주사기로 탐구하는 기체의 성질

인천 옥련초 김병석

2019 대한민국과학교사큰모임 발표자료입니다. 다른 곳에 인용하실 때는 반드시 출처를 밝혀 주시기 바랍니다.

Ⅰ. 들어가며

우리가 주변에서 쉽게 만나는 기체인 공기는 우리들의 눈에 보이지 않으며 만져지지도 않고 냄새조차 없으며 우리를 둘러싸고 있어 존재를 망각할 때가 많이 있다. 공기조차도 여러 종류의 기체 혼합물이지만 대다수의 학생뿐만 아니라 일반인조차도 기체에 관심이 없으며 공기가 혼합물이라는 것에 대한 개념이 부족하다.

기체는 우리 주변에서 접하는 수많은 물질 중 가벼운 물질이지만 생명을 유지하는데 더 없이 필요한 존재이다. 사람을 비롯하여 수많은 동물이 숨을 쉬는데에는 산소가 필요하며 식물이 광합성작용을 통해 양분을 만들기 위해서는 이산화탄소가 필요하다. 가스레인지나 화력발전의 연료로 액화석유가스나 액화천연가스, 뷰테인 가스가 사용이 되며 밤을 아름답게 밝히는 조명기구에는 아르곤, 네온, 제논등의 기체가 사용이 된다. 건조한 공기의 약 78%를 차지하는 질소기체는 과자, 커피, 홍차 등의 제품을 포장할 때에 주입하여 내용물을 잘 보존하거나 신선하게 유지하는데 많이 사용되기도 한다. 이 이외에도 다양한 종류의 기체는 우리 생활과 밀접하게 연관이 있으며 활용 범위가 넓으므로 기체에 관심을 가질 필요가 있다.

또한 기체와 관련하여 초등학교 교육과정에서도 산소, 이산화탄소와 같은 기체를 만들어보고 여러 가지 실험을 통해 각각의 기체의 성질을 탐구하여 보도록 구성되어 있다. 현재 6학년 학생들에게 적용중인 2009개정 교육과정 뿐만 아니라 5~6학년은 2019년부터 적용되는 2015개정 교육과정에서도 기체와 관련된 탐구는 수록될 예정으로 중요하게 다루어지고 있는 영역이기도 하다.

그러나 현장의 많은 초등교사들은 과학에 대하여 특별한 관심을 가지고 있지 않는 한 기체 발생실험에 대하여 많은 부담을 가지고 있다. 일반적으로 기체 발생 실험 장치는 기체발생에 필요한 시약 외에도 스탠드, 링, 깔때기, 고무관, 핀치 집게, 가지달린 삼각플라스크, ㄱ자 유리관, 집기병, 유리판, 수조, 물, 보안경, 실험용 장갑 등 준비물이 복잡하고 설치가 까다로우며 고무관 중간에 막힌 곳이 없도록 유지해야 하는 등 고려해야 할 사항이 많다. 핀치 집게로 삼각플라스크에 들어가는 시약을 조절해야 하는데 조절을 잘 못하여 많은 양의 시약이 들어가면 갑작스러운 반응으로 고무관이 폭발하듯이 튀어나가 안전사고의 위험도 있기 때문이다.

본 연수에서는 루어락주사기와 삼방코크를 이용하여 안전하고 편리하게 기체발생실험방법을 제안할 것이며 그 외에도 주사기로 기체의 성질을 확인할 수 있을만한 실험을 제안하고자 한다.

 

Ⅱ. 기체의 성질

1. 기체의 성질 확인 실험

가. 주사기를 이용한 기체의 압력과 부피 변화 실험 1

  1. 60mL 루어락주사기에 물을 30mL정도 넣고 공기 중에서 조금 잡아당겨 실린더 안에 공기방울이 조금 들어가도록 한다.
  2. 루어락주사기의 입구를 막고 피스톤을 잡아당기면서 공기방울의 크기가 어떻게 변하는지 살펴본다.
  3. 피스톤을 밀어보고 공기방울의 크기가 어떻게 변하는지 살펴본다.
  4. 공기방울의 크기가 왜 변하는지 설명하여 본다.

나. 주사기를 이용한 기체의 압력과 부피 변화 실험 2

  1. 5mL 루어락주사기에 공기를 2mL 넣고 입구를 막는다.
  2. 기체의 압력과 부피변화 2의 실험장치에서 작은 풍선 대신 1의 주사기를 넣는다
  3. 진공실험장치의 피스톤을 이용하여 공기를 빼면서 스마트폰의 압력의 변화와 주사기의 공기 부피는 어떠한 변화가 있는지 살펴본다.

