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교육 과정

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Academic year: 2022

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(1)

교육 과정

⑸ 여러 가지 기체

㈎ 기체에 가한 힘과 기체 부피 사이의 관계를 정성적으로 설명할 수 있다.

㈏ 온도에 따른 기체의 부피 변화를 정성적으로 설명할 수 있다.

㈐ 산소와 이산화탄소를 만드는 방법과 각각의 성질을 안다.

㈑ 일상생활에서 기체가 이용되는 사례를 조사하고, 이를 기체의 성질과 관련지어 설명할 수 있다.

[탐구 활동]

㈎ 가한 힘에 따른 기체의 부피 변화 실험하기

㈏ 온도에 따른 기체의 부피 변화 실험하기

㈐ 산소와 이산화탄소를 발생시켜 성질 조사하기

단원의 개관

이 단원은 3학년 ‘액체와 기체의 부피’ 단원에서 학습한 기체에 대한 내용을 기초로 하며, 온도와 압력 에 따라 기체를 이루는 분자들의 움직임이 변화된다는 것을 학습한다. 이 단원에서 배우게 되는 기체의 부피가 온도와 압력에 의해 변화된다는 것은 7학년 ‘분자의 운동’의 기초가 된다.

이 단원의 주요 학습 내용은 우리 주변에는 여러 가지 기체가 존재하고, 이 기체가 가지고 있는 공통 된 성질을 이해하는 것이다. 또한, 산소와 이산화탄소 기체를 발생시켜 그 성질을 알아보게 하고, 여러 가지 기체가 각각의 기체 성질에 따라 일상생활에서 다양하게 이용되고 있음을 학습한다. 아울러 관찰, 추리, 예상, 변인 통제, 일반화, 결론도출, 의사소통 등의 탐구 능력 발달에 초점을 맞추어 지도한다.

단원 1차시에서는 간이 헬륨기구 만들기 활동과 진공장치 속에 초코파이를 넣어 압력을 변화시켰을 때 초코파이가 변화되는 활동을 통해 흥미를 유발시킨다. 2차시에서부터 8차시까지 이루어지는 학습단 계에서는 기체에 가해준 힘의 세기와 기체 부피 사이의 관계와 온도의 변화에 따라서 기체의 부피가 변 화됨을 알게 한다. 산소와 이산화탄소 발생 장치를 꾸며 각각의 기체를 발생시키며, 이때 기체를 발생시 키는 물질이 무엇인지 알게 한다. 그리고 각각의 기체가 가지고 있는 겉보기 성질과 다른 물질에 반응 하는 성질을 확인한다. 또한, 우리 주변에는 여러 가지 기체가 존재하고 있으며, 각각의 기체는 그 성질 에 따라 다양하게 쓰이고 있음을 확인하게 한다. 각 차시에 <창의 활동>이나 <더 탐구해 볼까요?>활동 을 제시하여 학생들의 사고를 확장시킨다. 9차시 과학 생각 모음에서는 여러 가지 기체 성질과 발생 그 리고 일상 생활에서의 쓰임새를 통해 알게된 개념들을 이용하여 창의적으로 표현할 수 있는 글쓰기 경 험을 제공한다. 그리고 낱말 퍼즐을 이용하여 학습한 개념을 정리할 수 있도록 한다. 10차시에서는 여러 가지 기체와 관련된 일을 하는 과학자들 중에서 지구 온난화 주범으로 알려진 이산화탄소를 줄이는 방 법을 연구하고 있는 대기과학자들의 생각을 참고하여 이산화탄소를 줄여보는 프로젝트를 계획하여 보는 활동을 하게 한다.

단원 개관

(2)

단원의 학습 계열

선수 학습 이 단원의 학습 후속 학습

“우리 생활과 물질(3-1)”

“액체와 기체의

부피(3-2)” “여러 가지 기체” “분자의 운동(7학년)”

․물체와 물질

․다양하게 쓰이는 물질

․물질의 상태

․액체의 부피 측정

․부피와 무게를 가지는 기체

․가한 힘에 따른 기체의 부피 변화

․온도에 따른 기체의 부피 변화

․산소와 이산화탄소를 발생시켜 성질 조사하기

․여러 가지 기체와 우리 생활과의 관계

․기체를 이루는 입자

․온도와 압력에 따른 분자의 운동

단원의 학습 목표

1. 기체에 가한 힘과 기체 부피 사이의 관계를 정성적으로 설명할 수 있다.

2. 온도 변화에 따른 기체의 부피 변화를 정성적으로 설명할 수 있다.

3. 산소와 이산화탄소를 만드는 방법과 각각의 성질을 알 수 있다.

4. 일상생활에서 기체가 이용되는 사례를 조사하고, 이를 기체의 성질과 관련지어 설명할 수 있다.

5. 힘을 가하기 전과 가한 후의 기체의 부피를 측정하여 비교할 수 있다.

6. 온도에 따라 기체의 부피가 변하는 현상을 실험할 수 있다.

7. 산소와 이산화탄소를 발생시키는 장치를 꾸며 기체를 발생시킬 수 있다.

8. 기체가 이용되는 사례를 다양한 방법으로 찾아 조사할 수 있다.

9. 이산화탄소 발생을 줄이려는 마음을 갖는다.

