불타는 얼음, 가스 하이드레이트

불타는 얼음,

가스 하이드레이트

^{전체 구성}

상황 제시 ▶ ^{창의적 설계} ▶ ^{감성적 체험}

불타는 얼음, 하이드레이트

가스 하이드레이트 안전하게 운반하려면?

1~2차시 3~4차시

STEAM 준거틀 구성계획(총괄계획표)

차시 주제 내용 교과목 STEAM 요소

1차시 2차시

불타는 얼음, 가스 하이드레이트

새로운 에너지인 가스 하이드레이트가 독도 해저에 엄청난 양이 매장되어있음을 알고 가스 하이드레이트의 성질과 특징에 대해 설명할 수 있다. 가스 하이드레이트를 구성하는 원소, 원자, 분자 에 대해 알고 정십이면체의 구조로 형성되어 있음을 설명할 수 있 다. 물질에는 세 가지 상태가 있음을 이해하고 가스 하이드레이트 의 고체, 액체, 기체 상태의 특징을 설명할 수 있다. 이와 함께 가 스 하이드레이트의 가치를 이해하고 독도의 중요성에 대해 인식 하게 한다.

과학 기술 수학

S,T,E,M

3차시 4차시

가스 하이드레이트,

안전하게 운반하려면?

우리나라에 수입되는 에너지원이 석탄, 석유, 천연가스이며 각각 의 특징을 조사하고 우리나라 에너지원의 수입률이 96.5%임을 설 명할 수 있다. 세 가지 상태의 연료들의 특징을 이해하고 가스 하 이드레이트의 성질을 파악하여 연료로서 특징과 장점을 설명할 수 있다. 고체와 기체의 성질을 가진 가스 하이드레이트의 성질을 고려하여 안전하게 운반하기 위한 방법을 고안하고 도구를 제작 할 수 있다. 더불어 우리나라 독도 해저에 매장되어 있는 가스 하 이드레이트가 과학적 측면에서의 독도의 중요성에 대해 주장할 수 있는 능력을 기를 수 있다.

과학 사회 역사 기술 국어

S,T,E,A

학교급별 차시구성: 중학교(자유학기제용)

프로그램명 불타는 얼음, 가스 하이드레이트 학교급

(자유학기제)

차시

교육목표

새로운 에너지인 가스 하이드레이트가 독도 해저에 엄청난 양이 매장되어있음을 알고 가스 하이드레이트의 성질 과 특징에 대해 설명할 수 있다. 물질에는 세 가지 상태가 있음을 이해하고 가스 하이드레이트의 고체, 액체, 기체 상태의 특징을 설명할 수 있다. 우리나라에 수입되는 에너지원이 석탄, 석유, 천연가스이며 각각의 특징을 조사하 고 우리나라 에너지원의 수입률이 96.5%임을 설명할 수 있다. 고체와 기체의 성질을 가진 가스 하이드레이트의 성 질을 고려하여 안전하게 운반하기 위한 방법을 고안하고 도구를 제작할 수 있다. 더불어 우리나라 독도 해저에 매 장되어 있는 가스 하이드레이트가 과학적 측면에서의 독도의 중요성에 대해 주장할 수 있는 능력을 기를 수 있다.

관련교과

2015 개정 교육과정

연계

과학

(내용요소) (4) 기체의 성질

(성취기준) [9과04-01] 기체의 확산과 증발 현상을 관찰하여 입자가 운동하고 있음을 알고, 이를 입자 모형으로 표현할 수 있다.

[9과04-02] 기체의 압력을 입자의 운동으로 설명할 수 있다.

[9과04-03] 기체의 압력과 부피의 관계를 입자 모형으로 해석하고, 이와 관련된 실생활의 예를 찾을 수 있다.

[9과04-04] 기체의 온도와 부피의 관계를 입자 모형으로 해석하고, 이와 관련된 실생활의 예를 찾을 수 있다.

(내용요소) (5) 물질의 상태 변화

(성취기준) [9과05-01] 물질의 세 가지 상태의 특징을 설명하고 이를 입자 모형으로 표현할 수 있다.

[9과05-02] 여러 가지 물질의 상태 변화를 관찰하고, 상태 변화 시 나타나는 현상을 입자 모형으로 설명할 수 있다.

[9과05-03] 상태 변화가 일어날 때의 온도 변화에 대한 자료를 해석하여 녹는점, 어는점, 끓는점을 찾을 수 있다.

[9과05-04] 상태 변화와 열에너지의 관계를 이해하고, 상태 변화 과정에서 출입하는 열에 너지가 생활에 이용되는 사례를 찾고 설명할 수 있다.

(내용요소) (8) 물질의 구성

(성취기준) [9과08-01] 모든 물질은 원소로 이루어져 있음을 이해하고 실험을 통해 원소의 종류를 구 별할 수 있다.

[9과08-03] 원자와 분자의 개념을 구별하고, 원소와 분자를 원소 기호로 나타낼 수 있다.

기술

(내용요소) (4) 기술 시스템

(성취기준) [9기가04-10] 수송 기술 시스템의 각 단계별 세부 요소를 이해하고 수송 기술의 특징과 발 달과정을 설명한다.

[9기가04-11] 수송 수단의 안전한 이용 방법을 알고, 사고 원인과 예방 및 대처 방법을 조사 하고 실천한다.

[9기가04-12] 수송 기술과 관련된 문제를 이해하고, 해결책을 창의적으로 탐색하고 실현하 며 평가한다.

[9기가04-13] 신·재생 에너지의 활용을 이해하고, 신·재생 에너지 개발의 중요성을 인식 하여, 효율적인 에너지 이용 방안을 제안한다.

[9기가04-14] 에너지와 관련된 문제를 이해하고 해결책을 창의적으로 탐색하고 실현하며

2015 개정 교육과정

연계

수학

(내용요소) (4) 기하

(성취기준) [9수04-01] 점, 선, 면, 각을 이해하고, 점, 직선, 평면의 위치 관계를 설명할 수 있다.

[9수04-07] 다면체의 성질을 이해한다.

사회

(내용요소) (6) 자원을 둘러싼 경쟁과 갈등

(성취기준) [9사(지리)06-01] 자원 분포의 편재성과 자원 소비량의 지역적 차이를 파악하고, 이로 인해 발생하는 국가 간 경쟁과 갈등을 조사한다.

[9사(지리)06-02] 자원이 풍부한 지역을 사례로 지원이 그 지역 주민의 삶에 미친 영향을 평가한다.

[9사(지리)06-03] 지속가능한 자원의 개발 사례를 조사하고, 그것의 긍정적·부정적 효과 를 평가한다.

(내용요소) (11) 세계 속의 우리나라

(성취기준) [9사(지리)11-01] 우리나라의 영역을 지도에서 파악하고, 영역으로서 독도가 가진 가치와 중 요성을 파악한다.

(내용요소) (12) 더불어 사는 세계

(성취기준) [9사(지리)12-01] 지도를 통해 지구 상의 다양한 지리적 문제를 확인하고, 그 현황과 원인을 조사한다.

역사

(내용요소) (9) 현대 세계의 전개

(성취기준) [9역09-05] 독도가 우리 영토인 근거를 정확하게 이해하고, 주변 국가와의 역사 갈등을 파 악하여 이를 해결할 수 있는 실천 방안을 모색한다.

국어

(내용요소) (1) 듣기·말하기

(성취기준) [9국01-01] 듣기·말하기는 의미 공유의 과정임을 이해하고 듣기·말하기 활동을 한다.

[9국01-08] 핵심 정보가 잘 드러나도록 내용을 구성하여 발표한다.

[9국01-09] 내용의 타당성을 판단하며 듣는다.

[9국01-11] 매체 자료의 효과를 판당하며 듣는다.

(내용요소) (2) 읽기

(성취기준) [9국02-01] 읽기는 글에 나타난 정보와 독자의 배경지식을 활용하여 문제를 해결하는 과정 임을 이해하고 글을 읽는다.

[9국02-03] 읽기 목적이나 글의 특성을 고려하여 글 내용을 요약한다.

(내용요소) (3) 쓰기

(성취기준) [9국03-01] 쓰기는 주제, 목적, 독자, 매체 등을 고려한 문제 해결 과정임을 이해하고 글을 쓴다.

[9국03-03] 관찰, 조사, 실험의 절차와 결과가 드러나게 글을 쓴다.

[9국03-04] 주장하는 내용에 맞게 타당한 근거를 들어 글을 쓴다.

[9국03-07] 생각이나 느낌, 경험을 드러내는 다양한 표현을 활용하여 글을 쓴다.

