STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2020 금속 착화합물의 성질과 반응성을 이용한 나만의 사진 만들기 경북대학교 과학영재교육원 2020년 STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관 명 프로그램 이름 주요 과목 경북대학교 영재교육원 금속 착화합물의 성질과 반응성을 이용한 나만의 사진 만들기 화학 관련 과목 STEM 요소 관련 단원 화학반응, 산화와 환원 반응, 산과 염기 반응 관련 단원 S, T, E 지역 차시 5 개발자 ① 금속 착화합물을 제조 및 반응성을 이해하고 농도를 모바일폰 주요 수업 개요 으로 확인한다. ② 금속 착화합물을 이용한 광반응을 통하여 자신이 원하는 사진 을 만들어 본다. 1차시: 산·염기 반응, 화학 결합, 루이스 구조, 전이 금속, 산화·환원 반응 차시별 2차시: 프러시안 블루, 광반응, 감광제, 분광학, 전자 전이 주요내용 3차시: 철(III) 이온, 옥살산 음이온, 화학 반응, 화학 결합 (키워드 위주) 4차시: 감광 용액과 감광지의 제조, 빛을 이용한 산화·환원 반응 5차시: 사진의 색조, 광반응의 역할, 프러시안 불루의 역할, 반응 메카니즘 의 이해 STEM 생각 교실 차 시 1 [ 수·과학 수업 차시대체용 프로그램(교사용) ] 제목: 산화-환원 반응을 이용한 사진 만들기 학년 고등학교 2학년 ☑ 과학 ☑ 수학 ☑ 기술/공학 □ 기타( ) 관련 교과 수업 유형 ☑ 비대면(동영상) [학습 목표] 화학적 사진 현상의 원리를 파악하기 위한 기초적인 화학적 개념을 설명할 수 있다. [주요 학습 개념] □ 비대면(실시간) □ 대면 본 프로그램에서는 산화-환원 반응을 기반으로 사진이 현상되는 과정을 수행하면서 물질의 구조와 성질, 화학 반응과 화학 결합, 산과 염기, 산화-환원의 개념과 광분해 프로그램 개요 화학적 사진 현상을 이해하기 위한 기본 개념 반응 등에 대해 탐구를 수행한다. 학습한 화학적 개념과 원리를 적용하여 여러 가지 배위 결합 화합물의 구조와 특성을 이해하고 빛에 의해 유발되는 산화-환원 반응을 이용하여 원하는 사진을 만들어 보고 학습한 화학 개념이 어떻게 적용되는지 이해하 고 학생들 간에 서로 공유한다. 산과 염기, 화학 결합, 루이스 구조, 전이 금속, 산화-환원 [수업 계획 및 활동 과정] 1. 이론적 배경 가. 산과 염기 1) Arrhenius 산과 염기: 산은 물과 반응하여 수소 이온을 형성하는 화합물이고, 염기는 물과 반응 1. 화학적 사진 현상의 원리와 관련된 기초적인 화학 개념과 원리를 설명할 수 있다. 하여 수산화 이온을 생성하는 화합물로 정의한다. 2. 화학적 사진 현상의 원리와 관련된 핵심적인 화학 개념과 원리를 설명할 수 있다. 3. 실험 안전에 유의하며 필요한 감광제를 제조할 수 있다. 학습 목표 4. 실험 안전에 유의하며 광반응 실험을 통해 사진을 제작할 수 있다. 5. 사진의 제작을 통해 과학적 개념과 원리의 적용을 체험하고 과학과 연계된 다른 교과 영역에 대해 이해할 수 있다. 소주제 화학적 사진 현상의 원리를 1차시 파악하기 위한 기초적인 화학 2차시 관련된 핵심적인 화학 개념 암모니아가 물과 반응하여 암모늄 이온과 수산화 이온이 생성된다. 이 때 수산화 이온을 생성하 므로 암모니아는 Arrhenius 염기라고 할 수 있다. 하지만 Arrhenius 산과 염기의 정의는 물이라 는 특정 용매에 한정되어 있어 고체, 비수용액 액체 상태일 때는 설명할 수 없다. 수업 유형 주요 내용 산·염기 반응, 화학 결합, 루 강의식 이스 구조, 전이 금속, 산화· 개념 확인 화학적 사진 현상의 원리와 강의식 확인 프로그램의 개요   NH aq  HO l → NH aq  OH aq 2) Brønsted-Lowry 산과 염기: 산은 양성자를 내어놓는 물질이고, 염기는 양성자를 받아들이는 물 질이다.   