고체와 기체의 용해에 대한 교과서 분석과 대학생들의 열역학적 관점의 이해 정도

Abstract

화학은 물질의 조성과 성질 및 이들 사이의 상호작용을 연구하는 학문이다. 그 중에서도 용해는 초등학교 과학과목에서부터 대학교의 일반화학에서까지 폭넓게 다루고 있는 중요한 개념이며, 용해의 원리는 에너지 변화(엔탈피 변화)와 무질서도 변화(엔트로피 변화)로 해석을 해야 한다. 이와 관련하여 본 연구에서는 용해의 원리에 대해 중학교 2학년 ‘과학’과 고등학교 ‘화학Ⅱ’ 교과서 및 대학교 ‘일반화학’ 교재를 분석하였으며, 용해 현상에 대한 대학생들의 이해 정도를 조사하였다. 용해에 대한 대학생들의 이해정도를 조사하기 위하여 서울 지역 대학교 3학년 34명을 임의로 선정하였다. 고체와 기체의 용해에 대한 현상 설명, 엔탈피 변화, 엔트로피 변화, 온도에 따른 용해도 변화를 포함한 8개의 문항으로 구성된 용해 개념 검사지를 작성하여 학생들의 이해 정도를 조사하였고, 보다 심층적인 분석을 위하여 9명의 학생을 선정하여 검사지의 응답에 대한 면담을 진행하였다. 교과서의 내용 분석 결과, 첫째, 고체의 용해 현상에 대해 대부분의 중학교 2학년 ‘과학’과 고등학교 ‘화학Ⅱ’ 교과서 및 ‘일반화학’ 교재에서는 언급하고 있었으며, 기체의 용해 현상에 대해서는 ‘일반화학’ 교재 6종 중 2종만이 언급하고 있었다. 둘째, 중학교 2학년 ‘과학’ 9종 중 1종과 고등학교 ‘화학Ⅱ’ 8종은 엔탈피 변화의 관점으로 볼때, 고체의 용해 원리를 용질-용매간의 인력으로 설명을 하였으며, 대부분의 ‘일반화학’ 교재는 용질-용질, 용매-용매, 용질-용매간의 인력으로 나누어 단계별로 설명하였다. 엔트로피 변화의 관점으로는 ‘화학Ⅱ’ 8종 중 2종과 ‘일반화학’ 6종이 고체의 용해 현상에 대해 언급하였다. 셋째, 대부분의 중학교 2학년 ‘과학’과 고등학교 ‘화학Ⅱ’ 교과서는 온도에 따른 용해도 변화 이유에 대해 용질이 고체인 경우는 언급하지 않았으며, 용질이 기체인 경우는 중학교 2학년 ‘과학’ 2종과 고등학교 ‘화학Ⅱ’ 7종이 분자운동으로 이유를 설명하였다. ‘일반화학’ 교재 6종 중 3종은 온도에 따른 용해도의 변화 이유를 엔탈피 변화에 입각한 르샤틀리에의 원리로 설명을 하였다. 검사지의 응답 분석 결과, 첫째, 고체와 기체의 용해 현상에 대해서 학생들은 구멍개념보다는 용질의 용매화로 인한 인력개념으로 응답을 하였으며, 용질 NaCl(s)에 대해서는 67.6%, CO₂(g)에 대해서는 52.9%의 응답률을 보였다. 또한 NaCl(s)의 용해 현상에서 인력개념으로 설명한 학생은 CO₂(g)의 용해 현상에서는 65.2%의 일관성을 보이며 응답을 하였다. 둘째, NaCl(s)의 용해에서 엔탈피 변화를 예상하는 문항에 대해서 학생들은 흡열반응으로 38.2%의 응답률을 보였다. 발열반응이라고 응답한 61.8%의 학생에 대해 경로를 분석해 본 결과, 발열반응이라고 응답한 학생 전체의 69.6%는 용해 현상의 원리에서 용질의 용매화로 인한 인력개념으로 설명한 학생이었다. 이처럼 학생들은 용질-용질, 용매-용매간의 인력은 고려하지 않아 NaCl(s) 엔탈피 변화에서는 발열반응으로 답을 하는 경향이 더 컸다. 실제로 NaCl(s)은 에너지적으로 불리한 흡열반응이지만 엔트로피 변화의 기여로 용액을 형성하는 것이다. 따라서 용질-용매간의 인력개념으로만 용해 현상을 설명하는 형태는 학생들이 과학적 개념을 형성하는데 있어서 한계점이 있음을 의미한다. 셋째, NaCl(s), CO₂(g)의 용해에서 엔트로피 변화를 예상하는 문항에서는 각각, 91.2%, 79.4%의 높은 정답률로 학생들은 엔탈피 변화보다는 엔트로피 변화에 대한 이해도가 높았다. 따라서 엔트로피 변화에 대한 정답률이 높음을 감안할 때 중, 고 과학 교사는 용해 단원을 가르칠 때 엔트로피 변화의 원리에 대해 언급하는 것과 중, 고 과학 교과서에도 엔트로피 변화를 언급하는 것은 크게 문제가 되지 않을 것으로 보인다. 넷째, 온도에 따른 고체, 기체의 용해도 변화를 묻는 문항에서 정답률은 각각 100%, 94.1%로 높았으며, 이유에 대한 설명은 다양하였다. 이러한 정답률이 높은 것은 학생들이 일상생활에서 온도에 따른 용해도에 대한 현상을 경험해 본적이 있기 때문이라고 본다. 이 연구를 통해 교과서의 자세하지 못한 설명과 모형 제시는 학생들에게 올바른 과학 개념형성의 기회를 어렵게 하며, 오개념을 유발할 수 있음을 알 수 있었다. 또한 학생들은 용해 현상에서 선개념의 견고함을 확인할 수 있었으며 용해 현상을 용질-용매간의 인력만 강조하는 설명은 후속학습에서 배울 엔탈피 변화나 화학 반응의 자발성을 논하는 부분에서는 오개념을 유발할 수 있음을 알 수 있었다. 따라서, 학생들의 인지 수준에 맞게 엔탈피 변화와 엔트로피 변화 2가지 요소로 설명할 수 있는 용해 현상의 모형을 개발하여 중ㆍ고등학교의 과학 교육과정에서 체계적인 설명이 필요하다고 할 수 있다.;This study had analyzed textbooks about a dissolution phenomenon of solid and gas, and had researched into the understanding of college students about thermodynamic aspects of dissolution. Textbooks that were selected for analysis were 9 kinds of middle school science textbooks of the second-year class, 8 kinds of chemistry Ⅱ of a high school, and 6 kinds of textbooks of general chemistry of a university. For researching into students' conception, 