함께 만드는 화학수업 화학반응의 증거를 찾아보자

26 CHEMICAL EDUCATION

화학반응의 증거를 찾아보자

글∣장보애(서울 오금고, rain323@nate.com)

실험목표 화학반응의 세 가지 특성을 나열하고 정의할 수 있다.

실험개요

학생수준 초등학교 3학년 ~ 고등학교 1학년 모둠인원 1~3명

학습개념 용액, 혼합물, 화학반응, 지시약 실험요소 서술, 정의, 측정, 설명

소요시간 45분 (설치 20분, 실험활동 20분, 정리 5분)

관련단원

초등학교 5학년 > 2. 용액의 성질 > 생활 주변 용액의 성질 조사하기

중학교 3학년 > 5. 물질 변화에서의 규칙성 > 물리변화와 화학변화

고등학교 1학년 > 3. 물질> 산과 염기의 반응

들어가기 화학은 물질과 그 물질이 다른 물질과 어떻게 반응하는지에 대해 연구한다. 두 물질이 화학적인 방

법으로 반응하면 서로 변하고 그 결과는 폭발, 변색 등 상당히 극적인 변화를 동반한다. 화학변화

에 동반되는 현상에 대해 알아보자.

1. “화학”이란 단어를 들었을 때 생각나는 것은 무엇인가?

－폭발, 거품과 기포가 발생되는 약, 골치 아픈 과학, 함께 혼합하는 것 등

2. 일상생활 중에서 화학변화를 이용하는 구체적인 예를 열거해보자.

－불, 건전지, 베이킹소다와 식초, 염색 머리, 음식요리, 부식, 승용차 엔진속의 가솔린, 가족 구

성원에게 익숙한 일련의 의학 실험(예, 당뇨병) 등

3. ‘2’의 예들이 왜 화학반응이라고 생각하는가?

－폭발, 색변화, 열이 포함되기 때문이다.

2011 + Summer 27

기본실험 :

화학반응의 증거

1. 준비물

준비물 재료 확인

밀봉식 비닐봉지 모둠별 1개

플라스틱 수저 모둠별 3개

강황(카레가루) 모둠별 1티스푼

탄산수소나트륨(베이킹소다) 모둠별 1/4컵

염화칼슘 모둠별 1/4컵

이소프로필알코올 30%

플라스틱 컵 250mL 모둠별 3개

2. 교사 참고사항

① 염화칼슘(CaCl2)은 제설제나 제습제로 이용된다. 제품 물먹는 하마를 이용하여 학생들에게 실

생활과 관련시켜 보여 줄 수 있다.

② 염화칼슘이 공기 중에서 수분을 흡수할 수 있기 때문에 항상 밀폐용기에 보관한다.

3. 실험 과정

① 비닐봉지에 다섯 숟가락의 알코올과 한 숟가락의 베이킹소다를 넣는다. 봉지를 꽉 잠그고 베이

킹소다가 용해될 때까지 베이킹소다와 알코올을 혼합한다.

② 콩 크기의 강황가루를 넣고 봉지를 잠그고 30~60초 동안 봉지의 내용물을 혼합한다.

③ 같은 봉지 안에 한 숟가락 듬뿍 염화칼슘을 넣는다. 봉지를 잠그고 30~60초 동안 봉지의 내용

물을 혼합한다.

④ 알코올 + 강황 + 베이킹소다 색(붉은색)

⑤ 알코올 + 강황 + 베이킹소다 + 염화칼슘 직후 거품발생(노란색)

⑥ 알코올 + 강황 + 베이킹소다 + 염화칼슘 결과 앙금생성

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4. 실험 정리

① 혼합시키기 전 화학물질들의 색을 관찰하여 쓰시오.

－베이킹소다는 흰색 가루, 강황은 노란색이고 알코올은 투명하다. 강황과 베이킹소다의 혼합

물은 빨간색이다.

② 과정2에서 강황가루를 넣었을 때 색변화를 쓰시오.

－투명한 액체에 노란색 강황가루를 넣으면 붉은색으로 나타난다.

③ 염화칼슘을 넣은 후에 혼합물은 어떻게 달라지는가? 관찰한 내용을 쓰시오.

