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교육 과정

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Academic year: 2022

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(1)

교육 과정

⑹ 물의 상태 변화

㈎ 물의 상태 변화를 설명할 수 있다.

㈏ 물과 얼음의 상태 변화에서 무게와 부피의 변화가 어떠한지 설명할 수 있다.

㈐ 주위에서 일어나는 상태 변화의 예와 이를 이용하는 경우를 열거할 수 있다.

[탐구 활동]

㈎ 물의 상태 변화 관찰하기

㈏ 물과 얼음의 상태 변화에서 무게와 부피 비교하기

㈐ 수돗물의 사용량을 조사하고 물을 아껴 쓰는 방법 토의하기

단원의 개관

이 단원은 개정 교육과정의 4학년 1학기 ‘(4) 모습을 바꾸는 물’에 해당하는 단원으로 3학년 1학기의 ‘우리 생활과 물질’ 단원과 3학년 2학과 ‘액체와 기체의 부피’ 단원에서 학습한 것을 바탕으로 한다. 이 단원에서는 물의 중요성과 상태 변화를 알아보고, 이런 상태 변화가 우리 생활과 어떤 관계가 있는지 알아본다. 이를 위해, 이 단원의 활동은 가장 먼저 물의 중요성을 살펴보고, 상태 변화에 따른 모습, 무게, 부피의 변화를 살펴보면서 이런 변화가 우리 생활과 어떤 관계가 있는지를 찾아보는 활동으로 구성되어 있다. 상태 변화의 경우, 학생들이 직관적 으로 이해하기 쉬운 물과 얼음 간의 변화를 관찰하고, 눈에 보이지 않는 기체인 수증기와 물의 변화에 대해 관찰하도록 구성되어 있다.

단원의 학습 계열

선수 학습 이 단원의 학습 후속 학습

“우리 생활과 물질(3-1)” “액체와 기체의 부피(3-2)” “모습을 바꾸는 물” “용해와 용액(5-1)”

․물체와 물질

․다양하게 쓰이는 물질

․물질의 상태

․액체의 부피 측정

․부피와 무게를 가지는 기체

․우리 생활과 물

․물과 얼음(상태 변화 시 모습, 무게, 부피 비교)

․물과 수증기(상태 변화 시 모습, 부피 비교)

․용매에 따른 물질의 용해 정도 관찰

․물질의 녹는 양과 온도의 관계

․용해 전과 후의 무게 비교

단원의 학습 목표

1. 물의 세 가지 상태와 이용에 대하여 이해한다.

2. 물의 중요성과 절약해야 하는 이유를 이해한다.

(2)

3. 수돗물의 사용량을 조사한 후, 절약하는 방법을 토의한다.

4. 일상생활 속에서 물에 대한 고마움을 느끼고 아끼는 태도를 기른다.

5. 물의 상태 변화를 관찰하여 설명한다.

6. 물의 상태 변화에서 무게와 부피의 변화를 비교하여 설명한다.

7. 물의 상태 변화와 우리 생활의 관계를 예를 들어 설명한다.

8. 우리 주변에서 볼 수 있는 물의 순환 과정에 대하여 설명한다.

9. 자연 현상의 변화에 대한 호기심을 갖고 탐구하는 태도를 기른다.

준 비 물(수량은 모둠 단위)

전자저울 시험관 2개 100mL, 250mL 비커 각 2개 500mL 비커 1개

얼음 10조각 에탄올 고무밴드 3개 투명한 비닐봉지(작은 위생팩 또는 비닐장갑도 가능) 소금 유리 깔때기 구멍 뚫린 고무마개(깔때기 가지 부분 들어가는 것) 스포이트

알코올램프 유리막대 삼발이 100mL 눈금실린더 성냥 석면그물 목장갑 숟가락

단원지도계획

중단원명 차시 주제 학습 목표 교과서 쪽

(실험관찰 쪽) 지식 탐구 과정

우리1.

생활과

1/11 물의 세 가지 상태

ㆍ물은 세 가지 상태로 존재함을 알 수 있다.

ㆍ우리 생활에서 얼음, 물, 수증기가 이용되는 경우를 찾을 수 있다.

120~123

(50) 얼음

수증기 분류 2/11 물이 소중한

이유

ㆍ물이 소중한 이유를 알 수 있다.

ㆍ가정에서 사용하는 수돗물의 양을 조사할 수 있다.

ㆍ수돗물을 아껴 쓰는 방법을 토의할 수 있다.

124~125

(51~52) 민물 측정 의사소통

이야기과학 바닷물을 민물로 ㆍ생활 속의 과학 126~127

물과2.

얼음

3/11 물과 얼음 관찰 ㆍ물과 얼음을 관찰하여 다른 점을 설명할 수 있다.ㆍ물과 얼음의 상태 변화 원인을 설명할 수 있다. 130~133

(53~54) 언다

녹는다 관찰 4,5/11 물이 얼 때의

무게와 부피 변화

ㆍ물이 얼 때의 부피 변화를 알 수 있다.

ㆍ우리 주위에서의 예와 이용하는 경우를 알 수 있다. 134~137 (55~56)

예상 측정관찰

6/11 얼음이 녹을 때의 무게와 부피 변화

ㆍ얼음이 녹을 때의 무게와 부피 변화를 관찰할 수 있다.

ㆍ얼음이 녹을 때의 부피 변화를 증거를 들어 설명할 수 있다. 138~139 (57~58)

예상추리 측정관찰 이야기과학 화성에 물이

있을까? ㆍ첨단 과학 140~141

3.

물과 수증기

7/11 물이 증발할

때의 모습 변화 ㆍ물이 증발할 때의 변화를 관찰하여 설명할 수 있다.

ㆍ우리 생활에서 물이 증발하는 예를 찾을 수 있다. 144~145

(59) 증발 예상

관찰 8/11 물이 끓을 때의

변화 ㆍ물이 끓을 때의 변화를 관찰하여 설명할 수 있다.

ㆍ우리 주위에서 물이 끓는 현상을 찾아 이야기할 수 있다. 146~147

(60~61) 부피 예상 관찰추리 9/11 수증기가 응결할

때의 변화 ㆍ수증기가 응결할 때의 변화를 관찰할 수 있다.

ㆍ우리 주위에서의 예를 찾아 설명할 수 있다. 148~149

(62) 응결 예상

관찰 추리 10/11 물의 순환 ㆍ물의 순환 과정에 대하여 이해할 수 있다.

ㆍ우리 주변에서 볼 수 있는 물의 순환 과정을 예를 들어 설명할 수 있다.

150~151

(63) 물의 순환 예상 의사소통 과학

이야기 인공 강우 ㆍ첨단 과학 152~153

마무리 11/11 되짚어보기/확인하기/과학글쓰기

(3)

물의 세 가지 상태 물의 세 가지 상태

1차시

(4)

지구본을 보고 물이 있는 곳을 찾아 적어 봅시다.

종류 물이 있는 곳

바다

호수

우리 생활에서 얼음, 물, 수증기가 이용되는 경우를 찾아봅시다.

종류 이용되는 예

얼음

수증기

(5)

활동 정답

지구본을 보고 물이 있는 곳의 예: 파란색 부분 지구는 태평양, 대서양, 인도양, 남극해, 북극해의 5대양으 로 구성되어 있을 정도로 많은 물로 덮여 있다. 대부분의 물은 바다에 있으며, 나머지는 북극, 남극의 빙설 또는 지 하에 스며든 지하수, 호수, 하천에 존재한다. 하지만 우리 가 사용할 수 있는 물은 바다에 집중되어 있는 물이 아니 라 2.5%에 해당하는 빙설, 지하수, 호수, 하천의 아주 적은 양의 물로, 이러한 물을 민물 또는 담수라고 한다.

우리 생활에서 얼음, 물, 수증기가 이용되는 경우의 예

(6)

개념 해설

물은 얼음, 물, 수증기의 세 가지 상태로 존재하며, 온도 변화에 따라 상태가 변한다.

(1) 고체 상태인 얼음

얼음은 응고된 물이다. 물이 얼면 그 분자들이 더 멀리 떨어지게 되어 물보다 비중이 낮은 얼음이 된다. 이것은 물보다 얼음이 가볍다는 것을 뜻한다. 물이 부피가 커지는 이유는 0℃가 되면 6각형의 형태를 갖게 되어 분자 사이에 공간이 생기기 때문이다. 그래서 얼음이 물에 뜨는 것이다.

(2) 액체 상태인 물

액체 상태의 물은 0℃가 되면 고체가 되고 100℃가 되면 기체 상태가 되는 단계가 된다. 액체 상태의 물은 형태가 일정하지 않고 물건들을 젖게 만들며 우리 생활에서 가장 많이 이용된다.