HClaq  HO l → H O aq  Cl aq 환원 반응 염화수소는 물에서 수소 이온을 내놓아 Brønsted-Lowry 산으로 작용하고, 물은 수소 이온을 받 프러시안 블루, 광반응, 감광 아서 하이드로늄 이온이 되므로 Brønsted-Lowry 염기로 작용한다. 그리고 염산은 수소 이온을 제, 분광학, 전자 전이 내어 놓았기 때문에 Arrhenius 산으로 간주될 수 있다. 3) Lewis 산과 염기: Lewis는 산은 전자쌍 받개, 염기는 전자쌍 주개로 정의하였다. Lewis 산은 3차시 4차시 감광제로 사용할 배위화합물 의 합성 및 확인 감광 용액과 감광지의 제조 및 나의 사진 만들기 만든 사진을 비교 평가, 문제 5차시 해결과정과 산출물에 대해 분 석 및 발표 실험 실험 강의식 철(III) 이온, 옥살산 음이온, Brønsted-Lowry 산과 염기 정의에서 금속 이온과 전자쌍 받개까지 포함하여 정의가 확장되었 화학 반응, 화학 결합 다. 금속 이온은 대체로 전기음성도가 낮고, 이온화 에너지와 전자 친화도도 낮아 양이온으로 존 감광 용액과 감광지의 제조, 고립 전자쌍이 있는 분자나 음이온이 전자쌍을 제공할 때 Lewis 염기로 간주한다. 빛을 이용한 산화·환원 반응 사진의 색조, 광반응의 역할,    Ag  NH  → AgNH   프러시안 불루의 역할, 반응 메카니즘의 이해 - 1 - 재한다. 양이온은 전자가 부족한 성질을 지니고 있어 전자를 받아서 결합하려는 성질을 가진다. 은 이온은 전자쌍을 받아 결합을 형성하므로 Lewis 산이고, 암모니아는 전자쌍을 제공하므로 Lewis 염기이다. - 2 - 여 결합하는 한자리 리간드, 여러 쌍을 줄 수 있는 킬레이트 리간드로 구분함. 차 시 배위수 모양 2 직선모양 3 정삼각형 화학적 사진 현상을 이해하기 위한 핵심 개념 2 중심 원자에 배위되는 수에 따라 배위수를 결정함. 4 정사면체, 평면사각형 6 정팔면체 8 정육면체 [학습 목표] 배위 화합물이 형성되면 기존에 가지고 있는 금속이나 리간드의 성질이 대체로 달라짐. 화학적 사진 현상의 원리를 파악하기 위한 핵심적인 화학적 개념을 설명할 수 있다. 다. 산화-환원 반응 ○ 산화-환원 반응을 정리해보자. [주요 학습 개념] <모범 답안> 산화(oxidation): 어떤 화학종에서 산소를 얻거나 전자를 잃는 반응 환원(reduction): 어떤 화학종에서 산소를 잃거나 전자를 얻는 반응 프러시안 블루, 감광제, 광반응, 분광학, 전자 전이 *전기음성도가 큰 원소들은 전자를 얻어 환원하는 경향이 크고, 전기음성도가 작은 원소들은 전자를 잃어 산화 하는 경향이 큼 [수업 계획 및 활동 과정] 산화-환원 반응(산화수)의 조건 1. 이론적 배경 1. 산화-환원 반응에서 전자가 이동할 때 전하량 보존의 법칙을 지킴 2. 중성 분자에서 산화수의 합 = 0, 이온인 경우 → 이온의 전하량 = 산화수의 합 가. 프러시안 블루(Prussian blue) 3. 알칼리 금속 = +1, 알칼리 토금속 = +2 4. 플루오린 = -1, 다른 할로젠 원소는 다른 할로젠 원소와 결합하여 다른 산화수를 가질 수 있음 프러시안 블루는 1706년에 발견되어 현재까지 사용되는 청색 염료이다. 화학식은 Fe  Fe CN   5. 수소 = +1, 예외, 금속 수소화물 = -1(3의 규칙이 우선) 로 Fe III 양이온과 배위 화합물인 헥사사이아노철II산 음이온이 결합한 3차원 그물구조를 가진 6. 산소 = -2, 예외, 플루오린과 만나면 양의 산화수, 과산화수소 = +1 배위 결합 화합물이다. 