10. 우리 주변에서 사용하는 기체에 대해 관심을 갖는다.

11. 실험 시 발생하는 안전사고에 주의하는 태도를 갖는다.

준 비 물(1개반 기준): 교육 과정 (가), (나)

<전체 준비물>

액체질소 3L 홈런볼 2봉지 장미 1송이 바나나 1개 작은 못 1개

<조당 준비물>

주사기 1개 1.5L 페트병 1개 진공압축용기 1개 초코파이 1개 휴지 1개 종이컵 2개 목장갑 1개 풍선 2개 나무젓가락 3개 스포이트 1개 단열용기 1개 강철솜 조금 성냥 빈캔(깡통) 1개

(3)

준 비 물(모둠 기준): 교육 과정 (다), (라)

이산화망간 1g 과산화수소 50mL 삼각플라스크 2개 2구 고무마개 1개 깔때기 1개 일자 유리관 1개 ㄱ자 유리관 2개 고무관 50cm

스탠드 1개 링 1개 핀치클램프 1개 약숟가락 1개

유리판 3개 집기병 3개 알코올램프 1개 연소 숟가락 1개

250mL 비커 2-3개 수조 1개 스포이트 1개 나무젓가락 1개

휴지 철솜 조금 성냥 양초 1개

묽은 염산 석회석 30g 석회수(수산화칼슘 수용액)

단원지도계획

단계 차시 주제 학습 목표 교과서 쪽

(실험관찰 쪽) 지식 탐구 과정 는 과학재미있 1/10 재미있는 기체

놀이

ㆍ공중에 오랫동안 떠있는 헬륨 기구 만드는 방법을 생각할 수 있다.

ㆍ진공장치 속 초코파이의 모습 변화를 보고 그 까닭을 추리할 수 있다.

62

과학 실험방

2/10 기체의 압력과 부피

ㆍ공기와 물이 든 주사기 피스톤의 움직임 차이를 설명할 수 있다.

ㆍ기체에 가한 힘과 기체 부피 사이의 관계를 말할 수 있다.

64

(30) 기체

관찰 의사소통

추리 일반화 3/10 기체의 온도와

부피

ㆍ삼각 플라스크를 씌운 풍선의 모습이 변화되는 까닭을 말할 수 있다.

ㆍ온도의 변화에 따른 기체의 부피 변화를 설명할 수 있다.

66 (32)

예상 관찰 변인통제

추리 4,5/10

산소를 발생시켜 성질

알아보기

ㆍ산소 발생 장치를 꾸며 산소를 모을 수 있다.

ㆍ실험을 통해 산소의 성질을 설명할 수 있다.

68 (34)

산소 수상치환

관찰 추리 변인통제

일반화 6,7/10

이산화탄소를 발생시켜 성질

알아보기

ㆍ이산화탄소 발생 장치를 꾸며 이산화탄소를 모을 수 있다.

ㆍ실험을 통해 이산화탄소의 성질을 설명할 수 있다.

74 (36)

이산화탄 하방치환

관찰 추리 변인통제

일반화 8/10 우리 생활과

기체

ㆍ생활 속에서 이용되는 기체의 종류와 용도를 설명할 수 있다.

78 (38)

분류 추리 의사소통 과학생각

모음 9/10 정리 ㆍ기체의 부피 변화 원인과 결과를 설명할 수 있다.

80 (40)

나도

과학자 10/10 이산화탄소 양 줄이기

ㆍ지구온난화와 이산화탄소 관계를 설명할 수 있다.

ㆍ과학자가 되어 이산화탄소 양을 줄이는 방법을 말할 수 있다.

84

(4)

실험 활동

재미있는 기체 놀이 재미있는 기체 놀이 1차시

예상하기: 풍선을 약간 불어 진공압축용기 안에 넣은 후, 피스톤을 움직여 공기를 빼내면 풍선은 어떻게 될까? 또, 분자적 관점에서 그렇게 생각한 이유는?

예상 현상

분자적 관점에서의

이유

(5)

관찰하기: 직접 공기를 빼낸 후 일어나는 현상을 관찰하고 기록해보자.

설명하기: 예상한 현상과 관찰한 현상이 일치하는가? 분자적 관점에서 이런 현상이 나타난 이유는 무엇인가?

적용하기: 초코파이를 진공압축용기 안에 넣고 피스톤을 움직여 공기를 빼내보자. 초코파이는 어떻게 되는가? 또, 분자적 관점에서 그런 결과가 나타난 이유는 무엇인가?

관찰 현상

분자적 관점에서의

이유

(6)

활동 정답

예상하기: 학생들이 각자 나름대로 생각한 것들을 정리하여 활동지에 작성했는지 알아본다.

관찰하기: 풍선이 커진다.

설명하기: 공기를 빼면 풍선 외부에서 풍선에 가하는 압력이 줄어든다. 반면, 온도가 변하지 않았으므로, 풍선 내부 기체의 압력은 변하지 않는다. 따라서 상대적으로 기체 내부의 압력이 커지므로, 기체 내부와 외부의 압력 차이로 인해 풍선이 커진다.

