독도 해저의 보물, 차세대 자원에 주목

독도 해저의 보물,

차세대 자원에 주목

▶

STEAM 준거틀 구성계획(총괄계획표)

차시 주제 내용 교과목 STEAM

요소

1차시

미래를 책임져줄 차세대 자원, 메탄 하이드레이트!

새로운 에너지인 메탄 하이드레이트가 독도 해저에 엄청난 양이 매장되어있음을 알고 메탄 하이드레이트의 성질과 특징에 대해 설명할 수 있다. 메탄 하이드레이트를 구성하는 원소, 원자, 분자 에 대해 알고 화학적 탐구를 통해 구조적, 결합에 따른 특성을 설 명할 수 있다. 독도 해저에 매장된 메탄 하이드레이트를 채굴할 수 있는 방법을 조사하고 이를 친구들과 토의하여 적합한 결론을 도출할 수 있다. 이와 함께 메탄 하이드레이트의 가치를 알고 독 도의 중요성에 대해 인식하게 한다.

통합과학

기술 S,T,E

2차시 3차시

보물을 찾는 과학적인 방법

독도 해저에 매장된 메탄 하이드레이트를 안전하게 채굴하기 위 한 방법을 고안하고, Core Sampling과 Cartesian Diver를 이용한 채굴 방법에 대해 이해하고 그 원리를 설명할 수 있다. 더불어 우 리나라 독도 해저에 매장되어 있는 가스 하이드레이트가 과학적 측면에서의 독도의 중요성에 대해 주장할 수 있는 능력을 기를 수 있다.

통합과학 기술 통합사회

한국사 국어

S,T,E,A

^{전체 구성}

상황 제시 창의적 설계 감성적 체험

미래를 책임져줄 차세대 자원, 메탄 하이드레이트!

나는야,

메탄 하이드레이트를 채굴하는 기술자

1차시 2차시 3차시

학교급별 차시구성: 고등학교(차시대체용)

프로그램명

독도 해저의 보물, 차세대 자원에 주목

학교급

^고등학교

(차시대체용)

차시

총 3차시

교육목표

새로운 에너지인 메탄 하이드레이트가 독도 해저에 엄청난 양이 매장되어있음을 알고 메탄 하이드레이트의 성질 과 특징에 대해 설명할 수 있다. 메탄 하이드레이트를 구성하는 원소, 원자, 분자에 대해 알고 화학적 탐구를 통해 구조적, 결합에 따른 특성을 설명할 수 있다. 독도 해저에 매장된 메탄 하이드레이트를 채굴할 수 있는 방법을 조 사하고 이를 친구들과 토의하여 적합한 결론을 도출할 수 있다. 독도 해저에 매장된 메탄 하이드레이트를 안전하 게 채굴하기 위한 방법을 고안하고, Core Sampling과 Cartesian Diver를 이용한 채굴 방법에 대해 이해하고 그 원 리를 설명할 수 있다. 더불어 우리나라 독도 해저에 매장되어 있는 가스 하이드레이트가 과학적 측면에서의 독도 의 중요성에 대해 주장할 수 있는 능력을 기를 수 있다.

관련교과

통합과학, 기술, 통합사회, 한국사, 국어

2015 개정 교육과정

연계

통합과학

(내용요소) (1) 물질의 규칙성과 결합

(성취기준) [10통과01-04] 지구와 생명체를 구성하는 주요 원소들이 결합을 형성하는 이유와, 원소들 의 성질에 따라 형성되는 결합의 종류를 추론할 수 있다.

[10통과01-05] 인류의 생존에 필수적인 산소, 물, 소금 등이 만들어지는 결합의 차이를 알고, 각 화합물의 성질을 비교할 수 있다.

(내용요소) (2) 자연의 구성 물질

(성취기준) [10통과02-01] 지각과 생명체를 구성하는 다양한 광물과 탄소 화합물은 특정한 규칙에 따라 결합되어 만들어진다는 것을 논증할 수 있다.

(내용요소) (6) 화학 변화

(성취기준) [10통과06-01] 지구와 생명의 역사에 큰 변화를 가져온 광합성, 화석 연료 사용, 철기 시 대를 가져 온 철의 제련 등의 공통점을 찾을 수 있다.

(내용요소) (9) 발전과 신재생 에너지

(성취기준) [10통과09-01] 화석 연료, 핵에너지 등을 가정이나 산업에서 사용하는 전기 에너지로 전 환하는 과정을 분석할 수 있다.

[10통과09-02] 발전소에서 가정 및 사업장까지의 원거리 전력 수송 과정에 대해 이해하 고, 전략의 효율적이고 안전한 수송 방안을 토의할 수 있다.

[10통과09-05] 인류 문명의 지속가능한 발전을 위한 신재생 에너지 기술 개발의 필요성

2015 개정 교육과정

연계

기술 (내용요소) (5) 기술 활용

(성취기준) [12기가05-04] 기술 혁신을 위한 창의 공학 설계를 이해하고, 제품을 구상하고 설계한다.

통합사회

(내용요소) (8) 세계화와 평화

(성취기준) [10통사08-02] 국제 갈등과 협력의 사례를 통해 국제 사회의 행위 주체의 역할을 파악하 고, 평화의 중요성을 인식한다.

(내용요소) (9) 미래와 지속가능한 삶

(성취기준) [10통사09-02] 지구적 차원에서 사용 가능한 자원의 분포와 소비 실태를 파악하고, 지속 가능한 발전을 위한 개인적 노력과 제도적 방안을 탐구한다.

한국사

(내용요소) (5) 국제 질서의 변동과 근대 국가 수립 운동

(성취기준) [10한사05-04] 독도가 우리의 영토임을 역사적 연원을 통해 증명하고, 일제에 의해 이루 어진 독도 불법 편입 과정의 문제점과 간도 협약의 부당성을 이해한다.

(내용요소) (7) 대한민국의 발전과 현대 세계의 변화

(성취기준) [10한사07-05] 동북아시아의 역사 갈등, 과거사 문제 등을 탐구하여 올바른 해결 방안을 모색하고, 일본의 독도 영유권 주장을 논리적으로 반박한다.

국어

(내용요소) (1) 듣기·말하기

(성취기준) [10국01-01] 개인이나 집단에 따라 듣기와 말하기의 방법이 다양함을 이해하고 듣기·말 하기 활동을 한다.

[10국01-03] 논제에 따라 쟁점별로 논증을 구성하여 토론에 참여한다.

[10국01-04] 협상에서 서로 만족할 만한 대안을 탐색하여 의사 결정을 한다.

[10국01-05] 의사소통 과정을 점검하고 조정하며 듣고 말한다.

(내용요소) (2) 읽기

(성취기준) [10국02-01] 읽기는 읽기를 통해 서로 영향을 주고받으며 소통하는 사회적 상호 작용임 을 이해하고 글을 읽는다.

[10국02-03] 삶의 문제에 대한 해결 방안이나 필자의 생각에 대한 대안을 찾으며 읽는다.

[10국02-04] 읽기 목적을 고려하여 자신의 읽기 방법을 점검하고 조정하며 읽는다.

[10국02-05] 자신의 진로나 관심사와 관련된 글을 자발적으로 찾아 읽는 태도를 지닌다.

(내용요소) (3) 쓰기

(성취기준) [10국03-01] 쓰기는 의미를 구성하여 소통하는 사회적 상호 작용임을 이해하고 글을 쓴다.

[10국03-02] 주제, 독자에 대한 분석을 바탕으로 타당한 근거를 들어 설득하는 글을 쓴다.

[10국03-03] 자신의 경험과 성찰을 담아 정서를 표현하는 글을 쓴다.

[10국03-04] 쓰기 맥락을 고려하여 쓰기 과정을 점검·조정하며 글을 고쳐 쓴다.

[10국03-05] 글이 독자와 사회에 끼치는 영향을 고려하여 책임감 있게 글을 쓰는 태도를 지닌다.

차시별 교수·학습 내용 교과목 STEAM 요소

상황제시

1차시

▶차세대 자원 메탄 하이드레이트! 왜 주목받는가?

