고등학교 화학Ⅱ 교과서에 제시된 화학평형과 화학반응속도 관련 그래프에 대한 교사와 예비교사들의 그래프 해석

Abstract

본 연구에서는 고등학교 화학Ⅱ 교과서에 제시된 화학평형과 화학반응속도 관련 그래프에 대한 교사와 예비교사의 그래프 해석을 조사하였다. 이를 위해서 2009 개정 교육과정 화학Ⅱ 교과서 4종을 분석하여 설문지를 작성하였다. 연구대상은 대도시 소재 대학교와 교육대학원 화학교육전공에 재학 중인 교사와 예비교사이다. 2009 개정 교육과정 화학Ⅱ 교과서 4종을 분석한 결과, 자유에너지 그래프에 대한 설명이 충분하지 않아 이해하기 어려웠다. 반응시간에 따른 농도 변화 그래프와 반응 시간에 따른 속도 변화 그래프, 1차 반응 그래프와 반감기 그래프는 연관성이 있지만 교과서에서 이와 관련된 설명이 없었다. 온도 변화에 따라 정반응과 역반응 중 어느 쪽으로 평형이 이동하는지 설명하지만, 이와 관련된 그래프는 제시하지 않았다. 발열반응과 흡열반응을 온도에 따른 기체분자의 운동 에너지 분포 곡선 그래프와 연관시킬 수 있지만, 연관시켜 설명하지 않고 따로 설명하였다. 촉매에 의한 활성화 에너지 변화 그래프를 보여주지만, 그 이유에 대한 설명은 없었다. 따라서 그래프를 해석하는데 어려움이 있을 수 있다. 설문지는 6문항으로 자유에너지 변화 그래프, 반응시간에 따른 농도 변화 그래프와 반응 시간에 따른 속도 변화 그래프의 연관성, 온도 변화에 의한 화학평형의 이동, 1차 반응 그래프와 반감기 그래프의 연관성, 온도에 따른 기체분자의 운동 에너지 분포 곡선, 촉매에 의한 활성화 에너지 변화 그래프로 구성되었다. 교사와 예비교사 10명을 선정하여 설문지 응답에 대한 반구조화 된 면담을 실시하였다. 설문지의 응답을 분석한 결과, 첫째, 자유에너지 변화 그래프에서 ΔG>0이므로 역반응이 자발적으로 일어나는 것은 알지만, 화학 반응식에서 단 방향 화살표를 사용해야하는지 양쪽 화살표를 사용해야하는지 정확히 알지 못하였다. 둘째, 가역반응에서 정반응 속도와 역반응 속도가 있으며, 정반응 속도와 역반응 속도 차인 알짜 정반응 속도가 존재한다. 그러나 교과서에서 이를 설명하지 않아 알짜 정반응 속도를 23%가 알고 있었다. 셋째, 온도를 높였을 때 반응 속도의 변화를 아레니우스 식을 사용하여 설명하기 보다는 활성화 에너지 이상의 에너지를 가지는 분자수의 변화와 르샤틀리에의 원리를 적용하여 설명하였다. 아레니우스 식을 사용하여 설명하는 경우 수식을 외우고 있지만, 이를 적용하지 못하였다. 이는 정량적인 부분에 대해 주로 배우지만, 정성적인 부분에 대해서는 고려하지 않기 때문이다. 넷째, 반응물의 농도와 반응 속도 그래프와 반응물의 농도에 따른 반감기 그래프의 연관성을 33%가 알았다. 그래프가 1차 반응이라는 사실을 모르거나, 수식을 모르더라도 그래프의 연관성을 이해한다면 접선의 기울기를 알 수 있다. 교과서에서 두 그래프의 연관성에 대해 설명하지 않아, 두 그래프가 연관성이 있는지 알지 못한다는 것을 의미한다. 하지만 반응속도에 대한 개념을 정확히 이해하면 두 그래프 사이의 연관성을 알아낼 수 있다. 다섯째, 발열반응과 흡열반응에 따른 온도 변화로 기체 분자의 운동 에너지 분포 그래프를 보고 반응의 진행을 설명하였지만, 반응 진행에 따른 에너지 변화 그래프로 온도의 변화를 설명하지는 못하였다. 이는 교과서에서 발열반응과 흡열반응에 따른 온도변화를 언급하지만, 반응 진행에 따른 에너지 변화 그래프를 이용하여 설명하지 않기 때문에 연결시키지 못하는 것으로 생각된다. 여섯째, 84%의 교사와 예비교사들이 촉매를 사용했을 때 중간체에 의해 봉우리가 2개로 변하는 것을 알았다. 하지만, 촉매를 사용했을 때 봉우리가 2개인 그래프는 반응 메커니즘에 맞게 그린 것이고, 촉매를 사용했을 때 봉우리의 변화 없이 활성화 에너지만 감소한 그래프는 개념이해에 도움이 되도록 쉽게 만든 것이므로 두 그래프 모두 타당하다고 생각하였다. 연구결과로 부터 화학 반응식에 대해 배울 때 단 방향 화살표와 양쪽 화살표의 의미에 대해 설명해 주고 이를 구분해 준다면 화살표를 구분하여 사용하는데 도움이 될 수 있을 것이다. 화학평형과 화학반응속도 단원에서 사용하는 그래프 사이에 연관성에 대해 설명을 해준다면, 개념을 정확히 이해하는데 도움이 될 것이라 생각한다. 또한, 학생이 그래프를 해석하는 데 어려움이 있을 수 있으므로, 교사가 그래프를 해석하는데 도움을 주어야 할 것이다.;The aim of this paper is to investigated the interpretation of the graph by teacher and preliminary teachers about graph on the chemical reaction rate and chemical equilibrium described in the textbook of chemical Ⅱ high school. Questionnaire were created and analyzed the four kind of 2009 educational curri Ⅱ texculum revision chemicaltbook. This study is based on teachers and preliminary teachers who majored in Chemistry Education in University and graduate school in major city. The result of analysis on four kinds of 2009 educational curriculum revision chemical Ⅱ textbook, indicates that the graph of free energy was difficult to understand due to lack of explanation. The graph of concentration change and the graph of speed rate change over reaction time, the graph of first order reaction and half-life graph are relevant, but there was no explanation about this in the text book. In the test book, the equilibrium is moved to either reverse reaction and xxxxxx with the temperature change, the graph associated with this didn't revealed. Exothermic reaction and endothermic reaction can be associated with distribution curve graph of kinetic energy of gas molecule. but it has not been described in conjunction. The graph shows the change in the activation energy with catalyst. But there is no explanation of why. Thus, it could be difficult to understand the graphs. Questionnaire