적용하기: 초코파이에 있는 머시멜로는 고체 분산매에 기체 분산질이 분산되어 있는 콜로이드 상태이다. 따라서 공기를 빼내어 외부 압력을 낮추면 상대적으로 머시멜로 안의 기체 압력이 커져 초코파이는 커진다.

(7)

참고 실험 기구

기체의 압력과 부피 기체의 압력과 부피 2차시

관찰하기:

1. 공기와 물이 든 주사기의 피스톤을 눌렀을 때의 현상을 관찰하고 기록해보자.

공기가 든 주사기

물이 든 주사기

(8)

2. 페트병에 물이 거의 다 차도록 부은 다음, 페트병을 힘껏 눌렀을 때와 다시 떼었을 때의 공기 방울의 크기 변화를 관찰하고 기록해보자.

설명하기: 이 실험들로 알 수 있는 사실은 무엇인가? 분자적 관점에서 그 이유는 무엇인가?

적용하기

1 페트병 안쪽 윗 부분에 끼어있는 풍선을 아래오 내려오게 하려면 어떻게 해야 될까요?

(9)

2

<준비물>

1. 물고기 모양의 튜브에 물을 절반 정도 채웁니다.

2. 물고기 입 둘레에 고무 찰흙을 붙입니다. (구멍은 막지 않음.)

3. 페트병에 물을 가득 채웁니다.

4. 물고기를 페트병에 넣고, 페트병의 뚜껑을 꼭 닫습니다.

5. 페트병을 손으로 눌러봅니다.

페트병을 손으로 누르면 물고기는 어떻게 될까요? 그 이유는 무엇인가요?

관찰 현상

그 이유

(10)

활동 정답

관찰하기 1. 주사기 상황:

공기가 든 주사기 공기의 부피가 줄어든다.

물이 든 주사기 물의 부피가 거의 변하지 않는다.

2. 페트병 상황: 페트병을 누르면 공기의 크기가 줄어들고, 다시 떼면 공기의 크기가 원래대로 커진다.

설명하기

알 수 있는 사실: 기체(혹은 공기)에 힘을 가하면 부피가 줄어든다.

그 이유: 기체는 모든 방향으로 끊임없이 운동하는데, 이때 용기 벽과도 충돌하여 그 벽에 압력을 가한다. 그리고 기체의 운동 속도는 온도에 의해서만 영향을 받는다. 따라서 온도가 변하지 않는 상태에서 외부에서 압력을 주면 상대적으로 기체 내부의 압력이 작아지므로, 기체 내부와 외부의 압력 차이로 인해 기체의 부피가 줄어들게 된다.

적용하기 1

- 페트병 안 풍선 바깥쪽의 공기를 압축시켜 풍선 부피를 줄여 내려오게 한다.

- 온도를 낮춰 풍선의 부피를 줄여 내려오게 한다.

- 마개를 열어 거꾸로 물에 넣어 밀려가게 한다.

(11)

- 11 - 2

(12)

- 12 -

개념 설명

공기에 압력을 가하면 왜 공기가 차지하는 부피가 줄어드는 것일까? 부피가 작은 관속에 스 펀지를 넣으면 스펀지가 쉽게 관 속에 들어가는 것은 스펀지에 작은 구멍이 많이 나 있기 때 문에 가능하듯이, 보일은 공기가 압축되는 것도 역시 공기에 작은 구멍이 많이 있기 때문이라 고 생각했다. 기체가 압력에 의해 팽창하거나 수축하는 것은 기체가 연속적인 물질로 된 것이 아니라 빈 공간이 많이 있는 입자로 되어 있기 때문이다. 즉, 이들 입자 사이의 공간으로 입자 가 이동할 수도 있으며, 압력이 높아지면 입자간의 거리가 줄어들고 압력이 낮아지면 그 빈 공 간이 넓어져 부피가 팽창하기 때문에 기체에 힘을 가하면 부피가 줄어드는 것이다.

기체의 압력과 부피의 관계

물질을 이루는 입자 사이의 빈 공간의 크기는 기체 > 액체 > 고체 순으로 기체에서 가장 크기 때문에 동일한 힘을 가하더라도 기체에서 부피 변화가 가장 크고 고체에서 가장 작게 나 타난다.

(13)

- 13 -

기체의 압력과 부피의 관계에 대한 분자 모형 기체의 압력

눈에 보이지 않는 기체가 어떻게 압력을 가질 수 있을까? 또 어떻게 공기가 담긴 고무풍선 은 둥근 모양을 유지할 수 있을까?

기체에서 분자간의 거리는 고체나 액체에 비하여 매우 멀리 떨어져 있으므로 서로 간에 작 용하는 힘이 매우 작다. 따라서 닫혀진 용기에 기체 분자가 들어가면, 기체 분자는 매우 불규 칙적인 운동을 계속적으로 하게 된다. 이 때 용기 속 기체 분자들은 서로 충돌할 뿐만 아니라 용기의 벽에도 끊임없이 충돌하게 되어 그 벽은 힘을 받게 된다. 이 힘에 의해 기체를 담은 용 기의 모든 방향에 수직으로 똑같이 작용하는 기체의 압력이 생겨나게 된다.