(3) 기체 상태인 수증기

물이 끓거나 증발하면 기체인 수증기로 변한다. 공기 중에서 수증기가 식어 응결되면 작은 물방울이 만들어지는데 이 물방울이 모여 구름이 된다. 구름 속의 작은 물방울이 공기 속에 있는 작은 먼지 알갱이에 달 라붙는데, 이것들이 날씨가 따뜻할 때는 빗방울이 되고 추울 때는 얼어 눈이나 우박이 되어 내린다.

(7)

물의 소중함 물의 소중함

2차시

수돗물의 사용량을 조사해봅시다.

수돗물의 사용량을 측정하는 방법을 이야기하여 봅시다.

일주일 동안 가정에서 사용하는 물의 양을 조사하여 봅시다. (단위: L)

(8)

언제 수돗물을 가장 많이 사용하나요? 가정에서 수돗물을 사용할 때의 문제점은 무엇인가요?

컵을 사용하여 양치할 때와 수도꼭지를 틀어놓고 양치할 때의 물 사용량을 비교하여 봅시다.

구분 컵을 사용할 때 수도꼭지를 틀어놓고 할 때

사용량(L)

수돗물 사용량을 조사하고 느낀 점을 적어봅시다.

수돗물을 아껴 쓰는 방법을 토의하여 적어 봅시다. 또한 자신이 그 중에서 자신이 실천할 수 있는 가장 좋은 방법을 적어보자.

아껴 쓰는 방법 내가 실천할 수 있는 가장 좋은 방법

(9)

활동 정답

(10)

개념 해설

민물

염분의 함량이 낮은 물을 민물이라고 하며 민물은 우리가 생활하는 데 매우 필요하다. 그러나 바닷물에 비하여 민물은 아주 적고, 민물 은 지역적인 차이가 있어서 물이 부족한 지역이 있다. 교과서의 그림 에서 우리가 사용할 수 있는 민물은 호수, 강물, 지하수이다.

세계의 물 문제

현재 세계 각국의 수자원 관리 정책의 실패 등으로 인해 세 계 인구의 20%(약 11억 명)가 깨끗한 물을 공급받지 못하는 것으로 조사되었다. 또 26억 명의 인구가 기본적인 하수 처 리 시설도 없이 생활하고, 공급된 물의 30~40%는 버려지거 나 새 나가고 있다. 그래서 UNDP(United Nations Development Programme, 국제 연합의 개발 도상국에 대한

원조 계획을 조정, 통일하는 기구)에서는 “깨끗한 물의 제공이나 공중위생 시설을 갖추는 것이 AIDS 백신을 놓아주거나 경제를 발전시키는 것보다 중요하고 훨씬 우선하는 일”이라고 하였다.

여기에 급속한 도시화와 인구 집중, 환경 변화에 따른 가뭄이 세계적인 물 부족 현상을 가중시키 고 있다. UNESCO는 “물도 기후 변화나 환경 문제처럼 세계적인 협력과 과학적인 접근이 필요하 다.”라고 촉구했다. UN은 지난 세기에 인구는 두 배로 증가한 반면 물의 사용은 6배나 늘었으며, 2030년까지 식량 수요가 55% 늘 것으로 예상되면서 물의 수요는 더욱 가파르게 증가할 것으로 내 다봤다.

사람들이 일상생활에서 쓰는 물의 양

사람(성인)은 일상생활에서 하루에 2L 정도의 물을 마셔야 건강을 유지할 수 있으며, 식수 외에 다양한 용도로 물을 이용하고 있다. 우 리나라에서 사용하는 물의 양이 100L라고 볼 때, 부엌에서 21L,화장 실에서 27L, 목욕탕에서 25L, 세탁에 20L, 청소 및 기타에 7L 정도를 사용하고 있다. 우리나라 한 사람이 사용하는 물의 양은 평균 409L 로, 독일 222L, 프랑스 298L, 영국 337L, 일본 393L 등의 선진국보다 훨씬 많은 양이다. 이 수치는 덥고, 경제가 어려운 나라의 국민 한 사람이 쓰는 물의 양의 100배나 되는 양이다. 오른쪽 그림에서 사람

들이 사용하는 물의 양이 범위로 주어져 있는 것은 사람마다 같은 일을 해도 사용하는 물의 양이

(11)

다르기 때문이다. 물의 낭비를 막고 절약하기 위해서는 물을 아끼는 습관을 갖는 것이 중요하고 물을 적게 사용하는 제품을 선택해야 한다.

가정에서 물을 절약할 수 있는 방법 (1) 욕실에서 물을 절약하는 방법

가정에서 사용하는 물 가운데 이 욕실에서 소비된다. 15분 간 샤워하면 약 180L의 물을 사용하게 되는데, 샤워 습관을 바꾸면 많은 양의 물이 절약된다.

① 세수를 할 때에는 물을 받아서 사용한다.

② 욕조 목욕 대신에 샤워를 간단히 한다.

③ 양치질할 때는 컵을 사용한다.

④ 샴푸나 린스는 되도록 적게 쓰도록 노력한다.

⑤ 절약형 샤워 꼭지나 유량 조절기를 부착한다.

(2) 주방에서 물을 절약하는 방법

설거지나 음식 재료를 씻을 때 물을 받아서 사용하면 물을 아낄 수 있다.

① 음식물 찌꺼기나 국물 등을 버리지 않는다.

② 합성 세제의 사용을 줄인다.

③ 식용유나 기름을 하수구로 버리지 않는다.

④ 설거지를 하거나 채소, 과일 씻을 때는 물을 받아서 한다.

⑤ 자동 식기세척기는 그릇을 모아서 한번에 쓴다.

(3) 빨래할 때 물을 절약하는 방법

기존 가정에 많이 보급되어 있는 세탁기는 10kg급 이상인데 비해, 4인 가족 하루 평균 세탁 물량은 3kg이다. 물 절약에 대한 관심을 기울여 세탁 습관을 바꾼다면 많은 물을 절약할 수 있다.

① 세탁물은 모아서 한꺼번에 빨래한다.

② 세탁기는 알맞은 용량을 선택하여 적절한 수위로 사용한다.

(4) 화장실에서 물을 절약하는 방법

가정에서 사용하는 물의 상당량이 변기 물을 내리는 데 사용된다. 절수 제품이나 기구를 설치하고, 화장실 사용 습관을 바꾸면 그만큼 물이 절약된다.

① 변기 수조에 벽돌 또는 물 채운 페트병을 넣어 둔다.

② 변기 수조의 수압을 적절히 조절하고 누수 여부를 확인한다.

③ 절약형 절수 기기를 설치하거나, 대소변 구분형 변기통을 설치한다.

(12)

돌을 대야에 넣으면 돌이 대야 속의 공간을 차지하고 있으므로, 대야를 다 채우는 데 필요한 물의 양이 그만 큼 줄어든다. 변기의 물통 속에 물을 채운 페트병을 집 어넣어도 마찬가지이다. 페트병을 넣었어도 변기 속의 배설물은 잘 씻겨 내려간다. 이외에도 변기의 물을 절약 할 수 있는 방법으로 절수 스위치가 있다. 이것을 이용 하면 변기에서 나오는 물의 양을 조절할 수 있다. 이렇 게 하면 한 해에 3000L의 물을 절약할 수 있다고 한다.

(5) 옥외나 기타 장소에서 물을 절약하는 방법

가정에서 뿐만 아니라 밖에서도 물 절약을 생활화해야 한다.

① 보도 청소 시에는 고무관을 쓰지 말고 빗자루를 사용한다.

② 잔디에 물을 줄 때에는 재활용한 물을 준다.

③ 중수도 설치 의무화 추진을 확대하도록 시민 인식을 제고한다.

④ 물값 현실화로 물 절약 의식을 제고한다.

⑤ 수도꼭지 등 누수 방지를 위해 점검과 관리를 철저히 한다.

⑥ 한번 사용한 물을 재사용한다.

(13)

물과 얼음의 관찰

물과 얼음의 관찰

3차시

(14)

냉동실 안에 있는 물체들의 특징을 이야기하여 봅시다.

물과 얼음의 모양, 색깔, 단단하기를 관찰하여 봅시다.

물 얼음

모양

색깔

단단하기

얼음 조각을 손바닥 위에 올려놓고 변화를 관찰하여 봅시다.

얼음이 어떻게 물이 되고 물이 어떻게 얼음이 되는지 이야기하여 봅시다.