－노란색으로 변한다. 열과 온기가 있다. 봉지는 기체로 채워진다(기포가 보인다. 거품이 생긴

다), 흰색가루가 생긴다. 등

5. 생각해 보기

① 과정2의 색을 나타내는 물질을 알아보기 위해 어떻게 하면 되는가?

－다음과 같이 두 가지 물질을 섞어본다.

(30% 이소프로필알코올 + 강황, 베이킹소다수용액 + 강황)

② 과정2에서의 색을 나타내는 물질은 무엇이라고 생각하는가?

－베이킹소다, 강황가루

③ 기체가 생겼다는 것을 어떻게 알 수 있는가? 그것을 볼 수 있는가?

－기포의 관찰과 봉지의 부피 증가로 기체의 존재를 추측할 수 있다.

④ 실험을 통해 알아낸 화학반응의 증거는 무엇인가?

－색이 변했다. 새로운 물질(기체)이 생겼다. 온도가 변했다.

⑤ [심화] 몇 번의 색변화를 관찰했는가? 각각의 경우에 무슨 일이 일어났는가?

－2번의 색변화가 있었다. 한번은 노란색 강황가루를 베이킹소다에 넣을 때 빨간색으로 변하

고, 또 한번은 염화칼슘을 넣을 때 용액이 노란색으로 변한다. 각각의 경우에 강황가루는 염

기(베이킹소다) 또는 산(이산화탄소)을 검출한다.

⑥ [심화] 기체는 어디에서 오는가?

－베이킹소다는 이 실험에서 이산화탄소를 생성한다.

2NaHCO3 + CaCl2 → 2NaCl + CaCO3 + CO2 (기체) + H2O

⑦ [심화] 기체 외에 새롭게 생성된 화학물질이 있는가? 왜 그렇게 생각하는가?

－노란색 혼합액체 속에 하얗게 가라앉은 고체가 있기 때문이다(탄산칼슘 앙금).

⑧ [심화]열은 어디에서 온다고 생각하는가?

－화학반응이 일어나면 기존의 화학결합이 끊어지고 새로운 결합이 생성되는데 이때 에너지

를 흡수하거나 방출하게 된다. 이 과정에서 흡수하는 에너지보다 방출하는 에너지가 많으면

열이 발생하게 된다.

2011 + Summer 29

심화실험 :

강황(카레) 지시약

1. 준비물

① 강황 지시약(30% 이소프로필 알코올 1컵에 1/2 티스푼 강황을 용해시킴)

② 각종 액체

－베이킹소다(모둠별 1/4컵)

－염화칼슘(모둠별 1/4컵)

－식초(모둠별 1/4컵)

－레몬 또는 라임주스(모둠별 1/4컵)

－암모니아수(모둠별 1/4컵)

－사이다, 다른 투명한 소다(모둠별 1/4컵)

－소금물(모둠별 1/4컵)

2. 교사 참고사항

베이킹소다와 염화칼슘을 강황지시약에 넣어 기본실험에서의 색변화를 확인할 수 있다. 그리고

다양한 가정용품에 강황 지시약을 넣어 산과 염기를 구별할 수 있다.

3. 실험 과정

강황 지시약을 각각의 액체에 넣어라.

각 액체에 강황지시약을 넣었을 때 색

4. 실험 정리

① 강황이 빨간색으로 변하면 그 액체는 염기이다.

② 강황이 노란색으로 남아있으면 그 액체는 산이다.

실험실 안전 ① 실험을 할 때 보안경을 착용한다.

② 절대 실험 준비물을 먹지 않는다.

③ 학생들에게 강황 지시약이 학생들의 손가락이나 옷에 얼룩이 질 수 있으므로 주의하도록 주지

시킨다.

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더 알아보기[기본자료]

1. 화학반응의 현상

① 새로운 기체, 고체 또는 액체의 출현

② 온도변화

③ 빛의 출현

④ 색과 pH 변화

2. 봉지 안에서 일어난 반응

2NaHCO3(aq) + CaCl2(s) → 2NaCl(aq) + CaCO3(s) + CO2(g) + H2O

(베이킹소다) (염화칼슘) (소금) (석회석) (이산화탄소) (물)

① 새로운 기체 : 베이킹소다와 염화칼슘에 의해 생성된 이산화탄소가 기체이므로 봉지안의 액체

에서 거품을 일으킨다. 눈으로 볼 수 없는 많은 기체 분자들이 봉지 안에서 생성됨에 따라 기체들

은 연속적으로 봉지 벽에 부딪치고 봉지를 밀어내는 압력이 가해져서 봉지의 부피가 증가한다.