상황

제시 1차시

독도 해저는 거대 에너지원

- 우리나라 독도의 해저에 가스 하이드레이트가 매장되어 있고 가스 하이드레이 트의 성질과 특징에 대해 설명하기

- 가스 하이드레이트가 연료로 상용화되기 어려움을 인식하고 이를 해결하기 위 한 안전한 수송방안에 대해 생각하기

‘불타는 얼음’ 가스 하이드레이트

- 가스 하이드레이트의 생성과정, 생김새, 원리, 장점 및 단점 등을 요약·정리하기

가스 하이드레이트, 모형으로 만들어보자

- 가스 하이드레이트를 구슬-막대 모형으로 만들기

- 가스 하이드레이트를 구성하는 원소, 원자, 분자를 나열하고 가스 하이드레이트 의 구조가 정오각형이 12면으로 이루어진 정십이면체임을 설명하기

과학 기술 수학

S,T,E,M

창의적 설계

2차시

고체상태의 가스 하이드레이트, 무엇이 좋을까?

- 기체의 압력과 부피 관계를 가스 하이드레이트로 설명하기

고체상태의 연료를 만들어보자

- 액체상태의 연료인 메탄올을 이용하여 고체상태의 연료를 만들기

고체, 액체, 기체상태의 연료를 비교해보자

- 고체상태의 연료의 질량을 저울로 측정하고 액체상태의 연료와 기체상태의 연 료를 같은 양을 측정하기

- 동일한 질량의 세 가지 상태의 연료의 부피를 비교하고 고체, 액체, 기체의 상태 변화와 특징 설명하기

[추가활동] 급속 냉각시키는 액체질소에 이산화탄소가 들어있는 풍선을 넣으면 어떻게 될까?

- 이산화탄소(날숨)이 들어있는 풍선을 액체 질소에 넣어보게 하고 그 현상 관찰 하기

- 풍선의 부피가 작아짐을 확인하고 기체의 부피와 온도와의 관계 설명하기

3차시

우리나라 에너지 수입률 96.5%

- 우리나라가 수입하는 에너지인 석탄, 석유, 천연가스가 가스 하이드레이트와 무 엇이 다른지 궁금증을 유발하고 생각하기

우리나라에 수입되는 에너지원을 3가지 상태로 구분하여 조사해보자

격, 공해, 저장, 위험성에 대해 조사하기

- 세 가지 상태에 따른 특징을 구분하고 장·단점을 가스 하이드레이트와 관련지 어 비교하기

과학 사회 역사 기술 국어

S,T,E,A

감성적 체험 4차시

가스 하이드레이트를 안전하게 운반할 수 있는 방법은?

- 독도(섬)에서 포항(육지)까지 가스 하이드레이트를 안전하고 손실 없이 운반하는 도구와 방법에 대해 생각하기

- 4명씩 팀을 구성하여 가스 하이드레이트의 성질을 고려한 운반 도구와 방법에 대해 토의하고 안전성과 손실 여부를 고려하여 설계하기

- 교실 입구에서 출구까지로 정하고 안전하고 손실 없이 드라이아이스를 운반하 는 도구와 방법을 고안하고 활동하기

- 고안하고 제작한 가스 하이드레이트 운반 도구와 방법에 대한 특징 발표하기

가스 하이드레이트 연료화 기술 성공!

- 가스 하이드레이트 운반 도구인 KRSO 20피트 탱크컨테이너에 대한 영상을 시 청하기

- 영상을 시청하고 알게 된 점과 느낀 점 적어보기

수업주제 불타는 얼음, 가스 하이드레이트 학교급

차시

교육목표

새로운 에너지인 가스 하이드레이트가 독도 해저에 엄청난 양이 매장되어있음을 알고 가스 하이드레이트의 성질 과 특징에 대해 설명할 수 있다. 가스 하이드레이트를 구성하는 원소, 원자, 분자에 대해 알고 정십이면체의 구조 로 형성되어 있음을 설명할 수 있다. 물질에는 세 가지 상태가 있음을 이해하고 가스 하이드레이트의 고체, 액체, 기체 상태의 특징을 설명할 수 있다. 이와 함께 가스 하이드레이트의 가치를 알고 독도의 중요성에 대해 인식하 게 한다.

STEAM 요소

관련교과

2015 개정 교육과정

연계

과학

(내용요소) (4) 기체의 성질

(성취기준) [9과04-01] 기체의 확산과 증발 현상을 관찰하여 입자가 운동하고 있음을 알고, 이를 입자 모형으로 표현할 수 있다.

[9과04-02] 기체의 압력을 입자의 운동으로 설명할 수 있다.

[9과04-03] 기체의 압력과 부피의 관계를 입자 모형으로 해석하고, 이와 관련된 실생활의 예를 찾을 수 있다.

[9과04-04] 기체의 온도와 부피의 관계를 입자 모형으로 해석하고, 이와 관련된 실생활의 예를 찾을 수 있다.

(내용요소) (5) 물질의 상태 변화

(성취기준) [9과05-01] 물질의 세 가지 상태의 특징을 설명하고 이를 입자 모형으로 표현할 수 있다.

[9과05-02] 여러 가지 물질의 상태 변화를 관찰하고, 상태 변화 시 나타나는 현상을 입자 모형으로 설명할 수 있다.

[9과05-03] 상태 변화가 일어날 때의 온도 변화에 대한 자료를 해석하여 녹는점, 어는점, 끓는점을 찾을 수 있다.

[9과05-04] 상태 변화와 열에너지의 관계를 이해하고, 상태 변화 과정에서 출입하는 열에 너지가 생활에 이용되는 사례를 찾고 설명할 수 있다.

(내용요소) (8) 물질의 구성

(성취기준) [9과08-01] 모든 물질은 원소로 이루어져 있음을 이해하고 실험을 통해 원소의 종류를 구 별할 수 있다.

[9과08-03] 원자와 분자의 개념을 구별하고, 원소와 분자를 원소 기호로 나타낼 수 있다.

기술

(내용요소) (4) 기술 시스템

(성취기준) [9기가04-10] 수송 기술 시스템의 각 단계별 세부 요소를 이해하고 수송 기술의 특징과 발 달과정을 설명한다.

[9기가04-11] 수송 수단의 안전한 이용 방법을 알고, 사고 원인과 예방 및 대처 방법을 조 사하고 실천한다.

[9기가04-12] 수송 기술과 관련된 문제를 이해하고, 해결책을 창의적으로 탐색하고 실현하 며 평가한다.

[9기가04-13] 신·재생 에너지의 활용을 이해하고, 신·재생 에너지 개발의 중요성을 인식 하여, 효율적인 에너지 이용 방안을 제안한다.

[9기가04-14] 에너지와 관련된 문제를 이해하고 해결책을 창의적으로 탐색하고 실현하며 평가한다.

수학

(내용요소) (4) 기하

(성취기준) [9수04-01]점, 선, 면, 각을 이해하고, 점, 직선, 평면의 위치 관계를 설명할 수 있다.

[9수04-07]다면체의 성질을 이해한다.

준비물

가스 하이드레이트 모형 만들기 Kit (구슬, 연결봉)

고체 연료 만들기 Kit (비누베이스, 양초, 알코올, 종이, 솜뭉치, 나무막대, 은박 컵, 투명 컵, 칼, 가열장치, 비커, 소 화기 등)

세 가지 상태 연료 비교 활동 (고체 연료, 물, 이산화탄소, 풍선, 저울, 액체질소)

차시별 교수학습 지도안(1~2/4)

도입 10분

- 기사를 읽고 우리나라 독도의 해저에는 거대 에너지원인 가스 하이드레이트가 매장되어 있음을 안다.

- 가스 하이드레이트의 기본적인 성질과 특징에 대해 설명한다.

- 독도에 매장된 가스 하이드레이트가 연료로 상용화되기 어려움을 인식하게 하고 이를 해결하기 위한 안전한 수송방안에 대해 생각한다.

[참고] ‘독도의 탄생과 환경’ 동영상을 시청한다.

[참고①]

독도의 탄생과 환경 동영상

전개 35분

‘불타는 얼음’ 가스 하이드레이트

- 기사를 읽고 내용을 참고하여 우리나라 독도에 매장된 가스 하이드레이트에 대해서 정 리한다.

- 가스 하이드레이트의 생성과정, 생김새, 원리, 장점 및 단점 등을 찾아 활동지에 작성한 다.

[참고] ‘독도 해저 자원의 가치’ 동영상을 시청한다.

[참고] ‘가스 하이드레이트 채취와 문제점’ 동영상을 시청한다.

가스 하이드레이트, 모형으로 만들어보자

- 가스 하이드레이트를 구슬-막대 모형으로 만들어 본다.

- 가스 하이드레이트 모형을 통해 가스 하이드레이트를 구성하는 원소, 원자, 분자가 무엇 인지 알고 이를 설명한다.

- 가스 하이드레이트 모형을 통해 가스 하이드레이트의 구조가 정오각형이 12면으로 이루 어진 정십이면체임을 설명한다.

[참고②]

독도 해저 자원의 가치 동영상

[참고③]

가스 하이드레이트 채취와 문제점

동영상

40분

고체상태의 가스 하이드레이트, 무엇이 좋을까?

- 그림을 보고 가스 하이드레이트의 상태로 인해 부피가 감소됨을 설명한다.

- 기체의 압력과 부피 관계를 가스 하이드레이트로 설명한다.