(15)

활동 정답

(16)

개념 해설

얼음은 왜 뿌옇게 보일까?

얼음이 뿌옇게 보이는 이유는 물속의 공기 때문이다. 물속에는 우리 눈에 보이지는 않지만 공기가 녹아 있다. 이러한 공기는 물이 어는 동안 빠져나가지 못하고 조그 만 공간을 이룬다. 이러한 공간에 빛이 통과할 때 난반사를 일으켜 얼음이 뿌옇게 보이게 된다. 특히 얼음의 가운데 부분이 더 뿌옇게 보이는데, 이는 물이 바깥쪽부 터 얼면서 공기가 가운데에 몰리기 때문이다.

따라서 맑고 투명한 얼음을 얼리기 위해서는 얼리기 전에 물을 끓여 물속에 녹아 있는 공기를 제 거해 주거나 물을 천천히 얼려 주어 공기가 날아갈 수 있도록 시간을 주면 물속에 녹아 있는 공기 가 제거되어 투명한 얼음을 만들 수 있다.

냉동실의 얼음 그릇은 어떻게 사용해야 하나?

시판되는 얼음 그릇은 물이 얼어 부피가 늘어나는 점을 감안하여 잘 깨지지 않도록 플라스틱 종류로 되어 있다 하지만 여기에 물을 100%

채우지 말고 90% 정도 채워 사용하여야 하고, 특히 유리나 사기질 재 료의 그릇은 사용하지 말아야 한다. 겨울철 두께가 10mm 이상 되는 수도 파이프도 동파되어 깨지는 경우가 있다.

얼음이 쇠보다 단단해질 수 있나

?

세계 2차 대전 당시 영국의 과학자인 파이크는 톱밥과 얼음을 함께 얼리면 강도가 아주 세지는 것 을 이용하여 항공 모함을 만들려고 하였다. 과학자 파이크의 이름을 따온 이 물질은 톱밥 14%와 물 86%로 이루어진 얼음 블럭이다. 이것은 기존의 얼음에 비해 강도도 뛰어나고 쉽게 녹지 않는 다. 따라서 적은 냉동 시설만 갖추어도 충분히 가능하다는 것이었다.

그런데 이 계획은 아주 간단한 ‘발견’ 하나로 흐지부지 무산되었는데, 그것은 바로 ‘고위도 지방에 서 얼음은 녹지 않지만 증발을 한다.’라는 것이다. 이전까지 “반드시 될 것이다.”라고 말하던 열성 적인 지지자도 사라지고, 프로젝트도 어떻게 될 것이라는 이야기도 없이 사라졌다.

큰 덩어리의 얼음을 밖에 내놓으면 왜 흰 연기가 날까?

큰 덩어리의 얼음을 밖에 내놓으면 얼음에서 흰 연기가 난다. 이것은 어떤 다른 기체가 아니라 얼 음 주변의 차가운 공기가 응결된 수증기이다. 얼음 주변의 공기는 매우 차가우므로 공기 중의 수 증기가 아주 작은 물방울로 응결되는 것이다. 응결된 물방울이 된 상태에서 대류에 의해 오르락내 리락하게 되면 우리 눈에는 마치 흰 연기처럼 보이는 것이다.

(17)

실험 활동

물이 얼 때의 무게와 부피 변화

물이 얼 때의 무게와 부피 변화

4-5차시

(18)

구분 얼기 전 언 후 변화 무게(g)

부피(높이)(cm)

물이 얼면, 무게와 부피, 모습이 어떻게 되는지 관찰해보자.

⇒ ⇒ ⇒

1. 마개가 있는 시험관에 물을 넣고, 전자저울을 이용하여 물의 무게를 측정하고, 유성펜으로 물의 높이를 표시한 후 시험관 아래부터 높이를 잰다.

2. 비커에 얼음과 소금을 넣은 후 유리 막대로 저어 섞는다.

3. 이 비커 속에 물을 넣은 시험관을 넣고 물이 얼 때의 모습 변화를 관찰한다.

4. 물이 다 얼면 전자저울을 이용하여 얼음의 무게를 측정하고, 유성펜으로 얼음의 높이를 표시한 후 시험관 아래부터 높이를 잰다.

물이 얼 때의 무게와 부피 변화를 관찰해보자.

물이 얼 때의 모습 변화를 관찰해보자.

구분 관찰 내용 달라진 점

물이 얼기 전 물이 어는 동안 물이 완전히 언 후

물이 얼 때의 부피 변화에 대한 예를 우리 주변에서 찾아봅시다.

(19)

활동 정답

(20)

실험 활동

얼음이 녹을 때 무게와 부피 변화 얼음이 녹을 때 무게와 부피 변화 6차시

활동 1 다음 준비물을 이용하여 얼음이 녹기 전과 녹은 후의 무게와 부피를 측정하여 비교 해보자. 단, 모든 준비물을 이용하지 않아도 되며, 개인적인 물품을 사용해도 된다.

전자저울 1개 시험관 2개 100mL 비커 2개 100mL 눈금실린더 1개 500mL 눈금실린더 1개(얼음이 들어갈 정도) 스포이트 1개 유리막대 1개

알코올램프 1개 얼음 성냥 삼발이 1개 석면그물 1개 목장갑 1개 준비물

측정 과정

(21)

구분 녹기 전 녹은 후 변화 무게(g)

부피(높이)(cm)

측정한 무게와 부피를 적은 후, 비교해보자.

얼음이 녹을 때의 모습 변화를 관찰해보자.

구분 관찰 내용 달라진 점

얼음이 녹기 전

얼음이 녹는 동안

얼음이 완전히 녹은 후

얼음이 녹기 전과 녹은 후의 물의 높이 변화를 이용하여, 얼음이 녹을 때의 무게와 부피 변 화를 설명하여 봅시다.

비닐 튜브에 아이스크림을 가득 채우지 않는 이유를 설명하여 봅시다.

우리 주변에서 물이 얼기 전과 후의 부피 변화를 볼 수 있는 예를 찾아봅시다.

(22)

활동 2 물 속에 잠긴 얼음의 부피와 물의 부피 비교 관찰하기

1. 물 속에 잠긴 얼음의 부피 구하기

1) 1000mL 비커에 물 500mL를 넣고 얼음을 넣는다.

2) 비커 벽면에 물의 높이를 표시해 보자.

2. 얼음이 녹아 물이 되었을 때 부피 구하기 1) 위 실험의 비커 속에 든 얼음을 다 녹인다.

2) 비커 벽면에 물의 높이를 표시해 보자.

1과 2에서 표시한 눈금은 몇 mL인가?

물 속에 잠긴 얼음의 부피 얼음이 녹아 물이 되었을 때 부피 변화 여부

설명하기

얼음이 녹기 전과 녹은 후에 표시한 눈금이 같은가? 다른가? 그 이유는 무엇인가?

(23)

활동 정답

활동 1

측정 과정의 예

① 물을 500mL 눈금실린더에 250mL 정도 넣는다.

② ①의 눈금실린더를 전자저울 위에 올려놓는다.

③ 얼음 조각 1개를 ①의 눈금실린더에 넣은 후, 질량을 측정한다.

④ 유리막대나 연필 등을 이용하여 얼음이 물에 잠기도록 한 후, 부피를 측정한다. 이때, 유리 막대나 연필 등이 가능한 물에 들어가지 않도록 해야 오차가 줄어든다.

⑤ 알코올램프 등으로 약하게 가열하여 얼음을 녹인 후, 질량과 부피를 측정한다. 너무 강하게 가열하면 증발하는 물의 양이 많아 오차가 커질 수 있다.

우리 주변에서 물이 얼기 전과 후의 부피 변화를 볼 수 있는 예는?

ㆍ 추운 겨울날 수도관이 터지는 경우

ㆍ 물을 가득 채운 유리병을 냉동실에 넣었을 때, 유리병이 깨지는 경우(맥주병도...) ㆍ 겨울날 물을 가득 담아 두었던 장독이 깨지는 경우

ㆍ 냉동실에 두었던 요구르트 병이 뚱뚱해지는 경우

(24)

활동 2 관찰하기

물 속에 잠긴 얼음의 부피 얼음이 녹아 물이 되었을 때 부피 변화 여부

700mL 700mL 불변

설명하기

물이 얼음이 되면 약 8% 정도 부피가 증가한다. 위 실험에서 200mL 비커에 든 물이 얼음 이 되면 217.4mL가 된다. 얼음의 약 92%는 물 속에 가라앉으므로 전체 얼음의 부피인 217.4mL 중 물 속에 잠겨 있는 얼음의 부피는 200mL이다. 그러므로 500mL의 물에 얼음을 넣 으면 부피가 200mL 증가하여 700mL가 된다. 그리고 217.4mL인 얼음이 다시 녹으면 물 200mL가 된다. 그러므로 얼음이 녹은 후 전체 물의 부피는 700mL가 된다. 그러므로 얼음이 녹기 전에 표시한 눈금과 얼음이 다 녹은 후 표시한 눈금은 같다.