기체의 압력은 분자의 수, 속력, 질량 등과 관련이 있다. 일정한 부피 속에 있는 분자의 수 가 늘어나면 단위 면적에 충돌하는 분자 수도 증가하므로 압력이 커진다. 또한 기체 분자의 속 력이 증가하면 일정한 시간 동안 단위 면적에 충돌하는 분자수가 증가할 뿐 아니라 충돌 시 작용하는 힘도 증가하므로 압력이 커진다. 그리고 분자의 질량이 클수록 충돌할 때 작용하는 힘이 크므로 압력이 커진다.

분자의 조건에 따른 압력의 변화

기체의 압력과 부피의 관계

알루미늄 캔이나 페트병을 손으로 누르면 찌그러진다. 더 큰 힘으로 힘껏 누르면 더 많이 찌그러진다. 외부에서 가해 주는 힘과 부피 사이에는 어떤 관계가 있을까?

오른쪽 그림과 같이 질량이 2배인 추를 올려놓아 외부 압력을 2배로 증가시키면, 기체의 부 피(V)는 1/2배로 감소한다. 부피가 변해도 밀폐된 용기이므로 내부 기체의 분자 수는 변하지 않으며, 온도가 일정하기 때문

에 분자의 운동 속도도 일정하 다. 그러므로 용기 벽에 단위 면적당 충돌하는 분자의 수는 2 배로 증가하게 되어, 기체의 내 부 압력(P)은 2배로 증가한다.

즉, 외부 압력을 2배로 증가시

(14)

- 14 -

키면 기체의 내부 압력도 2배로 증가한다. 이는 기체의 내부 압력은 직접 측정하기 어려우므로 외부 압력에 의해 간접적으로 측정하는 것이다.

온도가 일정할 때 기체의 내부 압력(P)과 부피(V)는 서로 반비례 관계이며, 이는 보일의 실 험에 의해 밝혀져 ‘보일의 법칙(Boyle's law)’이라고 한다.

압력(P) × 부피(V) = k (k:상수)

기체의 압력과 부피 관계로 알아보는 생활 속의 예

① 탄산음료 병을 딸 때 ‘뻥’하는 소리가 난다.

⇒ 이산화탄소의 용해도를 높이기 위해 탄산음료의 병 속 기체의 압력은 대기압보다 크다.

병의 마개를 열 때 병 속 기체의 압력이 대기압과 같아지면서 기체의 압력은 감소하게 되며, 이 때 갑작스러운 부피 팽창으로 뻥하는 소리가 나게 된다.

② 화산이 엄청난 힘으로 폭발한다.

③ 높은 산에 올라가거나 엘리베이터를 타고 올라갈 때, 갑자기 귀가 멍해진다.

⇒ 높은 곳으로 올라가면, 대기의 압력이 감소하여 우리 몸 속의 압력도 감소한다. 이 때 우리 몸 속 기체의 부피가 팽창하게 되며, 귀가 멍한 느낌을 받게 된다.

④ 물 속 공기방울이 물 위로 올라갈수록 커진다.

⑤ 풍선이 위로 올라갈수록 커진다.

⑥ 고무풍선을 누르면 부피가 작아진다.

⑦ 축구공이나 배구공을 깔고 앉으면 공이 쭈그러든다.

(15)

- 15 -

실험 활동

온도에 따른 기체의 부피 변화 온도에 따른 기체의 부피 변화

주제 2

관찰하기

삼각플라스크에 고무풍선을 씌운 후, 따뜻한 물과 얼음물에 담갔을 때 일어나는 현상을 관 찰해보자.

따뜻한 물에 담글 때 얼음물에 담글 때

(16)

- 16 -

공기가 든 유리 주사기를 따뜻한 물과 얼음물에 담갔을 때 피스톤의 움직임을 관찰해보자.

피스톤의 움직임 기체의 부피

얼음물에 담글 때

따뜻한 물에 담글

물이 반쯤 담긴 페트병의 마개를 막고 냉장고에 넣어 두었을 때, 병의 모양은 어떻게 되는지 관찰해보자.

설명하기: 위의 실험 결과로부터 알 수 있는 사실은 무엇인가?

적용하기: 찌그러진 탁구공을 뜨거운 물에 넣으면 어떻게 되는지 관찰한 후 그 이유를 생각하여 봅시다.

관찰 현상 이유

(17)

- 17 - 액체 질소를 이용한 실험

예상하기: 풍선을 약간 불어 액체 질소통에 넣으면 풍선은 어떻게 될까? 또, 분자적 관점에서 그렇게 생각한 이유는? 단, 질소의 끓는점은 -196℃이다.

예상 현상 분자적 관점에서의

이유

관찰하기: 풍선을 액체 질소통에 넣은 후 일어나는 현상을 관찰하고 기록해보자.

설명하기: 예상한 현상과 관찰한 현상이 일치하는가? 분자적 관점에서 이런 현상이 나타난 이유는 무엇인가?

(18)

- 18 -

활동 정답

관찰하기

페트병이 쭈그러든다.

설명하기: 온도가 올라가면 기체의 부피는 증가하고, 온도가 낮아지면 기체의 부피는 감소한다.

적용하기 관찰 현상

- 점점 처음대로 둥그렇게 변화된다.

- 찌그러진 부분이 점점 펴진다.

이유 기체의 온도가 올라가 부피가 팽창하기 때문이다.

