탁주환 | 부산과학고등학교 교사, chemtak@naver.com
서론
1. 레시피 그대로 따라 하는 요리 같은 화학 실험
개인적으로 결과를 확인하기 위한 재현하기식 실험을 별로 좋아하지 않는다. 0.1 M 염산(hydrochloric acid) 20 mL가 들어있는 플라스크에 페놀프탈레인 지시약(phe- nolphthalein indicator)을 몇 방울 넣고 같은 농도의 수산화 나트륨(sodium hydroxide) 수용액을 뷰렛(burette) 에 넣고 적정하면 20 mL가 소모된다는 이론적 결과를 이 미 알고 있는 상태에서 이 실험이 가지는 의의는 과연 무엇일까? 산의 하이드로늄 이온(hydroniumion)이 염기의 수산화 이온(hydroxide ion)과 1 : 1 의 개수(mol) 비로 반 응한다는 사실을 실험을 통해 확인할 수 있고, 이를 이용 하여 산 또는 염기 수용액의 미지 농도를 측정할 수 있다는 것이 고등학교 화학 교육과정 성취 기준에 명시되어 있는 전부라는 점은 다소 유감스럽다. 물론 여러 가지 실험 기구의 사용법을 배울 수 있는 기회가 될 수 있으며, 중화 반응의 기본 원리를 확인할 수 있는 이 실험이 중요하지 않다거나 필요하지 않다는 말은 절대 아니다. 단지 몇십 년 전 내가 고등학생이었을 때 배웠던 내용 그대로 가르쳐야 한다는 것에 대한 반감이랄까 아니면 레시피 그대로 따라하는 요리 같은 화학 실험에 질렸는지 모르겠지만 가끔 이와 비슷한 실험 수업을 할 때면 학생들에게 엉뚱한 질문을 습관처럼 하곤 한다. 염산처럼 투명한 수용액이 아니라 색 이 있는 오렌지 주스를 가지고 중화 적정 실험을 하면 어 떻게 농도를 알아낼 수 있을까?
학생들은 지시약을 사용할 수 없을 때 중화점(equiva- lence point)을 확인할 수 있는 방법 정도는 이미 알고있었다. 온도를 측정한다, 전기 전도도를 측정한다 등의 내 용이 참고서에 나오기 때문일 것이다. 그래서 이어서 과제를 제시한다.
지시약의 색 변화, 온도 측정, 전기 전도도 측정 등 다양 한 방법으로 중화점을 확인할 수 있듯이 기존의 대표적인 측정 방법과 다른 방법으로 용액의 농도, pH, 온도, 부피, 질량 등을 측정 할 수 있는 실험을 설계해 보시오.
2. 시간을 측정하여 pH를 구하다
학생들은 처음 이 과제를 접하고는 많이 의아해하고 방향을 잡지 못하는 경우가 많았다. 자를 이용하지 말고 길이를 측정하고, 저울을 사용하지 말고 질량을 측정하고, 온도계를 사용하지 말고 온도를 측정해 보라는 부연 설명과 함께 새로운 측정 방법이 기존 측정 방법보다 정확하거나 안전하거나 시간이 단축되거나 경제적이라면 더 좋겠다라는 과제에 대한 충분한 설명을 한 후에 10년 전 쯤 어느 학생팀의 시간을 측정하여 pH를 구할 수 있는 방법에 관한 연구 과정 및 원리를 예시로 보여주었다. 시계 반응(oscillating reaction)의 일종인 벨루소프-자보 틴스키 반응(Belousov-Zhabotinsky reaction, BZ reaction)에서 색 변화의 주기에 하이드로늄 이온의 농도가 영향을 미친다는 사실을 이용하여 반응의 색 변화 주기(시간)를 측정함으로써 pH를 구할 수 있는 방법에 관한 것이다.
다음 내용은 얼마 전 학생들에게 동일한 과제를 제시하였고 아직 실험 진행 중이지만 흥미로운 결과가 있어 지면을 통해 소개하고자 한다.
본론
1. 실험의 이론적 배경
모든 방향으로 진동하는 빛이 편광판(polarizer)을 통과할 때 편광면과 평행한 방향으로 진동하는 빛(polarized light)만 통과하게 된다. 이 빛이 포도당 수용액을 통과할 때 광학 활성(optical activity)을 가진 포도당 분자(D- glucose, dextrose)에 의해 오른쪽으로 회전하게 되고, 회전된 편광(rotated polarized light)은 회전이 가능한 두 번째 편광판(rotatable polarizer)을 통과하여 우리 눈(observer)에 보이게 된다. 이때 관찰 가능한 회전 각도는 샘플 튜브 속의 포도당 분자의 양(mol)에 비례하므로 회전 각도를 측정함으로써 포도당의 농도(M)를 알 수 있다.
