관련단원 수업을 하다가 결과가 제대로 나오지 않아 실험을 해 보았습니다.
아래는 동화사 교과서에 나와있는 내용입니다.
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교과서에 나오는데로 아세톤 액체를 비닐봉지에 넣어 입구를 막고 질량을 측정하고
뜨거운 물에 넣어 비닐봉지를 부풀어 오르게 한다음 질량을 측정하였다.
교과서에 나오는대로라면 상태변화가 일어날때 질량변화가 없어야 하지만
실제 실험결과 기체가 되었을때 질량이 약 1.4g 정도 작아짐을 알 수 있었다.
과학실에서 학생들을 데리고 조별로 실험을 하는데 이 현상은 모든조에서 동일하게 발생하였다.
실험오차로 보기에는 무리가 있었다.
무엇이 문제인가?
아세톤 기체가 액화하여 다시 비닐봉지가 작아질수록 질량은 서서히 증가하여 원래 처음 상태로 돌아오는 것을 알 수 있었다.
약간의 오차가 있긴 하지만 기화했다가 액화했을 경우 약간 질량이 줄어든다. 이것은 아세톤 분자가 온도가 올라갈수록 분자운동이 활발해져서 비닐막을 일부 통과하는 것으로 보인다.
실험이 끝난 비닐봉지를 다음날 실험실에서 관찰해 보면 비닐봉지안에 아세톤이 다 사라졌거나, 질량이 급격히 줄어들었음을 확인할 수 있었다.
교과서에 나오는 간단한 실험이었는데
학생들은 액체가 기체가 되면 질량이 감소하고, 기체가 액체가 될때 질량이 증가한다는 오개념이 생길 것 같다.
왜 그런 현상이 나타나는지를 고민하다
3가지 생각을 하게 되었다.
1. 아세톤 기체가 수소나 헬륨기체처럼 공기보다 가볍지 않을까?
- 분자량 계산 결과 공기보다 아세톤 분자량이 크므로 가설에서 제외
2. 밖에 공기의 온도보다 아세톤 기체의 온도가 높으므로 샤를의 법칙에 의해 아세톤의 분자량이 크지만 밀도가 공기보다 작아서 그런건 아닐까?
- 정확하게 계산해 보지는 않았지만 온도차이가 50-60도 난다고 해도 이 실험에 영향을 끼칠 정도로 크다고 생각되지 않음. - 약간의 영향은 끼칠 것으로 보임 - 결론은 부피가 변하지 않으면 아무 소용이 없음.
3. 공기의 부력에 의한 건 아닐까?
- 물속에 있는 물체처럼 공기중에 있는 물체는 자신의 부피에 해당하는 만큼의 공기의 무게로 떠받드는 부력을 가지게 된다.
- 따라서 아세톤이 기체로 변하면서 부풀어 오르면 생겨난 부피 만큼 공기에 의해 부력을 받게 되므로 저울의 질량이 작아지게 된다.
- 따라서 섭씨 0 도 1기압에서 22.4 L 의 공기 질량은 약 28.8 g 이므로 1리터 부피당 1.29 g중 의 힘이 부력으로 작용하게 된다.
과학실에서 실험한 지퍼팩의 경우 약 1.2L의 부피를 가지고 있었다.
그러므로 완전히 팽창했을 경우 1.548g 정도 저울의 질량이 작아지게 될 것이다.
이 결과는 과학실에서의 실험결과와 거의 일치함을 알 수 있었다.
그리고 1번과 2번 생각도 결국은 부피가 증가하지 않으면 아무 의미가 없음을 알 수 있다. (당연하다. 질량보존의 법칙에 의해 페트병 내부에서 일어나는 모든 변화는 질량에 영향을 미칠 수 없기 때문이다.)
<문제>
교과서에 나온대로 아세톤 상태변화 실험을 보여 주면서 액체에서 기체로 변할때 아세톤의 질량은 변화가 없다. 는 맞는말이지만
아세톤 상태변화 실험을 보여주면서 액체에서 부풀어 올라 기체가 되었을때 저울의 눈금은 같다. 라는 것은 틀린답이 될 것이다.
<아세톤의 질량이 변하는 것이 어떤것에 영향을 더 받는지 알아보기 위해 또다른 실험을 해 보았다.>
페트병에 아세톤을 넣고 뜨거운 물에 넣어 기화 시킨후 질량을 측정해 보았다. 예상대로 저울의 눈금은 변화가 없었다.
즉 부피가 변하지 않으면 부력의 영향을 받지 않기 때문에 상태변화가 일어날때 질량이 변하지 않음을 정확하게 보여 줄 수 있었다.
따라서 부피변화에 의한 부력의 영향때문에 저울의 측정값이 변한다는 것을 알 수 있었다.
<문제2>
진공에서 이 실험을 한다면 어떻게 될까?
<다른실험>
빈비닐봉지에 공기를 불어 넣어 풍선처럼 부풀린후 저울에 측정하면 무게가 어떻게 될까?
위실험을 본 학생들은 공기의 부력에 의해 가벼워 질거라 생각하지만 위 실험과는 근본적으로 다름을 알 수 있다.
질량은 변하지 않는다.
왜냐하면 부피가 증가해서 공기에 의해 생긴 부력만큼 작아질것으로 보이지만 비닐 봉지안에 그 만큼의 공기가 더 들어갔기 때문에
결국 저울의 측정값은 변하지 않는다.
<제언>
교과서에 제시된 내용을 수정해야 하지 않을까?
<대부분 교과서에 위 실험이 나오는데 액체일때와 기체상태로 변했을때 저울의 눈금이 똑같은 것을 보여주고 있었다.>
-명백한 실험의 조작이라는 것을 알 수 있다.
*2015 개정 교육과정에서는 이 실험이 오류가 있어 빠진 것으로 보입니다.*
<공기 무게 측정할 때 부력과 관련지어 범하기 쉬운 오류는 아래 링크 참고>
공기 무게를 증명할때 실수하기 쉬운 오개념
예전 초등학교 교과서에 보면 공기에 무게가 있다는 것을 증명하기 위해 공기를 넣은 풍선과 공기를 넣지 않은 풍선을 양팔저울에 달아 비교하는 그림이 나온다. (지금도 그런지는 모르겠다) 과
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