고체상태의 연료를 만들어보자

- 액체상태의 연료인 메탄올을 이용하여 고체상태의 연료를 만들어본다.

- 화재나 화상이 발생하지 않도록 안전사고에 유의한다.

고체, 액체, 기체상태의 연료를 비교해보자

- 액체, 기체상태 연료의 경우 폭발의 위험이 있어 동일한 상태의 다른 물질로 대체하여 비교한다.

- 고체연료에 불이 붙어 화재나 화상이 입지 않도록 주의한다.

- 고체상태의 연료의 질량을 저울로 측정하고 액체상태의 연료를 대체한 물을 풍선에 같 은 양을 담는다. 기체상태의 연료를 대체한 이산화탄소(날숨)도 같은 방법으로 한다.

- 이산화탄소(날숨)의 경우 해당 질량을 채우지 못하더라도 부피가 눈에 띄게 차이가 날 경 우 마무리한다.

- 동일한 질량의 세 가지 상태의 물질의 부피를 비교하고 고체, 액체, 기체의 상태변화와 특징을 설명한다.

- 이산화탄소(날숨)의 경우 해당 질량을 채우지 못하더라도 부피가 눈에 띄게 차이가 날 경 우 마무리한다.

[추가활동] 급속 냉각시키는 액체질소에 이산화탄소가 들어있는 풍선을 넣으면 어떻게 될 까?

- 액체 질소에 대한 위험(화상)을 인지하고 안전을 유의하여 실험한다.

- 액체 질소는 매우 낮은 온도로 다른 물질을 급속 냉각시키게 한다는 사실을 설명한다.

- 이산화탄소(날숨)이 들어있는 풍선을 액체 질소에 넣어보게 하고 그 현상을 관찰한다.

- 풍선의 부피가 작아짐을 확인하고 기체의 부피와 온도와의 관계를 설명한다.

[참고④]

액체 질소 실험 동영상

- 가스 하이드레이트가 우리나라 독도 해저에 매장되어 있음을 설명하게 한다.

구분 명칭 형식 사이트 주소

참고① 독도의 탄생과 환경 동영상 https://www.youtube.com/watch?v=su7ZLm03oZA 참고② 독도 해저 자원의 가치 동영상 https://www.youtube.com/watch?v=5ohHlbuqDRo 참고③ 가스 하이드레이트 채취와 문제점 동영상 https://www.youtube.com/watch?v=Ow8aTCaglcc 참고④ 액체 질소 실험 동영상 https://www.youtube.com/watch?v=r8Cl7ndMpHo

명칭 형태 출처 정보

불타는 얼음 메탄

하이드레이트 사진/기사 http://www.dongascience.com/news.php?idx=8560 메탄 하이드레이트가 가득

묻혀 있는 독도 부근 사진

http://dokdo.mofa.go.kr/kor/pds/gallery_list06.jsp?pagenumber=2&sn=1&st=&sn02=&s t02=&sn03=&st03=A&sc=&sdate=&edate=&orderby=&sort=&status=&at=view&idx=12 89&category=kr

불타는 얼음, 가스

하이드레이트 사진 http://www.dongascience.com/special.php?idx=679 독도에 매장된 가스

하이드레이트 사진 http://www.donga.com/news/d_story/culture/dokdo/html/dokdo_know04.html 가스 하이드레이트

캐내는 법 사진/기사 http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=2842440&cid=47309&categoryId=47309

가스 하이드레이트

만들어보자 사진/내용

http://sciencedoc.tistory.com/entry/%ED%99%94%ED%95%99%EC%8B%A4%ED

%97%98-%EB%AF%B8%EB%9E%98%EC%9D%98-%EC%B2%AD%EC%A0%95-

%EC%97%90%EB%84%88%EC%A7%80-%EB%A9%94%ED%83%84%ED%95%98%EC

%9D%B4%EB%93%9C%EB%A0%88%EC%9D%B4%ED%8A%B8-%EB%B6%84%EC%9 E%90%EB%AA%A8%ED%98%95

버뮤다 삼각지대의

미스터리 풀렸다 내용/사진 http://www.asiae.co.kr/news/view.htm?idxno=2010080914401198982 http://dl.dongascience.com/magazine/view/S200212N019

가스 하이드레이트의 구조 사진 http://blog.daum.net/obk2030/9321889

가스 하이드레이트의 장점 사진 https://petro.kmou.ac.kr/.fr.19796.0.project/project/2008/5/files/3.htm 액체질소 사진 http://study.zum.com/book/13218

원소, 원자, 분자 내용/사진

http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3344275&cid=47337&categoryId=47337&expC ategoryId=47337

http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=924234&cid=47337&categoryId=47337

입체도형, 정십이면체,

정다면체, 정오각형 내용/사진

http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=2039092&cid=47308&categoryId=47308 http://www.edunet.net/nedu/contsvc/subjectView.do?menu_id=3&contents_

id=e1a37e55-4da9-4270-86bd-8747bf1c284f&sub_clss_id=CLSS0000057761&svc_

clss_id=CLSS0000059598,CLSS0000059599&contents_openapi=naverdic 기체의 압력과 부피 관계 내용/사진 http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3379391&cid=47338&categoryId=47338 고체, 액체, 기체의

상태변화와 특징 내용/사진 http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3379395&cid=47338&categoryId=47338 기체의 부피와 온도와의

관계 내용/사진 http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3379392&cid=47338&categoryId=47338

참고자료

출 처

불타는 얼음,

가스 하이드레이트

학습 목표

가스 하이드레이트가 독도 해저에 매장되어 있음을 알고, 가스 하이드레이트의 성질과 특징에 대해 설 명할 수 있다.

구슬-막대 모형으로 가스 하이드레이트를 만들고 구성 원소, 원자, 분자와 정십이면체 구조로 형성되어 있음을 설명할 수 있다.

고체 연료를 만들고 연료의 세 가지 상태를 비교하여 고체, 액체, 기체의 상태변화와 특징을 설명할 수 있다.

경상북도 울릉군 독도 인근의 해저에서 불타는 얼음이라 불리는 가스 하이드레이트가 6억 톤 정도가 매장되어 있다. 가스 하이드 레이트는 빙하기 이후 해저 지역에서 높은 압력과 낮은 온도에서 형성된 메탄의 수화물(물이 다른 화합물에 결합되어 있는 화합물) 이다. ‘불타는 얼음’이라고도 불리는 가스 하이드레이트는 1mL 부피에 표준상태의 메탄 160mL 가 함유되는 만큼 에너지 밀도가 높 고, 이산화탄소 배출량도 적다.

불타는 얼음 가스 하이드레이트 가스 하이드레이트가 가득 묻혀 있는 독도 부근

하지만 매우 불안정해 반드시 고압, 저온 상태에서 채취해야 하는 까다로운 물질이다. 또 채취 과정에서 유출되기라도 하면 다량의 메탄 가스를 대기 중에 방출할 위험도 있다. 메탄 가스는 이산화탄소보다 온실가스 효과가 20배 이상 크다.

출처 : [동아사이언스] ‘불타는 얼음’메탄하이드레이트 비밀 찾았다

위의 기사에서와 같이 독도 해저에는 가스 하이드레이트라는 에너지원이 존재한다. 그러나 가스 하이드레이트를 상용화하는데에 는 어려움이 많다. 가스 하이드레이트를 에너지원으로 사용하기 위한 안전한 수송방안은 없을까? 가스 하이드레이트의 성질과 상 태를 배우고 이에 따른 첨단 과학 수송 기술을 생각해보자.

생각해보기 독도 해저는 거대 에너지원

보충자료

‘불타는 얼음’ 가스 하이드레이트

가스 하이드레이트는 바닷속 깊은 곳에 있는 ‘불타는 얼음’

이에요. 가스 하이드레이트는 바닷속 미생물이 썩어서 생긴 퇴적층에 메탄가스, 천연가스 등과 물이 높은 압력에 의해 얼어붙은 고체 연료라고 할 수 있어요. 다시 말하면 높은 압 력과 낮은 온도에서 만들어진 메탄의 가스 분자가 물 분자 속에 밀폐되어 있는 것이지요. 마치 아이스크림을 보관할 때 사용하는 드라이아이스와 비슷하게 보여요. 차이가 있다 면 드라이아이스는 불에 타지 않지만 가스 하이드레이트에 불을 붙이면 활활 타오른다는 거예요. 이것은 높은 압력과 낮은 기온 때문에 물 분자 안에 갇혀 있던 메탄가스가 나오 며 연소되는 현상이에요.

2007년 울릉도에서 채취한 가스 하이드레이트 대개 기체가 고체로 바뀌면 160~200배로 압축된다고 하니

가스 하이드레이트 1리터에는 최대 200리터의 가스가 들어 있는 셈이에요. 가스 하이드레이트 속에는 가스 체적의 170 배에 해당하는 메탄가스가 함유되어 있어요. 가스 하이드레 이트는 독도이외에도 미국 알래스카 주, 러시아의 시베리아, 극지방 등 추운 지역과 깊은 바닷속에 있어요. 이런 가스 하 이드레이트 전체의 양을 천연가스로 환산해 보면 현재 인류 가 사용하는 에너지를 기준으로 500년이나 사용할 수 있는 양이랍니다.