다. 주사기를 이용한 기체의 온도와 부피변화 실험

  1. 60mL 루어락주사기에 공기를 30mL정도 넣고 입구를 막는다.
  2. 1의 주사기를 뜨거운 물에 넣어보고 변화를 살펴본다.
  3. 2의 주사기를 얼음물에 넣어 보고 변화를 살펴본다.

라. 공기의 무게 측정

  1. 60mL 루어락주사기에 공기를 15mL정도 넣고 입구를 막는다.
  2. 주사기 겉면의 눈금 15mL부터 60mL까지의 길이만큼 나무젓가락을 잘라 1의 주사기와 함께 전자저울로 무게를 잰다. 이 때 사용하는 전자저울은 소숫점 아래 둘째자리까지 표기될 수 있는 전자저울이어야 한다.
  3. 나무젓가락을 주사기에 끼워 주사기의 부피를 늘린 후 무게를 잰다.
  4. 무게는 어떻게 될지 예상하여 보고 무게를 재어본다.
  5. 4에서의 무게 변화를 이용하여 1L(1000mL)의 무게는 어떠할지 계산하여 보고 이론값과 비교하여 본다.

2. 여러 가지 기체를 만들어 보고 성질 탐구하기

가. 실험장치와 친해지기

  1. 삼방코크를 중심으로 왼쪽과 오른쪽에는 60mL 루어락 주사기를, 아래쪽에는 5mL 루어락 주사기를 연결한다. 오른쪽에는 루어락 커넥터를 이용하여 연결한다.
  2. 물을 넣은 5mL 주사기를 삼방코크에 끼우고 삼방코크를 ‘ㅏ’모양으로 회전한 후 피스톤을 눌러 물을 오른쪽 주사기로 보낸다.
  3. 삼방코크를 ‘ㅗ’모양으로 회전한 후 오른쪽 주사기의 피스톤을 눌러 물을 왼쪽 주사기로 보낸다.
  4. 삼방코크를 ‘ㅓ’모양으로 회전한 후 왼쪽 주사기의 피스톤을 눌러 물을 아래쪽 주사기로 보낸다.

나. 산소기체 만들기 1

  1. 5mL 주사기에는 묽은 과산화수소수를 넣고 오른쪽 주사기에는 아이오딘화칼륨를 1~2숟가락 넣는다. 삼방코크를 ‘ㅏ’모양으로 회전한 후 5mL 주사기를 눌러 묽은 과산화수소수가 오른쪽 주사기로 들어가도록 한다.
  2. 오른쪽 주사기에서 묽은 과산화수소수와 아이오딘화칼륨이 반응하여 기체가 만들어지면 삼방코크를 ‘ㅗ’모양으로 회전시킨다.
  3. 오른쪽 주사기의 피스톤을 눌러 기체를 왼쪽 주사기로 보낸다. 다 보낸 후에는 삼방코크를 ‘ㅏ’모양으로 회전시켜 왼쪽 기체가 빠져나가지 못하도록 막는다.

다. 산소기체 확인하기

  1. 바이알 병에 물을 가득 채우고 약포지 조각을 덮은 후 물이 담긴 비커에 거꾸로 세운다.
  2. 산소기체를 모은 주사기에 비닐관을 끼우고 다른 쪽 끝은 물이 담긴 바이알병에 넣고 피스톤을 눌러 바이알 병에 산소 기체를 모은다.
  3. 깜부기불을 바이알 병에 가까이 가져다 대어 변화를 관찰하고 산소의 성질을 탐구한다.

 

라. 산소기체 만들기 2

  1. 60mL 루어락주사기에 산소계표백제(과탄산소다)를 약수저로 1~2스푼을 넣고 삼방코크의 왼쪽에 연결한다.
  2. 60mL 루어락주사기에 아이오딘화칼륨을 조금 넣고 삼방코크의 오른쪽에 연결한다.
  3. 5mL 주사기에는 물을 넣는다.
  4. 삼방코크를 ‘ㅏ’모양으로 회전한 후 5mL 주사기를 눌러 물이 오른쪽 주사기로 들어가도록 아이오딘화칼륨이 용해되도록한다.
  5. 5mL 주사기를 삼방코크에서 빼서 다시 물을 채우고 삼방코크에 연결한 후 삼방코크를 ‘ㅓ’모양으로 회전한 후 물이 왼쪽 주사기로 들어가 산소계표백제가 용해되도록 한다.
  6. 5mL 주사기를 삼방코크에서 빼고 그 자리에 60mL주사기를 연결한다.
  7. 삼방코크를 ‘ㅗ’모양으로 회전한 후 오른쪽의 주사기의 피스톤을 눌러 아이오딘화칼륨용액이 왼쪽 주사기로 이동하도록 한다. 이 때 한 번에 많은 양이 이동하지 않도록 반응을 살펴보며 조금씩 이동시켜 반응이 일어나도록 한다.
  8. 왼쪽 주사기에서 표백제용액과 아이오딘화칼륨이 반응하여 기체가 만들어지면 삼방코크를 ‘ㅓ’모양으로 만들어 아래의 주사기로 기체를 이동한다.
  9. 기체의 양이 충분하지 않으면 7번과 8번과정을 반복하여 기체를 모은다.
  10. 산소기체인지 확인하여 본다.