34 students in Seoul were chosen, and test papers about dissolution were used. Test papers were organized with 8 questions including explanation for dissolution of solid and gas, the enthalpy change, the entropy change, the solubility change by temperature. After the test, an interview was progressed with 9 students in order to have deeper analysis. After analyzing textbooks, it was found that solid dissolution was mentioned in most of textbooks of middle school, high school, and university. On the other hands, gas dissolution was included only in 2 kinds of textbooks out of 6 kinds of general chemistry textbooks. In case of the enthalpy change, one textbook out of 9 kinds of middle school and 8 kinds of high school textbooks were explaining the solid dissolution principle only as attraction between a solute and a solvent, while most of general chemistry textbooks explained it by stages as dividing the attractions between solute-solute, solvent-solvent, and solute-solvent. For the entropy change, two high school textbooks out of 8 kinds and all six textbooks of general chemistry mentioned in the solid dissolution phenomenon. Most of textbooks of middle school science and high school chemistry Ⅱ did not explain a reason for the solubility change by temperature for solid dissolution, but they explained it as molecular motion for gas dissolution. Three textbooks out of six kinds of general chemistry explained a reason for solubility change by temperature as the Le Chatelier's principle which is based on the enthalpy change. After testing students about dissolution concept, it was found that they recognized dissolution of gas and a solid as the attraction concept caused by solvation of a solute rather than the hole concept. For dissolution of NaCl(s), 38.2% of students gave answers as endothermic reaction and 61.8% answered exothermic reaction. 69.6% of students who answered exothermic reaction explained the dissolution phenomenon as attraction caused by solvation of a solute. These students did not consider solute-solute and solvent-solvent attractions. For a question about the entropy change in dissolution of a solid and gas, students showed better understanding than the enthalpy change. For a question about the solubility change by temperature, many students gave correct answers, but there were not many students who could explain why they chose correct answers. From this study, it is found that students may not have right scientific concept and even have misconception because of presentation of not-specific explanation and a model in the textbooks. Especially, the explanation of the dissolution phenomenon with only attraction between a solute and a solvent can lead students to have misconception when they learn the enthalpy change or spontaneity of chemical reaction which are supposed to be studied later.