발열 반응과 흡열 반응에 대한 교과서 분석과 예비 화학 교사들의 이해도 조사

Abstract

This study not only analyzed the concept of exothermic and endothermic reaction presented in textbooks of high schools and general chemistry textbooks of Universities but also researched extent to which pre-service teachers understand this concept. In order to investigate the pre-service teachers’ understanding, 24 juniors, 26 seniors and 19 postgraduate students who were majoring in Chemistry education at teachers’ college were randomly selected and put in operation with questionnaires which are composed of 6 types of target questions such as the definition of exothermic and endothermic reaction, the changing temperature patterns, kinetic energy transformation, potential energy transformation, chemical bonding with potential energy and enthalpy. In addition, for deeper research, among the participants who respond to the questionnaire, 14 were interviewed thoroughly. After analyzing the content of textbooks, it was found out that most of them don’t bring the concept of emission and absorption of heat when defying that of exothermic and endothermic reaction. Furthermore, the system and surrounding are not clearly classified. Secondly, there was one type of chemistry textbook which misdirect temperature change of the system and surrounding. It is recommendable that such an unclear explanation which might eventually lead learners to misconception needs to be rectified. Third, the fact that bonding energy can also be defined as potential energy is rarely accounted for in current textbooks in Korea. There exist an interpretation that chemical reaction is described as rearrangement of chemical bonding; however, there is only one type of textbook that properly addresses the fact that rearrangement of chemical bonding is equivalent to the change of potential energy and that the latter will be transformed into kinetic energy. Not many textbooks address the concept of exothermic and endothermic reaction in detail although all 8 types of general chemistry textbooks mention that energy transformation occur as a result of chemical reaction according to the law of conservation of mechanical energy. Fourth, the concept of conservation of mechanical energy and the transformations from potential and kinetic energy are rarely applied in high school textbooks of Chemistry II. Also, there are no understandable explanations why energy released or absorbed in the form of heat when exothermic and endothermic reaction occur. Next, it appears that the difference between enthalpy and internal energy is vague; they either use energy mixed with enthalpy or are treated as same concept as marking them on the vertical axis of a potential energy curve graph. Moreover, the concept of enthalpy seems to be used without explanation of reasons why it needs to be introduced. Lastly, it is obvious that dynamic explanation of involving a change in the chemical bond rearrangement during the reaction is not sufficient. Analysis of the questionnaire survey of pre-service teachers revealed some important facts: Firstly, according to a survey conducted to explore the way pre-service teachers define the concept of exothermic and endothermic reaction, 71.0% of the teachers in this study responded that they explained simply exothermic reaction as energy releasing and 66.7% of them described endothermic reaction as energy absorption. None of them gave an explanation of the source of energy. Secondly, when dealing with chemical reaction which leads to changes in temperature of a solution, in both of the cases of exothermic and endothermic reaction, more than 35% are showed to misuse the concept in reverse. It is possible that the cause and effect are considered reverse in