마. 이산화탄소기체 만들기 1

  1. 5mL 주사기에는 묽은 염산을 넣고 오른쪽 주사기에는 탄산칼슘가루를 1~2숟가락 넣고 공기를 뺀 후 삼방코크를 ‘ㅏ’모양으로 회전한 후 염산을 눌러 탄산칼슘과 반응을 시킨다.
  2. 삼방코크를 ‘ㅗ’모양으로 회전한 후 오른쪽 주사기의 피스톤을 눌러 발생한 기체를 왼쪽 주사기로 보낸다.

바. 이산화탄소기체 확인하기

  1. 50mL 주사기에 석회수를 넣고 삼방코크에 끼운 후 삼방코크를 ‘ㅓ’모양으로 회전한 후 피스톤을 눌러 석회수가 왼쪽 주사기로 들어가게 만든다.
  2. 석회수의 변화를 관찰한다.

사. 이산화탄소기체 만들기 2

  1. 60mL 루어락주사기에 탄산수소나트륨(베이킹소다)를 약수저로 1~2스푼을 넣고 삼방코크의 왼쪽에 연결한다.
  2. 60mL 루어락주사기에 구연산을 조금 넣고 삼방코크의 오른쪽에 연결한다.
  3. 5mL 주사기에는 물을 넣는다.
  4. 삼방코크를 ‘ㅏ’모양으로 회전한 후 5mL 주사기를 눌러 물이 오른쪽 주사기로 들어가도록 하여 구연산이 용해되도록 한다.
  5. 5mL 주사기를 삼방코크에서 빼서 다시 물을 채우고 삼방코크에 연결한 후 삼방코크를 ‘ㅓ’모양으로 회전한 후 물이 왼쪽 주사기로 들어가 탄산수소나트륨이 용해되도록 한다.
  6. 5mL 주사기를 삼방코크에서 빼고 그 자리에 60mL주사기를 연결한다.
  7. 삼방코크를 ‘ㅗ’모양으로 회전한 후 오른쪽의 주사기의 피스톤을 눌러 구연산용액이 왼쪽 주사기로 이동하도록 한다. 이 때 한 번에 많은 양이 이동하지 않도록 반응을 살펴보며 조금씩 이동시켜 반응이 일어나도록 한다.
  8. 왼쪽 주사기에서 탄산수소나트륨용액과 구연산용액이 반응하여 기체가 만들어지면 삼방코크를 ‘ㅓ’모양으로 만들어 아래의 주사기로 기체를 이동한다.
  9. 기체의 양이 충분하지 않으면 7번과 8번 과정을 반복하여 기체를 모은다.

아. 수소기체 만들기

5mL 주사기에는 묽은 염산을 넣고 오른쪽 주사기에는 마그네슘조각을 1~2숟가락 넣고 공기를 뺀 후 삼방코크를 ‘ㅏ’모양으로 회전한 후 염산을 눌러 마그네슘조각과 반응을 시킨다.

자. 수소기체   확인하기

  1. 일회용 스포이트의 둥근 부분을 자르고 뾰족한 부분도 주사기에 들어갈 정도의 위치를 자른다.
  2. 잘라낸 일회용 스포이트를 기체가 모인 주사기에 꽂는다.
  3. 1회용 주사기의 잘라낸 부분에 비눗물을 묻히고 피스톤을 밀어 비눗방울이 생기도록 한다. 수소기체의 성질을 탐구한다.

 

Ⅲ. 나가며

기체발생실험에 루어락 주사기와 삼방코크를 이용하는 것은 실험 준비과정을 단순화 하고 실험에 필요한 공간을 최소화 하여 개별 실험이 가능할 뿐만 아니라 시약의 사용을 최소화 하여 실험으로 인한 환경오염도 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 다양한 실험에 활용할 수 있어 주사기를 이용한 다양한 실험은 개발되고 보급되어야 할 것이다.

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