- 기사를 읽고 우리나라 독도의 해저에 거대 에너지원인 메탄 하이드레이트가 매장되어 있음을 알기

- 독도에 매장된 메탄 하이드레이트가 연료로 주목받고 있는 이유와 이를 채굴 하기 위한 방법에 대해 생각하기

▶메탄 하이드레이트는 무엇일까

- 메탄 하이드레이트의 생성과정, 위치, 탐사방법, 장점, 한계 및 발전 등을 설명하기

▶메탄 하이드레이트, 모형으로 만들어보자

- 모둠별로 메탄 하이드레이트를 스트로폼으로 만들기

- 메탄 하이드레이트 모형을 통해 메탄 하이드레이트를 구성하는 원소, 원자, 분 자가 무엇인지 알고 이를 설명하기

- 메탄 하이드레이트를 구성하는 메탄과 물의 구조와 결합에 의해 생기는 특성 을 설명하기

- 메탄 하이드레이트 모형을 통해 메탄 하이드레이트의 구조가 C₆₀ 플러렌의 구 조와 동일함을 설명하기

▶메탄 하이드레이트 채굴 준비하기

- 독도 해저에 매장된 메탄 하이드레이트 채굴을 위한 기초 조사하기

통합과학

기술 S,T,E

창의적

설계

^2차시

▶영화 ‘7광구’

- 독도 해저에 매장된 에너지원인 메탄 하이드레이트를 채굴하기 위한 과정과 방법에 대해 생각하기

▶1^st Step++Core Sampling

- 메탄 하이드레이트를 채굴하기 전, 지질 내의 구성과 메탄 하이드레이트의 위 치를 찾기 위한 방법에 대해 알아보기

- 채굴 방법 중 첫 번째 단계인 Core Sampling에 대해 활동하기

통합과학 기술 통합사회

한국사 국어

S,T,E,A

3차시

▶2^nd Step++Cartesian Diver

- 독도에서 해저에서 해수면까지 메탄 하이드레이트를 안전하게 채굴하는 장치 와 방법에 대해 생각하기

- 4명씩 팀을 구성하여 메탄 하이드레이트 채굴 장치와 방법에 대해 토의하고 창의적이고 현실적으로 설계하기

- 제작한 채굴 장치를 활용하여 모둠별로 채굴하고 가장 독창적이고 효과적인

감성적

수업주제 미래를 책임져줄 차세대 자원,

메탄 하이드레이트! 학교급

^고등학교

차시

^1차시

교육목표

새로운 에너지인 메탄 하이드레이트가 독도 해저에 엄청난 양이 매장되어있음을 알고 메탄 하이드레이트의 성 질과 특징에 대해 설명할 수 있다. 메탄 하이드레이트를 구성하는 원소, 원자, 분자에 대해 알고 화학적 탐구를 통해 구조적, 결합에 따른 특성을 설명할 수 있다. 독도 해저에 매장된 메탄 하이드레이트를 채굴할 수 있는 방법 을 조사하고 이를 친구들과 토의하여 적합한 결론을 도출할 수 있다. 이와 함께 메탄 하이드레이트의 가치를 알 고 독도의 중요성에 대해 인식하게 한다.

STEAM 요소

S, T, E

관련교과

통합과학, 기술

2015 개정 교육과정

연계

통합 과학

(내용요소) (1) 물질의 규칙성과 결합

(성취기준) [10통과01-04] 지구와 생명체를 구성하는 주요 원소들이 결합을 형성하는 이유와, 원소들의 성질에 따라 형성되는 결합의 종류를 추론할 수 있다.

[10통과01-05] 인류의 생존에 필수적인 산소, 물, 소금 등이 만들어지는 결합의 차이를 알고, 각 화합물의 성질을 비교할 수 있다.

(내용요소) (2) 자연의 구성 물질

(성취기준) [10통과02-01] 지각과 생명체를 구성하는 다양한 광물과 탄소 화합물은 특정한 규칙에 따라 결합되어 만들어진다는 것을 논증할 수 있다.

(내용요소) (6) 화학 변화

(성취기준) [10통과06-01] 지구와 생명의 역사에 큰 변화를 가져온 광합성, 화석 연료 사용, 철기 시대를 가져 온 철의 제련 등의 공통점을 찾을 수 있다.

(내용요소) (9) 발전과 신재생 에너지

(성취기준) [10통과09-01] 화석 연료, 핵에너지 등을 가정이나 산업에서 사용하는 전기 에너지로 전환하 는 과정을 분석할 수 있다.

[10통과09-02] 발전소에서 가정 및 사업장까지의 원거리 전력 수송 과정에 대해 이해하고, 전략의 효율적이고 안전한 수송 방안을 토의할 수 있다.

[10통과09-05] 인류 문명의 지속가능한 발전을 위한 신재생 에너지 기술 개발의 필요성과 파 력 발전, 조력 발전, 연료 전지 등을 정성적으로 이해하과, 에너지 문제를 해결하기 위한 현대 과학의 노력과 산물을 예시할 수 있다.

기술

(내용요소) (4) 기술 시스템

(성취기준) [12기가04-01] 기술의 발달에 따라 개량되거나 만들어진 제품을 통해, 최신 기술의 활용과 발 전 방향을 예측하여 발표한다.

[12기가04-02] 첨단 제조 기술이 산업의 발달과 우리 생활에 미치는 영향과 미래에 활용 가 능한 기술의 분야에 대하여 예측하고 전망한다.

[12기가04-03] 첨단 건설 기술의 핵심 기술과 동향을 파악하며, 건설 기술에서 활용되고 있는 재난 예방과 관련된 예를 조사하여 발표한다.

[12기가04-05] 수송 기술에서 새롭게 등장한 수송 수단의 종류와 특징을 탐색하고, 우주항공 기술 분야의 발전 방안을 토의하고 발표한다.

(내용요소) (5) 기술 활용

(성취기준) [12기가05-04] 기술 혁신을 위한 창의 공학 설계를 이해하고, 제품을 구상하고 설계한다.

준비물

메탄 하이드레이트 모형 만들기 Kit(열선 커터기 1개, 109.5°, 104.5° 각도틀 1set, 스티로폼 구(F35mm/30개, F25mm/50개), 우드락용 풀 1개, 이쑤시개 1통)

차시별 교수학습 지도안(1/3)

흐름 시간 교수-학생 활동 비고

도입 5분

차세대 자원 메탄 하이드레이트! 왜 주목받는가?

- 기사를 읽고 우리나라 독도의 해저에 거대 에너지원인 메탄 하이드레이트가 매장되어 있 음을 안다.

- 독도에 매장된 메탄 하이드레이트가 연료로 주목받고 있는 이유와 이를 채굴하기 위한 방법에 대해 생각한다.

[참고] 독도의 탄생과 환경 동영상을 시청한다.

[참고①]

독도의 탄생과 환경 동영상

전개 35분

메탄 하이드레이트는 무엇일까

- 위 기사를 읽고 내용을 참고하여 우리나라 독도에 매장된 메탄 하이드레이트에 대해서 정리한다.

- 메탄 하이드레이트의 생성과정, 위치, 탐사방법, 장점, 한계 및 발전 등을 찾아 활동지에 작성한다.

- 메탄 하이드레이트의 기본적인 성질과 특징에 대해 설명한다.

[참고] 독도 해저 자원의 가치 동영상을 시청한다.

메탄 하이드레이트, 모형으로 만들어보자

- 모둠별로 메탄 하이드레이트를 스티로폼으로 만들어 본다.

- 구슬-막대 모형으로 만든 메탄 하이드레이트를 다른 모둠과 연결하여 전체 모형을 만들 어 본다.

메탄 하이드레이트의 화학적 탐구

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

- 메탄 하이드레이트를 구성하는 메탄과 물의 구조와 결합에 의해 생기는 특성을 설명한 다.

- 메탄 하이드레이트 모형을 통해 메탄 하이드레이트의 구조가 C60 플러렌의 구조와 동일 함을 설명한다.

메탄 하이드레이트 채굴 준비하기

[참고②]

독도 해저 자원의 가치 동영상

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

명칭 형태 출처 정보

차세대 자원 메탄 하이드

레이트! 왜 주목받는가? 사진/기사 http://nstckorea.tistory.com/580 http://blog.kepco.co.kr/142

메탄 내용/사진 http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1092791&cid=40942&categoryId=32274

물 내용/사진 http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=2117675&cid=47337&categoryId=47337 http://study.zum.com/book/14980

플러렌의 구조 내용/사진 https://namu.wiki/w/%ED%92%80%EB%9F%AC%EB%A0%8C 채굴기지 사진 http://blog.skenergy.com/317

물의 성질 내용/사진 http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=2117675&cid=47337&categoryId=47337

참고자료

출 처

생각해보기 차세대 자원 메탄 하이드레이트! 왜 주목받는가?

프로그램 내용

미래를 책임져줄 차세대 자원, 메탄 하이드레이트

학습 목표

메탄 하이드레이트가 독도 해저에 매장되어 있음을 알고, 메탄 하이드레이트의 성질과 특징에 대해 설명 할 수 있다.

구슬-막대 모형으로 메탄 하이드레이트를 만들고 구성 원소, 원자, 분자와 화학적 성질에 대해 설명할 수 있다.

독도 해저에 매장된 메탄 하이드레이트의 채굴 방법에 대해 자료를 수집하고 토의할 수 있다.

‘세계는 에너지 전쟁 중’이라고 해도 과언이 아닌 정도로 많은 국가들이 에너지산업에 많은 힘을 쏟고 있습니다. 특히 현재 쓰고 있는 자원의 고갈문제나 환경문제 때문에 한계에 부딪히는데 이를 해결해줄 자원으로 메탄 하이드레이트가 주목받고 있습니다. 우리나라 는 자원이 부족해 거의 모든 자원을 수입하여 사용하는데 메탄 하이드레이트는 동해의 독도 주변에 엄청난 양이 잠들어있습니다.

메탄 하이드레이트가 매장된 독도 불타는 얼음 메탄 하이드레이트

메탄 하이드레이트(Gas Hydrate)란?