2. 실험 장치 및 실험 방법
[그림 2(a)]와 같이 광원 위에 1차 편광판을 놓는다. (이번 실험에 필요한 광원은 모든 방향으로 진동하는 백색 면광원(surface source of light)이 필요하였지만 실험에 필요한 면적의 면광원을 구하기 어려워 편광된 빛을 방출하는 태블릿을 광원으로 사용하고 태블릿의 광원이 통과할 수 있도록 1차 편광판을 회전시켜 동일한 효과를 나타낼 수 있도록 하였다.)
1차 편광판 위에 증류수와 서로 다른 농도(0.5 M, 1.0 M, 1.5 M)의 포도당 수용액을 한 번에 놓는다. (빛의 진행 길이가 같도록 같은 크기의 눈금실린더 (250 mL graduated cylinder)와 같은 부피의 용액을 사용하였다.)
증류수와 3개의 포도당 수용액 위에 2차 편광판을 올려둔 후, 1차 편광판과 평행하게 둔다.
2차 편광판을 회전시키면서 가장 밝게 보이는 각도를 측정한다.
3. 예상 결과
1차 편광판과 2차 편광판이 평행(회전 각도 0°) 할 때 증류수는 빛이 통과하여 밝게 보이고, 1차 편광판과 2차 편광판이 수직(회전 각도 90°) 일 때 빛은 통과하지 못하여 어둡게 보여야 한다.
1차 편광판과 2차 편광판이 평행(회전 각도 0°) 할 때 포도당 수용액의 경우 어둡게 보여야 하고, 2차 편광 판을 회전시키면 포도당 수용액이 밝게 보이는 지점이 나올 것이다.
포도당 수용액의 농도가 진할수록 밝게 보이는 회전 각도는 증가할 것이다.
밝게 보이는 회전 각도를 측정함으로써 포도당 수용 액의 농도를 측정할 수 있다.
이는 기존에 나와 있는 실험 방법과 동일한 것으로 전혀 새로운 점은 없지만 학생들은 재미있는 사실을 발견하였고 이후 기존의 이 연구 방향을 수정하였다.
4. 실험 결과
1차 편광판과 2차 편광판이 평행(회전 각도0°) 할 때 증류수는 빛이 통과하여 밝게 보이고, 1차 편광판과 2차 편광판이 수직(회전 각도 90°) 일 때 빛은 통과하 지 못하여 어둡게 보여 예상 결과와 동일하였다.
(표 1에서 증류수가 들어있는 눈금실린더와 눈금실린 더 밖의 빈 공간에서 같은 색 변화를 나타나는 것을 확인 할 수 있다.)
1차 편광판과 2차 편광판이 평행(회전 각도 0°) 할 때 포도당 수용액은 빛이 통과하지 못해 어둡게 보이는 것이 아니라 노란색을 나타내었다. 포도당 수용액의 농도가 진할수록 더 진한 노란색이 나타났다.
2차 편광판을 회전시킴에 따라 포도당 수용액이 밝게 보이는 지점을 찾기가 어려웠으며, 증류수와는 달리 어둡게 보이는 소광(extinction) 현상은 나타나지 않았고, 회전 각도에 따라 포도당 수용액의 색이 변하였다.
2차 편광판의 회전 각도가 180° 차이가 나는 경우 동일한 색 변화를 나타낸다.
(회전 각도가 180°차이가 나는 경우(예를 들어 120° 와 300°) 편광의 진동면이 평행한 경우이므로 동일한 색 변화를 나타나는 것은 당연하다.)
2차 편광판의 회전 각도가 150°인 경우 포도당 수용액의 농도에 따른 색의 차이가 가장 뚜렷하다.
5. 실험 결과 해석
처음에는 포도당 수용액이 밝게 보이는 2차 편광판의 회전 각도를 측정함으로써 포도당 수용액의 농도를 구하고자 하였으나 그 지점을 육안으로 찾기가 어려웠다.
2차 편광판의 회전 각도가 150°일 때 포도당 수용액의 농도에 따른 색이 서로 뚜렷이 다르므로, 회전 각도를 150°로 설정해 놓고 포도당 수용액의 색을 관찰함으로써 포도당 수용액의 농도를 알아낼 수 있을 것이다.
이는 기존의 실험 방법과는 다른 것으로 학생들은 구체적인 연구 계획을 수립하여 실험을 진행하였고, 다음은 아직 진행 중인 실험 결과의 일부이다.
두 편광판의 회전 각도에 따른 색 변화를 이용한 새로운 당도 측정 방법에 관한 연구
[ 실험 과정 ]
1) 서로 다른 농도 (0.5 M, 1.0 M, 1.5 M)의 포도당 수용액을 제조한다.
2) 제조한 포도당 수용액을 250 mL 눈금실린더에 같은 부피만큼 넣고 광원 위의 1차 편광판 위에 놓는다.
3) 눈금실린더 위에 2차 편광판을 놓고 2차 편광판의 회전 각도에 따른 포도당 수용액의 색 변화를 조사한다.
(촬영한 사진을 색 추출 프로그램을 이용하여 정확한 색을 찾음.)
4) 포도당 수용액의 농도에 따른 색의 차이가 가장 뚜렷한 회전 각도를 찾는다.