가스 하이드레이트는 매장량이 엄청나고 이산화탄소 발생 량도 적은 맑고 깨끗한 에너지예요. 하지만 고체에서 가스 를 분리하는 게 어렵기 때문에 실용화되기가 쉽지 않아요.

기술이 있더라도 비용이 많이 들지요. 게다가 메탄가스를 얻는 과정에서 자칫 메탄이 폭발한다면 심각한 환경오염을 일으키거나 생태계에 치명적인 위협이 될 수 있어요.

독도에 매장된 가스 하이드레이트 그렇다면 가스 하이드레이트를 어떻게 이용해야 좋을까요?

이에 대한 해법은 놀랍게도 이산화탄소에서 나왔어요. 메탄 가스와 분자 구조가 비슷한 이산화탄소를 가스 하이드레이 트 옆에 갖다 대면 얼음 속 메탄이 빠져나와 그 자리에 이 산화탄소가 대신 들어가는 원리를 이용하는 거예요. 온실가 스는 없애고 맑고 깨끗한 에너지를 얻는 획기적인 방법이지 요. 지금 당장은 동해의 가스 하이드레이트를 개발할 수는 없겠지만 우리나라 바다 밑에 미래의 에너지원이 그득하다 는 게 정말 든든하지요? 석유 한 방울 나지 않는 에너지 빈 곤에서 벗어나 국산 연료를 쓸 수 있을 테니까요.

가스 하이드레이트 캐내는 법 출처 : [네이버 지식백과] 메탄 하이드레이트 - 독도 해저는 거대 에너지원

가스 하이드레이트는 어떻게 만들어졌나요?

가스 하이드레이트는 바닷속 미생물이 썩어서 생긴 퇴적층에 메탄가스, 천연가스 등과 물이 높은 압력에 의 해 얼어붙은 고체 연료이다.

가스 하이드레이트의 생김새는 어떠한가요?

아이스크림을 보관할 때 사용하는 드라이아이스와 비슷하게 생겼지만 드라이아이스는 불에 타지 않고 가스 하이드레이트에 불을 붙이면 활활 타오르는 차이가 있다.

가스 하이드레이트는 어떠한 원리로 불타나요?

불을 붙이면 높은 압력과 낮은 기온 때문에 물 분자 안에 갇혀 있던 메탄가스가 나오며 연소된다.

가스 하이드레이트에서 가스는 무엇인가요?

메탄가스와 천연가스

가스 하이드레이트의 장점은 무엇인가요?

기체가 고체로 바뀌면 160~200배로 압축되는 성질로 인해 가스 하이드레이트 1리터에는 최대 200리터의 가 스를 압축시킬 수 있다. 우리나라 독도에 많은 양이 매장되어 있다. 연소시 완전 연소되어 온실가스인 이산화 탄소의 발생을 줄일 수 있는 청정에너지이다.

가스 하이드레이트는 단점 및 위험은 무엇인가요?

고체에서 가스를 분리하는 게 어려워 비용이 많이 든다. 메탄가스를 얻는 과정에서 자칫 가스가 폭발한다면 심각한 환경오염을 일으키거나 생태계에 치명적인 위협이 될 수 있다.

가스 하이드레이트는 메탄 분자 1개와 물 분자 20개가 결합하여 안정적인 구조로 존재한다. 가스 하이드레이트를 구슬-막대 모형으로 만들어보자.

[준비물] 빨강구슬 20개, 흰색구슬 44개, 검정구슬 1개, 체결봉(중) 44개, 체결봉(단) 30개, 연결봉 4개

[단계1] 먼저 산소(빨강구슬) 하나에 수소(흰색구슬) 둘을 연결 하여 물 분자 모형 20개를 만든다.

[단계2] 하나의 메탄(흰색구슬4개+검정구슬1개)을 만들고, 절 구형 연결봉과 체결한다.

[단계3] 오각형이 되도록 물 분자를 연결하여 완성 한 후 맞은 편에 다시 만들어 대칭이 되도록 한다.(이때, 물 분자와 물 분 자 연결 시 그 사이의 수소 원자는 반드시 한 개씩만 연결되어 야 한다)

[단계4] 계속해서 오각형이 되도록 물 분자를 연결하여 3차원 입체 클라스레이트를 만든다.

[단계5] 완성된 3차원 물 분자에 메탄을 연결시킨다.(5홀이 있 는 빨강구슬(산소)를 적절한 자리로 이동시키면서 체결한다)

[단계6] 이제 최외각의 물 분자의 빨강구슬(산소)에 체결붕(중) 을 끼워 완성시킨다.

활동 2 가스 하이드레이트, 모형으로 만들어보자 지도자료

출처 : http://sciencedoc.tistory.com/entry/화학실험

원소

물을 분해하면 수소와 산소로 나누어지며, 수소와 산소는 더 이상 다른 물질로 분해되지 않는다. 이처럼 다른 물질로 분해되지 않는, 물질을 이루는 기본 성분을 원소라고 한다.

① 지금까지 알려진 원소의 종류는 약 110여 가지가 있다.

예) 수소, 산소, 탄소, 질소, 구리, 철, 은, 금, 알루미늄 등

② 금, 은, 구리 등과 같이 오래전부터 사용된 것도 있지만, 대부분의 원소는 지난 200여 년 동안 발견되었다.

③ 대부분의 원소는 자연에 존재하지만, 플루토늄, 아인슈타이늄 등의 20여 가지 원소는 인공적으로 만들어 졌다.

원소 기호

원소를 나타내는 기호를 원소 기호라고 한다. 현재 사용하는 원소 기호는 베르셀리우스가 제안하였다.

1) 원소 기호를 나타내는 방법

① 원소 이름의 첫 글자를 알파벳의 대문자로 나타낸다.

② 첫 글자가 같을 때는 중간 글자를 택하여 첫 글자 다음에 소문자로 나타낸다.

2) 여러 가지 원소의 원소 기호

3) 원소 기호의 변천

중세의 연금술사는 그림으로 나타내었고, 돌턴은 원과 기호를 사용하였으며, 베르셀리우스는 알파벳을 사용하였다.

원소

원자

분자

지도자료 지도자료

원소 원자 분자

4) 원소 이름의 유래

① 오래전부터 알려진 원소: 라틴어나 그리스 어로 된 원소 이름을 이용하여 나타낸다. 예) 철, 금, 구리

② 최근에 알려진 원소: 영어나 독일어로 된 원소 이름을 이용하여 나타낸다.

여러 가지 원소의 성질과 이용

1) 수소(H)

① 가장 가벼운 기체

② 우주 왕복선의 연료, 미래의 청정 연료로 이용

2) 헬륨(He)

① 공기보다 가볍고 불에 타지 않는다.

② 비행선, 풍선 속 기체로 이용

3) 염소(Cl)

① 살균 작용을 한다.

② 표백제, 살균제 또는 수돗물 소독에 이용

4) 탄소(C)

① 숯, 다이아몬드 등의 성분

② 연필심이나 건전지의 전극으로 이용

5) 수은(Hg)

① 상온(일상적인 온도로, 보통 15~25℃)에서 유일하게 액체인 금속

② 체온계에 이용

6) 구리(Cu)

① 전기가 잘 통하는 금속

② 전선을 만들 때 이용

7) 규소(Si)

① 특정 물질을 첨가하면 반도체의 성질이 나타난다.

② 반도체 회로에 이용

원소 원자 분자

8) 알루미늄(Al)

① 가벼운 금속

② 비행기 동체, 일회용 용기, 알루미늄 포일에 이용

9) 질소(N)

① 다른 물질과 잘 반응하지 않는다.

② 과자 봉지나 분유통 속 기체로 이용

10) 금(Au)

① 광택이 있고, 전기를 잘 통한다.

② 귀금속, 전자 회로에 이용

[네이버 지식백과] 원소 (비상학습백과 중학교 과학 ②, 비상교육)

원자

물질을 구성하는 기본 입자를 원자라고 한다.

1) 원자의 구조

원자의 중심에 (+)전하(물체가 띠고 있는 전기의 성질이나 양)를 띠는 원자핵이 있고, 그 주위를 (-)전하를 띠 는 전자가 움직이고 있다.

① 원자핵

• (+)전하를 띤다.

• 원자의 중심에 위치한다.

• 양성자와 중성자로 이루어진다.

- 양성자 : (+)전하를 띤다.

- 중성자 : 전하를 띠지 않는다.

• 원자 질량의 대부분을 차지한다.

② 전자

• (-)전하를 띤다.

• 원자핵 주위를 움직이고 있다.

지도자료 지도자료

원소 원자 분자

2) 원자의 특징

① 원자핵의 (+)전하량과 전자의 총 (-)전하량이 같기 때문에 원자는 전기적으로 중성이다.