(25)

개념 해설

고체, 액체, 기체 상태에 따른 분자의 배열과 운동

분자들 사이의 거리가 매우 가깝고 규칙적으로 배열되어 있는 고체 상태에서는 분자들이 서 로 강하게 끌어당기고 있기 때문에 제자리에서만 운동한다. 액체 상태에서는 분자들이 비교적 자유롭게 움직일 수 있기 때문에 무질서하게 배열되어 있다. 그러나 이 때에도 분자들이 가까 이 있어 서로 끌어당기기 때문에 일정한 부피 내에서만 운동한다. 기체 상태에서는 분자들 사 이에 끌어당기는 힘이 거의 없어서 분자들이 매우 빠르고 자유롭게 운동하기 때문에 분자들 사이의 거리가 매우 멀고 분자들이 불규칙하게 배열되어 있다.

고 체 액 체 기 체

물질의 세 가지 상태에 따른 분자의 배열과 운동

물의 상태 변화

얼음을 책상 위에 가만히 두면 물이 되고, 물을 가열하면 수증기로 변한다. 이와 같이 대부분의 물질은 온도에 따라 서 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태로 변한다. 물질 자체 는 변하지 않고, 그 상태만 변하는 것을 상태 변화라고 한 다. 물도 온도에 따라 상태가 변하는데, 물의 고체 상태를 얼음이라 하고 물의 기체 상태를 수증기라고 부른다.

(1) 기화와 액화: 액체가 기체로 변하는 현상을 기화, 기체 가 액체로 변하는 현상을 액화라고 한다.

(2) 융해와 응고: 고체가 액체로 변하는 현상을 융해, 액체 가 고체로 변하는 현상을 응고라고 한다.

(3) 승화: 고체가 액체 상태를 거치지 않고 직접 기체로 변하거나, 반대로 기체가 고체로 변하는 현상을 승화라고 한다.

(26)

물과 얼음의 상태 변화

상태 변화와 열에너지의 출입

얼음은 고체이고 물은 액체이다. 물과 얼음은 수소 결합의 수에 차이가 있다. 이러한 수소 결합의 차이는 분자 간의 인력에 차이를 주어 서로 다른 규칙성을 가지며 분자들이 움직이는 정도가 다르다. 이러한 움직임의 차이는 얼음과 물이 가지고 있는 에너지의 차이에 의한 것으 로 물과 얼음의 모습 차이를 나타낸다. 물은 얼음보다 더 많은 에너지를 가지고 있어 물과 얼 음이 상태 변화할 때는 열에너지를 흡수 또는 방출한다.

이러한 원리 때문에 얼음 조각 전시회에서 얼음 조각 근처에 있으면 차가움을 느낀다. 반면 이누이트들은 얼음집 안의 온도를 높이기 위하여 바닥에 물을 뿌려 주고, 제주도에서는 겨울철 에 감귤의 냉해를 막기 위하여 물을 뿌려 준다. 이는 액체인 물이 얼음이 되면서 에너지를 방 출하기 때문이다.

상태 변화에 따른 질량과 부피의 변화

물과 얼음은 상태 변화가 일어나도 물질의 질량은 변하지 않지만 부피는 변한다. 고체가 열 을 받으면 부피와 길이가 늘어나는데 이것은 고체를 이루고 있는 작은 알갱이, 즉 원자나 분자 들이 열을 받으면서 에너지를 얻어서 보다 활발하게 운동을 하면서 알갱이 사이의 간격이 넓 어지기 때문이다. 그래서 고체에서 액체로 상태가 변하면 부피가 증가하고, 반대로 액체에서 고체로 상태가 변하면 부피가 감소하는 것이 일반적이다. 예를 들어 초콜릿, 버터, 양초 등이 녹아 액체가 되면 부피가 증가하고, 다시 굳어 고체가 되면 부피는 감소한다.

그러나 물은 예외로 액체인 물이 고체인 얼음이 되면 부피가 증가하고, 얼음이 녹아 물이 되면 감소한다. 그 이유는 물의 분자 구조에서 찾을 수 있다. 물(H20)은 산소 원자 한 개에 수 소 원자 두 개가 결합되어 있는 굽은 모양으로 그 꼭지점에 산소 원자가 위치하고, 양 끝에 수 소 원자 두개가 위치한 모양을 하고 있다. 그런데 물 분자는 산소 원자가 수소 원자에 비해 공 유 전자쌍을 끌어당기는 힘이 강해, 부분적으로 산소 원자는 부분적으로 음전하를 띠고 수소 원자는 부분적으로 양전하를 띤다. 이웃의 다른 물 분자들도 이와 같아서 한 물 분자의 산소 원자와 다른 물 분자의 수소 원자 사이에 인력이 작용하게 되는데, 이러한 분자간의 결합을

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‘수소 결합’이라 한다.

물이 얼면서 부피가 증가하는 것은 바로 이 수소 결합 때문이 다. 굽은 모양의 꼭지점에 있는 산소 원자는 2쌍의 비공유 전자 쌍을 가지고 있어 다른 물 분자의 수소 원자와 2개의 수소 결합 을 만들 수 있고, 또한 굽은 모양의 양 끝에 있는 2개의 수소 원자도 각각 다른 물 분자의 산소 원자와 수소 결합을 만들 수 있다. 그래서 한 물 분자를 중심으로 4개의 물 분자가 정사면체 모양으로 배치하게 된다. 대부분의 물질은 고체에서 액체로 상 태가 변하면 부피가 증가하고, 반대로 액체에서 고체로 상태가 변하면 부피가 감소하는 것이 일반적이다. 예를 들어 초콜릿, 버 터, 양초 등이 녹아 액체가 되면 부피가 증가하고, 다시 굳어 고 체가 되면 부피는 감소한다. 그러나 물은 예외이다. 오히려 액체 인 물이 고체인 얼음이 되면 부피가 증가하고, 얼음이 녹아 물 이 되면 부피는 감소한다.

물이 냉각되면 물 분자들이 계속해서 3차원적 수소 결합을 형 성하여 물 분자의 구조는 가운데가 빈 육각 모양을 하게 된다.

따라서 물이 액체로 있을 때보다 얼음으로 될 때 부피가 더 커 지는 것이다. 반대로 다시 물이 되며 수소 결합이 깨져 자유로 워진 물 분자들이 육각구조의 빈 공간으로 들어갈 수 있게 되어 고체인 얼음일 때보다 부피가 감소하게 된다.

얼음이 물에 뜨는 이유는?

기온이 영하로 내려가도 호수는 완전히 얼지 않고 표면에만 얼음이 어는 것을 볼 수 있다. 이것은 물의 밀도가 4℃에서 최대 이며, 얼음이 되면 부피가 커지고 물보다 가벼워 수면에 뜨는 독 특한 성질을 가지고 있기 때문이다. 물 이외의 대부분의 물질은 온도가 낮아질수록 밀도가 커지고 고체가 되면 액체보다 밀도가 커진다. 만일 물도 이와 같이 얼음이 될 때 밀도가 커진다면 수 면에서 생성된 얼음은 호수 바닥에 가라앉으며 수면의 물은 계

속 얼음이 되어 가라앉는 과정이 반복되어 바닥에서부터 얼음이 채워지고 호수 전체가 얼음덩 어리가 될 것이다. 그러나 물의 독특한 성질 때문에 심층은 영상의 수온을 유지하고 수면만이 결빙되고, 표면의 얼음이 영하의 찬 공기를 막아 주므로 얼음아래의 물에서 물고기들은 겨울에 도 살 수 있다.

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타이타닉호가 침몰한 이유는?

빙산은 어떻게 바다 위를 떠 있을 수 있을까? 빙산은 바다에 떠있는 거대한 얼음 덩어리다. 얼음의 밀도는 물의 밀도보다 작기 때문에 얼음은 물 위에 뜬다. 더욱이 바닷물은 순수한 물보다 밀 도가 더 크기 때문에 얼음은 물에서보다 더 많이 뜰 수 있다.

그렇다면 바다 위에 빙산은 얼마나 떠 있을까?