(19)

- 19 - 액체 질소를 이용한 실험

예상하기: 학생들이 각자 나름대로 생각한 것들을 정리하여 활동지에 작성했는지 알아본다.

관찰하기: 풍선이 쭈그러든다.

설명하기: 질소의 끓는점은 -196℃로, 액체 질소의 온도는 그보다 낮다. 일반적으로 온도가 낮아지면 기체 분자들의 운동이 느려져 용기 벽에 충돌하는 횟수도 줄어들므로, 기체의 압력도 작아진다. 이 경우, 액체 질소로 인해 외부 온도가 낮아져 풍선 내부 기체의 압력이 작아지므로, 풍선 안과 밖(대기압)의 압력 차이로 인해 풍선의 크기가 작아지는 것이다.

(20)

- 20 -

개념 설명

분자 수준에서 살펴본 ‘온도에 따른 기체의 압력 및 부피의 변화’

아래 그림은 온도에 따른 기체의 압력 및 부피의 변화를 알아보기 위해, 분자 모형을 이용 하여 내부 기체의 압력과 외부 압력을 비교한 것이다. 주사기를 가열하면 내부 기체 분자의 운 동 에너지가 증가하여 분자가 더 빠르게 움직인다. 그 결과, 기체 분자가 주사기 벽에 충돌하 는 횟수와 세기가 증가하여 내부 기체의 압력이 커지게 된다. 즉, 외부 압력보다 내부 기체의 압력이 더 큰 비평형 상태(b)가 나타난다.

온도 증가에 따른 내부 기체의 압력과 외부 압력의 비교

기체의 온도와 압력의 관계

위의 비평형 상태(b)에서 내부 압력이 증가한 만큼 외부 압력이 커지면 평형 상태(c)에 이르 게 되는데, 이 때 피스톤은 움직이지 않고 기체의 부피는 그대로 유지된다. 이처럼 처음(a)의 부피가 일정하도록 외부 압력이 증가한다면, 온도가 증가할수록 (내부) 기체의 압력은 증가한 다(V 일정, P∝T). 부탄가스에 불을 붙이면 용기가 점점 차가워지는 것도 내부 압력이 감소할 수록 온도가 감소하는 예이다.

기체의 온도와 부피의 관계

다시 위의 비평형 상태(b)로 돌아가 보자. 외부 압력이 일정하게 유지되는 경우, (운동 에너 지가 증가하여 활발하게 움직이는) 내부 기체 분자의 압력이 외부 압력보다 크기 때문에, 내부 기체 분자가 피스톤을 밀어내는 일을 하게 된다. 결국 기체의 부피가 증가함에 따라, 가열에 의해 증가되었던 기체 분자의 운동 에너지는 처음 상태로 감소하고, 단위 면적 당 충돌 횟수 및 세기도 처음과 같아져 외부 압력과 내부 압력이 평형(d)을 이루게 된다.

따라서 외부 압력에 변화가 없다면, 기체의 온도가 증가할수록 부피는 증가하고, 온도가 감 소할수록 부피는 감소한다(P 일정, V∝T).

(21)

- 21 - 샤를의 법칙

샤를의 법칙:일정한 압력 에서 일정량의 기체의 부피 는 온도가 1℃씩 높아질 때 마다 0℃일 때 부피의 1/273만큼 증가하고, 온도가 1℃씩 내려갈 때마다 0℃일 때 부피의 1/273만큼 감소 한다.

V1 = V0+(1/273)V0

V2 = V0+(2/273)V0

… Vt = V0+(t/273)V0

∴ V=V0/273(273+t) (t:섭씨온도) T=273+t, k=V0/273로 치환하면,

V=kT, (T=절대온도)

→ V1/T1=V2/T2=Vn/Tn=k

∴ 온도와 부피는 비례한다.

(압력이 일정할 때)

기체의 온도와 부피의 관계, (상)섭씨 온도 기준 (하)절대 온도 기준

절대영도(http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch4/1frame.html) (1)에서 밝힌 기체의 온도와 압력의 비례 관계는 17세기 프랑스 물리학자 아몽통(G.

Amontons)이 발견했다. 그는 이 발견으로 기체의 압력이 사라지는 온도로서 절대 영도 (absolute zero)를 예상할 수 있었다. 1779년 독일의 람베르트(J. H. Lambert)는 아몽통이 예견 한 절대 영도를 기체의 압력이 0이 되는 지점의 온도(-273.15℃)라고 구체적으로 정의했다.

즉, 절대 영도에서는 분자의 운동이 정지하게 된다.

또한, 샤를의 법칙에 의하면 기체는 온도가 1℃씩 내려갈 때마다 부피의 1/273씩 줄어든다.

그러면 -273.15℃(0K)에서 기체의 부피가 0이 되도록 유도할 수 있는데, 부피는 0보다 작아질 수 없으므로 -273.15℃ 이하의 낮은 온도는 불가능하다. (그러나 실제로는 -273.15℃가 되기 전 모든 기체가 액화하므로, 기체에만 적용되는 샤를의 법칙에 따라 부피가 0이 되거나 기체 분자 의 운동이 정지하는 일은 발생하지 않는다.)