깊은 바다에서 저온과 고압상태에서 천연가스가 물과 결합해 생긴 고체 에너지원입니다. 물분자간 수소 결합으로 형성되며 메탄,

어떻게 찾아냈을까?

메탄 하이드레이트 탐사방법은 지질·지화학적 탐사, 지구물리 탐사, 지구물리검층 등의 방법이 있습니다. 지질·지화학적 탐사는 퇴적물과 해수를 채취해 분석하거나 잠수정에 카메라를 이용해 해저지형을 확인하는 간접적인 방법입니다. 이 분석을 통해 형성이 나 가스의 기원을 파악할 수 있습니다. 지구물리 탐사는 하이드레이트의 물리적, 음향학적 특성을 이용한 방법입니다. 지구물리검 층은 시추할 때나 시추 후에 지층에 대한 여러 물성 등을 연속적으로 측정하는 방법입니다. 검층장비를 시추공에 투입하여 전기적, 음향학적, 방사성, 전자기 등의 발생원을 통해 수신된 정보를 해석합니다.

메탄 하이드레이트 시추 독도 심해 속 메탄 언덕

왜 이렇게 열광하는가?

메탄 하이드레이트가 가장 각광받는 이유는 청정에너지라는 것입니다. 현재 쓰고 있는 화력(석유나 석탄)에너지는 공해를 배출하고 원자력 에너지는 발전소 주변 해수의 온도를 높인다거나 발전소에 문제가 생기면 위험성이 큽니다. 반면 메탄 하이드레이트는 연 소시킬 때 이산화탄소 발생량이 미미하다고 합니다. 또 기존 석유이용시설을 이용해 에너지원으로 사용할 수 있습니다. 부존량 또 한 풍부하여 미래의 에너지원으로 탁월하다는 평가를 받고 있습니다.

메탄 하이드레이트의 한계와 발전

메탄 하이드레이트는 새로운 대체 에너지로 곽광 받고 있지만 당장 사용하기에는 몇 가지 한계점을 안고 있는 것도 사실입니다. 먼 저 메탄이 연소되면 물과 이산화탄소 밖에 생기지 않고 또 이산화탄소의 발생비율도 다른 화석연료에 비해 매우 낮지만, 시추과정 에서 메탄이 연소되지 않고 공중에 그대로 방출되면 이산화탄소보다 10배나 더 심각한 온실효과를 일으킬 수 있다고 합니다. 따라 서 메탄 하이드레이트를 이용하기 위해서는 시추과정에서 어떻게 메탄의 방출을 막을 것인가라는 기술적 문제를 해결해야합니다.

또한 국내 메탄 하이드레이트 응용기술 연구를 담당할 인적 자원의 부족과 미흡한 정부 지원 등도 앞으로 해결해야 할 과제입니다.

[티스토리] 차세대 자원 가스 하이드레이트! 왜 주목받는가?

[한국전력공사 블로그] 굿모닝 KEPCO!

메탄 하이드레이트는 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. 메탄 하이드레이트는 우리나라 독도 해저에 방대한 양이 매장되어있다.

그러나 메탄 하이드레이트를 채굴하여 에너지로 사용하는 데 제약이 많다. 메탄 하이드레이트를 에너지원으로 사용하기 위한 채굴 방안은 없을까? 메탄 하이드레이트에 대해 알아보고 이에 따른 첨단 과학 채굴 기술을 생각해보자.

메탄 하이드레이트는 무엇일까?

메탄 하이드레이트는 무엇인가요?

깊은 바다에서 저온과 고압상태에서 천연가스가 물과 결합해 생긴 고체 에너지원입니다. 물분자간 수소 결합으로 형성되 며 메탄, 에탄, 프로판, 이산화탄소 등 가스 분자가 물리적으로 결합된 상태입니다. 메탄이 90%이상 인 것이 특징입니다.

깊은 바다에서는 얼음으로 존재하지만 높은 온도나 높은 압력 상태에서는 물과 가스가 분리되어 불을 붙이면 타오르는 얼 음입니다. 이처럼 불에 타는 성질이 있어 ‘불타는 얼음’이라고도 불립니다.

메탄 하이드레이트는 어디에 있나요?

지구에는 총 250조라는 어마어마한 양이 매장되어 있는 것으로 추정됩니다. 이 양은 인류가 5천년동안 쓸 수 있습니다. 우 리나라에는 동해 주위에 6조에 달하는 양이 매장되어 있는 것으로 추정됩니다. 이 양은 연간 천연가스 소비량이 100배에 달하며 국내 가스 소비량의 30년분의 양이며 150조원이 넘는 자원입니다. 주로 저온 고압의 퇴적층에서 생성되며 알래스 카나 시베리아와 같은 석유, 천연가스 저류층이나 석탄층과 같은 인접된 지역에 많이 발견됩니다. 러시아, 캐나다 등 영구 동토나 심해저에 많이 분포해 있습니다. 우리나라의 경우 특히 독도 주변에 많은 매장량이 있다고 합니다.

메탄 하이드레이트는 어떻게 찾아낼까요?

메탄 하이드레이트 탐사방법은 지질·지화학적 탐사, 지구물리 탐사, 지구물리검층 등의 방법이 있습니다. 지질·지화학적 탐사는 퇴적물과 해수를 채취해 분석하거나 잠수정에 카메라를 이용해 해저지형을 확인하는 간접적인 방법입니다. 이 분 석을 통해 형성이나 가스의 기원을 파악할 수 있습니다. 지구물리 탐사는 하이드레이트의 물리적, 음향학적 특성을 이용한 방법입니다. 지구물리검층은 시추할 때나 시추 후에 지층에 대한 여러 물성 등을 연속적으로 측정하는 방법입니다. 검층장 비를 시추공에 투입하여 전기적, 음향학적, 방사성, 전자기 등의 발생원을 통해 수신된 정보를 해석합니다.

메탄 하이드레이트가 주목받는 이유는 무엇인가요?

메탄 하이드레이트가 가장 각광받는 이유는 청정에너지라는 것입니다. 현재 쓰고 있는 화력(석유나 석탄)에너지는 공해를 배출하고 원자력 에너지는 발전소 주변 해수의 온도를 높인다거나 발전소에 문제가 생기면 위험성이 큽니다. 반면 메탄 하 이드레이트는 연소시킬 때 이산화탄소 발생량이 미미하다고 합니다. 또 기존 석유이용시설을 이용해 에너지원으로 사용할 수 있습니다. 부존량 또한 풍부하여 미래의 에너지원으로 탁월하다는 평가를 받고 있습니다.

메탄 하이드레이트는 메탄 분자 1개와 물 분자 20개가 결합하여 안정적인 구조로 존재한다. 메탄 하이드레이트를 스티로폼으로 만들어보자.

[준비물] 열선 커터기 1개, 109.5°, 104.5° 각도틀 1set, 스티로폼 구(F35mm/30개, F25mm/50개), 우드락용 풀 1개, 이쑤시개 1통

[단계1]

스트로폼 구를 각도틀에 넣고 제단하여 분자모형을 만드는 방법을 익힌다. 스티로폼 구를 아래와 같이 원형구멍 이 있는 판에 놓고 열선 컷터기로 나무판을 긁듯이 자른다.

[단계2]

두 가지 각도틀에 잘린 부분을 바짝 붙인 다음 원형 구멍 나무판위에 올려놓고 다시 아래를 긁듯이 자른다.

[단계3]

산소는 4개 중 두 개가 비공유전자쌍으로 많은 공간 을 차지하기 때문에 104.5°로 자른다. 산소는 노란색 구로 사용 하고 수소는 녹색 구를 반으로 잘라 사용한다.

[단계4]

탄소는 결합손이 4개 있어서 가장 멀리 떨어지는 각 인 109.5°로 자른다. 자를 때 면들이 잘 퍼질 수 있도록 주의해 서 자른다. 수소를 반으로 잘라 붙여준다.

각자 만든 메탄 하이드레이트 분자 모형을 친구들과 비교해보자!

활동 1 메탄 하이드레이트, 모형으로 만들어보자

출처: 계통진화유전체학연구소

메탄(Methane, CH

₄

)

탄화수소 화합물 중 CnH2n+2의 일반식을 갖는 화합물을 알케인 화합물, 파라핀계탄화수소, 메 탄계탄화수소라고 하는데, 메테인(메탄)은 일반식에서 n=1에 해당하는 가장 간단한 알케인 화합 물로 도시가스(액화천연가스, LNG)의 주성분이다. 메테인은 무색 무취의 가연성 기체로서, 메테 인의 중심 원자인 탄소 원자가 정사면체의 중심에 있고 각 꼭짓점에 4개의 수소 원자가 있는 정 사면체형의 3차원 구조이며, 결합각은 109.5°로 일정하다.