→ (+)전하를 띠는 양성자 수와 (-)전하를 띠는 전자 수가 같다.

② 원자의 종류에 따라 원자핵의 전하량과 전자의 수가 다르다.

③ 원자는 지름이 10-10m 정도로 매우 작아서 눈에 보이지 않는다.

④ 원자핵과 전자의 크기는 원자에 비해 매우 작다. → 원자의 내부는 대부분 빈 공간이다.

⑤ 원자핵은 전자에 비해 질량이 매우 크다. → 원자 질량의 대부분을 차지한다.

※ 원소와 원자의 구분

원소는 물질의 기본 성분이고, 원자는 물질을 구성하 는 기본 입자이다.

• 과일의 종류 : 사과, 배, 귤 → 원소의 개념

• 과일의 개수 : 사과 3개, 배 2개, 귤 4개 → 원자의 개념

[네이버 지식백과] 원자 (비상학습백과 중학교 과학 ②, 비상교육)

원소 원자 분자

입체도형 정십이면체 정다면체 정오각형

분자

물질의 고유한 성질을 가지는 가장 작은 입자를 분자라고 하며, 분자가 모여 물질을 이룬다. 분자의 크기는 너무 작아서 전자현미경을 이용해도 보기 어렵다. 지구를 탁구공 크기로 줄이는 것이 탁구공을 분자 크기로 줄이는 것과 같다. 이렇게 작기 때문에 분자와 분자 사이의 간격이 떨어져 있는 기체는 맨눈으로 관찰할 수 없으며 액체와 고체처럼 가깝게 붙어 있어야 관찰할 수 있다.

[네이버 지식백과] 분자 [分子, molecule] (Basic 중학생을 위한 과학 용어사전, 2007. 2. 7., (주)신원문화사)

정오각형과 정육각형으로 이루어진 축구공은 정이십면체를 잘라 만든 입체도형이에요. 정이십면체는 정삼 각형 20개를 붙여서 만들어요. 정다면체 중에서 가장 구에 가까운 모양을 하고 있지요. 정이십면체의 각 꼭 짓점에는 5개의 정삼각형이 모여요.

정삼각형이 모인 꼭짓점은 뾰족한 모양이에요. 이 뾰족한 부분을 자르면 공 모양에 더욱 가까워져요. 이때 꼭짓점에서 모서리의 1/3이 되는 곳을 자르면 정오각형 모양의 단면이 생겨요. 정이십면체의 모든 꼭짓점을 같은 방법으로 자르면 정이십면체의 각 면은 정육각형이 되어요. 정오각형과 정육각형의 넓이를 비교하면 정육각형이 더 커요. 그렇지만 그 차이는 다른 도형들과 비교하면 작아요. 정오각형과 정육각형을 이어 만든 공은 어느 부분을 발로 차더라도 차이가 없게 됩니다.

[네이버 지식백과] 입체 도형 - 축구공을 만드는 도형 원리 (재미있는 수학 이야기, 2007. 4. 27., 가나출판사)

지도자료

입체도형의 성질

1. 다면체

ㆍ다각형인 면으로만 둘러싸인 입체도형

2. 정다면체

ㆍ모든 면이 합동인 정다각형이고, 각 꼭짓점에 모인 면의 개수가 모두 같은 다면체 ㆍ정사면체, 정육면체, 정팔면체, 정십이면체, 정이십면체의 다섯 종류임

[에듀넷T-Clear] 평면도형과 입체도형 – 평면도형의 성질

입체도형

정십이면체

정다면체

정오각형

50척 이상의 선박과 20대 이상의 항공기가 기이하게 흔적도 없이 사라진 북대서양 ‘버뮤다 삼각지대’의 미스터리가 과학적으로 풀 렸다. 호주 멜버른 소재 모내시 대학의 조세프 모니건 교수가 이끄는 연구진이 ‘미국물리학저널’ 최근호에서 발표한 논문에 따르면 버뮤다 삼각지대의 선박·항공기 실종 원인은 외계인의 소행이나 시간편차가 아닌 메탄 가스로 인한 자연현상 때문이라는 것. 해 저에서 형성된 거대한 메탄 거품이 선박이나 항공기 실종의 주범이라는 뜻이다.

사실 버뮤다 삼각지대 및 유럽 대륙과 영국 사이의 북해 해저를 조사해본 결과 엄청난 양의 메탄 가스가 고압 상태에서 얼음 형 태로 존재한다는 사실이 밝혀진 바 있다. 일대에는 분화구 흔적도 있다. 그렇다면 해저의 갈라진 틈 사이에서 대형 메탄 거품이 발생한다고 가정해보자. 이렇게 발생한 메탄은 해저에서 올라오면서 상하좌우로 팽창하는 대형 거품을 형성한다. 어마어마한 메 탄 거품은 수면에 이르러 공기 중으로 올라오면서도 여전히 상하좌우로 팽창한다. 이때 거품 안으로 선박이 진입하면 갑자기 부 력을 잃고 침몰하게 된다. 항공기의 경우 메탄으로 엔진에 불이 나면서 추락한다는 게 연구진의 설명이다. 이런 현상은 순식간에 일어난다고.

버뮤다 삼각지대는 미국 남부 해안~버뮤다~대(大) 앤틸리스 제도를 잇는 형태의 수역이다. 버뮤다 삼각지대에서 일어난 의문의 사건들에 대한 보고는 19세기 중엽까지 거슬러 올라간다. 몇 척의 배가 뚜렷한 이유 없이 완전히 버려진 채 발견되고 일부 선박은 조난 신고도 없이 영원히 사라졌다. 항공기는 조난 신고 직후 사라졌으며 구조대도 해당 지역을 비행하다 사라졌다. 그러나 잔해는 발견되지 않았다.

고체상태의 가스 하이드레이트, 무엇이 좋을까? 지도자료

가스 하이드레이트의 생성과정과 구조로 인해 기체상태의 200리터의 메탄가스를 1리터로 압축시켜 부피를 감소시킬 수 있다. 실험 을 통해 고체상태의 연료를 만들어보고 같은 양의 고체, 액체, 기체의 부피를 비교해보자.

가스 하이드레이트의 구조

가스 하이드레이트의 장점

출처 : https://petro.kmou.ac.kr/.fr.19796.0.project/project/2008/5/

files/3.htm

1. 압력과 기체의 부피 사이의 관계

온도가 일정할 때 압력이 증가하면 기체의 부피는 감소하고, 압력이 감소하면 기체의 부피는 증가한다.

2. 압력에 따른 기체의 부피와 분자 운동의 변화

온도가 일정할 때 실린더 위에 추를 더 올려 압력을 증가시키면 기체의 부피가 감소하여 기체 분자들이 용 기 벽에 충돌하는 횟수가 많아지므로 기체의 압력이 증가한다.

① 해석

추의 개수 증가 → 기체의 부피 감소 → 기체 분자의 충돌 횟수 증가 → 기체의 압력 증가

② 정리

• 증가하는 것: 분자의 충돌 횟수, 기체의 압력

• 변하지 않는 것: 온도, 분자의 운동 속도, 분자의 개수, 분자의 크기, 분자의 질량

• 감소하는 것: 분자 사이의 거리, 기체의 부피

3. 보일 법칙

온도가 일정할 때 일정량의 기체의 부피(V)는 압력(P)에 반비례한다는 법칙 → 온도가 일정할 때 압력과 기 체의 부피의 곱은 일정하다.

기체의 압력과

부피 관계

지도자료 지도자료

기체의 압력과 부피 관계

1) 압력 증가에 따른 기체의 부피 변화와 보일 법칙

① (가) → (나): 기체에 가해지는 압력이 2배가 되면 기체의 부피는 1/2로 감소한다.

② (가) → (나): 기체에 가해지는 압력이 4배가 되면 기체의 부피는 1/4로 감소한다.

③ (가), (나), (다)에서 압력과 부피를 곱한 값은 모두 같다.

→ P × 4V= 2P × 2V = 4P × V

기체의 부피는 압력에 반비례한다

2) 보일 법칙과 관련된 현상

① 주사기의 피스톤을 누르면 주사기 속 공기의 부피가 줄어든다.

주사기의 피스톤을 누름(압력 증가) → 주사기 속 공기의 부피 감소 → 기체 분자들의 충돌 횟수 증가 → 주 사기 속 공기의 압력 증가

② 감압 용기에 과자봉지를 넣고 공기를 빼면 과자봉지가 부풀어 오른다.

감압 용기 속의 공기를 뽑아내면 감압 용기 속 기체 분자의 수가 줄어들어 용기 속의 압력이 작아진다. 따 라서 과자봉지 속 기체의 부피가 증가하여 과자봉지가 팽팽해진다.

③ 높은 곳에 올라가면 귀가 먹먹해진다.

→ 높은 곳에 올라가면 기압이 낮아져 고막 안쪽 공기의 부피가 증가하여 고막을 누르기 때문

④ 높은 산에 올라가면 과자봉지가 부풀어 오른다.