샤를의 법칙을 발견하는데 기여한 열기구(http://www.airnavi.co.kr/product1.asp)

1783년 가을 프랑스의 몽골피에 형제는 세계 최초로 기구 밑에 장작을 피워 열기구를 띄우 는 것에 성공했으나 이런 방법은 상당히 위험했다. 이 문제를 해결한 사람이 바로 샤를(J. A.

C. Charles)이다. 그는 공기보다 가벼운 수소를 기구 속에 넣어 수소 기 구를 만들었다. 또한 수소 대신 보통의 공기를 이용할 수 있는 방법을 연 구한 결과, 가열한 공기의 밀도가 작아지면 가벼운 기체와 같은 효과를 낼 것이라고 생각했다. 결국, 밑이 뚫린 가죽 주머니에 바구니를 매달은 모양으로 열기구가 만들어졌다. 이렇게 샤를은 기구를 공중에 높이 띄우 는 방법을 연구하던 중 샤를의 법칙을 발견하게 되었다.

(22)

- 22 - 액체 질소를 이용한 실험들의 원리

질소의 끓는점은 -196℃로, 액체 질소의 온도는 그보다 낮다. 이렇게 낮은 온도에서는 상온 에서는 볼 수 없는 여러 흥미로운 현상을 볼 수 있다.

풍선을 액체 질소에 넣으면 쭈그러지는 것은 풍선 속 공기의 질소와 산소가 액화되거나, 부 피가 감소하기 때문이다. 온도가 낮을수록 기체의 부피가 감소하는 샤를의 법칙을 설명할 수 있다.

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- 23 - 액체 질소를 이용한 다른 실험들

홈런볼 먹기: 종이컵에 액체 질소를 따른다. 홈런볼을 액체 질소에 약 2초간 담근 후, 꺼내 털고 입 속에 넣어 씹는다.

바나나로 못 박기: 바나나를 액체 질소 안에 넣고 약 1분 정도 기다린 다. 바나나를 꺼내 못을 나무에 쳐 넣어 본다.

장미꽃 얼리기: 장미꽃을 액체 질소 안에 넣어 얼리고, 꺼내 벽이나 책상에 쳐본다. 나뭇잎도 얼려서 손가락으로 쳐본다.

고무공 깨트리기: 고무공을 액체 질소에 넣었다 빼서 바닥에 던져 본다.

고무관으로 다트하기: 곧은 고무관 끝을 날카롭게 자른 후, 액체 질소에 넣었다고 꺼내서 종이 등에 던져 본다.

가장 시원하고 부드럽고 맛있는 아이스크림 만들기: 우유와 설탕을 적당한 비율로 섞고, 액체 질소를 넣기 바로 전에 레몬즙을 넣고 격렬히 저어주면서 액체 질소를 천천히 따라 넣는다. 낮은 온도에 의해 얼음 결정이 생기고, 기화되는 질소 기체에 의해 아이스크 림이 부드럽게 된다. 초코우유나 딸기 우유만을 넣어도 좋다.

과일 얼려 먹기: 젓가락에 과일을 끼우고 액체 질소에 넣어 얼려 먹는다.

액체 산소 만들기: 빈 캔에 액체 질소를 2/3정도 넣 으면, 캔 주변에 액체가 생기는데, 이 액체에 깜부 기불을 가져다 대면 활활 탄다. 액체 산소가 떨어지 는 곳 아래에 불씨가 남아있는 종이를 놓으면, 액체

산소가 떨어질 때마다 불꽃이 살아나는 것을 볼 수 있다. 액체 산소는 자성을 띠기 때 문에 강한 네오디늄 자석을 가까이 대면 끌려온다.

산소의 끓는점(-183℃)은 질소보다 높다. 그러므로 액체 질소가 들어있는 알루미늄 깡통 주 위의 공기 속의 산소가 와서 액화되는 것이다. 즉, 분별 증류와 같은 원리로 공기 중에서 산소 를 분리할 수 있다. 산소가 불꽃을 되살리는 성질은 액체의 경우에도 볼 수 있다. 떨어지는 방 울은 순수한 액체 산소가 아니라 액체 산소와 액체 질소, 아르곤 등의 혼합물이다. 액체 질소 에 넣었던 홈런볼을 씹으면서 숨을 내쉬면 하얀 입김이 입과 코로 나오는 것을 볼 수 있다. 홈 런볼 속에 남은 액체 질소의 낮은 온도에 의해 날숨 속의 수증기가 응결되어 보이는 것이다.

바나나로 못을 박을 수 있거나, 장미꽃이나 나뭇잎이 깨지는 것은 식물체 안에 들어있는 물이 얼기 때문이다. 세포 속의 물이 얼면서 얼음과 같이 배열되기 때문에 얼었다 녹은 과일이나 식 물은 처음과 다르다. 고무공 속에도 공기가 들어있어 액체 질소 속에 넣으면 부피가 줄어들지 만, 그 전에 고무가 딱딱해지기 때문에 모양 그대로 굳는다. 그래서 고무관으로 다트를 할 수 있을 정도가 된다.

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- 24 - 이런 실험도 있어요.

손대지 않고 바나나 껍질 벗기기

① 바나나를 조금 자른 후 껍질을 조금 벗긴다.

② 삼각 플라스크 안에 물을 조금 넣고, 끓을 때까지 가열한다.