출처 : 네이버 지식백과 - 메테인 [methane] (두산백과)

물(Water, H

₂

O)

물 분자의 구조

물 분자는 한 개의 산소와 두 개의 수소 원자로 구성되어 있다. 산소 원자와 수소 원자는 각각 공유 결합을 하는데 산소 원자가 전자를 당기는 힘이 더 강하다. 이러한 전기 음성도의 차이와 굽은형 구조의 특징에 의해 극성을 띠게 되는 것이다. O-H의 공유 결합 길이보다 수소 결합길 이가 더 긴 것은 수소 결합력이 공유 결합력의 1/10 정도로 약하기 때문이다. 그러나 공유 결합 이 분자 내 결합임을 고려하면 수소 결합이 상당히 강한 분자 결합임을 알 수 있다.

메탄 하이드레이트의 화학적 탐구

상태 무색기체

밀도 0.717g/L(0℃, 1atm) 녹는점 -182.5℃

끓는점 -164℃

비중 0.555(공기: 1) 화학식 CH4

분자량 16.04g/mol 용해도 22.7mg/L

분자식 H2O 분자량 18.02g/mol

상태 무색액체 밀도 1.0g/cm³ (4℃) 녹는점 0.00℃

끓는점 100.00℃(1atm)

수소 결합으로 인해 생기는 특성

① 분자간의 수소 결합에 의해 끓는점과 녹는점이 높다.

물의 끓는점은 1기압에서 100°C로, 분자의 상대적 질량이나 구조가 비슷한 다른 물질에 비해 매우 높다. 액체 상태의 물질이 기화 되기 위해서는 물질을 이루는 분자들 사이의 결합을 끊어 주어야 하는데, 이 때 분자들 사이의 결합이 강할수록 더 많은 에너지가 필요하다. 따라서 분자들 사이에 작용하는 인력이 강할수록 끓는점이 높아지게 된다. 물의 끓는점이 다른 물질의 끓는점보다 높은 것도 물 분자 사이에 작용하는 인력이 다른 물질보다 강하기 때문이다.

② 비열이 커서 온도의 변화가 느리다.

물에 에너지가 공급되면 수소 결합이 조금씩 끊어지면서 분자들의 운동 상태가 변한다. 금속은 쉽게 뜨거워지고 빨리 식지만 물은 물자 사이의 강한 수소 결합에 의해 열을 흡수하여도 쉽게 뜨거워지지 않고, 열을 방출하여도 쉽게 식지 않는다.

(예) • 바닷가에서 낮에는 해풍, 밤에는 육풍이 분다.

• 외부 기온이 급격히 변화되어도 생물의 체온이 일정하게 유지 • 자동차의 엔진, 기계 등을 냉각시키는 데 냉각수로 사용

• 호수나 바다를 접한 도시는 물의 온도 변화가 적기 때문에 여름철에는 시원하고 겨울철에는 따뜻하다.

• 해안지방은 내륙지방보다 기온의 일교차가 작다.

③ 얼면 부피가 증가한다.

얼음과 물의 부피 → 같은 질량일 경우 : 물 < 얼음

물이 얼 때 부피 증가 원인 → 물은 분자들이 무질서하지만 얼음은 분자들이 육각형 구조를 이루게 되어 공간적 배열이 다르게 된 다.(물 분자사이의 수소 결합이 일부 끊어짐) → (수소 결합의 수 : 물분자 < 얼음 분자)

물의 구조 얼음의 구조(빈 공간이 많다)

출처 : 네이버 지식백과 - 물의 구조

C

60

플러렌의 구조

다이아몬드나 흑연과 같은 탄소 동소체. 화학식은 보통 C₆₀이며, 다른 탄소 동소체와는 달리 분자성 물질이다. 풀러렌의 가장 일 반적인 형태인 C60은 특히 ‘버크민스터풀러렌(buckminsterfullerene)’이라고 부르는데, 오각형 12개와 육각형 20개로 이루어진 축 구공 모양(깎은 정이십면체)을 띄고 있다. 이는 풀러렌과 비슷하게 생긴 지오데식 돔을 지은 미국의 건축가 버크민스터 풀러 (Buckminster Fuller)의 이름에서 유래했다.

플러렌(C₆₀)의 구조 플러렌 결정

출처 : 나무위키 - 플러렌

지도자료

1. 물의 정의

물의 성질

1) 물의 성분 원소

물은 수소(H)와 산소(O)로 구성되어 있다.

2) 물의 전기 분해

전기분해를 통해 물의 구성 물질 확인

물을 전기 분해하면 수소와 산소가 2 : 1의 부피비로 생성된다.

(1) 직류 전원을 사용한다.

(2) 순수한 증류수는 전류가 흐르지 않으므로 약간의 전해질을 넣어준다.

다음과 같은 양이온과 음이온으로 구성된 전해질이 가능하다.

양이온 : 반응성이 H+보다 큰 금속 양이온 → (-)극에서 2H2(g) 발생

→ Cu²⁺, Ag⁺ 등은 각각 Cu, Ag 등이 석출된다.

음이온 : 반응성이 OH-보다 큰 비금속 음이온 → (-)극에서 O2(g) 발생

→ SO₄^2-, NO^3-, CO₃^2-, F^- 등 사용 가능

→ Cl^-, Br^-, I^- 등은 각각 Cl2(g), Br2(g), I2(g) 등이 발생된다.

(3) 전극에서의 반응은 다음과 같다.

(+)극 : 2H2O → O2 + 4H+ + 4e-(산화, 산성) (-)극 : 4H₂O + 4e- → 2H₂ + 4OH-(환원, 염기성) 전체반응 : 2H2O(l) → 2H2(g) + O2(g)

부피비 : H₂(g) : O₂(g) = 2 : 1

(4) 양 전극에서의 반응을 정리하면 다음과 같다.

3) 수소

(1) 모든 물질 중 가장 가벼운 기체 (2) 폭발적으로 연소하고 연소열이 크다.

(3) 수소 저장 합금으로 보관 (4) 관측용 기구, 비행선 등에 이용

4) 산소

(1) 동식물의 호흡

(2) 물질의 연소에 이용된다.

(3) 반응성이 매우 크다.

5) 물의 합성

전기분해의 역반응으로 수소를 공기 중에서 연소하면 물이 생성된다.

2H₂ + O₂ → 2H₂O

1) 물 분자의 구조

물 분자는 한 개의 산소와 두 개의 수소 원 자로 구성되어 있다. 산소 원자와 수소 원 자는 각각 공유 결합을 하는데 산소 원자 가 전자를 당기는 힘이 더 강하다. 이러한 전기 음성도의 차이와 굽은형 구조의 특징 에 의해 극성을 띠게 되는 것이다.

O-H의 공유 결합 길이보다 수소 결합길이 가 더 긴 것은 수소 결합력이 공유 결합력 의 정도로 약하기 때문이다.

그러나 공유 결합이 분자 내 결합임을 고려하면 수소 결합이 상당히 강한 분자 결합임을 알 수 있다.

2) 물의 특성

(1) F, O, N와 공유결합하고 있는 H원자가 다른 분자 중에 있는 F, O, N의 강한 전기 음성도에 의해 끌리 어 이루어지는 결합

• F, O, N쪽의 (-)전하와 H쪽의 (+)전하 사이의 정전기적 인력이 작용

• 수소결합은 분자량이 비슷한 다른 분자들 사이의 인력에 비해 강한 결합이다.

(2) 수소 결합을 하는 물질

① 전기 음성도가 큰 F, O, N의 수소 화합물.

(예) HF, H2O, NH3

② -COOH를 갖는 화합물.

(예) 아세트산(CH3COOH)

③ -OH를 갖는 화합물.

(예) 에탄올(C2H5OH)

2. 확장 개념

물에 잘 용해되는 물질

• 이온성 물질 : 양이온과 음이온의 정전기적 인력에 의한 결합 (예) NaCl

• 분자성 극성 물질 : 분자성 물질 중에서 분자가 부분적인 전하를 띠고 있는 물질(물에 녹으면 양이온과 음이온으로 나누어 진다.)

(예) HCl, NH₃, H₂O

• 분자성 물질 중 수소결합을 하는 물질 (예) CH₃COOH, C₂H₅OH

물에 잘 용해되지 않는 물질

• 무극성 물질 : 분자내의 전하가 골고루 분포되어 있는 물질 (예) H₂, O₂, N₂

• 앙금이 되는 물질

4) 수소 결합으로 인해 생기는 특성

① 분자간의 수소 결합에 의해 끓는점과 녹는점이 높다.

물의 끓는점은 1기압에서 100°C로, 분자의 상대적 질량이나 구조가 비슷한 다른 물질에 비해 매우 높다. 액 체 상태의 물질이 기화되기 위해서는 물질을 이루는 분자들 사이의 결합을 끊어 주어야 하는데, 이 때 분 자들 사이의 결합이 강할수록 더 많은 에너지가 필요하다. 따라서 분자들 사이에 작용하는 인력이 강할수 록 끓는점이 높아지게 된다. 물의 끓는점이 다른 물질의 끓는점보다 높은 것도 물 분자 사이에 작용하는 인력이 다른 물질보다 강하기 때문이다.

② 비열이 커서 온도의 변화가 느리다.

물에 에너지가 공급되면 수소 결합이 조금씩 끊어지면서 분자들의 운동 상태가 변한다. 금속은 쉽게 뜨거 워지고 빨리 식지만 물은 물자 사이의 강한 수소 결합에 의해 열을 흡수하여도 쉽게 뜨거워지지 않고, 열 을 방출하여도 쉽게 식지 않는다.

