2009 개정 교육과정 고등학교 화학Ⅱ 교과서의 엔트로피 서술 및 활용 분석

Abstract

2009 개정 교육과정 화학Ⅱ에서는 엔트로피 개념이 새롭게 도입되었다. 엔트로피는 에너지와 더불어 자연 현상을 이해하는데 필요한 기본적인 개념으로, 현재 중등과정에서 배우고 있는 여러 개념들이 엔트로피 개념을 통한 설명을 필요로 하지만 엔트로피를 도입하지 않아 충분한 설명을 하지 못했다. 이러한 필요로 인해 2009 개정 교육과정에 엔트로피가 도입되었다. 본 연구의 목적은 중등 교육과정에 처음 도입된 엔트로피의 개념과 의미를 어떻게 설명하고 있으며, 도입 취지에 따라 엔트로피를 활용하여 과학 개념의 원리를 설명하고 있는지 분석하는 것이다. 이를 위해 2009 개정 교육과정 고등학교 화학Ⅱ 4종 교과서의 엔트로피 단원의 교과서 설명과 정의, 예시를 분석하였고, 화학Ⅱ의 다른 개념들-확산, 총괄성, 용해-을 엔트로피를 통해 설명하고 있는지 분석하였다. 본 연구의 분석결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, 2009 개정 교육과정 고등학교 화학Ⅱ 교과서 4종에서는 엔트로피를 ‘무질서도’로 정의하고 있었다. 이는 엔트로피를 ‘무질서함, 혼돈, 어지러움’ 등의 이미지와 시각적 무질서로 연관 지어 생각할 수 있으므로 올바른 정의라 할 수 없다. 엔트로피는 어떠한 특정 조건하에서 접근 가능한 에너지 레벨에 분포되어 있는 분자들이 갖는 가능성을 나타내는 것으로 가능한 분자 배열 방법의 수를 의미한다고 할 수 있다. 또한 교과서에서 사용하는 무질서한 상태, 어질러진 방 등의 예시는 무질서해질수록 엔트로피가 증가함을 나타내고 있으나 각각의 예는 하나의 상태를 나타낼 뿐 엔트로피 증가와 관련이 없다. 이 예들은 상태나 부피, 분자 수, 압력 등이 변할 때 미시상태 수가 달라져 변하는 엔트로피와 그 전제가 다르다. 어질러진 방은 정렬된 상태와는 다른, 분자의 이동만 있는 또 다른 하나의 상태일 뿐 엔트로피가 증가된 상태는 아니다. 따라서 이를 엔트로피 증가와 연결시키는 것은 잘못된 연결이라 할 수 있다. 둘째, 엔트로피 관점으로 설명해야 하는 확산, 총괄성, 용해의 개념 중 용해를 제외한 다른 개념에 대해서는 엔트로피를 활용하여 서술하지 않았다. 엔트로피 도입하기 이전 단원에 배치되어 있기 때문이라고 생각되나, 이러한 문제는 먼저 엔트로피 의미로 설명하고 추후에 ‘엔트로피’라는 용어를 도입해도 될 것이라 생각한다. 용해 현상에 관한 내용도 엔트로피를 사용하여 서술하긴 했으나 원인에 대해 명확하게 제시하지 않았고, 엔탈피와 엔트로피를 통해 반응의 자발성 여부를 판단하는데 중점을 두었다. 현상에 대한 원인을 바르게 제시하는 것이 과학 개념에 대한 학생들의 이해를 도울 수 있다는 점을 생각할 때, 2009 개정 교육과정 화학Ⅱ에서 엔트로피의 개념을 도입한 것은 좋았으나 교과서의 서술이 충분하지는 않음을 확인할 수 있었다. 엔트로피는 열역학에서 핵심적인 내용으로 올바른 개념을 이해하는 것이 중요하지만 학생들이 이해하기 쉬운 개념은 아니므로 학습의 어려움이 예상된다. 따라서 학생들이 개념을 처음 접할 때 올바른 개념을 습득할 수 있도록 교과서의 충분한 설명이 뒷받침되어야 할 것이다.;The 2009 revised chemistry Ⅱ curriculum newly included the concept of entropy. The entropy is the fundamental concept together with the energy that describes natural phenomena. The explanation using entropy is necessary for students to learn other scientific concepts. However, textbooks could not explain other concepts using entropy because it was not included in the previous curriculum. This study analyzed how well textbooks deliver the concept and meaning of entropy which was introduced in the secondary eduction for the first time, and describe other scientific concepts by utilizing entropy. For this purpose, we evaluated the explanations, definitions, and examples of the ‘entropy’ chapter of four kinds of 2009 revised high school chemistry Ⅱ textbooks. We also focused on how the concept of entropy is used to explain other concepts of chemistry Ⅱ such as diffusion, colligative property, and dissolution. Summary of the study: First, the 2009 revised curriculum of high school chemistry Ⅱ defines entropy as ‘disorder’. It is not a correct definition since it can be confused with the visual image of "disorder, chaos, and confusion.” Entropy is a measure of the number of ways in which a system may be arranged. Entropy is related to the number of possible microscopic configurations of atoms and molecules of the system, i.e., microstates. Furthermore, some examples of the textbooks such as ‘the disordered state’ and ‘a messy room’show that entropy increases by the degree of disorder. But each example shows just one state and is not relevant to the increase of entropy. The premise of examples is different from that of entropy, that the number of the micro states changes for every change of volume, molecule number, and pressure. Like a tidy room is one state, a messy room is another state. Thus, a messy room is not a state with increased entropy. Therefore, it is wrong to link a messy room to the change of entropy. Second, of the concepts that need entropy for explanation such as diffusion, colligative property, and dissolution, only dissolution utilizes entropy. It could be said that since the other concepts are included before the entropy concept, the explanation can be missing. However, it could be overcame by explaining those concepts with the meaning of entropy without using the word 'entropy' and the word ‘entropy’ can be introduced later on. The contents about dissolution used entropy for their explanation, but did not clearly mention the cause related to entropy. They focused only on checking the spontaneity through entropy and enthalpy. Keeping in mind that correctly suggesting the root cause of a phenomenon can help students to understand scientific concepts, 2009 revised chemistry Ⅱ curriculum did a great job by including entropy. However, still the textbooks are inadequately explaining entropy and free energy. Although entropy is a core concept of thermodynamics, it is not an easy concept for students to fully grasp. Therefore, textbooks should sufficiently explain ‘entropy’ to students to make students acquire correct concept of entropy when they first learn it.