Sea)라는 말도 이 때문이다. 일반인들에게는 염분이 높아 가만히 있어도 사람이 물 위에 뜨는 것으로 유명하다. 그 외에도 물 속에는 인체에 유용한 광물이 있어 휴양지로도 인가가 높다.
- 51 - 이런 실험도 있어요.
보조 자료
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실험 활동
물의 온도에 따라 녹는 용질의 양 물의 온도에 따라 녹는 용질의 양
7-8차시
활동 `1
실험 계획하기: 물의 온도에 따라 백반이 녹는 양은 어떠할지 예상해 보고, 이를 알아보기 위한 실험 계획을 세워 봅시다.
예상
같게 해야 할 조건
다르게 해야 할 조건
측정해야 할 것
- 53 - 관찰하기
계획한 방법대로 실험을 하고 그 결과를 정리해 봅시다.
물의 온도 백반이 녹는 양
실험을 통해 알 수 있는 점
같은 방법으로 물의 온도에 따라 붕산이 녹는 양을 비교해 봅시다.
물의 온도 붕산이 녹는 양
실험을 통해 알 수 있는 점
설명하기: 이 실험을 통해서 알 수 있는 사실을 설명해 봅시다.
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어떻게 다 녹일 수 있을까?
활동 2
설탕물을 타오라는 할머니의 심부름을 받고, 철수는 주방에 가서 설탕물을 타기 시작했다. 그런데, 잘 저었는데도 설탕을 너무 많이 넣 어서 설탕이 모두 녹지 않고 가라앉았다. 철수는 어떻게 가라앉은 설 탕을 모두 녹일 수 있을까?
여러분이 철수라면 어떻게 했을까? 그 방법을 고안한 후, 비커와 설탕을 사용하여 가라앉은 설탕을 녹여보자.
방법 및 원리
녹이는 과정
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활동 정답
활동 1
실험 계획하기
예상 ㆍ물의 온도가 높을수록 많이 녹을 것 같습니다.
ㆍ물의 온도가 높으면 빨리 녹지만 녹는 양은 비슷할 것이다.
같게 해야 할 조건 백반 알갱이 크기, 물의 양, 물을 젓는 빠르기 다르게 해야 할 조건 물의 온도
측정해야 할 것 백반이 녹는 양 관찰하기
설명하기
물의 온도가 높아지면 녹는 물질의 양이 점점 많아진다.
반대로 물의 온도가 낮아지면 녹는 물질의 양이 줄어든다.
용질이 많이 녹은 따뜻한 용액을 차갑게 식히면 다시 용질이 생긴다.
활동 2
방법 1. 설탕물에 물을 더 넣는다.
방법 2. 설탕물의 온도를 높인다.
ㆍ 뜨거운 물에 담근다.
ㆍ 가열한다.
ㆍ 뜨거운 물을 넣는다.
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개념 해설
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용액의 상태
고체의 용해도 곡선 용해도
용해도란 어떤 온도에서 용매 100g에 최대로 녹을 수 있는 용 질의 g수를 말한다. 용해도는 물질의 종류에 따라 다르기 때문에 물질을 구별하는 특성이 된다. 하지만 같은 용질이라도 용매의 종 류가 다르면 용해도가 달라진다. 포화 용액이란 용매 100g에 용질 이 용해도만큼 녹아 있는 용액을 말한다. 불포화 용액은 일정한 온도에서 용매 100g에 용질이 용해도 보다 적게 녹아 있는 용액
을 말한다. 과포화 용액은 포화상태보다 더 많은 용질이 녹아 있는 경우로 용액을 흔들거나 유 리막대로 저으면 과잉으로 녹아 있던 용질이 석출된다.
고체의 용해도
고체의 용해도는 압력의 영향을 거의 받지 않고 온도가 상승 함에 따라 대부분 증가한다. 왜냐하면 보통 고체의 용해 반응은 흡열 반응이므로, 주변 온도를 높이면 르 샤를리에의 원리에 의 해 주변 온도를 낮추는 쪽, 즉 정반응(고체가 용해되는 반응)이 더 진행되기 때문이다. 입자적으로 설명하면, 온도가 높을수록 고체 분자의 운동이 활발해져 액체 분자의 운동과 비슷해지므 로 액체 분자와 잘 섞일 수 있기 때문이다. 또한, 온도가 높아 지면 액체의 운동은 더욱 활발해져 낮은 온도에서보다 더 큰 운동 에너지를 가진다. 이 때 고체를 넣으면 활발한 운동에너지 때문에 낮은 온도보다 액체 속에 더 많은 양의 고체가 골고루 잘 섞이게 된다. 따라서 포화용액을 냉각시키면 녹아있던 용질 을 고체 상태로 얻을 수 있다.
하지만, 모든 경우에 이러한 현상이 일어나는 것은 아니다. 위와 같은 경우는 녹는 과정에서 열이 필요한 물질에 해당되는데, 이를 흡열 반응이라고 한다. 어떤 물질은 녹는 과정에서 열을 내보내는 경우도 있는데, 이를 발열 반응이라고 한다. 이러한 흡열 반응과 발열 반응은 물질의 고유 성질이 다. 녹으면서 열을 내보내는 성질을 가진 수산화칼슘이나 수산화나트륨은 녹을 때 열이 발생하므
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로 주위에서 온도를 높여주면 오히려 녹지 않으려는 경향을 나타낸다. 따라서 온도가 높아질수록 용해도가 낮아지므로 이러한 물질들은 주위의 온도를 낮추어 주어야 잘 녹는다.
이상과 같이 고체 물질의 용해도는 온도에 따라 증가하는 경향을 보이지만, 예외적인 물질이 많기 때문에 함부로 일반화하지 않도록 주의해야 한다.
※ 르 샤틀리에의 원리
가역 반응이 평형 상태에 있을 때에는 농도, 온도, 압력 중 어느 하나를 변화시키면 반응은 그 변화를 감소시켜 주는 쪽으로 진행하여 새로운 평형 상태에 도달한다.
