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함께 만드는 화학수업 | pH변화에 따른 주기적 침전반응의 탐구

| 고종범, 신민철, 박승호, 전인형(강원 과학고 ChRoM 동아리)지도교사 | 한미애(강원 과학고, miae871205@hanmail.net)

2009년, 제55회 전국과학전람회 화학부문 학생작 특상 논문

pH변화에따른주기적침전반응의탐구

1. 탐구동기및목적

가. 문제 인식

리제강반응(주기적 침전반응)에 대한 연구는 2003년부터

ChRoM 동아리활동으로지속되어왔던연구이다. 실제로리제

강반응, 즉 주기적 침전 반응은 마그마가 식으면서 생성되는

다양한환경조건에서생성되는유문암의일종으로구과상암을

형성하는 데서 생겨진 반응인데, 온도나 농도조건의 실험 및

매질에대한실험을진행되어왔으나그보다더선행되어야할

자연상태에서의황산함량및pH에따라서구과성유문암의

형태가어떻게달라지는지에대한선행연구가없는것을확

인하고다음과같은문제를제기해보았다.

나. 탐구의 필요성 인지 및 탐구목적

현재까지선행연구된리제강고리반응에서온도와농도, 또

한용해도곱상수에따른리제강반응의형태에대해서는연구

되어왔으나, 마그마가생성될때의환경조건에서온도나농도

조건만큼이나중요하다고생각되는pH에따른리제강반응의

형태변화가 연구된 적이 없었다. 이제껏 리제강 고리 반응은

수평적확산반응을통한연구만이지속되어왔다. 수평적확산

반응을 수직적 확산반응을 할 수 있도록 바꾸어 본다면, 리제

강고리반응의형태가어떻게달라질까에대하여생긴의문을

해결하기위해실험을어떻게진행시켜야할지방향을잡게되

었다.

또한매질을지속적으로젤라틴을사용하고있었기에매질

을 한천으로 직접 만들어 사용하고, 그 각각의 리제강 반응의

생성에매질이미치는요인이무엇인지를알아보고하는학생

들의탐구의욕을보면서위에서인지한문제를가지고본인이

지도하고있는동아리ChRoM의제 1팀이 pH의변화에따른

리제강 반응과 바이알과 패트리디시에서의 리제강 반응의 형

태변화를탐구할수있도록여건을마련해주도록하고다음을

중점적으로탐구하 다.

1) 같은 침전반응이라도 pH가 달라지면 리제강 고리반응의

형태도다르게진행될까?

2) 리제강고리반응이수평방향으로의침전반응에서수직방

향으로의 침전반응으로 바뀐다면 어떻게 다르게 침전의

형태가진행될까?

1) pH에따른리제강고리반응은어떻게변하는지를분석

2) 바이알에서의리제강고리반응은어떻게변하는지를탐구

3) 각중금속마다pH에따른변이현상이없는지연구

2. pH 설정을위한실험

Ag2Cr2O7와Ni3[Fe(CN)6]2, PbI2, 그리고AgI의pH에따른

리제강고리반응결과는다음과같다(그림1 참조).

위의 앙금 생성 반응에서 염기성에서는 리제강고리반응이

형성되지 않아 실질적으로 pH에 따른 반응의 형태를 실험할

수가없었다.

3. 탐구과정

가. 외부전해질 몰농도에 따른 고리색 변화탐구

실험도중같은AgI 임에도불구하고고리색이달라졌음을

관찰할수있었다. 다음과같이여러번실험해본결과외부전

해질의 몰농도가 고리의 색을 결정함을 알 수 있었다. 그것을

확실하게탐구하기위해외부전해질의몰농도를변화시킴으로

서리제강고리의색깔변화를관찰하 다. 외부전해질의몰농

도는넣는양을다르게하여변화시켰다.

(그림 2)의 결과를 분석하 을 때, 외부전해질의 몰농도가

작을때는단순히1차반응만이일어나흰색이나타났으나, 외

부전해질을 많이 넣었을 경우에는 2차 반응으로 인해 검은색

이앙금이생성되는것을볼수있었다.

