< 연구 결과 요약서 >

< 연구 결과 요약서 >

소속학교 명호고등학교 책임 지도교사 이○현 공동 지도교사 윤○철

참여학생 임○진, 최○연, 하○수, 김○환

과 제 명 혼합 용액 ICE-ART

연구 목표

① 혼합 용액 냉각 시 일어나는 용매 – 용질 분리 현상의 이론적 연구

② 여러 변인 조절과 혼합 용액의 분리 형태 사이의 관계 연구

③ 3D프린터 모델링을 활용한 혼합 용액의 분리 형태 다양화

연구 내용

1. 사전 자료 조사

각종 탐구 대회 기록, 논문, 관련 서적 등 여러 문헌을 통해 혼합 용액 냉각 시 용매와 용질이 서로 분리되는 현상의 이론적 원리를 탐구한다.

2. 변인 통제 실험

① 용질의 양 – 분리된 용질의 반지름 관계 확인

② 용질 종류 – 분리된 용질의 형태 관계 확인

③ 냉각 시간 – 혼합 용액의 분리 완성도 관계 확인

④ 용기 형태 – 분리된 용질의 형태 관계 확인

3. 결론 및 확장

사전 자료와 변인 통제 실험을 통해 직접 얻은 결론들을 바탕으로 혼합 용액의 분리 현상으로부터 이색적인 미적 가치를 찾아낸다.

연구 성과

1. 사전 조사 결과

① 2017 과학탐구대회 출품작

: 농도가 적당히 연할 때 현상이 잘 일어남, 농도는 어는 조건에 영향 Х.

② 얼음결정화 공정 논문

: 얼음을 급속 냉각시킬 때 순수한 물과 용질이 분리됨.

2. 실험 결과

① 용질의 양 ∝ 분리된 용질의 반지름 (단, 반지름의 한계점이 있음.)

② 용질 종류 : 용질에 따라 분리된 용질의 형태 또한 미세한 차이를 보임.

③ 용기 형태 : 용기 형태에 따라 분리된 용질의 형태 또한 달라짐.

3. 결론 및 확장

실험자 본인의 의도한 형태로 용질을 분리해내는 데 성공함.

주요어

(Key words) 용질, 용매, 용액, 농도, 냉각

< 연구 결과 보고서 >

Ⅰ. 개요

□ 연구 동기 및 배경

학교에서 주스를 시원하게 마시고 싶어 투명한 물통에 담아 얼리고 나서 다음 날 확인했더니 색소가 한 곳에 집중적으로 모여 있었다. 문득 이 현상을 잘 이용하여 얼음을 얼리면 우리의 전통 방식으로 물들인 천과 같은 문양이 나타나면서 하나의 이색적인 예술 작품이 되지 않을까 싶었다. 그래서 우리는 이번 연구를 통해 색소가

분리되는 원리와 물질의 열전도율을 이용해 혼합 용액을 다양한 형태로 분리함으로써 그를 직접 실현하고자 했다.

□ 연구 목적

혼합 용액을 냉각시키면 그 과정에서 용매와 용질이 분리되는 현상이 일어난다. 우리는 냉각 시간에 따라 혼합 용액이 얼마나 잘 분리되는지 살펴보고, 그 결과를 바탕으로 열전도율이 다른 보조 도구 등을 적절히 사용하면서 우리가 의도한 형태의 얼음을 만들어, 최종적으로 그것을 작품화하고자 했다.

□ 연구 범위 및 제한점

본 연구는 혼합 용액 냉각 시 용매와 용질이 서로 분리되어 각자 어는 현상의 원리와 용질의 분리 형태를 다양화하는 주요 원인을 연구 대상으로 하고 있다. 자료 조사 및 반복 실험을 주축으로 진행되며, 혼합 용액이 냉각되어 용매와 용질이 분리되는 과정과 그 원리를 분자 배열에 따른 물리적 상태 변화의 스케일(scale)에서만 분석한다는 제한점을 지니고 있다.

□ 연구 절차

① 관련 문헌을 통한 상세 자료 조사 ② 1차 실험 : 변인 통제 실험

⤷ 용질의 양, 용질 종류, 냉각 시간, 용기 형태와 혼합 용액의 분리에 따른 관계식 수립 ③ 2차 실험 : 결론 및 확장

⤷ 사전 조사 자료와 1차 실험 결과를 기반으로 다양한 방법과 도구를 폭넓게 활용하면서 분리된 용질이 실험자 본인의 의도한 형태를 가질 때까지 같은 실험을 반복한다.

Ⅱ. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ 선행 연구 분석

가. 얼음 결정화 공정에 의한 Red water의 분리 및 정제 [논문]

불순물이 첨가된 물을 얼렸을 때 구성 성분이 서로 분리되는 현상에 대해 연구한 논문이다.

얼음을 급속히 냉각시켰을 때 순수한 물과 용질이 서로 분리되므로 이 현상을 혼합 물질을 정제하는 또 다른 방법으로 제시하며 실용화 가능성을 언급했다.