물체가 정지하기 위해선 힘의 평형이 이루어져야한다. 빙하에는 중력이 작용하고, 물속에서 의 빙하는 부력이 작용한다. 이 부력에 대해 설명하면 다음과 같다.

물체가 물속에 들어갔을 때 물체가 있었던 곳엔 원래 물이 있었다. 그 물체 부피만큼의 물 의 무게가 바로 물체 위 방향으로 작용하는 부력이다. 만약 물 속에 들어간 물체의 무게가 그 자리에 있던 물의 무게와 일치한다면 그 물체는 그 자리에서 힘의 평형 상태가 된다. 즉 그 물 체의 아래 방향으로 작용하는 중력과 위 방향으로 작용하는 부력이 같게 되는 것이다.

빙산의 경우 힘의 평형 상태가 되기 위해서는 빙하 전체가 물속에 있을 수 없다. 얼음의 부 피가 물의 부피보다 크므로, 빙산 전체가 물속에 있을 경우 빙산이 차지하는 부피만큼의 물의 무게(부력)가 빙산의 무게(중력)보다 크기 때문이다. 따라서 물속에 빙산이 들어간다면 부력이 중력보다 커서 떠오른다.

그런데 빙산이 수면위로 조금 올라와있다면 힘은 평형 상태가 될 수 있다. 즉 물속에 잠긴 부분이 전체가 아니라면 그 물속에 잠긴 부분에 대한 부력과 빙산의 중력이 평형을 이룰 수 있다. 그렇게 평형을 이루는 상태에서의 수면 위와 수면 아래의 부피비는 물과 얼음의 밀도 차 에 기인한다.

물의 밀도를 1g/mL라 하고 얼음의 밀도를 0.92g/mL라 하면, 100mL의 물이 얼음으로 변하 면 108.7mL의 얼음이 된다. 얼음에 대한 물의 부피비를 따져보면 100/108.7 × 100 = 92%가 된 다. 다시 말하면 얼음의 92%는 물 밑에 있고 얼음의 8%는 물위에 떠 있다. 그러므로 물 위에 보이는 빙산은 전체 빙산의 단지 8% 밖에 되지 않는다. 바닷물의 밀도는 순수한 물보다 크므 로 바다에서 빙산은 8%보다 조금 더 떠 있다.

우리는 바다에서 빙산의 일부분만 볼 수 있다. 그러므로 빙산이 있는 곳을 항해하는 배들은 물속에 잠겨있는 나머지 92%의 빙산에 주의를 기울여야 한다. 바다의 궁전이라 불리던 호화 여객선타이타 닉호가 목적지에 도착하지 못하고 침몰한 이유는 바다 위에 일부분 만 드러낸 빙산에 부딪쳐 배가 침몰했기 때문이다.

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(식으로 나타내기)

빙산의 부피(V), 물에 잠긴 부분(V1), 노출된 부분(V2)

잠긴 물의 부력

(V1×물 밀도×중력가속도)

빙산에 작용하는 중력 (V×얼음 밀도×중력가속도)

빙산에 작용하는 중력 = 물에 잠긴 부분으로 인한 부력 빙산의 질량 × 중력가속도 = 잠긴 물의 질량 × 중력가속도 빙산의 질량 = 잠긴 물의 질량

빙산의 부피 × 빙산의 밀도 = 물의 부피 × 물의 밀도 V × 얼음의 밀도 = V1 × 물의 밀도

물에 잠긴 부분의 비율(%) = V1 / V ×100 = 얼음의 밀도 / 물의 밀도 × 100

= 0.92/1 × 100 = 92 %

얼음이 녹아도 물의 높이가 달라지지 않는 이유는?

물이 얼면서 부피가 증가하는 것은 수소 결합 때문이다.

물이 냉각되면 계속해서 3차원적인 수소 결합을 형성하여 물 분자의 구조는 가운데 빈 육각 모양을 하게 된다. 이러한 이유로 물이 얼면 부피가 증가하는 것이다. 하지만 반대로 얼음이 녹으면서 반대로 육각 기둥 모양이 사라지면서 부피 는 다시 줄어들게 된다.

그래서 얼음이 녹아 물이 되었을 때 부피가 줄어들어 물

의 높이는 변하지 않게 된다. 즉, 물위로 올라온 얼음만큼의 부피가 줄어들어, 얼음이 완전히 녹아도 물의 높이는 달라지지 않는다.

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물을 냉각시킬 때 냉각제로 얼음에 소금을 넣어 사용하는 이유는?

물을 냉각시켜 얼음으로 만들기 위해서는 0℃보다 더 낮은 온도로 물을 냉각시켜야 한다.

이 때 냉각제로 얼음을 이용해서는 0℃ 이하로 온도를 낮추기 어렵다. 이를 보완하기 위해 얼 음에 소금을 넣어주는데 이 경우 온도를 -21℃까지 낮출 수 있다. 얼음과 소금을 섞었을 때 온 도가 내려가는 것은 얼음이 녹는 것(얼음의 융해열)과 소금이 물에 녹는 것(소금의 용해열)이 모두 주변의 열을 흡수하는 흡열반응이기 때문이다. 이 때 소금과 얼음의 비율에 따라 그 효과 가 달라지는데 가장 효과적인 비율은 얼음 : 소금 = 3 : 1 일 때이다.

얼음에 첨가하여 온도를 낮추는데 사용할 수 있는 물질로 염화암모늄, 염화칼슘, 염화아연 등이 있다.

또한, 물에 소금을 넣게 되면 물의 어는점이 내려가 물이 0℃에서도 얼지 않게 되는데 이러 한 현상을 어는점 내림이라고 한다. 이를 이용하여 소금을 제설제로 사용할 수 있다. 우리나라 에서는 제설제로 염화칼슘을 사용하는데, 이 경우 녹는점이 -55℃까지 내려가므로 강력한 제설 제라고 할 수 있다. 그러나 염화칼슘은 부식성이 강해 자동차나 콘크리트 속의 철근을 손상시 키고 도로 주변의 식물에 나쁜 영향을 미치기도 한다.

어는점 내림이란?

용매에 비휘발성 용질이 녹은 용액의 어는점은 순수한 용매의 녹는점보다 낮아지게 되는데 이를 어는점 내림이라고 한다. 이 때 어는점이 낮아지는 정도는 용질의 성질에는 관계가 없으며 용질입자의 개수에만 관계가 있다.

바닷물이 겨울철에도 얼지 않는 이유도 바닷물 속에 녹아 있 는 염분 때문에 물의 어는점이 낮아지기 때문이다. 강물의 경우 에도 불순물이 많이 포함되어 있을 경우에 더 낮은 온도에서 얼 게 된다.

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과냉각이란?

물을 얼릴 때 0℃ 이하의 온도가 되어도 얼지 않는 현상이 나타나게 되는데 이를 과냉각상태라고한다. 물의 경우 천천히 냉각시키면 약 -12℃까지 액체로 있을 수가 있는데, 이는 과열 상태와 마찬가지로 안정한 상태가 아니므로 외부로부터 자극을 받게 되면 쉽사리 얼음이 생기게 된다. 이러한 과냉각 상태를 막기 위해서는 유리 막대로 저어 주어 약간의 충격을 주거나 작은 조각을 넣어 주면 되는데 이 때 얼음이 얼기 시작하면 다 시 온도가 0℃로 올라가서 평형 상태를 유지하게 된다.

시베리아 지역에 봄이 되면 얼음 홍수가 발생하는 이유?

시베리아 지역은 우랄 산맥의 동쪽 지역으로 예니세이 강과 오브 강 지역에 걸친 저지대를 말한다. 그런데 이곳의 강은 대 부분이 남쪽의 중앙아시아의 고원 지대에서 발원해 북극해로 흘러드는 강으로, 시베리아를 가로질러서 남에서 북으로 뻗은 강들이다. 그래서 시베리아 지역에서 겨울 동안 강이 얼어 있 다가 봄이 되면서 남쪽 지역, 즉 강의 상류 지역부터 기온이 올라가기 시작하면 얼음이 녹게 된다. 그러나 하류 지역은 아

직 추워서 얼음이 녹지 않기 때문에 이 물은 그 주변의 저지대로 흘러들어 홍수를 일으킨다.

조상들은 얼음을 어떻게 보관하고 사용하였을까?