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그림 1. pH에 따른 PbI2와 AgI의 비교

pH PbI2 AgI Ag2Cr2O7 Ni3[Fe(CN)6]2

1

2

3

나. pH가 낮을 때의 젤라틴 흙뿌림 현상

pH를낮춰서실험하는도중pH가낮을수록젤라틴에하얀

색의작은앙금들이많이형성되는이른바흙뿌림현상을관찰

할수있었다.

위와 같은 흙뿌림 현상은 내부전해질이 굳은 후에 생기는

것을관찰할수있었다. 이는외부요인에의해서흙뿌림현상

이 일어난 것은 아님을 알 수 있었다. 이 흙뿌림 현상의 원리

는 앙금의 양이온이 약염기의 양이온일 때 pH가 낮아질수록

Ksp 도같이낮아지는데, 이때Ksp가작아진다. 그결과확산

된외부전해질이내부전해질과반응하여나타난것이라고생

각된다.

다. Ag2Cr2O7의 곁고리 현상

Ag2Cr2O7로리제강고리실험을하던중, 다른앙금과는다

르게Ag2Cr2O7에서만곁고리현상이나타났다.

라. Ni3[Fe(CN)6]2의 pH에 따른 고리색 변화

pH를 다르게 실험하던 도중 pH의 변화에 따라서 리제강

고리의색이바뀌는것을발견할수있었다.

위의실험결과에서볼수있듯이pH가낮아질수록고리의

초록색이진해짐을볼수있었다.

마. 내부전해질이 염기성일 때의 특징

내부전해질이염기성일때의리제강고리반응을보려던중

수산화나트륨을넣었을때내부전해질이끈끈해져서pH 측정

이불가능해졌다. 또한내부전해질이굳지않아서강염기성에

서는실험조차할수없었다.

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함께 만드는 화학수업 | pH변화에 따른 주기적 침전반응의 탐구

그림 2. 외부전해질 농도에 따른 AgI 고리색 변화

외부전해질의질량(g) 0.06 (g) 0.12 (g) 0.18 (g) 1.00 (g)

AgI 앙금생성

내부전해질300mL 당넣은질량 (g)

그림 3. pH에 따른 흙뿌림 현상 발생

pH 1 4

사용한앙금AgI

내부전해질의몰농도0.1M pH 1 2 2

1

그림 4. Ag2Cr2O7의 곁고리현상

사용한앙금Ag2Cr2O7

내부전해질의몰농도 0.1M

그림 5. pH에 따른 Ni3[Fe(CN)6]2의 고리 색변화

4. 실험결과및결과분석

가. pH와 침전반응변화 탐구결과

두 가지 앙금반응을 가지고 pH에 따른 리제강고리반응의

변화를탐구한결과는다음과같다(표1, 2 참고).

위의표를그래프로나타내어두물질의pH에따른리제강

고리반응의관계를정리해보면다음과같다(그림6, 7 참고).

위그래프에서AgI의생성침전반응의고리반지름이pH변

화에반비례함을알수있다.