→ 높은 산에 올라가면 기압이 낮아져 과자봉지 속 기체의 부피가 증가하여 과자봉지가 부풀어 오르기 때 문

⑤ 고무풍선이 하늘 높이 올라갈수록 점점 커지다가 결국 터진다.

→ 하늘 높이 올라갈수록 기압이 낮아져 풍선 속 기체의 부피가 증가하여 풍선이 부풀어 오르기 때문

⑥ 물속에서 잠수부가 내뿜은 공기 방울은 수면에 가까워질수록 크기가 점점 커진다.

→ 수면에 가까워질수록 수압(물이 누르는 힘)이 작아져 공기의 부피가 증가하기 때문

⑦ 밑창에 공기 주머니가 들어 있는 운동화를 신고 뛰면 공기 주머니의 부피가 줄어들면서 충격을 흡수한 다.

→ 착지할 때 생기는 압력에 의해 공기 주머니의 부피가 줄어들면서 충격을 흡수하기 때문

[네이버 지식백과] 압력에 따른 기체의 부피 변화 (비상학습백과 중학교 과학 ①, 비상교육)

액체상태의 연료인 메탄올을 이용하여 고체상태의 연료로 만들어보자.

[준비물]

<연료 제작 준비물 예시> 은박 컵, 투명 컵, 칼, 가열장치, 비커, 소화기

[단계1] 비누베이스를 자른다. 작을수록 빨리 녹으니 가능하다 면 잘게 자른다.

[단계2] 잘게 자른 비누베이스를 컵에 넣고 알코올을 비누베이 스가 잠길 정도로 부어준다.

[단계3] 비누베이스와 알코올이 담긴 컵을 뜨거운 물이 담긴 큰 컵에 넣고 중탕하며 천천히 저어준다.

[단계4] 은박 컵에 있는 유산지를 뺀 뒤 컵 두 개를 겹친다.

[단계5] 완전히 녹은 비누베이스를 컵에 붓고 굳힌다. [단계6] 비누가 완전히 굳으면 표면에 불을 붙여 본다. 어두운 곳에서 보면 더 잘 보인다.

활동 3 고체상태의 연료를 만들어보자

출처 : http://www.scimall.co.kr/prod/view?sn=58712

만든 고체상태의 연료의 질량을 측정하고 같은 질량의 액체, 기체상태의 물질을 용기에 담아 부피를 비교해보자.

(※액체와 기체상태의 연료의 경우 화재 및 폭발의 위험이 있어 물과 이산화탄소로 대체한다)

[준비물]

[단계1] 만든 고체 연료를 저울에 올려놓고 질량을 측정한다.

[단계2] 측정한 질량만큼 물을 풍선에 채운다.

[단계3] 측정한 질량만큼 이산화탄소(날숨)을 풍선에 채운다 (※풍선이 견디지 못할 땐 가장 크게 불어 질량을 측정하고 풍 선의 개수를 어림한다).

[단계4] 동일한 질량의 세 가지 상태의 부피를 비교해본다.

동일한 질량의 고체연료, 물, 이산화탄소의 부피를 큰 순서대로 쓰고 그 이유를 적어보자.

이산화탄소 >> 물 > 고체연료

같은 질량이라 할지라도 이산화탄소는 기체 상태로 높은 온도에 영향을 받아 분자간의 거리가 멀어 부피가 크며 액체, 고체 상태로 갈수록 낮은 온도에 영향을 받아 분자간의 거리가 짧아져 부피가 작아진다.

지도자료 지도자료

고체, 액체, 기체의 상태변화와

특징

물질의 상태 변화

우리 주변에 있는 대부분의 물질은 고체, 액체, 기체의 상태로 존재한다. 물질은 한 가지 상태로만 존재하 는 것이 아니라 다른 상태로 변할 수 있으며, 물질 자체는 변하지 않고 물질의 상태가 변하는 것을 물질의 상태 변화라고 한다.

상태 변화의 원인

물질의 상태는 온도와 압력에 따라 변하는데, 주로 온도에 의해 변한다.

① 물질을 가열하면: 고체 → 액체 → 기체, 혹은 고체 → 기체로 상태가 변한다.

② 물질을 냉각하면: 기체 → 액체 → 고체, 혹은 기체 → 기체로 상태가 변한다.

상태 변화의 종류와 예

1) 물질을 가열할 때 일어나는 상태 변화

① 융해: 고체에서 액체로 변하는 현상

• 아이스크림이 녹아서 흘러내린다.

• 용광로에서 철을 녹인다.

• 얼음이 녹아서 물이 된다.

• 초콜릿이 녹아서 손에 묻는다.

• 처마 밑에 매달린 고드름이 녹는다.

• 겨울에 얼었던 강물이 봄이 되면 녹는다.

• 버터를 뜨거운 프라이팬 위에 올려놓으면 녹는다.

② 기화: 액체에서 기체로 변하는 현상

• 젖은 빨래가 마른다.

• 물이 끓어 수증기가 된다.

• 도화지에 그린 물감이 마른다.

• 찌개를 계속 끓이면 국물이 줄어든다.

• 어항 속 물이 증발하여 점점 줄어든다.

• 젖은 머리카락을 헤어드라이어로 말린다.

• 피부에 알코올을 묻힌 솜을 문지르면 알코올이 증발한다.

③ 승화(고체 → 기체): 고체에서 기체로 변하는 현상

• 드라이아이스(기체 이산화 탄소를 냉각하고 압축하여 만든 고체 이산화 탄소)의 크기가 점점 작아진다.

• 추운 겨울철 언 빨래가 마른다.

• 냉동실 안 얼음의 크기가 작아진다.

• 옷장 속 나프탈렌(좀약)이 작아진다.

• 겨울철 영하의 온도에서 언 명태가 마른다.

• 영하의 날씨에도 그늘진 곳에 쌓여 있는 눈의 양이 줄어든다.

※ 승화성 물질 : 상온(25℃)에서 쉽게 승화하는 물질 예) 드라이아이스, 나프탈렌(좀약), 아이오딘 등

2) 물질을 냉각할 때 일어나는 상태 변화

① 응고: 액체에서 고체로 변하는 현상

• 겨울철 처마 끝에 고드름이 매달린다.

• 녹은 버터가 굳는다.

• 냉동실에 넣은 물이 언다.

• 흘러내리던 촛농이 굳는다.

• 고깃국을 식히면 기름이 굳는다.

• 마그마가 굳어서 화성암이 된다.

• 녹인 금을 틀에 부어 반지를 만든다.

• 겨울철 빨랫줄에 널어놓은 빨래가 언다.

② 액화: 기체에서 액체로 변하는 현상

• 이른 새벽 풀잎에 이슬이 맺힌다.

• 이른 새벽 호수 주변에 안개가 생긴다.

• 얼음물이 들어 있는 컵 표면에 물방울이 맺힌다.

• 목욕탕의 거울에 김이 서리고 천장에 물방울이 맺힌다.

• 추운 곳에서 따뜻한 실내로 들어설 때나 라면을 먹을 때 안경에 김이 서린다.

③ 승화(기체 → 고체): 기체에서 고체로 변하는 현상

• 겨울철 산꼭대기에서 공기 중 수증기가 나뭇가지에 얼어붙어 상고대(나무나 풀에 내려 눈처럼 된 서리) 가 생긴다.• 늦가을 새벽 나뭇잎에 서리(수증기가 얼어 붙은 것)가 내린다.

• 냉동실 벽면이나 추운 겨울철 유리창에 성에(수증기가 얼어 붙은 것)가 생긴다.

• 구름 속 수증기가 얼어 눈 결정이 된다.

지도자료

[준비물]

(※학생들에게 액체질소의 위험성을 알려주고 액체질소를 만질 때에는 특수장갑을 착용한다)

어떠한 현상이 나타나는지 적어보자.

갈라지는 소리와 함께 풍선의 오그라들어 부피가 줄어들었다.

급속 냉각시키는 액체질소에 이산화탄소가 들어있는 풍선을 넣으면 어떻게 될까? 활동

출처 : zum 학습백과

기체의 부피와 온도와의 관계

1. 온도와 기체의 부피 사이의 관계

압력이 일정할 때 온도가 높아지면 기체의 부피가 증가하고, 온도가 낮아지면 기체의 부피가 감소한다.

2. 온도에 따른 기체의 부피와 분자 운동의 변화

압력이 일정할 때 온도가 높아져 기체의 분자 운동 속도가 빨라지면 기체 분자가 용기 벽에 충돌하는 횟수 가 많아지므로 기체의 부피가 증가한다.

① 해석

온도 상승 → 기체 분자의 운동 속도 증가 → 기체 분자의 충돌 횟수 증가 → 기체의 부피 증가

② 정리

• 증가하는 것: 온도, 분자의 운동 속도, 분자 사이의 거리, 기체의 부피

• 변하지 않는 것: 분자의 개수, 분자의 크기, 분자의 질량

3. 샤를 법칙

압력이 일정할 때 일정량의 기체의 부피는 온도가 1℃ 높아질 때마다 0℃ 때 부피의 1/273 씩 증가한다는 법칙

※ 샤를 법칙은 기체의 종류에 관계없이 모든 기체 물질에 적용된다.