신라 지증왕 22년에 축조되어 조선 시대에 개축된 돌로 만든 석 빙고가 경주에 있다. 조선 시대에 한양에는 동빙고, 서빙고 등의 여러 얼음 창고가 있었다. 당시의 얼음은 겨울철에 한강에서 채 취하여 창고에 보관하였다가 주로 궁중에서의 제사나 주요 행사 등에 사용되었으며, 일반 서민들은 구경조차 할 수 없는 귀중한 것이었다. 그래서 얼음을 보관하는 일이 중요한 일이었기 때문에

얼음을 채취, 보관하는 빙고라는 관청이 있었다. 이에 종사하는 사람을 빙부, 이들에게 녹봉으 로 지급된 논밭을 빙전이라 불렀으며, 이 제도는 고종 3년에 폐지되었다.

얼음을 물에 넣으면 왜 금이 갈까?

공기 중에서는 얼음 내부와 외부의 온도차가 작아 얼음에 열 전달이 서서히 일어나므로 금이 가는 현상이 나타나지 않으나, 물에 들어가면 순간적으로 녹으면서 그 온도차가 얼음 내부에 전달되어 얼음 안과 밖의 팽창률의 차이로 인하여 금이 가게 된다.

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지구 상의 얼음이 모두 녹으면 어떻게 될까?

지구 상의 얼음이 모두 녹아 물이 되면 바다로 흘러가 바닷물의 높이가 50m 이상 높아진다.

그러면 도시나 낮은 평야는 모두 물속에 잠겨 버리고 높은 산들이 여기저기 섬처럼 남을 것이 다. 남극 대륙이나 그린란드 같은 곳에서는 땅이 모두 두터운 얼음으로 덮여져 있으며 그 평균 두께는 2,000~3,000m나 된다. 그리고 곳곳에 빙하나 두터운 얼음이 많이 있다. 이것들이 모두 녹는다면 육지 위의 낮은 곳은 바닷물로 덮이고 높은 곳만 남게 된다.

물이 얼기 전과 후의 부피 변화를 볼 수 있는 예?

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이런 실험도 있어요.

활동 1 얼음이 든 물에 에탄올 넣기

예상하기: 오른쪽 그림과 같이 물이 든 눈금실린더에 얼 음이 떠 있다. 이 눈금실린더에 에탄올을 조금씩 부으면 얼음은 어떻게 될까? 그렇게 생각한 이유는?

예상 현상 그 이유

관찰하기: 직접 에탄올을 조금씩 부으면서 일어나는 현상을 관찰하고 기록해보자.

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

활동 2 1의 눈금실린더에 소금물 또는 설탕물 넣기

예상하기: 1에서 실험한 눈금 실린더에 소금물(또는 설탕물)을 조금씩 부으면 얼음은 어 떻게 될까? 그렇게 생각한 이유는?

예상 현상 그 이유

관찰하기: 직접 소금물(또는 설탕물)을 조금씩 부으면서 일어나는 현상을 관찰, 기록해보자.

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

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활동 정답

활동 1

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

관찰하기: 얼음이 가라앉는다.

설명하기: 물과 에탄올 혼합용액의 밀도가 얼음의 밀도보다 작기 때문이다.

얼음이 뜨고 가라앉는 정도가 확실히 보일 정도로 에탄올을 넣어준다. (대략, 물 : 에탄올 = 1 : 1 정도)

활동 2

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

관찰하기: 얼음이 뜬다.

설명하기: 물과 에탄올과 소금물 혼합 용액의 밀도가 얼음의 밀도보다 크기 때문이다.

소금물(또는 설탕물)의 농도는 10% 정도가 적당하다. (10% 소금물 100mL : 물 100g + 소금 11g) 얼음이 뜨고 가라앉는 정도가 확실히 보일 정도로 소금물을 넣어주면 된다.

(대략, 물 + 에탄올 용액 : 소금물 = 2 : 1 정도)

실험 과정 중에 얼음이 녹아 관찰이 어려울 때는 다시 얼음을 넣어주면 된다.

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개념 해설

0℃ 물의 밀도는 0.99987g/mL이고, 0℃ 얼음의 밀도는 0.91700g/mL이다. 물이 든 메스실린 더에 얼음을 넣으면 물의 밀도보다 얼음의 밀도가 작기 때문에 얼음이 물 위에 뜬다. 여기에 물보다 밀도가 작은 에탄올(밀도는 0.79g/mL)을 넣게 되면 용액의 밀도가 점점 작아지고 결국 얼음의 밀도보다 더 작아지게 되면 얼음은 물과 에탄올의 혼합 용액에 가라앉게 된다. 물과 에 탄올을 1 : 1로 섞은 용액은 밀도가 0.895g/mL로 얼음의 밀도보다 작아 얼음은 가라앉는다.

에탄올과 물이 섞인 용액에 가라앉은 얼음에 밀도가 큰 소금물 (10% 소금물의 밀도는 1.111g/mL)을 넣으면 다시 용액의 밀도가 점점 커지게 되고 결국 얼음의 밀도보다 커지면 얼 음은 용액에 다시 뜨게 된다. 밀도가 0.895g/mL인 물과 에탄올의 혼합 용액에 밀도가 1.111g/mL인 소금물을 2 : 1 로 섞으면 혼합용액은 1.003g/mL의 밀도를 나타낸다. 그러므로 얼음은 혼합 용액에(물, 에탄올, 소금물) 뜨게 된다.

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물이 증발할 때의 변화 물이 증발할 때의 변화 7차시

예상하기: 두 비커에 어떤 변화가 있을지 예상하여 봅시다.

물의 높이 비커 안의

모습

관찰하기: 하루 정도 시간이 지난 뒤 비커 안의 변화를 관찰하여 봅시다.

덮개가 없는 비커 덮개가 있는 비커

물의 높이 비커 안의

모습

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

적용하기: 우리 주변에서 위와 같은 현상이 발생하는 예를 찾아봅시다.

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활동 정답

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

관찰하기:

설명하기: 덮개가 없는 비커에서는 물이 증발하여 공기 중으로 날아갔기 때문이다.

적용하기:

- 빨래가 마른다.

- 호수가 마른다.

- 비 온 뒤 젖은 길이 마른다.

- 어항의 물이 줄어든다.

- 고추가 마른다. 등

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실험 활동

물이 끓을 때의 변화 물이 끓을 때의 변화 8차시

예상하기: 비커에 물이 끓을 때의 변화를 예상하여 봅시다.

모습의 변화

높이의 변화

관찰하기: 비커에 물을 넣고 가열하면서 물의 변화를 관찰하여 봅시다.

물이 끓을 때의 변화를 관찰하여 봅시다.

관찰 위치 관찰 내용

물의 표면 위쪽

물의 표면

물 속

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물의 높이 변화를 그림으로 나타내보자.

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

적용하기: 우리 주위에서 물이 끓는 현상의 예와 이용하는 경우를 찾아봅시다.

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활동 정답

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

모습의 변화 물이 보이지 않게 된다. 끓는 소리가 난다. 하얗게 김이 생긴다. 김이 생긴다.

작은 기포가 생기고 물이 끓을수록 기포의 수와 크기가 증가한다. 등 높이의 변화 물 높이가 낮아진다. 물 높이가 변화 없다. 물 높이가 높아진다. 등

관찰하기:

물이 끓을 때의 변화

- 물이 끓기 전의 모습: 색이 투명하고, 비커를 기울이면 흐르면서 모양이 변한다. 등

- 물이 끓기 시작할 때의 모습: 작은 기포가 비커 바닥과 벽면에 생기면서 이것이 떨어져 나와 물 표면으로 올라온다. 등

- 물이 완전히 끓을 때의 모습: 김이 많이 나고, 커다란 기포가 비커 바닥과 물 중간에서 많이 생기면서 물 표면으로 올라온다. 부글부글 끓는 소리가 난다. 비커 위에 숟가락을 대면 숟가락 바닥에 물이 생긴다. 등

물이 끓을 때의 높이 변화

설명하기: 덮개가 없는 비커에서는 물이 증발하여 공기 중으로 날아갔기 때문이다.

적용하기:

밥을 할 때, 라면을 끓일 때, 빨래를 삶을 때, 찌개를 끓일 때, 만두를 찔 때, 커피를 마실 때 등

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실험 활동

수증기가 응결할 때의 변화 수증기가 응결할 때의 변화 9차시

예상하기: 주스와 얼음을 넣은 유리컵의 표면과 바닥에 어떤 변화가 일어날지 예상하여 봅 시다.

관찰 위치 예상 현상 이유

유리컵의 표면

유리컵의 바닥

관찰하기: 유리컵의 표면과 바닥에 나타나는 변화를 관찰하여 봅시다.

유리컵의 표면

유리컵의 바닥

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

적용하기: 우리 주위에서 이런 현상을 볼 수 있는 경우를 찾아 이야기하여 봅시다.

