학습정도에 따른 대학생들의 화학 평형 이동에 대한 개념형성 연구

Abstract

본 연구의 목적은 화학 평형 이동에 관한 학생들의 개념형성이 학습정도에 따라 어떤 차이가 있는가를 조사하기 위하여 개념 조사 문항을 작성하여 서울 지역 대학교 1학년 학생 53명, 3학년 학생 28명, 4학년 학생 26명에게 지필검사를 실시하였다. 그리고 교사들의 개념 형성 정도를 알아보기 위해 고등학교 화학 교사 10명에게도 같은 지필검사를 실시하였다. 개념 조사 문항의 내용은 기체의 부분압력과 농도, 기체상에서의 평형상수와 평형 이동, 약산 수용액에서의 농도와 평형 이동에 관한 것으로 선수 개념인 농도와 부분압력에 대한 계산이 화학 평형 이동에 관한 문제를 해결할 때 미치는 영향, 평형에서의 조건 변화에 따른 평형 이동 방향의 예측 능력, 그리고 르 샤틀리에 원리의 적용이 어려운 상황에서 반응지수와 평형상수를 이용하여 평형 이동 방향을 예측할 수 있는가에 초점을 두었다. 학생들과 교사들이 응답한 내용을 토대로 하여 개념 이해 정도를 분석한 결과는 다음과 같다. 1. 전반적으로 일반화학을 배운 대학교 1학년 학생들의 정답률이 낮았고, 물리화학을 배운 3학년 학생들의 정답률이 물리화학을 배운지 1년 정도 지난 4학년 학생들의 정답률에 비해 높아 3학년 학생들의 정답률이 학생들 중에서 가장 높았다. 교사들은 약산 수용액에 관련된 문항을 제외한 다른 문항에 대해서 높은 정답률을 보였다. 2. 평형 이동의 선수 개념인 기체의 부분압력과 농도를 계산하는 영역에서의 정답률은 대체로 높았으나 조건 변화가 까다로운 문항의 경우는 정답률이 낮았다. 3. 르 샤틀리에 원리의 적용이 쉽지 않은 비활성 기체의 첨가에 따른 평형 이동 방향을 예측하는데 있어서 대학교 1학년과 4학년 학생들의 정답률이 낮았다. 4. 온도변화에 따른 평형 이동의 방향예측을 평형상수의 온도 의존도를 이용하여 설명할 수 있는 능력은 물리화학을 배운 3학년 학생들의 정답률이 높았으나 4학년 학생들의 정답률은 상당히 낮았다. 5. 약산 수용액에서 물의 첨가에 따른 평형 이동 방향을 예측하는데 있어서는 모든 집단의 정답률이 낮았다. 6. 여러 변인 중 온도와 전체 압력을 일정하게 하고 비활성 기체를 첨가하였을 때 평형 이동 방향을 예측하는 문항에서 전체 부피의 변화를 인지하지 못하는 학생들이 많았다. 또한 수용액 평형에서 물을 첨가하였을 때도 용매부피 변화에 따른 농도 변화를 인지하지 못하는 학생들이 많았다. 7. 반응지수와 평형상수를 이용한 평형 이동 방향의 예측에 있어서 3학년 학생들과 교사들의 정답률이 높은 반면 1학년과 4학년 학생들의 정답률은 낮았다. 위의 결과로부터 선수 개념인 부분압력과 농도 계산에 대한 높은 정답률에도 불구하고 이와 동일한 조건에서 화학 평형 이동 방향을 예측하는 문항의 정답률이 낮은 것으로 나타나 계산 능력보다는 반응지수를 이용한 평형 이동의 예측에 대한 개념 형성이 부족한 것을 알 수 있다. 또한 3학년과 교사의 정답률이 높은데 비하여 4학년의 정답률은 낮게 나타나 초기의 개념 형성과 함께 형성된 개념의 지속성을 유지하는 것도 중요하다는 것을 알 수 있다. 그리고 르 샤틀리에 원리의 적용이 쉽지 않은 상황이나 익숙하지 않은 변인이 주어 졌을 때는 반응지수와 평형상수를 이용하여 문제 해결을 할 수 있도록 지도하는 것이 필요하다고 생각된다. ; The purpose of this study was to examine the direction of equilibrium relation between forming concept of the direction of equilibrium and degree of study. The subjects for this study included 53 freshmen, 28 juniors and 26 seniors from colleges in the Seoul and 10 high school chemistry teachers. The questions for examining concept, which are about partial pressure and concentration of gas, equilibrium constant and shifts on gas, and the concentration and equilibrium shifts on weak acid aqueous solution, focus on what effect is caused by calculation of concentration and partial pressure, as prerequisite learning concept, on solving the problem about chemical equilibrium shifts, and on the estimation ability of equilibrium shifts direction as conditions are changed, also on estimation ability of equilibrium shifts with the reaction quotient ‘Q’ and the equilibrium constant ‘K’ when application of the Le Chatelier s principle is difficult. The conclusions from the analysis of the concepts acquired from the contents of statements by these subjects are as follows: 1. Generally, the rate of accuracy of freshmen, who were taught Modern chemistry, was lowest and that of juniors, who had been taught Physical chemistry for one year, was higher than that of seniors. So the score of juniors was the highest. the rate of accuracy of teachers was very high except questions on weak acid. 2. The accuracy for questions about calculation of concentration and partial pressure, as prerequisite learning concept, generally high, but not for question suggested complicated variables. 3. Since application of Le Chatelier s principle is difficult, when inert gas is added, the rate of accuracy of freshmen and seniors is low. 4. Juniors, who had been taught physical chemistry recently, have better ability of explaining the direction of equilibrium shifts with change of temperature, using equilibrium constant ‘K’ and Gibbs free energy changes, than seniors have. 5. All groups made low accuracy about questions on weak acid diluted by adding water. 6. For the questions required estimation of equilibrium shifts under inert gas being added with the temperature and pressure kept at constant, many students didn t recognize the change of volume. Also, when weak acid diluted by adding water, lots of students didn t recognize change of concentration with increasing of volume of solvent. 7. For the questions required estimation of equilibrium shifts with the reaction quotient,‘Q’ and the equilibrium constant,‘K’, juniors and teachers made high accuracy, while others made low accuracy. From above conclusion, in spite of high accuracy for questions about calculation of concentration and partial pressure, as prerequisite learning concept, the accuracy of the questions about estimation of chemical equilibrium direction under same condition, are low. This fact results from shortage of conceptual understanding about equilibrium shifts. Also, from the results that the rate of accuracy of juniors and teachers was high, while that of seniors was low, we know that it is important to keep the formed concept as well as to form the first concept. Moreover, it is necessary to teach students to solve the problems using the reaction quotient,‘Q’ and the equilibrium constant,‘K’, when they face the problems which give unfamiliar conditions and difficult to be applied Le Chatelier s principle.