③ 바나나를 삼각 플라스크 입구에 올려놓고, 삼각 플라스크를 찬물이 담긴 수조에 넣는다.

삼각 플라스크 가열 장치

물이 담긴 삼각 플라스크를 가열하면 물이 끓어 수증기가 되고, 온도가 높아짐에 따라 수증 기 분자들이 더 활발하게 운동한다. 이 때, 바나나를 삼각 플라스크 입구에 올려놓으면 삼각 플라스크의 내부가 밀폐된다. 밀폐된 상태에서 삼각 플라스크가 식으면 수증기 분자의 운동이 느려진다. 즉, 온도가 낮아지면 수증기 분자들의 운동이 느려지고 수증기의 일부가 물로 변하 면서 삼각 플라스크 내부의 압력이 감소하게 된다(샤를의 법칙 및 수증기의 액화). 따라서 외 부 압력과 내부 압력의 차이에 의해 바나나가 삼각 플라스크 내부로 밀려 들어가며 껍질이 벗 겨진다.

스포이트에 남아 있는 액체 방울 떨어뜨리기

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달걀을 삼키는 주스병

주스병 속의 뜨거운 공기가 식으면서 공기 분자의 운동 속도가 줄어들기 때문에 내부 압 력이 감소하여 달걀이 빨려 들어간다. 학생들 에게는 분자 운동이나 압력 개념이 어려우므 로 공기가 식으면서 부피가 줄어드는 성질이 있어 달걀이 빨려 들어간다고 설명해 준다.

찌그러지는 페트병

페트병 속의 뜨거운 공기가 식으면서 공기 분자의 운동 속도가 줄어들기 때문에 내부 압 력이 감소하게 되므로 페트병의 외부압력보다 내부압력이 작아서 부피가 작아지게 된다(페 트병이 찌그러지게 된다). 학생들에게는 공기 가 식으면서 부피가 줄어들기 때문에 페트병 이 찌그러진다고 설명해 준다.

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오줌싸개 인형의 비밀

아래에 있던 액체가 어떻게 위로 올라갈 수 있었을까요?

여러분이 생각한 방법을 적어보세요.

속이 텅 비어 있고 아래쪽에 약간 튀어 나온 부분이 있으며 이 부분에 작은 구멍이 나 있는 오줌싸개 인형이 있다. 이 인형으로 아래와 같이 실험하면 3단계에서 인형에 어떤 일이 벌어질까요?

인형을 뜨거운 물에 넣어요.

인형을 찬 물에 넣어요. 인형 머리 부분에 뜨거운 물을 부어요.

예상

까닭

주전자 투명 플라스틱 컵 2개 찬물 젓가락 쟁반

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01. 뜨거운 물에서의 변화 관찰

02. 찬 물에서의 변화 관찰

03. 두 번째 뜨거운 물에서의 변화 관찰

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오줌싸개 인형 안의 공기와 컵의 물에는 어떤 변화가 생겼을까요?

그림으로 나타내고 그렇게 생각한 까닭을 적어보세요.

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오줌싸개 인형의 물줄기가 더 멀리 나아가기 위한 방법에는 어떤 것들이 있을까요?

친구들과 이야기하고 직접 실험해 보면서 알아보세요.

인형의 물줄기가 더 멀리 나아갈 수 있는 방법과 그 원리를 가능한 많이 제시하세요.

직접 실험 가능한 방법을 선택하여 친구들과 직접 실험하여 보세요.

준비물 실험과정

결과정리 방법

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참고 자료

분자의 운동에 대한 학생들의 오개념 유형

여기에 제시된 오개념의 유형은 모두 http://www.chemed4u.net에서 발췌하였다. 이 사이트에 는 더 많은 오개념 유형들이 제시되어 있다. 비록 초등 수준에서의 오개념은 아니지만 초등 교사는 분자 수준에서의 이해가 필요하므로, 참고할 만하다.

학생들은 물질이 입자로 구성되어 있고, 그 입자는 끊임없이 운동하며, 입자들 사이에는 빈 공간이 있다는 개념을 이해하고 사용하는데 어려움을 느끼고 있다. 또한, 입자의 운동에 대해 많은 오개념을 가지고 있다. 분자의 운동과 관련된 학생들의 대표적인 오개념들은 아래 표와 같다. 특히, 학생들은 물질의 상태가 변하거나 압력 및 온도가 변해도 입자들이 보존된다는 개 념과 기체 분자들이 공간에 균일하게 분포한다는 개념을 잘 이해하지 못하는 것으로 나타났다.

분자의 운동과 관련된 학생들의 주요 오개념의 유형

기체의 압력과 부피

ㆍ기체에 압력을 가하면 분자들의 운동 속도가 변한다.

ㆍ기체의 압력이 증가하면 분자 운동이 둔해진다.

ㆍ기체에 압력을 가하면 분자들의 크기나 모양이 달라진다.

ㆍ기체에 압력을 가하면 분자들의 수가 많아지거나 적어진다.

ㆍ기체에 압력을 가하면 분자들이 한쪽으로 모인다.

기체의 온도와 부피

ㆍ열을 가하기 전에는 분자들은 용기의 바닥에만 있다.