this case; it seems that they wrongly conceive that temperature in the system is decreased due to heat released and that heat absorbed cause temperature in the system to increase. Thirdly, it was found that pre-service teachers tend to consider understanding of endothermic reaction more difficult than that of exothermic reaction. They are tendency to regard endothermic reaction as a non-spontaneous process because the endothermic reaction can be occurred by absorbing the energy. Lastly, pre-service teachers seem to have difficulty in connecting the idea of changes in temperature of a solution with that of transformation of kinetic energy in the system. They hardly conceive the idea that chemical bonding energy is equivalent to potential energy. It is necessary to explain the concept thoroughly that while transforming the reactant into the product by chemical reaction, potential energy is changed as a result of rearrangement of chemical bonding. This potential energy is transformed into kinetic energy based on the law of conservation of mechanical energy, resulting in changes of temperature of a solution. In conclusion, it is essential to explain the reaction process in sequence to prevent the misconception; rearrangement of chemical bonding, change of potential energy, change of kinetic energy, change of solution temperature, flow of heat between system and surrounding. It is clear that efforts have to be made to reestablish these, which will be greatly helpful for both teachers and students in understanding and building right concepts.;본 연구에서는 ‘발열 반응과 흡열 반응’에 대해 고등학교 화학Ⅱ 교과서와 대학교 일반화학 교재를 분석하였고, 예비 교사들의 이해 정도를 조사하였다. 예비 교사들의 이해도를 조사하기 위해 서울 지역 사범대학에서 화학 교육을 전공하는 3학년 24명, 4학년 26명, 그리고 교육대학원 화학교육 전공생 19명을 임의로 선정하였다. 개념 검사지는 발열 반응과 흡열 반응의 정의, 발열 반응과 흡열 반응시 계의 온도 변화, 운동 에너지와 위치 에너지의 전환, 화학 결합과 위치 에너지, 엔탈피와 에너지에 관한 6개의 문항으로 구성되었다. 또한 보다 심층적인 분석을 위하여 14명의 예비 교사를 선정하여 검시지의 응답에 대해 면담을 진행하였다. 교과서의 내용을 분석한 결과 첫째, 발열 반응과 흡열 반응의 정의를 하는 데 있어서 주로 열의 방출과 흡수로 설명을 하고 있었는데 계와 주위의 구분이 불분명하였다. 둘째, 계와 주위의 온도 변화를 잘못 설명하고 있는 화학Ⅱ 교과서가 1종이 있었다. 이러한 교과서의 잘못된 기술은 학생들에게 그릇된 개념을 형성시킬 우려가 있으므로 주의 깊게 살펴보아야 하며 수정이 필요하다. 셋째, 화학Ⅱ 교과서에는 결합 에너지가 곧 위치 에너지라는 설명을 거의 하고 있지 않다. 화학 반응은 결합의 재배열이라는 설명은 있지만 결합의 재배열이 위치 에너지의 변화임을 설명하고 이 위치 에너지 변화가 운동 에너지 변화를 초래한다는 것을 설명하는 화학Ⅱ 교과서는 단 1종 뿐 이었다. 일반 화학 교재에서는 8종에서 모두 역학적 에너지의 보존 및 화학 반응이 일어나면 위치 에너지의 변화가 수반됨을 언급하기는 하지만 이러한 개념을 발열 반응과 흡열 반응을 정의할 때 자세히 설명하고 있는 교재는 많지 않았다. 넷째, 화학 반응에서 위치 에너지와 운동 에너지 사이의 전환 즉, 역학적 에너지 보존을 적용하는 화학Ⅱ 교과서가 거의 없었다. 또한 발열 반응과 흡열 반응 시에 출입하는 열을 운동 에너지와 연결시켜 설명하고 있지 않았다. 일반 화학 교재에서는 열이 분자들의 운동 에너지의 움직임과 관련된다는 것을 다루는 부분이 있기는 하지만 발열 반응과 흡열 반응에서 이와 연결시켜 열이 방출되고 흡수되는 이유를 설명하고 있지 않았다. 다섯째, 엔탈피와 내부 에너지의 구분이 불분명하다. 화학Ⅱ 교과서에서는 그래프의 세로축에 이것을 표기함에 있어서도 에너지와 엔탈피를 혼용하여 사용하고 있거나 같은 개념으로 설명하고 있다. 그리고 엔탈피를 도입하는 이유에 대한 설명 없이 엔탈피의 개념이 사용되고 있었다. 여섯째, 화학 반응을 미시적인 분자 수준에서 동력학적으로 설명하는 것이 부족하다. 화학 반응은 결합이 재배열 되는 것인데 실제로 분자 수준에서 어떻게 재배열이 일어나는지에 대한 구체적인 설명이 미흡하다고 볼 수 있다. 개념 검사지의 응답 내용 및 면담 내용을 분석한 결과 첫째, 발열 반응과 흡열 반응을 정의할 때 단순히 열의 방출과 흡수로만 설명하는 예비 교사들이 발열 반응의 경우 71.0%, 흡열 반응의 경우 66.7%로 나타났다. 열의 근원에 대해서 설명하고 있는 예비 교사는 한 명도 없었다. 둘째, 화학 반응이 일어날 때 용액의 온도 변화를 거꾸로 응답한 예비 교사들은 발열 반응의 경우 37.7%, 흡열 반응의 경우 36.2%였다. 이것은 원인과 결과를 잘못 생각하고 있기 때문이라고 볼 수 있다. 용액의 온도 변화가 있기 때문에 열이 흐르게 되는 것인데 열을 방출했기 때문에 계의 온도는 낮아지고, 열을 흡수했기 때문에 계의 온도가 높아진다는 잘못된 사고를 하고 있다. 셋째, 발열 반응보다 흡열 반응에 대한 이해가 더 어려운 것을 알 수 있었다. 흡열 반응은 에너지를 흡수하여 반응을 시작한다고 생각하는 경향을 보였는데 그래서 발열 반응은 자발적으로 진행되지만 흡열 반응은 비자발 반응이라고 생각하고 있다는 것을 확인하였다. 넷째, 화학 반응이 일어날 때 용액의 온도가 변화하는 것은 계 안에 있는 물질들의 운동 에너지가 변화했기 때문이라는 것을 연결시키지 못하고 있었다. 이것은 예비 교사들이 화학 결합은 곧 화학 위치 에너지라는 사실을 쉽게 받아들이지 못하는 것과 함께 생각해 볼 수 있다. 위 연구 결과를 토대로 발열 반응과 흡열 반응에 대한 올바른 개념 정립을 위해 교과서 및 교사들의 수업에서 화학 결합의 재배열에 따른 에너지 전환과 그 결과로 인한 용액의 온도 변화, 그리고 용액과 주위의 온도 차에 따른 열의 흐름을 순차적으로 설명할 필요가 있다고 생각한다.