다. 바이알에서의 리제강반응 확인

바이알에서도리제강고리가선명하게생겼고, 리제강고리

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그림 8. 바이알에서의 리제강 반응

Ag2Cr2O7 PbI2

그림 6. pbI2에 따른 반지름 변화

그림 7. AgI의 pH에 따른 반지름 변화

표 1. pH 변화에 따른 pbI2의 리제강고리 반지름

표 2. pH 변화에 따른 AgI의 리제강고리 반지름

pH1 2 3 4샘플번호

1 9.60 8.20 7.30 6.40

2 9.45 8.01 7.13 6.25

3 9.39 8.14 7.175 6.21

4 9.76 8.43 7.54 6.65

5 9.68 8.32 7.34 6.36

6 9.58 8.24 7.315 6.39

7 9.37 8.22 7.385 6.55

8 9.47 8.12 7.215 6.31

9 9.48 8.05 7.16 6.27

10 9.99 8.42 7.40 6.38

11 9.87 8.39 7.50 6.61

평균값 9.68 8.12 7.24 6.36

pH1 2 3 4샘플번호

1 15.10 12.40 9.80 7.20

2 14.96 12.31 9.76 7.21

3 14.89 12.41 9.84 7.27

4 15.24 12.47 9.89 7.31

5 15.26 12.35 9.68 7.01

6 15.01 12.54 9.86 7.18

7 14.92 12.65 9.815 6.98

8 14.89 12.26 9.67 7.08

9 15.22 12.39 9.925 7.46

10 15.32 12.27 9.775 7.28

11 15.15 12.69 9.80 6.91

평균값 15.16 12.36 9.86 7.36

층도 확인 할 수 있었다. 바이알에서는 패트리디쉬에 비해 더

고리가넓게나타나서관측이더용이했다. 또한바이알에서도

Ag2Cr2O7의곁고리를확인할수있었다.

6. 결론및제언

가. 결 론

1) 리제강반응은 pH의 변화와 지름과 반비례 관계를 나타

내었다.

2) pH가 낮을수록 젤라틴에 하얀색의 작은 앙금들이 은하

수처럼형성되는이른바‘흙뿌림’현상이나타났다.

3) Ni3[Fe(CN)6]2의주기적침전생성반응에서는pH가낮아

질수록고리의초록색이진해지는현상이나타났다.

4) 수직으로나타나는리제강반응이수평으로나타나는리

제강반응보다고리가넓게나타나서관측이더용이했다.

나. 제 언

리제강반응은 본인이 담당하고 있는 ChRoM 동아리의 지

속적인탐구활동분야중의하나이며, 이반응을통해서분석화

학의하나인중금속물질의실질적인분석이나침전속도등을

알아낼수있는반응으로사용될수있는반응으로여겨져학

생들이이반응하나만을가지고도다양한탐구활동및창의적

화학활동을찾아낼수있으리라는기대를해보았다.

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함께 만드는 화학수업 | pH변화에 따른 주기적 침전반응의 탐구

김준무 외. (2006). 난용성염의 종류와 리제강고리반응 형태와의 상관관계 탐구. 강원과학고 과학탐구논총 제 14집.김준무 외. (2007). 리제강고리현상을 이용한 난용성염의 화학적 분석방법 탐구. 제 53회 전국전람회 화학부문 출품논문.고종범 외. (2008). 금속광산폐기물의 환경오염 가능성 Screen을 위한 리제강반응 이용 연구. 제 54회 전국전람회 환경부문 출품 논문.Henisch, H. (1998). Crystals in Gels and Liesegang Rings. Cambridge University Press, (ISBN 0 521 34503 0), p.122.

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참고문헌

[ 2009년‘올해의과학교사상’과학문화부문수상자로선정]

한미애 교사는 26년간의 교직생활 기간 중 대부분을 고등학교에 근무하면서 과학기술인 육성에 남다른

관심을갖고고교생이기피하는이공계진로지도에힘써왔다.

특히 강원과학고에 재직하는 동안 화학탐구 동아리(크롬; ChRoM)를 지도하여 대만국제과학전람회 화학

부문 최우수상 수상, 전국과학전람회 특상 4회, 우수상 2회 입상 등 각종 과학관련 경연대회에서 다수의 우

수한실적을이루어내는등학생들의창의력신장과과학문화창달에공헌하 다.

또한 학생들의 과학논술 지도를 위하여 전국논술교사 지도 자격증 및 어독서지도자 자격을 취득하고

교사들의 과학논술 지도를 위한 강사로 활동 중이며, 학생들의 학력과 창의력 신장을 위한 교육개선프로그

램개발을위해부단히노력하며각종기관으로부터연수강사로위촉받아활동하고있다.

강원과학고등학교 과학교육부장으로서 과학교육의 저변확대를 위하여 매년 초·중학생 및 학부모를 대상으로 과학캠프를 기획 운

하고지역과학교육발전에한몫을담당하고있다.

교육과학기술부와 한국과학창의재단은 과학교육 개선과 과학문화 확산에 기여한 수학·과학교사에게 2003년부터‘올해의 과학교

사상’을수상해왔다.

수상자에게는 부총리 겸 과학기술부 장관상과 연구장려금 500만원이 지급되며, 소속 학교에도 실험실습 장비, 과학도서 등을 구입

할수있도록 500만원의지원금이지급된다.

한미애