ㆍ열을 가하면 용기 바닥의 기체들이 움직이기 시작한다.

ㆍ열을 가하면 분자들의 크기가 커지면 모양이 변한다.

ㆍ열을 가하면 분자들의 수가 변한다.

ㆍ열을 가하면 분자들을 열을 피하기 위해 위로 움직인다.

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기체의 압력과 부피에 대한 오개념 유형과 원인 분석 (기체의 압력과 부피 관련 개념 검사 문항)

아래 그림과 같이 주사기에 질소를 넣은 후, 질소가 새지 않도록 끝을 완전히 막고 피스톤 을 눌렀다. 주사기 속에 질소 분자가 8개 들어 있으며, 이 분자를 볼 수 있다고 가정하자.

그림 1에는 피스톤을 누르기 전의 주사기 내부 상태를, 그림 2에는 누른 후의 주사기 내부 상태를 각각 나타내어라. 그림 2와 같이 외부에서 압력을 가했을 때, 주사기 내의 기체의 분포 와 상태에 대해 자세히 설명하라.

그림 1 그림 2

․질소 분자

(1) 과학 개념

기체의 압력은 기체 분자가 용기의 벽에 부딪칠 때 나타나는 것이므로, 벽에 부딪치는 횟수 가 증가할수록 압력이 커지게 된다. 그림에서와 같이 기체의 부피가 줄어들면 같은 양의 기체 가 더 좁은 공간에서 운동하므로, 기체 분자가 용기의 벽에 더 많이 충돌하여 압력이 증가하게 된다. 그러나 압력을 가하기 전과 후에 기체 입자들의 모양이나 수, 운동 속도는 변하지 않으 며 기체 분자들은 공간에 고르게 분포한다.

(2) 학생들의 오개념 유형 및 원인 분석

오개념 유형 원인 분석

ㆍ기체에 압력을 가하면 분자들의 운동 속도가 변한다.

기체 분자들의 충돌 횟수가 많아지는 것을 운동 속도가 빨라지는 것으로 생각한다.

ㆍ기체에 압력을 가하면 분자 운동이 감소한다.

외부에서 압력을 가하면 공간이 좁아져서 분자들의 활동이 제약을 받는다고 생각한다.

ㆍ기체에 압력을 가하면 분자들의 모양

이나 수가 변한다. 기체의 부피와 기체 분자를 동일시하여 형성된 오개념이다.

ㆍ압력을 가하면 기체 분자들이 한 쪽 으로 모인다.

압력이 커져 부피가 작아지면 기체 분자들이 조밀하게 분포한다고 생각한다.

ㆍ기타 압력이 커지면 기체 분자들의 운동이 매우 느려져서 아주 조금씩

만 움직이게 되어 고체처럼 일정한 배열을 갖게 된다고 생각한다.

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기체의 온도와 부피에 대한 오개념 유형과 원인 분석

(기체의 온도와 부피 관련 문항)

그림 1과 같이 산소 기체가 들어 있는 플라스크의 가지에 공기를 완전히 제거한 고무풍선 을 매달았다. 가지에 달린 조절 마개를 연 후 플라스크를 가열하였더니 고무풍선이 팽팽해졌 다. 플라스크 안에 10개의 산소 분자가 들어 있으며, 이 분자를 볼 수 있다고 가정하자.

가열하기 전에 기체의 분포 상태를 그림 1에, 가열한 후 기체의 분포 상태를 그림 2에 각 각 나타내어라. 기체의 성질을 이용하여 그림 2에 나타낸 기체의 분포와 상태에 대해 자세하 게 설명하라.

가열 후 (그림 2)

․산소 분자

가열 전 (그림 1)

(1) 과학 개념

기체를 가열하여 온도가 올라가면 기체 분자들의 운동 속도가 빨라지게 된다. 따라서 분자 들이 단위 시간에 용기의 벽에 충돌하는 횟수가 늘어나게 되고 이에 따라 용기 내부 압력이 증가하게 되어 풍선이 부풀어오르게 된다. 그러나 가열하기 전과 후에 기체 분자들은 공간에 고르게 분포하며 분자들의 크기나 모양 및 수는 변하지 않는다.

(2) 학생들의 오개념 유형 및 원인 분석

오개념 유형 원인 분석

ㆍ가열하기 전에는 기체 분자 들은 바닥에만 있다.

가열하기 전에는 분자 운동이 활발하지 않아 기체 분자들이 불균일하게 분포한다고 생각하는 경우이다.

ㆍ가열하면 기체 분자들이 위로 올라간다.

가열하면 기체 분자들이 위로 올라가서 보다 많은 기체들이 풍선을 팽창 시키는데 기여하므로, 기체 분자들이 불균일하게 분포한다고 생각한다.

ㆍ기체 분자들이 일부만 풍선으로 이동한다.

바닥에 있었던 기체 분자들 중에서 일부만 이동한다고 생각하는 경우이다.

ㆍ가열을 하면 기체 분자들이 이동한다.

가열을 공기 이동의 관점에서 파악하여 대부분의 기체 분자들이 풍선으로 이동한다고 생각하는 경우이다.

ㆍ기타 기체를 가열하면 분자들의 크기가 변하거나 수가 변한다고 생각 하는 경우이다.

참조

관련 문서

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