consists of 6 questions regarding Gibb's free energy, the association between graph of concentration change and the graph of speed rate change over the reaction time, equilibrium change due to temperature change, the relevance of the graph of first-order reaction and the half-time graph, the distribution curve of kinetic energy of gas molecules by temperature, and the graph of activation energy change due to catalysis. Semi-constructed interviews were conducted for 10 in-service and preliminary teachers with respect to their questionnaire responses. First of all, by analyzing the questionnaire responses, it turned out that interviewees knew a reverse reaction occurs voluntarily in the free energy change graph because of ΔG>0. However, they did not know exactly which arrow (one-way or two-way) to use. Secondly, There are forward and reverse reactions because it is a reversible reaction, and the forward reaction speed net, the difference of forward and reverse reactions exists. However, because there is no explanation about this, interviewees thought forward reaction speed net was 23%. Third, interviewees applied the changes in the number of molecules that have energy more than activation energy and Le Chatelier's principle to explain the reaction rate change when the temperature rises rather than using Arrhenius equation. When it was explained with Arrhenius equation, they applied it by memorizing the equation without application. This is due mainly to learn about the quantitative part, but does not account for the qualitative part. Fourth, 33% of interviewees figured out the association between the graph of reactant concentration speed and the graph of the half-time by reactant concentration. Even if they do not know the equation or if the graph is first order reaction, the slop of tangent can be obtained by understanding the relevance of the graphs. The textbooks do not explain the association of two graphs so that it is difficult to notice the relevance of the two graphs. However, if the concept of reaction rate is well established, the association of two graphs is easily found. Fifth, the interviewees explained the progress of reaction by looking at the energy distribution graph of kinetic energy of gas molecule due to the temperature change by the exothermic reaction and an endothermic reaction, but they could not explain the temperature change from the energy change graph according to the progress of reaction. This is because although the temperature change due to the exothermic reaction and an endothermic reaction is mentioned in the textbook, but it doesn't seem to explain this by energy change graph according to the progress of progress. Sixth, 84% of the teachers and preliminary teachers knew that it becomes two-peaks due to the intermediate when using a catalyst. However, when a catalyst is used the two-peak graph is drawn according to the reaction mechanism, and the graph that illustrates a decrease in activation energy with no change of peak is intended to help understand the concept. Thus, both graphs were considered correct. From the results of the study, it was observed that it would help in making distinction of usage of arrows if the meaning of one-way and two-way arrow in chemical formula is explained and distinctly used in class. In the chapter of chemical equilibrium and chemical reaction rate, description on relevance between the graphs can help understand the concept. Also Students could have a problem with interpreting the graph. Teachers need to help them to interpret the graph.