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활동 정답

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

예상 현상 컵 주변에 작은 물방울이 맺힌다. 등

이유 냉장고에서 차가운 물을 꺼내 놓으면 컵 주변에 물이 생긴다.

관찰하기:

설명하기: 공기 중에 있던 수증기가 찬 유리컵에 닿아 응결되어 유리컵 주변에 맺히기 때문 이다. 유리컵 표면에 생긴 액체가 맛도 없고, 색깔도 없는 것으로 이 액체가 물임을 알 수 있 다.

적용하기:

-바닷물이 증발하여 비, 눈이 되어 내린다.

-공기 중으로 증발했던 물이 이슬이 되어 맺힌다.

-욕실의 천장이나 온실의 벽에 물이 맺혀 있는 것을 볼 수 있다.

-냄비 뚜껑에 물이 맺힌다. 등

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물의 순환 물의 순환 10차시

공기 중에서의 물의 이동을 화살표로 나타내보자.

우리 주변에서 일어나는 물의 순환 과정을 찾아 이야기하여 봅시다.

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개념 해설

물이 수증기가 될 때는 어떤 일이 일어날까?

상태 변화와 열에너지 출입

무더운 여름날 거리에 물을 뿌리면 한결 더위가 가시고, 운동 후에 땀을 흘리면 시원해짐을 느낄 수 있다. 이러한 현상은 왜 일어나는 것일까?

위의 현상은 액체인 물이 수증기가 되면서 주변의 열에너지를 빼앗아 가기 때문이다. 그렇 다면 왜 물이 수증기가 될 때 에너지가 필요할까? 물 분자는 1개의 산소 원자와 2개의 수소 원자로 이루어져 있는데 이 물 분자들 사이에는 서로 잡아당기는 힘인 수소결합이 작용한다.

액체인 물의 경우 분자 간의 인력이 커서 분자들이 서로 가까이 존재하고 기체인 수증기의 경 우에는 인력이 거의 작용하지 않아 분자들이 서로 멀리 떨어져 있다. 따라서 물이 수증기가 되 기 위해서는 물 분자 사이의 결합이 끊어져야 되며 이 과정에서 주변의 열 에너지를 이용하므 로 주변의 온도가 내려간다.

주사를 맞기 전 소독 솜으로 팔을 문지르면 시원함을 느끼는 것도 같은 원리로, 이와 같은 원리를 사용한 것이 바로 냉장고와 에어컨이다. 이 전기 제품들에는 냉매가 들어있는데, 이 냉 매가 액체에서 기체로 상태 변화를 하면서 주변의 열을 빼앗아 주변의 온도를 낮추어 주위를 차갑게 해주는 것이다.

상태 변화에 따른 질량과 부피 변화 액체인 물에서 기체인 수증기가 되면 분자들 의 운동이 활발해져 분자들 간의 인력이 작아지 고 거리가 멀어진다. 따라서 분자들 사이의 빈 공간이 많이 생기므로 부피가 커지게 된다. 그 러나 분자들이 없어지거나 새로 생기지 않으므 로 질량은 변하지 않는다. 즉, 물과 수증기 사이 에 상태 변화가 일어나면 질량은 변하지 않고

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부피만 변한다. 18mL의 물을 가열하여 수증기로 만들면, 100℃, 1기압에서 부피가 약 25L가 된다. 18mL의 물과 25L의 수증기 속에 들어 있는 물 분자 수는 같기 때문에 분자 사이의 거 리가 수증기 쪽이 약 10배 정도 멀어진다. 그러나 기체의 분자 간 거리는 압력에 따라 다르다.

약간 차이가 있지만 모든 액체는 기화할 때 부피가 크게 증가한다. 이것은 액체 상태에서 분자 사이의 인력 때문에 밀집되어 있던 분자들이 그 인력을 이기고 튀어나와 기체 상태로 되 면, 자유롭고 활발한 직선 운동을 하면서 평균적으로 분자 사이의 거리가 멀어지기 때문이다.

물은 왜 100℃가 되지 않아도 기체가 되어 증발할까?

물과 공기의 경계면에서는 공기 속의 수증기가 물로 들어가는 입자와 수면에서 수증기가 되 어 공기 중으로 증발해 나가는 입자가 항상 존재한다. 공기가 계속 수증기를 받아들일 수 있는 상태를 불포화 상태라 하고, 더 이상의 수증기를 받아들일 수 없는 상태를 포화 상태라 한다.

포화 상태일 때 공기 1m3 속에 들어 있는 수증기의 질량을 포화 수증기량(g/m3)이라 하는 데 일반적으로 공기는 온도가 높을수록 더 많은 수증기를 포함할 수 있어 포화 수증기량은 공기 의 온도가 높을수록 커진다.

물은 주위의 공기가 수증기를 최대로 받아들여 포화상태가 될 때까지 증발한다. 습도가 낮 은 여름이나, 공기의 온도가 높은 낮에는 수증기를 받아들일 수 있는 여유가 충분하므로 포화 상태에 도달할 때까지 물은 100℃가 되지 않아도 계속 수증기로 증발하게 된다.

추운 곳에서도 증발이 일어나는 원리는?

물이 증발을 하는 이유는 공기 중에서 수분이 부족하여 빼앗아 가는 것이라고 이해하면 쉽 다. 여름에 습하다는 표현을 많이 쓰는데 그것은 여름의 뜨거운 온도로 인해 많은 물들이 증발 하여 공기 중에 수분이 많기 때문이다.

공기의 온도가 낮으면 공기가 가지고 있을 수 있는 수분의 양도 적어진다. 그것이 더운 계 절에는 물이 잘 증발하는데, 추운 계절에는 물이 잘 증발하지 않는 이유이다. 하지만 이것은 물이 머금을 수 있는 양일 뿐 일단 공기 중에 수분이 부족하면 아무리 영하의 온도라도 물이 증발을 한다.

왜 물 표면에서 증발이 빨리 일어날까?

액체의 물질 안에서는 구성 입자들이 서로를 강하게 끌어당기고 있다. 예를 들어 물 안에서 물 분자들은 서로 끌어당기고 있다. 물 표면 아래에 있는 분자들은 위-아래, 왼쪽-오른쪽에 있 는 분자들에 의해 잡아 당겨지고 있다. 반면 물 표면에 있는 분자들은 위에서 잡아당기는 분자 들은 없다.

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액체가 기체로 되려면 근처의 분자들이 끌어당기는 힘을 떨쳐 내어야 한다. 가열해 주지 않 아도 분자들은 주위로부터 열을 흡수하여 기체 상태로 되기도 한다. 이것을 증발이라고 한다.

표면에 있는 분자들은 적은 수의 분자들에 의해 잡혀 있으므로 표면 아래의 분자들에 비해 적 은 열로 기화할 수 있다. 따라서 증발은 표면에서 일어난다.

따라서 증발이 얼마나 빨리 일어나는가는 얼마나 열이 많이 공급되는가, 분자들이 기화하는 데 필요한 열의 양이 어느 정도인가, 표면에 드러나 있는 분자들이 얼마나 많은가에 따라 달라 진다.

물은 100℃에서만 끓을까?

우리가 흔히 말하는 물의 끓는점이란, 1기압 하에서 순수한 물이 끓을 때의 온도를 말하며, 이때의 온도가 바로 100℃이다. 즉, 물은 항상 100℃에서만 끓는 것이 아니라 대기압과 물 속 에 녹아 있는 물질의 영향을 받아서 다른 온도에서도 끓을 수 있다.

우선 대기압의 영향을 살펴보면, 물이 끓기 위해서는 대기압과 물이 수증기가 되어 생기는 증기압이 같아야 한다. 즉, 대기압이 높으면 물의 증기압도 높아져야 물이 끓게 되는 것이다.

따라서 대기압이 1기압보다 크면 물의 증기압도 높아져야 하므로 물은 100℃보다 더 높은 온 도에서 끓게 되며, 반대로 대기압이 1기압보다 낮을 경우에는 100℃보다 낮은 온도에서 끓게 된다. 예를 들어 압력 밥솥을 사용하여 밥을 할 경우, 압력 밥솥 안의 기압이 1기압보다 높으 므로(약 2기압) 물은 100℃보다 높은 온도에서 끓게 되며(약 120℃) 밥이 더 잘 익게 되는 것 이다. 반대로 우리가 산에 올라가서 밥을 하게 되면 밥이 설익게 되는데 이는 높은 곳에서는 기압이 낮아져 물이 100℃보다 낮은 온도에서 끓기 때문이다.