• 바닷가에서 낮에는 해풍, 밤에는 육풍이 분다.

• 외부 기온이 급격히 변화되어도 생물의 체온이 일정하게 유지

• 자동차의 엔진, 기계 등을 냉각시키는 데 냉각수로 사용

• 호수나 바다를 접한 도시는 물의 온도 변화가 적기 때문에 여름철에는 시원하고 겨울철에는 따뜻하다.

• 해안지방은 내륙지방보다 기온의 일교차가 작다.

③ 얼면 부피가 증가한다.

얼음과 물의 부피 → 같은 질량일 경우 : 물 < 얼음

물이 얼 때 부피 증가 원인 → 물은 분자들이 무질서하지만 얼음은 분자들이 육각형 구조를 이루게 되어 공간적 배열이 다르게 된다.

(물 분자사이의 수소 결합이 일부 끊어짐) → (수소 결합의 수 : 물분자 < 얼음 분자)

5) 물의 온도 변화와 밀도 변화

0°C의 얼음 → 0°C의 물 : 밀도가 급격히 커진다.

수소 결합의 일부가 끊어져서 빈 공간이 줄어 부피가 작아 지므로 0°C의 물 → 4°C의 물 : 밀도 계속 증가(4°C에서 밀도 최고)

얼음이 녹아서 같은 온도의 물이 되면 얼음의 육각형 구조의 일부가 끊어져 비어 있는 공간을 채우게 되므 로 부피는 줄어들고 밀도는 증가함.

4℃ 이후 : 밀도 감소

물 분자 운동이 활발해져 부피 증가

(예) 물의 수소 결합으로 인한 밀도 변화 때문에 나타나는 현상

• 빙산이 바다 위에서 떠다닌다.

• 추운 겨울에 호수의 위쪽부터 얼음이 언다.

• 추운 겨울에 수도관 속의 물이 얼어 수도관이 파열된다.

6) 물의 표면 장력

액체 표면의 분자가 표면적을 최소화하려고 하는 힘. 물방울이 동그란 모양인 것은 구형의 형태가 표면적 이 최소이기 때문이다.

메탄 하이드레이트의 성질을 토대로 독도 해저에 매장된 메탄 하이드레이트를 채굴하기 위한 기초 조사를 모둠별 로 준비해보자.

채굴기지 (출처:http://blog.skenergy.com/317)

(모둠별로 메탄 하이드레이트 채굴을 위한 자료를 인터넷을 통해 조사할 수 있도록 지도한다.) [메탄 하이드레이트 채굴 관련 정보 사이트]

① 불타는 얼음 정말 불래나 http://dl.dongascience.com/magazine/view/S201205N034

② 해양플랜트 http://www.kidd.co.kr/news/176060

③ 불타는 얼음이 미래의 석유될까 http://www.dokdocenter.org/dokdo_news/index.cgi?action=detail&number=7783&thread=25r01

④ 동해 천연가스 매장 http://news.mk.co.kr/newsReadPrint.php?year=2008&no=487651

⑤ 채굴 영상 https://www.youtube.com/watch?v=PVyTVtMmp-M

⑥ 자연현상 원리 원천기술 http://news.hankyung.com/industry/2014/10/27/2014102756227

⑦ 메탄 하이드레이트 부존 위치 http://bbs.moneta.co.kr/N00802/15393361/stock/1/2/1/menu_debate

활동 2 메탄 하이드레이트 채굴 준비하기

독도를 둘러싼, 한·일간 한 치의 양보도 없는 다툼은 오늘도 계속되고 있습니다. 사실 독도가 우리나라 영토라는 것은 그 누구도 부정할 수 없는 현실인데, 어째서 독도를 그리 탐내는 것일까요? 과연 독도의 그 ‘무엇’이 이 다툼을 지속시키고 있는지 살펴볼까 요?

출처 : 티스토리 - 우리땅 독도 왜그리 탐내는거야?

독도, 보석같은 섬!

첫 번째, 독도가 숨겨 놓은 보물-하이드레이트!

일본 정부는 오래 전부터 독도를 호시탐탐 노리고 있었습니다. 이는 무엇보다도 독도의 경제적 가치 때문인데요. 유승훈 호서대 해

잡학상식 우리땅 독도, 탐낼 수 밖에 없는 이유!

두 번째, 독도 주변의 바다는 ‘황금어장’!

북쪽에서 내려오는 북한 한류와 남쪽에서 올라오는 대마난류가 교차하는 독도 주변의 해역에는 황금 어장이라 불릴 만큼의 좋은 어장이 형성되어 있습니다. 이 어장에는 연어, 송어, 대구, 꽁치, 오징어, 명태 등 회유성 어족(큰 무리를 지어 주기적으로 이동하 면서 사는 물고기 종류)이 풍부하며, 독도 해저 암초에는 다시마, 미역, 소리, 전복과 함께 다양한 해조류도 서식하고 있습니다. 따 라서, 독도를 넘겨준다는 것은 곧 독도 인근 해역의 황금 어장 및 그 어장의 많은 해양 생물들도 함께 놓치게 되는 것이나 다름이 없죠.

해양생물적 가치 군사적 가치 지질학적 가치

출처 : 티스토리 - 우리땅 독도 왜그리 탐내는거야?

세 번째, 독도의 군사적 가치!

독도는 태평양을 향한 해군 교두보일 뿐 아니라 유사시에 군사 요충지 역할도 가능하기 때문에 그 군사적 가치는 말할 것 없이 중 요한데요. 일본의 경우, 지난 1905년 러·일 전쟁 때 독도에 망루를 설치하여 군사적 기지로 사용하기도 했다고 합니다. 일본이 과 저 독도를 군사적 요충지로 사용했다면, 우리나라는 현재 독도에 고성능 방공레이더 기지를 설치하여 전략적 기지로 사용하고 있 습니다. 이를 통해 우리 정부가 군사정보를 얻는데 매우 요긴하게 활용되고 있죠.

네 번째, 독도는 세계지질의 역사를 담고 있다!

세계적인 지질유적이라고 불리는 독도. 그 이유는 바로 독도의 형성과정에 숨어있습니다. 독도는 해저의 지각활동으로 인해 솟구 친 용암이 오랜 세월을 거쳐 굳어지면서 생긴 일종의 ‘해산’입니다. 보통 이런 해저산이 수면 위로 올라오는 경우는 흔한 경우가 아 니기 때문에, 해저산의 생성과정을 볼 수 있다는 데에 그 의의가 있습니다. 또한 해저에서 솟구쳐 올라왔기 때문에 해저 밑바닥의 암석들이 쌓여 있을 텐데요. 이는 독도가 ‘암석학의 보고’라고 불리는 이유이기도 합니다.

출처 : 티스토리 - 우리땅 독도 왜그리 탐내는거야?_국가과학기술위원회 기자 정희엽

수업주제 나는야, 메탄 하이드레이트를 채굴하는 기술자 학교급

^고등학교

차시

^{2, 3차시}

교육목표

독도 해저에 매장된 메탄 하이드레이트를 안전하게 채굴하기 위한 방법을 고안하고, Core Sampling과 Cartesian Diver를 이용한 채굴 방법에 대해 이해하고 그 원리를 설명할 수 있다. 더불어 우리나라 독도 해저에 매장되어 있 는 가스 하이드레이트가 과학적 측면에서의 독도의 중요성에 대해 주장할 수 있는 능력을 기를 수 있다.

STEAM 요소

S, T, E, A

관련교과

통합과학, 기술, 통합사회, 한국사, 국어

2015 개정 교육과정

연계

통합 과학

(내용요소) (1) 물질의 규칙성과 결합

(성취기준) [10통과01-04] 지구와 생명체를 구성하는 주요 원소들이 결합을 형성하는 이유와, 원소들 의 성질에 따라 형성되는 결합의 종류를 추론할 수 있다.

[10통과01-05] 인류의 생존에 필수적인 산소, 물, 소금 등이 만들어지는 결합의 차이를 알 고, 각 화합물의 성질을 비교할 수 있다.

(내용요소) (2) 자연의 구성 물질

(성취기준) [10통과02-01] 지각과 생명체를 구성하는 다양한 광물과 탄소 화합물은 특정한 규칙에 따 라 결합되어 만들어진다는 것을 논증할 수 있다.

(내용요소) (6) 화학 변화

(성취기준) [10통과06-01] 지구와 생명의 역사에 큰 변화를 가져온 광합성, 화석 연료 사용, 철기 시대 를 가져 온 철의 제련 등의 공통점을 찾을 수 있다.

(내용요소) (9) 발전과 신재생 에너지

(성취기준) [10통과09-01] 화석 연료, 핵에너지 등을 가정이나 산업에서 사용하는 전기 에너지로 전환 하는 과정을 분석할 수 있다.

[10통과09-02] 발전소에서 가정 및 사업장까지의 원거리 전력 수송 과정에 대해 이해하고, 전략의 효율적이고 안전한 수송 방안을 토의할 수 있다.