나. 물속에서 잉크를 얼리면 나타나는 현상에 대한 탐구(제63회 전국과학전람회 출품작) 용질의 입자 크기와 용액의 냉각 속도를 조작 변인으로 하여 각각의 서로 다른 조건에서

혼합물의 분리가 어떤 식으로 달라지는지에 대해 탐구한 작품이다. 잉크(용질)가 모이는 현상은 농도가 적당히 연할 때 더욱 잘 나타나며, 혼합 용액의 농도가 달라지더라도 순수한 물의 어는점에는 전후 차이가 없으므로 결국 혼합 용액의 농도 차이가 용액의 냉각 조건에 직접 영향을 주지는 않는다고 정리했다.

○ 본 연구 주제와의 차별성

가. 용매와 용질이 냉각 분리될 때 변인간의 관계 함수를 도출한다.

본 연구는 용액을 냉각시킬 때 용질의 양, 용질 종류, 냉각 시간, 용기 형태를 변인으로 한다.

단순히 달라지는 정도를 대략적으로 파악할 뿐만 아니라, 각각의 상황에 따라 현저히 달라지는 용매-용질 분리 형태와 앞서 설정한 변인들과의 수학적 관계를 이해하고, 그 결과를 수학의 함수식으로 표현하는 것이 본 연구 주제의 목표이다.

나. 용매와 용질이 냉각 분리됨을 이용하여 미적 가치를 만들어낸다.

본 연구는 혼합 용액 냉각 시 분리된 용질이 다양한 형태를 가지도록 함으로써 이전에 없던 색다른 방식의 예술 작품을 선보이고자 한다. 간단한 구형에서 그치지 않고 별이나 눈사람 등 보다 복잡한 형태를 구현해내는 것까지가 본 연구 주제에 주어진 과제이다.

□ 연구 주제의 선정

연구 주제를 의논하던 중 한 팀원이 일상생활에서 자신이 우연히 발견한 이 현상을 말해 주어서 현상의 원리에 근본적인 의문이 생겼다. 혼합물에 의한 현상이니 당연히 화학 분야에 포함되지만 용매의 상태 변화, 즉 물리와도 어느 정도 연관성이 있다 생각해 교내 물리 선생님과 화학 선생님께 직접 자문을 구했다. 이후 조원 각자가 관련된 자료를 찾아보았고, 단순 조사로 끝내기보다는 무언가 또 다른 활용 방안을 찾고 싶어 최종적으로 이를 연구 주제로 선정하게 되었다.

□ 연구 활동 및 과정

○ 사전 활동 – 연구에 필요한 장치 제작

실험을 위해 대여한 아이스크림 냉동고의 경우 작동하는 동안 끊임없이 심한 진동이 발생했다.

이는 혼합 용액이 분리되고 얼음이 되는 과정에서 용액 속 분자운동에 영향을 미칠 수 있으므로, 우리는 냉동고의 외부 진동을 최소화하기 위한 장치를 설계했다.

① 냉동고의 전체 규격을 측정한 후 장치의 위쪽 지지대가 냉동고보다 조금 위에 설치되도록 적당한 크기로 나무판을 잘라 ⊓형태로 연결한다.

② 냉동고 입구를 비커가 들어갈 최소한으로 열어두고 그만큼의 빈 공간은 스티로폼을 잘라 딱 맞게 끼워 넣는다.

③ 바닥과 평행하게 두었을 때 냉동고 벽면에 닿지 않는 크기의 나무판을 마련해 네 모퉁이에 낚싯줄을 연결한 후 그것을 장치의 위쪽 지지대에 매단다.

만들어진 장치의 바닥판은 장치의 위쪽 지지대에 매달려 공중에 떠 있으므로 냉장고 내부의 그 어떤 벽면과도 접촉해 있지 않다. 냉동고와 직접 닿아 있는 스티로폼 판과도 닿아 있지 않으므로 냉동고이 진동을 최소화할 수 있다. 또한 빈 공간을 막은 스티로폼 판에는 낚싯줄이 닿지 않고 통과할 만큼의 작은 구멍만 존재하므로 냉동고 밖으로 빠져나가는 열 손실을 최소화할 수 있다.

○ 첫 번째 변인 통제 – 용질의 양

가설 : 용질의 양이 많아질수록 분리된 용질의 반지름의 길이도 길어질 것이다.

준비물 : 증류수, 잉크, 스포이드, 전자저울 etc.

① 증류수의 양은 100g으로 고정한다.

② 일정한 양의 증류수(용매)에 잉크(용질)의 양을 달리하여 넣는다.

③ 잉크를 완전히 확산시킨 후 냉동고에 4시간가량 얼린다.

실험 결과 : 용질의 양과 분리된 용질의 반지름 길이는 대체로 비례했다.

○ 두 번째 변인 통제 – 용질 종류

가설 : 염색약으로 기능할 수 있는 용액은 잉크를 대체할 용질로 사용 가능할 것이다.

준비물 : 증류수, 잉크, 스포이드, 메틸렌블루, 메틸렌오렌지, 스포이드, 전자저울 etc.