지도자료 지도자료

1) 온도에 따른 기체의 부피 변화와 샤를 법칙

온도가 높아지면 기체의 부피는 일정한 비율로 증가한다.

→ 기체의 종류에 관계없이 그래프의 모양이 같다.

2) 샤를 법칙과 관련된 현상

① 찌그러진 탁구공을 뜨거운 물에 넣으면 탁구공이 다시 펴진다.

② 피펫의 위쪽 입구를 엄지손가락으로 막고 중간을 다른 손으로 감싸면 끝에 남은 용액이 빠져나온다.

→ 체온에 의해 온도가 높아져 피펫 속 공기의 부피가 증가한다.

③ 찻물의 온도를 맞추는 인형(오줌싸개 인형)의 머리에 뜨거운 찻물을 부으면 인형에서 물이 나온다.[뜨 거운 물에 담겨 있던 인형을 찬물에 담그면 인형 속으로 물이 들어간다. → 인형 속 공기의 부피가 감소 하기 때문, 찬물에서 꺼낸 인형에 뜨거운 물을 부으면 인형에서 물이 나온다. → 인형 속 공기의 부피가 증가하여 물이 밀려 나오기 때문]

④ 열기구 속의 공기를 가열하면 열기구가 떠오른다.

→ 공기를 가열하면 부피가 증가하면서 주위 공기보다 상대적으로 가벼워지기 때문

⑤ 여름에는 겨울보다 자동차 타이어에 공기를 적게 넣는다.

→ 여름에는 타이어 속 공기의 부피가 증가하여 타이어가 터질 위험이 있기 때문

⑥ 물이 조금 들어 있는 페트병의 마개를 막아 냉장고 속에 넣어두면 페트병이 찌그러진다.

→ 페트병 속 공기가 냉각되어 부피가 감소하기 때문

⑦ 두 개의 컵이 포개져서 잘 빠지지 않을 때 아래쪽 컵의 밑부분을 따뜻한 물에 넣어두면 쉽게 빠진다.

→ 컵 사이에 있는 공기의 부피가 증가하여 컵을 밀어내기 때문

출처 : [네이버 지식백과] 온도에 따른 기체의 부피 변화 (비상학습백과 중학교 과학 ①, 비상교육)

차시별 교수학습 지도안(3~4/4)

수업주제 가스 하이드레이트, 안전하게 운반하려면? 학교급

차시

교육목표

우리나라에 수입되는 에너지원이 석탄, 석유, 천연가스이며 각각의 특징을 조사하고 우리나라 에너지원의 수입 률이 96.5%임을 설명할 수 있다. 세 가지 상태의 연료들의 특징을 이해하고 가스 하이드레이트의 성질을 파악하 여 연료로서 특징과 장점을 설명할 수 있다. 고체와 기체의 성질을 가진 가스 하이드레이트의 성질을 고려하여 안전하게 운반하기 위한 방법을 고안하고 도구를 제작할 수 있다. 더불어 우리나라 독도 해저에 매장되어 있는 가스 하이드레이트가 과학적 측면에서의 독도의 중요성에 대해 주장할 수 있는 능력을 기를 수 있다.

STEAM 요소

관련교과

2015 개정 교육과정

연계

과학

(내용요소) (4) 기체의 성질

(성취기준) [9과04-01] 기체의 확산과 증발 현상을 관찰하여 입자가 운동하고 있음을 알고, 이를 입자 모형으로 표현할 수 있다.

[9과04-02] 기체의 압력을 입자의 운동으로 설명할 수 있다.

[9과04-03] 기체의 압력과 부피의 관계를 입자 모형으로 해석하고, 이와 관련된 실생활의 예를 찾을 수 있다.

[9과04-04] 기체의 온도와 부피의 관계를 입자 모형으로 해석하고, 이와 관련된 실생활의 예를 찾을 수 있다.

(내용요소) (5) 물질의 상태 변화

(성취기준) [9과05-01] 물질의 세 가지 상태의 특징을 설명하고 이를 입자 모형으로 표현할 수 있다.

[9과05-02] 여러 가지 물질의 상태 변화를 관찰하고, 상태 변화 시 나타나는 현상을 입자 모형으로 설명할 수 있다.

[9과05-03] 상태 변화가 일어날 때의 온도 변화에 대한 자료를 해석하여 녹는점, 어는점, 끓는점을 찾을 수 있다.

[9과05-04] 상태 변화와 열에너지의 관계를 이해하고, 상태 변화 과정에서 출입하는 열에 너지가 생활에 이용되는 사례를 찾고 설명할 수 있다.

(내용요소) (8) 물질의 구성

(성취기준) [9과08-01] 모든 물질은 원소로 이루어져 있음을 이해하고 실험을 통해 원소의 종류를 구 별할 수 있다.

[9과08-03] 원자와 분자의 개념을 구별하고, 원소와 분자를 원소 기호로 나타낼 수 있다.

사회

(내용요소) (6) 자원을 둘러싼 경쟁과 갈등

(성취기준) [9사(지리)06-01] 자원 분포의 편재성과 자원 소비량의 지역적 차이를 파악하고, 이로 인해 발생하는 국가 간 경쟁과 갈등을 조사한다.

[9사(지리)06-02] 자원이 풍부한 지역을 사례로 지원이 그 지역 주민의 삶에 미친 영향을 평가한다.

[9사(지리)06-03] 지속가능한 자원의 개발 사례를 조사하고, 그것의 긍정적·부정적 효과 를 평가한다.

(내용요소) (11) 세계 속의 우리나라

(성취기준) [9사(지리)11-01] 우리나라의 영역을 지도에서 파악하고, 영역으로서 독도가 가진 가치와 중 요성을 파악한다.

(내용요소) (12) 더불어 사는 세계

(성취기준) [9사(지리)12-01] 지도를 통해 지구 상의 다양한 지리적 문제를 확인하고, 그 현황과 원인을 조사한다.

2015 개정 교육과정

연계

역사

(내용요소) (9) 현대 세계의 전개

(성취기준) [9역09-05] 독도가 우리 영토인 근거를 정확하게 이해하고, 주변 국가와의 역사 갈등을 파 악하여 이를 해결할 수 있는 실천 방안을 모색한다.

기술

(내용요소) (4) 기술 시스템

(성취기준) [9기가04-10] 수송 기술 시스템의 각 단계별 세부 요소를 이해하고 수송 기술의 특징과 발 달과정을 설명한다.

[9기가04-11] 수송 수단의 안전한 이용 방법을 알고, 사고 원인과 예방 및 대처 방법을 조 사하고 실천한다.

[9기가04-12] 수송 기술과 관련된 문제를 이해하고, 해결책을 창의적으로 탐색하고 실현하 며 평가한다.

[9기가04-13] 신·재생 에너지의 활용을 이해하고, 신·재생 에너지 개발의 중요성을 인식 하여, 효율적인 에너지 이용 방안을 제안한다.

[9기가04-14] 에너지와 관련된 문제를 이해하고 해결책을 창의적으로 탐색하고 실현하며 평가한다.

국어

(내용요소) (1) 듣기·말하기

(성취기준) [9국01-01] 듣기·말하기는 의미 공유의 과정임을 이해하고 듣기·말하기 활동을 한다.

[9국01-08] 핵심 정보가 잘 드러나도록 내용을 구성하여 발표한다.

[9국01-09] 내용의 타당성을 판단하며 듣는다.

[9국01-11] 매체 자료의 효과를 판당하며 듣는다.

(내용요소) (2) 읽기

(성취기준) [9국02-01] 읽기는 글에 나타난 정보와 독자의 배경지식을 활용하여 문제를 해결하는 과정 임을 이해하고 글을 읽는다.

[9국02-03] 읽기 목적이나 글의 특성을 고려하여 글 내용을 요약한다.

(내용요소) (3) 쓰기

(성취기준) [9국03-01] 쓰기는 주제, 목적, 독자, 매체 등을 고려한 문제 해결 과정임을 이해하고 글을 쓴다.

[9국03-03] 관찰, 조사, 실험의 절차와 결과가 드러나게 글을 쓴다.

[9국03-04] 주장하는 내용에 맞게 타당한 근거를 들어 글을 쓴다.

[9국03-07] 생각이나 느낌, 경험을 드러내는 다양한 표현을 활용하여 글을 쓴다.

준비물

흐름 시간 교수-학생 활동 비고

도입 5분

우리나라 에너지 수입률 96.5%

- 기사를 읽고 우리나라가 에너지 수입에 많이 의존함을 안다.

- 기사를 읽고 화석연료의 사용량이 부족하며 환경 오염을 일으킬 수 있음을 안다.

- 우리나라가 수입하는 에너지인 석탄, 석유, 천연가스가 가스 하이드레이트와 무엇이 다른 지 궁금증을 유발하고 생각한다.