[10통과09-05] 인류 문명의 지속가능한 발전을 위한 신재생 에너지 기술 개발의 필요성과 파력 발전, 조력 발전, 연료 전지 등을 정성적으로 이해하과, 에너지 문제를 해결하기 위한 현대 과학의 노력과 산물을 예시할 수 있다.

기술

(내용요소) (4) 기술 시스템

(성취기준) [12기가04-01] 기술의 발달에 따라 개량되거나 만들어진 제품을 통해, 최신 기술의 활용과 발전 방향을 예측하여 발표한다.

[12기가04-02] 첨단 제조 기술이 산업의 발달과 우리 생활에 미치는 영향과 미래에 활용 가능한 기술의 분야에 대하여 예측하고 전망한다.

[12기가04-03] 첨단 건설 기술의 핵심 기술과 동향을 파악하며, 건설 기술에서 활용되고 있는 재난 예방과 관련된 예를 조사하여 발표한다.

차시별 교수학습 지도안(2-3/3)

2015 개정 교육과정

연계

한국사

(내용요소) (5) 국제 질서의 변동과 근대 국가 수립 운동

(성취기준) [10한사05-04] 독도가 우리의 영토임을 역사적 연원을 통해 증명하고, 일제에 의해 이루어 진 독도 불법 편입 과정의 문제점과 간도 협약의 부당성을 이해한다.

(내용요소) (7) 대한민국의 발전과 현대 세계의 변화

(성취기준) [10한사07-05] 동북아시아의 역사 갈등, 과거사 문제 등을 탐구하여 올바른 해결 방안을 모 색하고, 일본의 독도 영유권 주장을 논리적으로 반박한다.

국어

(내용요소) (1) 듣기·말하기

(성취기준) [10국01-01] 개인이나 집단에 따라 듣기와 말하기의 방법이 다양함을 이해하고 듣기·말하 기 활동을 한다.

[10국01-03] 논제에 따라 쟁점별로 논증을 구성하여 토론에 참여한다.

[10국01-04] 협상에서 서로 만족할 만한 대안을 탐색하여 의사 결정을 한다.

[10국01-05] 의사소통 과정을 점검하고 조정하며 듣고 말한다.

(내용요소) (2) 읽기

(성취기준) [10국02-01] 읽기는 읽기를 통해 서로 영향을 주고받으며 소통하는 사회적 상호 작용임을 이해하고 글을 읽는다.

[10국02-03] 삶의 문제에 대한 해결 방안이나 필자의 생각에 대한 대안을 찾으며 읽는다.

[10국02-04] 읽기 목적을 고려하여 자신의 읽기 방법을 점검하고 조정하며 읽는다.

[10국02-05] 자신의 진로나 관심사와 관련된 글을 자발적으로 찾아 읽는 태도를 지닌다.

(내용요소) (3) 쓰기

(성취기준) [10국03-01] 쓰기는 의미를 구성하여 소통하는 사회적 상호 작용임을 이해하고 글을 쓴다.

[10국03-02] 주제, 독자에 대한 분석을 바탕으로 타당한 근거를 들어 설득하는 글을 쓴다.

[10국03-03] 자신의 경험과 성찰을 담아 정서를 표현하는 글을 쓴다.

[10국03-04] 쓰기 맥락을 고려하여 쓰기 과정을 점검·조정하며 글을 고쳐 쓴다.

[10국03-05] 글이 독자와 사회에 끼치는 영향을 고려하여 책임감 있게 글을 쓰는 태도를 지닌다.

준비물

Core Sampling 활동 재료 (어두운색 모래 1kg, 밝은색 모래 1kg, 흙 1kg, 점토 1kg, 작은 알갱이 자갈 1kg, 학생별 자, 모둠별 물뿌리개(분무기), 모둠별 플라스틱 숟가락, 학생별 플라스틱 컵, 학생별 플 라스틱 빨대 10개씩)

Cartesian Diver 활동 재료 (고리가 달린 추, 나무젓가락, 빨대, 수수깡, 일회용 스포이드, 페트병, 자석, 클립, 낚 시 바늘, 스티로폼, 볼트와 너트, 폼보드, PVC 파이프, PVC 튜브, 테이프, 접착제, 글 루건, 가위, 칼, 송곳 채색도구 등 )

흐름 시간 교수-학생 활동 비고

도입 5분

▶영화 ‘7광구’

- 영화 ‘7광구’를 보고 해저에 매장된 에너지원을 채굴하기 위한 과정과 방법에 대해 생각한다.

- 독도 해저에 매장된 메탄 하이드레이트를 채굴하기 위한 방법은 무엇이 있는지 궁금 증을 유발하고 고안한다.

[참고] 영화 ‘7광구’ 동영상을 시청한다.

[참고①]

영화 [7광구]

동영상

전개

35분

▶1^st Step++Core Sampling

- 메탄 하이드레이트를 채굴하기 전, 지질 내의 구성과 메탄 하이드레이트의 위치를 찾기 위한 방법에 대해 알아본다.

- 채굴 방법 중 첫 번째 단계인 Core Sampling에 대해 설명한다.

- 활동을 통해 형성한 지구의 지각물질을 확인해보고 다른 사람의 지각물질도 확인하 여 무엇으로 구성되어있는지 대답하고 방법과 원리에 대해 설명한다.

[참고②]

메탄 하이드레이트 채취와 문제점

동영상

35분

▶2^nd Step++Cartesian Diver

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

- 독도에서 해저에서 해수면까지 메탄 하이드레이트를 안전하게 채굴하는 장치와 방 법에 대해 생각한다.

- 독도의 심해는 [물이 가득 담긴 플라스틱 페트병]으로 메탄 하이드레이트는 바닥에 가라앉아 있는 [고리가 달린 추]로 가정한다.

- 4명씩 팀을 구성하여 메탄 하이드레이트 채굴 장치와 방법에 대해 토의하고 창의적 이고 현실적으로 설계한다.

- 채굴 장치 제작을 위한 다양한 재료를 준비하여 창의적인 채굴 장치를 제작할 수 있 도록 제공한다.

- 제작한 채굴 장치를 활용하여 [고리가 달린 추]를 모둠별로 채굴하고 가장 독창적이 고 효과적인 장치를 개발한 팀을 평가한다.

- 고안하고 제작한 메탄 하이드레이트 채굴 장치와 방법에 대한 특징을 요약·정리하 여 발표한다.

[참고③]

Caresian Diver 동영상

[참고4]

Making Caresian Diver 동영상

[참고5]

Hook Challenge

동영상

10분

▶독도가 품고 있는 미래

- 기사를 읽고 우리나라 독도의 해저에 매장된 메탄 하이드레이트의 과학적 가치에 대 해 생각한다.

- 메탄 하이드레이트가 지닌 과학적 가치를 이해하고 우리나라 독도의 중요성에 대해 발표문을 작성하고 주장한다.

구분 명칭 형식 사이트 주소

참고① 영화 ‘7광구’ full(1:41:10) 동영상 https://www.youtube.com/watch?v=x3ORHs8dakM&list=PLKm12yO4J 4ljSExpXOViC2HWxw0wRxWXy

참고② 메탄 하이드레이트 채취와 문제점 동영상 https://www.youtube.com/watch?v=Ow8aTCaglcc 참고③ Caresian Diver 동영상 https://www.youtube.com/watch?v=F50IOoJwTSQ 참고④ Making Caresian Diver 동영상 https://www.youtube.com/watch?v=s5eIRjmor1w 참고⑤ Hook Challenge 동영상 https://www.youtube.com/watch?v=LTIbuNUQpdg

명칭 형태 출처 정보

영화‘7광구’ 내용 https://namu.wiki/w/7%EA%B4%91%EA%B5%AC(%EC%98%81%ED%99%94) 카테시안 다이버 내용/사진 http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=2310951&cid=42419&categoryId=42419

Cartesian Diver 사진/영상

http://www.scubanet.kr/article/view.php?category=1&article=505 http://www.badanews.kr/?c=17&uid=333

https://www.youtube.com/watch?v=ngct-ryamDc

독도가 품고 있는 미래 내용/사진 http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1982594&cid=47340&categoryId=47340 Turmoil 석유 게임,

터모일 내용/사진 http://annunaki.tistory.com/192

https://www.youtube.com/watch?v=Z9EggXaw8qc 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 석유를 만드는 사람들 내용/사진 http://blog.skenergy.com/626

참고자료

출 처

생각해보기 영화‘7광구’

프로그램 내용

나는야, 메탄 하이드레이트를 채굴하는 기술자

학습 목표

해저 자원을 채굴하기 위한 다양한 방법 중 Core Sampling과 Cartesian Diver가 있음을 알고 그 원리를 설명할 수 있다.

메탄 하이드레이트를 안전하게 채굴하기 위한 방법을 설명하게 한다.

우리나라 독도 해저에 매장되어 있는 메탄 하이드레이트가 과학적 측면에서의 독도의 중요성에 대해 주장할 수 있다.

제주도 남단, 심해 2,500미터 그곳에 무언가 있다.