5) 과당, 설탕, 엿당 수용액을 이용하여 1) ~ 4)의 과정을 반복한다.
[ 실험 결과 ]
1) 포도당 (D-glucose) 수용액
: 2차 편광판의 회전 각도가 150°일 때 포도당 수용액의 농도에 따른 색이 서로 뚜렷이 다르다.
2) 과당 (D-fructose) 수용액
: 2차 편광판의 회전 각도가 60°일 때 과당 수용액의 농도에 따른 색이 서로 뚜렷이 다르다.
3) 엿당 (D-maltose) 수용액
: 2차 편광판의 회전 각도가 150°일 때 엿당 수용액의 농도에 따른 색이 서로 뚜렷이 다르다.
4) 설탕 (D-sucrose) 수용액
: 2차 편광판의 회전 각도가 120°일 때 설탕 수용액의 농도에 따른 색이 서로 뚜렷이 다르다.
[ 실험 결과 해석 ]
당의 종류에 따라 농도에 따른 색 구별이 용이한 2차 편광판의 회전 각도는 서로 다르다.
측정하고자 하는 당의 종류에 따라 색 구별이 용이한 회전 각도를 설정한 후 당 수용액의 색을 관찰함으로써 농도를 알아낼 수 있다. 예를 들어 포도당 수용액의 농도를 측정하고 싶다면 2차 편광판의 회전 각도를 150°로 설정해 놓고
포도당 수용액의 색을 관찰함으로써 포도당 수용액의 농도를 알아낼 수 있을것이다.
빛의 굴절을 이용한 당도 측정기와 UV-Vis 분광광도계보다 정확성이 매우 떨어지지만 당의 종류와 농도를 간단한
색 변화를 통해 알아볼 수 있다는 사실을 발견한 점에서 의의가 크다고 생각한다.
[ 실험 결과 검증 ]
1. 사이다, 식혜, 알로에 주스, 포도 주스 속에 들어 있는 당의 농도를 실험 결과를 이용하여 알아보고 이를 실제값과 비교해 본다.
사이다 속의 설탕의 농도를 알아보기 위해 2차 편광판의 회전 각도를 120°로 설정하고 색을 관찰하였더니
색과 유사하므로 사이다 속 설탕의 농도는 0.5 M 일 것이다.
같은 방법으로 식혜 속 엿당, 알로에 주스 속 설탕, 포도 주스 속 포도당의 농도를 알아보기 위한 실험 결과는 다음과
같았다.
사이다 속에 설탕 이외에 다른 당 성분이 들어 있으며 마찬가지로 식혜 속에도 엿당 이외에 다른 당 성분이 들어 있어 정확한 검증 실험은 아니지만, 사이다 속의 설탕이 당의 주성분이며, 식혜 속 엿당, 알로에 주스 속 설탕이 당의 주성분이므로 어느 정도 수준에서는 검증이 가능하다고 판단하였다.
음료의 성분 분석을 통해 실제 당의 농도를 구하여 색을 실험 측정값과 비교해 볼 예정이다.
[ 앞으로의 연구 계획 ]
포도당, 과당, 엿당, 자당(설탕)의 혼합 비율에 따른 색 변화 확인이 필요하다.
설탕과 같은 이당류의 수용액에서의 가수분해 반응 후의 단당류의 종류와 양에 따른 색 변화 확인이 필요하다.
빛이 용액을 통과하는 길이에 따른 색 변화 확인이 필요하다.
2차 편광판의 회전 각도에 따라 다양한 색이 나타나는 원인은 광물 박편의 간섭색과 다색성 관점에서 비교하여 알아
낸다.
결론
화학을 내용 측면이 아닌 과정 측면에서 나누어 본다면 물질의 합성과 분리 그리고 분석이 아닐까 생각한다. 그 중 분석 과정은 물질이 제대로 합성되었는지 그리고 다른 불순물이 섞여 있는지를 확인할 수 있는 수단뿐만 아니라 특정 성분의 정성, 정량적 검출 등 일상생활 전반에 유용하게 활용될 수 있다. 저울로 측정이 불가능한 전자의 아주 작은 질량을 전하량 측정을 통해 알아내고, 온도계로 직접 측정이 불가능한 별의 표면 온도를 빛의 파장 분석을 통해 알아낼 수 있듯이 기존의 측정 방법이 아닌 다른 방법을 시도해 보는 것은 학생들에게 물리량의 기본적인 관계를 이해할 수 있고, 과학 연구의 기초적인 경험을 제공하는데 큰 도움을 줄 수 있는 기회가 될 것으로 생각한다. 그리고 이런 사소하지만 중요한 습관들이 쌓이게 되면 지금 교실 속 작은 학생들이 미래 과학 분야의 큰 역할을 담당할 훌륭한 인재로 성장할 것으로 믿는다.
탁 주 환 Tak Joohwan
부산대학교 화학교육과, 학사(1993.3 - 2000.2)
부산대학교 교육대학원 화학교육전공, 석사(2004.3 - 2007.8, 지도교수 : 진성호)
부산광역시 교육청 교사(2000.3 - 현재)
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