전개 35분

우리나라에 수입되는 에너지원을 3가지 상태로 구분하여 조사해보자

- 우리나라에 수입되는 고체, 액체, 기체 연료의 종류를 조사하고 각각의 연소, 가격, 공해, 저장, 위험성에 대해 조사하고 정리한다.

- 세 가지 상태에 따른 특징을 구분하고 장·단점을 설명한다.

- 가스 하이드레이트의 특징을 조사한 세 가지 상태의 연료의 장점이 있음을 설명한다.

[참고] ‘석탄, 석유, 천연가스’ 동영상을 시청한다.

[참고①]

석탄, 석유, 천연가스

동영상

45분

가스 하이드레이트를 안전하게 운반할 수 있는 방법은?

- 보충자료를 보고 독도와 독도 해저에 매장된 가스 하이드레이트의 위치를 숙지한다.

- 독도(섬)에서 포항(육지)까지 가스 하이드레이트를 안전하고 손실 없이 운반하는 도구와 방법에 대해 생각한다.

- 가스 하이드레이트는 폭발의 위험이 있어 동일한 상태의 다른 물질인 드라이아이스로 대 체하여 비교한다.

- 드라이아이스에 대한 위험(화상)을 인지하고 안전을 유의하여 실험한다.

- 드라이아이스가 고체 상태임을 알고 상온에서 기체로 상태 변화(승화) 함을 관찰한다.

- 가스 하이드레이트와 드라이아이스가 상태 변화하여 상온에서 기체가 되며 이를 고려한 운반도구를 제작하도록 한다.

- 독도(섬)에서 포항(육지)까지의 거리를 교실 입구에서 출구까지로 정하고 안전하고 손실 없이 드라이아이스를 운반하는 도구와 방법을 고안한다.

- 4명씩 팀을 구성하여 가스 하이드레이트 운반 도구와 방법에 대해 토의하고 안전성과 손 실 여부를 고려하여 설계한다.

- 운반 도구 제작을 위한 다양한 재료를 준비하여 창의적인 운반 도구를 제작할 수 있도록 제공한다.

- 제작한 운반 도구를 활용하여 드라이아이스를 팀별로 운반하고 안전성과 손실이 적은 팀 을 평가한다.

- 고안하고 제작한 가스 하이드레이트 운반 도구와 방법에 대한 특징을 요약·정리하여 발 표한다.

가스 하이드레이트 연료화 기술 성공!

- 가스 하이드레이트 운반 도구인 KRSO 20피트 탱크컨테이너에 대한 영상을 시청한다.

- 영상을 시청하고 알게 된 점과 느낀 점을 적어본다.

[참고] ‘KRSO 20피트 탱크컨테이너’ 동영상을 시청한다.

[참고②]

KRSO 20피트 탱크컨테이너

동영상

정리 5분

- 우리나라에 수입되는 에너지원이 석탄, 석유, 천연가스이며 각각의 특징과 함께 수입률이 96.5%임을 설명하게 한다.

- 가스 하이드레이트를 안전하게 운반하기 위한 방법을 설명하게 한다.

- 우리나라 독도 해저에 매장되어 있는 가스 하이드레이트가 과학적 측면에서의 독도의 중 요성에 대해 주장할 수 있다.

참고자료

출 처

구분 명칭 형식 사이트 주소

참고① 석탄, 석유,

천연가스 동영상

http://tvcast.naver.com/v/298295

http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=2450646&cid=51648&categoryId=51648 http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=2450647&cid=51648&categoryId=51648

참고② KRSO 20피트

탱크컨터이너 동영상 https://www.youtube.com/watch?v=Tp-sSwR6dYw

명칭 형태 출처 정보

우리나라 에너지 자원 사진/내용 http://blog.naver.com/yourloveryoo/90162715637

가스 하이드레이트 닮은

아이스크림! 내용/사진

http://dl.dongascience.com/magazine/view/C201316N001 http://mdl.dongascience.com/magazine/view/S201108N040

http://news.donga.com/3/all/20110722/38987675/1#csidxa6b370b7ff2f12fb477d990 078cc4b6

KRISO 20피트 탱크컨테이너 기반 천연가스 하이드레이트 운송 및 연료화 기술 개발

동영상 https://www.youtube.com/watch?v=Tp-sSwR6dYw

독도와 가스 하이드레이트 위치 내용/사진 http://www.intodokdo.go.kr/Island/page.htm?mnu_siteid=dokdo&mnu_uid=218 독도에서 바라본 울릉도

울릉도에서 바라본 독도 사진 http://www.uiim.org/Education/6575 독도의 지형과 보유자원 사진 http://blog.daum.net/yongha36/5574063 가스 하이드레이트 부존 확인

지역 사진 http://news.mk.co.kr/newsReadPrint.php?year=2008&no=487651 고체(석탄), 액체(석유),

기체(천연가스)상태의 연료 운반

내용/사진

http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1062424&cid=40942&categoryId=32397 http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1123730&cid=40942&categoryId=32397 http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1071534&cid=40942&categoryId=32394

출 처

생각해보기 우리나라 에너지 수입률 96.5%

프로그램 내용

가스 하이드레이트, 안전하게 운반하려면?

학습 목표

우리나라에 수입되는 에너지원이 석탄, 석유, 천연가스이며 각각의 특징과 함께 수입률이 96.5%임을 설 명하게 한다.

가스 하이드레이트를 안전하게 운반하기 위한 방법을 설명하게 한다.

우리나라 독도 해저에 매장되어 있는 가스 하이드레이트가 과학적 측면에서의 독도의 중요성에 대해 주 장할 수 있다.

우리나라는 석유와 석탄 같은 화석 연료와 도시가스를 많이 사용합니다. 그런데 화석 연료는 쓰면 쓸수록 줄어듭니다. 또 연료를 태울 때 나오는 나쁜 물질 때문에 환경을 오염시킬 수 있습니다.

또한, 우리나라는 석유는 거의 생산되지 않으며 유일하게 생산되고 있는 석탄마저도 30년 정도 사용할 양 밖에 남지 않았다고 합 니다.

그래서 이러한 석탄의 한해 수입량은 약 99,400천톤에 이른다고 합니다. 에너지 자원의 대부분이 해외에서 수입되고 있으며, 현재 우리나라 에너지 해외 의존도는 약 96.5%로 매우 높습니다.

가스 하이드레이트는 석탄, 석유, 천연가스와 어떠한 차이가 있나요?

가스 하이드레이트는 기체인 메탄 가스가 고체인 얼음 속에 들어가 있는 형태로 기체 상태이면서 고체 상태 로 운반이 가능하다. 따라서 고체 연료인 석탄의 장점인 저장이 용이하여 수송 효율이 높고 기체 연료인 천연 가스의 장점인 회분이나 매연이 거의 없어 환경 오염의 위험이 낮다.

출처 : http://blog.naver.com/yourloveryoo/90162715637

우리나라에 수입되는 에너지원을 상온에서의 형태와 성질에 따라 고체, 액체, 기체 3가지로 구분하여 조사해보자

출처 : 산업통상자원부

<고체 연료>

출처 : http://www.elhorizonte.mx

<액체 연료>

출처 : CamGas

<기체 연료>

[종류]

- 식물 등이 변질 된 것(목재, 석탄)으로 서 생성 그대로 사용하는 것과 이들을 가공한 것(목탄, 연탄 등)

[종류]

- 액체연료의 주된 것은 석유류. 석유류 는 천연적으로 존재하고, 지하로부터 퍼 올린 것을 원유라고 부름

[종류]

- 천연가스(도시가스), 액화석유가스 (LPG) 외 매립가스(LFG)

[연소]

- 연소효율이 낮고, 완전연소 어려움(연 소용 공기가 다량필요)

- 점화, 소화 및 연소(부하)조절이 곤란 하며, 순간적으로 고온을 얻기 어려움

[연소]

- 발열량이 높고, 연소효율이 높음 - 점화, 소화 및 연소조절이 용이

[연소]

- 연소효율이 높아 적절한 공기로 완전 연소 가능

- 점화, 소화 및 연소조절이 용이

[가격]

- 국내 매장량이 풍부하여 가격이 저렴

[가격]

- 국내 자원이 없고 수입에만 의존하여 가격이 약간 높음

[가격]

- 시설비가 많이 들며 고급연료로 다른 연료보다 가격이 높음

[공해]

- 매연발생이 심하며 회분이 많음

[공해]

- 매연발생은 심하나 회분이 거의 없음

[공해]

- 회분이나 매연 등이 없어 청정자원이 라고 불림

[저장]

- 고체의 특성상 다른 연료에 비해 저장 이 용이

-에너지 밀도가 높아 수송효율이 높음

[저장]

- 저장, 운반, 계량이 용이

[저장]

- 기체의 특성상 저장조건이 간단치 않 음

- 에너지 밀도가 낮아 수송효율이 낮음

[위험성]

- 연소속도가 늦어 다른 연료보다 위험

[위험성]

- 화재, 역화(back fire)의 위험이 큼

[위험성]

- 압축상태로 저장하기 때문에 누출되