제주도 남단 7광구 망망대해에 1985년에 개장하다 2011년 재개장한 석 유 시추선 이클립스 호. 산유국 꿈에 부푼 대원들의 예상과는 달리 시추 작업은 번번히 실패로 끝나고 결국 본부로부터 철수 명령을 받는다.

철수를 위해 본부에서 베테랑 캡틴 정만(안성기)이 투입되고 오랜 시간 동안 공을 들인 7광구에 석유가 있다고 확신하는 해저 장비 매니저 해 준(하지원)은 본부의 일방적인 명령에 강하게 반발한다.

철수까지 주어진 시간은 한달. 해준과 대원들이 마지막 시추작업에 총 력을 가하던 어느 날 갑자기 본부와 통신이 끊기고 이클립스 호에는 이 상 기류가 흐르는데...

피할 수도 숨을 곳도 없는 7광구, 대적할 수 없는 놈과의 사투가 시작된 다!

출처 : 나무위키 - 7광구(영화)

활동 1 ¹

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Step++Core Sampling

독도 해저에 매장된 메탄 하이드레이트. 얼마나 깊이 매장되어 있으며 메탄 하이드레이트가 매장되어 있는 부분까 지는 무엇으로 덮여져 있을까? 메탄 하이드레이트를 채굴 전, 지질 내의 구성과 메탄 하이드레이트의 위치를 찾아 보자.

출처 : https://www.discovere.org

[준비물] 어두운색 모래 1kg, 밝은색 모래 1kg, 흙 1kg, 점토 1kg, 작은 알갱이 자갈 1kg, 학생별 자, 모둠별 물뿌리개(분무기), 모 둠별 플라스틱 숟가락, 학생별 플라스틱 컵, 학생별 플라스틱 빨대 10개씩(※지질을 구성할 다양한 재료를 추가하면 좋 음)

토양 등 물체의 구조에 파괴가 일어나지 않도록 원통을 토양에 삽입한 후 토양 시료를 채취한 것

[단계1] 1cm 정도 첫 번째 층을 구성할 지구의 지각물질(재료 중 1개)로 구성한다. 플라스틱 컵에 선택한 재료를 넣고 분무기 로 물을 뿌려 다져준다. 단, 물에 잠기게 하지 않도록 유의한다.

[단계2] 두 번째 층을 구성한 지구의 지각물질을 선택하여 단 계 1과 같은 방법으로 구성한다.

[단계3] 단계1, 2와 동일한 방법으로 세 번째, 네 번째 층을 구 성한다.

[단계4] 플라스틱 빨대를 이용하여 플라스틱 컵에 일자로 넣 는다.

[단계5] 플라스틱 빨대를 뽑아, 자신이 형성한 지구의 지각물 질의 층이 무엇으로 구성되었는지 확인한다.

[단계6] 다른 친구들이 형성한 지구의 지각물질은 어떤 층으 로 구성되어있는지 확인한다.

출처 : https://www.discovere.org

자신이 형성한 지구의 지각물질은 무엇으로 구성되어 있나요?

메탄 하이드레이트를 해저면에서 채취하는 상황이라면 해수면에서 해저까지 어떻게 하강할 수 있는지 다양한 방법 을 생각해보자.

동영상 시청(https://www.youtube.com/watch?v=F50IOoJwTSQ) 출처 : 바다뉴스, 스쿠버넷

[상황]

지금 여러분들은 독도 해저에 매장된 메탄 하이드레이트를 수면으로 채굴해야하는 도구와 방법을 연구하는 연구자이다. 4명씩 팀(모둠)을 구성하여 메탄 하이드레이트를 모두 채굴해야 한다. 독도의 해저를 [물이 가득 담긴 플라스틱 페트병]이라 가정하고 메탄 하이드레이트를 [고리가 달린 추]로 가 정하여 채굴 기술을 생각하고 설계해보자.

① 4명씩 팀을 구성하여 [물이 가득 담긴 플라스틱 페트병]의 바닥에 가라앉아 있는 [고리가 달린 추]

를 페트병 입구까지 들어올린다.

② [고리가 달린 추](메탄 하이드레이트)를 채굴하는 도구와 방법을 고안한다.

③ 단, [고리가 달린 추]를 직접적으로 손을 대서 운반할 수는 없다.

[물이 가득 담긴 플라스틱 페트병]

<가스 하이드레이트 대체 물질>

[준비물] 고리가 달린 추

<채굴도구 제작 재료 예시>

나무젓가락, 빨대, 수수깡, 일회용 스포이드, 페트병, 자석, 클립, 낚시 바늘, 스티로폼, 볼트와 너트, 폼보드, PVC 파이 프, PVC 튜브, 테이프, 접착제, 글루건, 가위, 칼, 송곳 채색도구 등

활동 2 ²

^nd

Step++Cartesian Diver

(학생들이 자신이 직접 만든 운반도구를 설명할 수 있도록 지도한다.)

[설계]

(학생들의 창의적이고 자유로운 생각을 표현하도록 지도한다.)

활동 3 독도가 품고 있는 미래

독도를 두고 상시적으로 긴장 상태를 반복하는 한국과 일본 사이에 새로운 경제적 이슈가 발생했다. 그것은 독도 해역에 매장된 꿈 의 에너지원과 관련된 이야기였다. 이야기의 시작은 이렇게 된다.

1997년 12월 러시아 과학원 소속 무기화학연구소에서 연구 중인 경상대 화학과의 백우현 교수는 연구소장 쿠즈네초프(Kuznetsov) 로부터 한국의 동해 바다 한 지점에 붉은색으로 하이드레이트 분포 추정 지역임을 분명히 표기하고 있는 지도를 선물로 받았다.

‘하이드레이트’란 메탄이 주성분인 천연가스가 얼음처럼 고체화된 상태로서, 기존 천연가스의 매장량보다 수십 배 많은 데다가 그 자체가 훌륭한 에너지 자원이면서도 석유의 매장 가능성을 알려주는 ‘지시 자원’이라고 볼 수 있다.

1998년 5월 백우현 교수가 러시아를 재방문했을 때 ‘동해에 관련된 하이드레이트의 자세한 정보’를 부탁하자, 쿠즈네초프 소장은 다음과 같은 의미 있는 답변을 했다고 한다. “우리 연구소 규칙상 공개할 수 없는 자료입니다. 그런데 일본이 동해의 독도 영유권을 끈질기게 주장하고 있다지요?” ‘지금까지 일본이 한국의 영토인 독도를 자기네들 땅이라고 우겨온 중요한 이유가 동해상의 풍부 한 해양 자원 확보를 염두에 둔 전략이라는 항간의 소문이 근거 있는 것임을 보여주는 대목’이기 때문이라고 지적한 것이다.

현재 하이드레이트의 개발 수준은 그 매장량이 막대함에도 개발 기술이 초보 단계이므로 러시아를 제외하고는 상업적 생산이 거의 이루어지지 않고 있다. 하지만 일본은 하이드레이트층에 대한 축척된 탐사 자료를 통해 1999년 11월에는 난카이 해구에서 시험 생 산 체계에 돌입했다. 우리나라도 이러한 상황에 발맞춰서 1998년에는 메탄 하이드레이트 부존 지역 파악을 위한 물리 탐사를 수행 하고 염화나트륨(NaCl) 3wt퍼센트 용액에서 메탄 하이드레이트 평형 조건을 규명했다. 또한 압력에 따른 메탄 하이드레이트 형성 시간을 규명하고 울산 해역에서의 메탄 하이드레이트 안정 영역을 확인했다. 그리고 탄성파 탐사 자료로부터 메탄 하이드레이트 부존 가능성을 확인했다.

1999년에는 다공질 매체(porous media)에서 메탄 하이드레이트 특성 규명을 위한 실험장치의 자체 제작에 성공, 2000~2004년에 는 산자부(현 지식경제부) R&D 센터 연구 과제로 수행(가스공사에서 연간 약 3.3억 원씩 투자) 중이다. 현재 해수면 아래 2,800미터 (수심 945미터, 해저하 1,855미터) 지점에서 메탄 하이드레이트가 함유된 사암층 표본을 채취했으며 2015~2020년쯤 생산이 가능 할 것으로 보인다.

이제 독도 영유권 분쟁이 단순한 역사적 영토 분쟁의 문제가 아니라 미래 에너지 자원을 확보하느냐 빼앗기느냐의 문제로까지 발 전한 것이다. 잠정적 추정에 의하면 이 지역의 하이드레이트 매장량은 약 6억 톤 정도로 알려져 있으며 이는 거의 무한하다고 할 만큼의 에너지원이 될 수 있다. 독도와 관련한 영유권 분쟁은 이제 완전히 다른 차원에서 검토되어야 할 필요가 있는 단계에 이르 렀다.

출처 : 네이버 지식백과-독도가 품고 있는 미래(청소년을 위한 미래과학 교과서-신재생에너지,김영사)

메탄 하이드레이트를 중심으로 독도의 과학적 가치와 우리나라 독도의 중요성에 대해 주장하는 글을 써보자.