물에 녹아 있는 물질도 물의 끓는점에 영향을 주는데, 물에 소금이나 설탕과 같은 물질들이 녹아 있으면, 순수한 물의 증기압보다 낮은 증기압을 갖기 때문에 물의 끓는점은 높아지게 된 다. 라면을 끓일 때 스프를 먼저 넣고 끓이면 물이 100℃보다 높은 온도에서 끓어서 라면을 더 맛있게 먹을 수 있는 것도 바로 이 때문이다.

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물을 끓일 때 끓임쪽을 넣어야 하는 이유는?

깨끗한 용기에 물을 넣고 서서히 가열하면 물의 온도가 100℃에 이르러도 끓지 않고 100℃

이상이 되는 과열 현상이 일어난다. 이러한 과열상태는 안정하지 않으므로 외부의 충격 등으로 한번 기포가 생기기 시작하면 매우 큰 기포를 생성하며 폭발적으로 끓게 되는데, 이러한 현상 을 돌비현상이라고 한다. 이렇게 갑자기 물이 끓어 넘치게 되면, 심할 경우 용기의 파손이 일 어날 수 있으므로 주의를 해야 한다.

이를 방지하기 위해서 끓임쪽을 넣어 주는데, 끓임쪽이란, 아주 작은 구멍들이 나 있는 유 리, 사기, 돌 조각 등과 같은 다공성 물질을 말한다. 물을 끓이기 전에 끓임쪽을 넣으면, 끓임 쪽의 구멍들 속에 있던 공기들이 액체가 끓을 때 서서히 기포를 일으키면서 올라와 물 속에서 기포가 원활하게 생성되게 도와주므로 과량의 기포가 갑자기 발생하는 돌비현상을 막아준다.

수증기와 김은 무슨 차이가 있을까?

암모니아 기체가 독특한 냄새를 가지고 있거나, 염소 기체처럼 독특한 색깔을 가지고 있다 면 기체가 존재한다는 것을 알아낼 수 있으나, 대부분의 기체는 냄새도 없고 색깔도 없어서 우 리의 오감으로 알아내기가 쉽지 않다.

물의 기체 상태인 수증기도 예외가 아니다. 그렇다면 ‘김’은 무엇인가? 학생들은 흔히 이

‘김’을 수증기라고 알고 있다. 그렇다면 수증기를 눈으로 볼 수 있다는 것이 아닌가? 무엇을 잘 못알고 있는 것일까? 바로 ‘김’은 공기 중에 있던 수증기가 냉각되어 작은 물방울로 변한 것이 다. 즉, ‘김’은 기체 상태인 수증기가 아니라 액체 상태인 물인 것이다.

그렇다면 수증기를 어떻게 확인할 수 있을까? 수증기는 눈에 보 이지 않으므로 간접적인 방법으로만 확인할 수 있다. 주전자에 물 을 넣고 끓일 때, 주전자의 입구 부분과 김이 생기는 부분 사이에 아무것도 보이지 않는 약간의 틈이 존재한다. 바로 이 틈이 수증기 가 존재하는 공간이다. 아무것도 보이지 않는 이 틈에 유리 막대 같은 것을 가져다 대면 물방울이 맺히게 되는데, 이를 통해 수증기 의 존재를 간접적으로 확인할 수 있는 것이다.

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수증기는 어떻게 물방울이 되는 것일까?

수증기가 물방울로 변하는 현상을 액화라고 한다. 자연계에 존재하는 구름, 안개, 비, 이슬은 모두 수증기가 액화되어 생긴 것들이다. 그런데 가끔 수증기가 물방울로 액화되지 못하고 직접 얼음인 고체로 되는 경우가 있는데 이런 현상을 승화라고 합니다.

자연계에서 수증기가 액화되려면 반드시 공기 중의 수증기 양이 많아야 한다. 수증기가 너 무 많은 경우를 과포화 상태라고 한다. 과포화 상태는 수증기의 포함량이 많을 때, 공기의 온 도가 내려갈 때 잘 된다. 일반적으로 공기 중의 수증기 함량이 자연적으로 증가하는 경우는 과 포화 상태에 이르기가 어려워 액화 현상이 잘 일어나지 않는다. 그렇지만 호수나 강 근처에서 물 표면의 온도가 기온보다 훨씬 높을 때 과포화 현상에 이르게 된다. 늦가을과 초겨울 아침에 호수 주변에 끼는 엷은 안개도 여기서 원인을 찾을 수 있다.

응결

공기가 냉각되어 온도가 낮아지면 수증기를 함유할 수 있는 양은 줄어든다. 공기의 온도가 더 낮아져 어떤 온도에 달하면, 공기가 포화 상태가 되어 수증기가 물방울로 맺힌다. 이때의 온도를 이슬점이라고 한다. 공기 중의 수증기가 과포화되어 수증기의 입자들이 모여 작은 물방 울을 만들고, 이들이 모여 큰 입자인 물방울을 만드는 현상을 응결이라고 한다. 즉, 공기의 냉 각이 응결의 주원인이다.

(1) 응결로 인한 기상 현상

수증기의 응결로 인한 현상으로 구름, 안개, 이슬을 꼽을 수 있다. 공기의 상승 기류에 의한 단열 팽창의 경우에는 구름이 생긴다. 따뜻한 공기와 한랭한 공기가 만나면 안개 또는 구름이 생긴다. 공기가 차가운 지면 또는 해면과 접촉하는 경우에는 이슬이나 서리가 맺힌다.

(2) 생활 속의 응결 현상

여름철 얼음물이 든 컵 바깥 면에 물방울이 생기는 현상을 볼 수 있다. 이는 컵의 바깥 면 에 있던 수증기가 냉각되어 물방울로 맺히는 것이다. 겨울철 아침, 유리창 안쪽에 물방울이나 성에가 생기는 현상, 온실이나 목욕탕의 벽에 물이 맺히는 현상, 안경이 뿌옇게 되는 현상도 같은 원리이다.

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가습기의 원리는?

가습기에는 초음파 가습기와 가열식 가습기가 있다. 가장 널리 쓰이고 있는 초음파 가습기 의 원리는 물탱크에서 지속적으로 초음파 발생기에 물이 공급되면, 이 진동 소자는 매우 짧은 파장으로 물을 흔들어 공기 중으로 날아갈 수 있을 정도로 작은 크기의 알갱이 형태로 만든다.

이렇게 가벼워진 물방울은 소형 회전 팬에 의해 가습기 외부로 방출되고 공기 중의 습도를 높 이게 되는 것이다.

초음파 가습기는 물속에 있을 수 있는 세균들이 살균 과정을 거치 지 않고 공기로 배출된다는 문제점이 있다. 가열식 가습기는 가열을 하기 때문에 유해 세균을 없앨 수는 있지만, 전력 소비가 큰 편이어 서 보편적으로 사용되지는 않고 건강에 특히 신경을 쓰거나 기관지병 을 앓고 있는 사람, 갓난아기가 있는 가정 등에서 사용되고 있다. 최 근에는 가열식과 초음파식의 장점을 혼합한 제품(복합식 가습기)도 나오고, 모터식 증발 가습기도 나오고 있다.

물의 순환

자연계에 존재하는 물의 상태를 크게 대기 중의 물, 지표수, 지하수로 나눌 수 있다. 대기 중의 물은 수증기와 이것이 응결 한 구름·안개·비·눈이 있으며, 지표수는 하천·호수·해수, 지하 수는 흡착수·모관수·지하수가 있다.

이들 상태는 모두 안정된 것이 못 되며, 대기 중의 수증기 는 냉각되면 과포화 상태로 되어 구름이 되고, 비·눈·싸락눈·

우박·진눈깨비 등이 되어 지표에 내린다. 비·눈 등 지표에 내 리는 물을 총칭하여 강수(precipitation)라 하며 이 중에서 비·

눈을 각각 강우·강설이라 한다. 강수와 강우가 같은 뜻으로 사용되는 일이 많은 이유는 강수의 대부분이 강우의 형태로 지상에 내리기 때문이다.

강수의 일부는 지표수가 되어 하천을 통하여, 호수, 바다에 흘러서 들어간다. 다른 일부의 강수는 지중에 침투하여 포기대에 머물러 있으면서 토립자의 흡착수로 되고, 또 더 깊은 대수 층까지 내려가면 지하수가 된다.

지표수의 표면으로부터는 끊임없이 물이 증발하고 있으며, 또 지중에 침투한 물도 식물을 통하여 혹은 흙의 모세관 작용에 의하여 지표에 올라와 증발하여 다시 대기 중의 수증기로 환 원된다. 이러한 물의 이동을 물의 순환이라고 한다.

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단원 개념 정리 및 과학 글쓰기

참조

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