② 색 변화 : 강황은 염화칼슘과 베이킹소다의 반응에서 화학적 지시약으로 작용한다. 베이킹소다

가 염기라는 것을 나타내주는 빨간색으로 시작하여 반응이 지속됨에 따라 산이 생성되는 것을

나타내주는 노란색으로 변한다.

③ 새로운 물질과 남은 물질 : 이 반응으로 이산화탄소 기체 외 소금, 석회석, 물이 생기지만 이것

을 즉석에서 검출하기란 어렵다. 학생들은 생성된 탄산칼슘이 분필과 비슷하다고 말할 수도 있

다. 또한 두 가지 혼합물중 반응하지 않고 남는 화합물을 관찰할 수도 있다. 이런 경우 일정성분

비의 법칙을 언급 할 수 있다.

④ 화학결합과 에너지 : 화학반응이 일어나면 물질들은 결합한 원자들의 위치를 바꾸어 재배열되

며 새로운 성질을 가진 새로운 분자(물질)들을 생성한다. 이때 기존의 화학결합이 끊어지고 새

로운 결합이 형성된다. 이 과정에서 기존의 화학결합을 끊기 위해선 에너지를 흡수하고 새로운

결합을 형성하면서 에너지를 방출한다. 이 에너지의 차이에 의해 열은 방출 또는 흡수되고 우

리는 차갑게 또는 뜨겁게 열에너지를 느낄 수 있다.

[심화자료]

1. 강황(심황, Turmeric Oleoresin)

비타르계 천연 색소로 심황의 뿌리에서 추출한다. 카레가루나 단무지, 햄, 소시지, 채소 및 과일 가

공품 등에 사용된다.

노란색~암적갈색의 가루, 덩어리, 페이스트상 또는 액체로서 특유의 냄새가 있다. 천연 비타르계

색소 중 다이케논계 착색료로 심황(Curcuma longa)의 뿌리에서 에탄올, 유지 또는 유기용제로 추

출하여 얻어지는 색소로서 주색소는 커큐민(Curcumin, C21H20O6)이다. 물에 거의 녹지 않으며 에

탄올이나 프로필렌글리콜, 유지 등에도 잘 녹지 않는다. 특히 찬물에는 녹지 않으나 뜨거운 물에는

녹는다. 커큐민은 알칼리성에서 암적갈색을 나타내며 산성에서는 연한 노란색을 나타낸다.

2011 + Summer 31

<curcumin 구조식>

철 이온에 의해 착화합물을 형성하여 붉은색으로 변색될 수 있으나 열 및 산화·환원에 안정하고 색

조변화가 거의 없다. 다만, 빛에 의해 갈색화하기 쉬워 암소에 보관하는 것이 좋다. 단백질에 대한

염착성이 우수하고 무착색 부분에는 착색되지 않는다. 색가조정 및 품질보존 등을 위하여 희석제,

안정제 및 용제 등을 첨가할 수 있다.

카레가루나 단무지, 햄, 소시지 등의 착색에 사용되며 최근에는 채소 및 과일 가공품에 많이 이용

되고 있다. 착색료 외에 착향료로 이용된다.

2. curcumin 성질

화학식은 C21H20O6이고 분자량은 368.38이다.

커큐민은 동인도산의 생강과에 속하는 식물인

Curcuma longa Linn(Zingiberaceae)의 뿌리에서

추출되어 인도음식에 널리 사용되어 온 폴리페놀

성분의 노란색 향신료로 심황(turmeric)의 커큐미노

이드(curcuminoid)이다. 식품첨가물에서는 노란색 색소로 사용되며 향신료로 이용되고 있다.