(독도에 매장된 메탄 하이드레이트에 대한 정보와 메탄 하이드레이트의 과학적 가치를 연관시켜 독도가 우리 나라 땅이어야 하는 중요성에 대해 주장할 수 있도록 지도한다.)

카테시안 다이버[Cartesian Diver]

압력에 따라 용적이 변하는 작은 물체를 밀폐 유리 용기에 넣은 액체 속에 담그고, 외부 에서 압력을 적당히 가하면 작은 물체는 겉보기 밀도가 변하므로, 압력이 높으면 가라 앉고 압력이 낮으면 떠오른다. 이같은 작은 물체를 카테시안 다이버라 한다.

이 원리를 응용하면 세포 등 미소 생체의 호흡 작용 측정, 초미량 물질의 칭량 등을 감 도좋게 할 수 있다. 예를 들면 그림과 같은 수mm 정도의 길이인 유리제 다이버 안에 세 포와 공기를 넣어, 수산화나트륨 수용액과 오일을 봉액으로 사용하면, 호흡 작용에 의한 산소의 감소에 따라 다이버의 비중은 증대한다(이때 발생한 이산화탄소는 수산화나트륨 수용액에 흡수된다). 압력을 감소시켜 다이버가 항상 액체 중간에 멈추도록 해서 압력계 를 읽으면, 이 값에서 소비 산소량을 시시각각 추적할 수 있다.

출처 : 네이버 지식백과-카테시안 다이버[Cartesian diver](화학대사전, 2001. 5. 20., 세화)

카테시안 다이버 원리

잠수함의 기본 원리를 단순화한 실험이다. 잠수함을 뜨게 하는 것은 ‘부력’이다. 잠수함에는 ‘탱크’가 있어 바닷속을 오르내 릴 수 있다. 이 탱크 안에 바닷물을 채우면 무거워져 가라앉고, 반대로 물을 내보내고 압축 공기를 채우면 ‘부력’이 커져 떠 오르게 된다.

시험관(유리)은 물 속에서 가라앉는다. 그러나 시험관 속에 공기를 채우면 ‘부력’이 커져 떠오르게 된다. 병을 누르는 힘은 시험관 속의 공기를 압축하는 데 쓰인다. 뚜껑을 닫은 페트병을 누르면 병 전체에 압력이 고르게 전달되며 물이 시험관 속 의 공기를 압축하게 된다. 따라서 시험관 속 공기 밀도가 커지며 무거워지므로 부력이 작아져서 시험관은 내려오게 된다.

반대로 병을 누르던 손의 힘을 빼면 부력이 커지며 시험관이 떠오르게 된다. 페트병을 손으로 누르게 되면 병 내부에 압력 이 가해지게 됩니다.

병 내부의 구성은 물과 빨대안의 공기로 크게 나눌 수 있는데 액체인 물은 기체인 공기에 비하여 압축저항이 크기 때문(압 축이 잘안되기 때문)에 손으로 가한 압력은 대부분 빨대 속 공기에 전달되게 됩니다. 압축된 공기는 물속에서 차지하던 공 간이 가해진 압력에 의해 줄어들게 되어 그만큼 밀도가 커지게 되어 빨대와 클립 고무찰흙으로 만들어진 잠수함은 서서히 가라앉게 됩니다. 아래로 내려갈수록 더 많은 물이 잠수함을 누르게

되어 압력은 더욱 높아지고 잠수함은 더 빠르게 바닥으로 가라앉게 되는 것입니다

다시 페트병을 누르던 손을 떼면 물을 통해 공기에 전해지던 압력이 사라지고 공기는 원래의 부피로 회복, 밀도가 낮아져 잠수함은 다시 떠오르게 됩니다.

https://www.youtube.com/watch?v=ngct-ryamDc

출처 : 과학실험-전학년 페트병 속 미니잠수함 (창의와 꿈) |작성자 다움

지도자료

카테시안 다이버 추가 활동

https://www.youtube.com/watch?v=xFT-n6bdy8Q https://www.youtube.com/watch?v=VX83H4YUEyQ https://www.youtube.com/watch?v=CIxzMxBv-zY

http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0031-9120/42/5/004 https://www.youtube.com/watch?v=LTIbuNUQpdg

지도자료

Turmoil 석유 게임, 터모일 추가 활동

Turmoil(터모일)은 19세기 미국에서 일어난 오일 러쉬를 모티브로 한 게임으로 지하에 매장되어 있는 석유를 시추하여 돈을 버는 시뮬레이션 게임이다. 단순하게 보이지만, 석유를 시추하는 것뿐만 아니라 라이벌 회사들과 자산에 대해 경쟁하는 요 소가 있어 의외로 재미가 있다. 게임을 시작하면 플레이어는 거점이 되는 도시의 시청에서 시추할 장소를 정하고 시추권을 구입할 수 있다. 만약 다른 회사와 같은 곳을 선택하게 되면, 입찰가에 따라 경쟁을 해서 높은 금액을 제시한 쪽에 시추권 이 주어진다. 특정 장소에 석유가 얼마나 매장되어 있는지 모르기 때문에 무리해서 경합할 필요는 없는 것 같다.

시추할 장소가 정해지면 마을에서 마차를 끌고 출발하면 되며, 시추 기간은 6개월 정도, 실제 시간으로는 8분 정도이다. 현 장에 투자한 자금과 함께 시추권 구입 비용 이상을 벌어야 적자를 면할 수 있다. 만약 자금에 여유가 없으면, 은행에서 10%

의 이자로 돈을 빌릴 수 있다. 정해진 장소에 도착해 일정 비용을 들여 Dowser를 배치하면 시간은 걸리지만, 장치를 사용 하여 석유가 매장된 장소를 알려준다. 비용을 들이지 않고 직접 감으로 찾아낼 수도 있지만, 만약 석유가 없는 장소를 선택 하면 그만큼 비용을 낭비할 수 있다.

석유가 있는 장소를 찾고 시추기의 파이프에 석유가 연결되면, 자동으로 석유를 생산할 수 있으며, 저장 탱크에 석유가 쌓 이면 맵의 양쪽에 있는 회사에 팔면 된다. 두 회사에서 매입하는 금액은 시간에 따라 변하며, 매입 금액을 비교하여 가격이 적절하면 팔면 되고, 너무 낮은 가격이라면 저장고를 만들어 모아두면 된다. 시추할 수 있는 기간까지 이런 식으로 석유를

지도자료

생산하면 되고, 기간이 끝나면 집계 화면이 표시된다. 이때 저장 탱크에 있는 석유는 포함되지 않는다. 이렇게 석유를 통해 번 돈으로 다음 장소에서 더욱 효율적인 생산을 위해 시추기나 마차 등 필요한 도구들을 업그레이드할 수 있으며, 나중을 위해 초반에는 업그레이드에 자금을 투자해도 괜찮다.

시추할 장소를 찾을 때 Dowser를 사용하는 것이 좋다. 다른 방식보다 초반에 석유를 찾아내는데 용이하며, 실수로 인한 비 용을 절감할 수 있다. 자금이 필요할 때는 은행을 이용하는 것이 좋으며, oilwell에 정기적으로 오는 2~3 마차가 있는지 확 인해야 한다.

가격은 $9.99달러이며, 용량은 230MB 정도이다. 한글은 지원하지 않는다.

출처 : 얼리 엑세스 트레일러 영상(Turmoil Early Access Trailer) https://www.youtube.com/watch?v=Z9EggXaw8qc [게임 소개] 석유 시추 게임

지도자료

보충자료

독도와 가스 하이드레이트 위치

지리적 위치

•위치

•거리

울릉도에서 동남쪽으로 87.4km, 동해안의 죽변에서는 동쪽으로 216.8km 떨어져 있으며, 맑은 날 울릉도에서 독도를 볼 수 있다. 한 편 일본에서 독도와 가장 가까운 오카섬으로부터는 북서쪽으로 157.5km 떨어져 있어, 오키섬에서는 독도를 볼 수 없다.

•독도를 기점으로 주요항간의 거리

주요항 울릉도 동해 죽변-울릉 죽변 포항 부산 오키섬

거리km 87.4 243.8 130.3 216.8 258.3 348.4 157.5

보충자료

크기와 면적

•섬의 구성

화산활동에 의해 생성된 독도는 하나의 섬이 아니라, 동도와 서도 2개의 큰 섬과 주위에 89개의 부속도서로 이루어져 있으 며, 동도와 서도간 최단거리는 저조시를 기준으로 151m 떨어져 있다.

•면적

총 면적은 187.554m²에 달하며, 동도 73.297m², 부속도 25.517m²이며, 대한민국 정부 소유의 국유지(관리청: 해양수산부) 이다.

동도

동남쪽에 위치한 동도는 유인등래를 비롯하여 대부분의 해 양수산시설이 설치되어 있으며, 높이는 98.6m, 둘레 2.8km, 면적 73.297m²로 장축은 북북동 방향으로 약 450m에 걸쳐

가스 하이드레이트 매장 위치

독도의 지형과 보유자원

출처 : 독도 소개 - 독도 바로 알기

직업정보 보충자료

출처 : 매일경제

출처 : 동아사이언스