① 증류수의 양은 100g으로 고정한다.

② 잉크, 메틸렌블루, 메틸렌오렌지를 같은 양만큼 세 비커에 따로 넣는다.

③ 용매와 용질을 완전히 섞은 후 동시에 4시간씩 얼리기 시작한다.

실험 결과 : 잉크와 메틸렌블루는 용매와 용질이 서로 분리되었으나 메틸렌오렌지는 분리되지 않고 살얼음의 형태로 산산이 부서졌다. 잉크와 메틸렌블루 중에는 잉크의 경계선이 보다 깔끔했다.

○ 세 번째 변인 통제 – 냉각 시간

가설 : 냉각 속도가 빠를수록 분리를 관찰하기 힘들 것이다.

준비물 : 증류수, 잉크, 스포이드, 전자저울, 드라이아이스 etc.

① 같은 농도와 부피의 혼합 용액을 제조한다.

② 한 비커는 이전 실험과 동일한 냉동고에서 4시간가량, 다른

비커는 드라이아이스 조각이 가득 담긴 수조에서 2시간가량 냉각시킨다.

실험 결과 : 너무 급속도로 냉각되는 바람에 용매와 용질의 분리를 측정할 수 없었다.

○ 네 번째 변인 통제 – 용기 형태

가설 : 용기 형태에 따라 용질의 분리 형태도 다를 것이다.

준비물 : 증류수, 잉크, 스포이드, U자 시험관, 삼각 플라스크 etc.

① 같은 농도와 부피의 혼합 용액을 제조한다.

② 용액을 각각 서로 다른 형태의 용기에 넣은 후 동시에 4시간씩 얼리기 시작한다.

실험 결과 : 삼각 플라스크에서는 원뿔형을 띠는 반면, U자 시험관에서는 시험관 형태를 따라 U자형으로 휘어지고 있었다.

Ⅲ. 연구 결과 및 시사점

○ 혼합 용액 냉각 시 일어나는 용매 – 용질 분리 현상의 이론적 연구

➜ ➜

물 분자와 잉크 분자 서로 고루 섞임

비커 외부 표면부터 물이 냉각되어 물 분자가 육각형의

얼음구조 생성

육각구조에 잉크 분자가 포함되지 못하고 분리되어 중앙에 정렬됨

○ 변인 통제 실험 결과

① 용질의 양에 따라 분리된 용질의 반지름 또한 늘어났다. 이때 를 용질의 양, 를 분리된 용질의 지름이라 하면 와 는   ^의 관계식을 가지게 된다.

용질의 양 가 증가할 때 부피  

반지름  ^



의 관계식을 가지게 되므로 용기에 용질을 넣었을 때 용기에 가득 차는 용질의 양의 최댓값을 계산할 수 있다.

② 증류수 100ml 기준으로 했을 때, 냉각 시간이 3 ~ 4시간이면 가장 분리가 잘 되었다.

드라이아이스를 사용한 급속 냉동 실험의 경우 얼음이 깨지거나 금이 생겨 동일한 실험 결과를 관찰할 수 없었다.

<냉각 시간 4~8시간: 분리가 잘 안되어, 경계가 희미함>

<냉각 시간이 3시간인 경우, 분리가 잘되어 용질의 경계가 뚜렷함>

③ 용질의 분리 형태는 담긴 용기의 형태와 어느 정도 일치하는 경향이 있었다.

<U자형 실험관> <삼각플라스크>

○ 혼합 용액의 분리 형태 다양화

추가 실험으로 용질의 분리 형태를 다양하게 할 방법을 고안해보았다. 3D프린터 모델링 작품으로 용액이 담긴 비커의 특정 부분을 노출시키면 그 부분이 다른 부분보다 상대적으로 빨리 얼게 될 것이고, 결과적으로 그 부분이 움푹 들어가면서 용액의 분리 형태를 실험자 본인의 의도대로

산출해낼 수 있을 것이라 생각했다. (왼쪽) 3D 프린터 제작 용기 (오른쪽) 대조군

Ⅳ. 홍보 및 사후 활용

□ 사후 활용 방안

본 연구 결과를 응용해 새로운 예술 분야를 개척할 수 있다. 이전까지의 얼음 조각품은 모두 거대한 얼음 조각을 밖에서 한 땀 한 땀 깎아내어 모양을 만드는 것이었지만, 이 원리를 잘 활용하면 비교적 적은 시간을 들이고도 얼음 속에 다채로운 빛깔과 자연 상태의 분자가 만들어내는 형상을 강조함으로써 색채가 돋보이는 얼음 조각품들을 내보일 수 있다.

또한 본 연구는 물 분자가 냉각되어 육각의 결정 구조를 이루면서 나타나는 현상을 이용했으므로, 수업자료 등에서 물 분자의 구조를 설명하는 예시로써 사용될 수 있다.

Ⅴ. 참고문헌

① 조정현(2015), 얼음결정화 공정에 의한 red water의 분리 및 정제. 화학공학, 한밭대학교.

② Atkinsi.P(2017), (여기 채워 줘). 물리화학, 교보문고