커큐민은 항종양, 항산화, 항아밀로이드와 항염증작용을 가지고 있다. 항염증작용은 이코사노이

드(eicosanoid) 생합성의 억제에 의해서 기능을 수행한다. 커큐민은 산화에 의한 DNA 손상과 지

질과산화를 억제하고, 항산화 작용과 자유래디컬의 청소부 역할을 한다.

강황은 산에서 노란색, 염기에서 빨간색으로 변하는 화학물질인 curcumin을 포함하고 있다. 베이

킹소다는 염기여서 학생들이 강황을 추가할 때 curcumin은 빨간색으로 변한다. 반응에서 생성된

이산화탄소는 물에 녹아 탄산이 된다. 그러면 용액은 노란색으로 변한다.

CO2 + H2O → H2CO3

탄산은 눈에 보이지 않지만 물속에서 curcumin과 반응하여 curcumin분자의 형태를 바꾸어 다른

빛깔이 나타나게 한다. 이것이 curcumin을 노란색으로 바꾼다.

참고문헌 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

1. OMSI(2007). No Hassle Messy SCIENCE WITH A WOW : Chemistry in the K-8 classroom2. 두산 백과사전 http://www.encyber.com/3. 영어 위키백과 http://en.wikipedia.org/wiki/File:Curcumin_structure_(keto).svg

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탐구 활동 보고서 : 화학반응의 증거를 찾아보자

주제 화학반응의 증거를 찾아보자.학 번 이 름

활동목표 화학반응의 세 가지 특성을 나열하고 정의할 수 있다.

준비물 밀봉식 비닐봉지, 플라스틱 수저, 강황(turmeric), 베이킹소다, 염화칼슘, 이소프로필 알코올, 플라스틱 컵

들어가기 1. “화학”이란 단어를 들었을 때 생각나는 것은 무엇인가?

2. 일상생활 중에서 화학변화를 이용하는 구체적인 예를 열거해보자.

3. ‘2’의 예들이 왜 화학반응이라고 생각하는가?

실험과정 1. 과정A 화학변화의 증거 찾기

① 비닐봉지에 다섯 숟가락의 알코올과 한 숟가락의 베이킹소다를 넣는다. 봉지를 꽉 잠그고

베이킹소다가 용해될 때까지 베이킹소다와 알코올을 혼합한다.

② 콩 크기의 강황가루를 넣고 봉지를 잠그고 30~60초 동안 봉지의 내용물을 혼합한다.

③ 같은 봉지 안에 한 숟가락 듬뿍 염화칼슘을 넣는다. 봉지를 잠그고 30~60초 동안 봉지의 내

용물을 혼합한다.

2. 심화실험 강황 지시약과 생활 속 액체의 액성

① 5mL 강황 지시약을 다음 각 액체에 넣고 색변화를 관찰한다.

② 각종 액체(20mL) : 베이킹소다수용액, 염화칼슘수용액, 식초, 레몬주스, 암모니아수, 사이다,

소금물

실험정리 1. 과정A-①에서 혼합시키기 전 화학물질들의 색을 관찰하여 쓰시오.

2. 과정A-②에서 강황가루를 넣었을 때 색변화를 쓰시오.

3. 과정A-③에서 염화칼슘을 넣은 후에 혼합물은 어떻게 달라지는가? 관찰한 내용을 쓰시오.

4. 강황 지시약을 가했을 때 색을 아래 표에 기록하시오.

액체베이킹소다 수용액

염화칼슘 수용액

식초 레몬주스 암모니아수 사이다 소금물

색깔

2011 + Summer 33

생각해 보기1. 과정2의 색을 나타내는 물질을 알아보기 위해 어떻게 하면 되는가?

2. 과정2에서의 색을 나타내는 물질은 무엇이라고 생각하는가?

3. 기체가 생겼다는 것을 어떻게 알 수 있는가? 그것을 볼 수 있는가?

4. 실험을 통해 알아낸 화학반응의 증거는 무엇인가?

5. [심화] 몇 번의 색변화를 관찰했는가? 각각의 경우에 무슨 일이 일어났는가?

6. [심화] 기체는 어디에서 오는가?

7. [심화] 기체 외에 새롭게 생성된 화학물질이 있는가? 왜 그렇게 생각하는가?

8. [심화] 열은 어디에서 온다고 생각하는가?