구조는 정육면체 형태로 매우 안정하다. 정육면체 내부는 다공성 구조로 가스  전이 금속의 경우 주족원소에 비해 더욱 여러 종류의 산화수를 가질 수 있으며, 이유는 d-오비탈에 분포하는 흡착 성질을 보여준다. CN 전자들은 내부의 s나 p 오비탈에 있는 전자들에 비해 핵전하량을 잘 가리지 못하여 여러 종류가 나타나지만 동 블루를 형성하여 탄소 원자와 질소 원자가 모두 배위하는 3차원 구조를 형성하면 독성이 없는 물질 리간드는 그 자체로는 매우 독성이 강한 이온성 물질이지만 프러시안 일 주기에서 경향을 보면 일정 수준 이후부터 감소하는 이유는 유효핵전하의 크기가 증가하기 때문 이 된다. 이것은 세슘 등 중금속과 잘 결합해 배출되어 체르노빌 사태 등에서 중증 방사선 오염의 치료제로 사용했다. 전이 금속 이온이 포함되어 있어서 홀전자가 d-궤도함수에 존재하고 이들이 CN 라. 정리하기  리간드를 통하여 강한 자기적 상호작용을 하기 때문에 분자 자성 물질로 이용되고 있다. 1) Brønsted-Lowry 산으로 작용하는지 찾고, 짝염기의 화학식을 나타내시오.  (a) Cl  (b) NH (c) HO Brønsted-Lowry 산 짝염기의 화학식 (b) (c) NH OH  프러시안 블루 2) 다음은 배위 결합인 K Feox ∙3H2O와 옥살산 이온의 구조를 나타낸 것이다. 물음에 답 하시오. 3 O O O O (K+)3 Fe O O O O O O 3H2O O C O O O C O C O O C O O O 프러시안 블루와 유도체 (a) 철(III) 화합물의 배위수는? 6배위 (b) 리간드의 종류는 (두 자리 리간드 또는 킬레이트 리간드) 이다. - 7 - - 8 - 차 시 3-4 라. 전하 이동와 색 감광제의 제조, 감광된 종이 제작 및 사진 현상 ○ 우리 눈에 화합물에 색이 나타나는 이유를 서술하시오. 화합물을 형성하면 리간드와 금속 간의 새로운 MO를 형성하게 된다. [학습 목표] 특정 에너지를 흡수하여 채워진 궤도함수의 전자가 들뜨게 되어 LUMO를 점유하게 될 때 우리 눈에 색이 흡수한 색의 보색이 보이게 된다. 화합물의 색은 용매의 종류에 따라서 달라지기도 하는데 용 매와 화합물의 상호작용의 크기가 클수록 새로운 궤도함수를 형성하게 되고 이에 따라 흡수하는 에 너지의 크기도 달라지게 된다. 감광제를 바르게 제조할 수 있는 방법을 상기하며 실험에 참여할 수 있다. 감광된 종이로 산화-환원 반응을 이용한 화학적 사진 현상 활동을 할 수 있다. [주요 학습 개념] 감광제 원리, 결정, 감압장치, 빛의 종류, 빛을 쪼여준 시간 등에 따른 현상된 사진의 색 변화 확인 [수업 계획 및 활동 과정] 1. 실험 준비물 가. 감광제 합성: 삼각 플라스크, 비이커, 메스실린더, 감압 플라스크, 부흐너 깔때기, 거름종이, 유산지, 약숟가락, 저울, 가열교반기, 유리막대, 바이알, 양푼이, K  C  O  ∙ H  O (K  ox ∙ H  O , C2O4 = ox, C2O42- = ox2-), FeCl ∙ H  O , 증류수, 아세톤, 얼음 나. 감광용액이 발린 감광지: 부피 플라스크, 비이커, 스포이드, 저울, 메스실린더, 바이알, 수채화 종이, 붓, H2SO4, 증류수, K  Fe ox  ∙ H  O , K  Fe CN  , K  Co CN   다. 사진 만들기: 사진건판 이미지, 자외선 램프(없을 시 태양광을 이용), 증류수, 과산화수소수, 넓은 양 푼이, 핀셋, 유리판 2. 실험 수행 가. 감광제(K  Fe ox  ∙ H  O )의 합성 1) 100 mL 삼각플라스크에 2.76 g의 K  C  O  ∙ H  O 의 무게를 재어서 7 mL의 증류수에 녹이고 가 열한다. 이때, 용액이 끓을 정도로 가열하지 않는다. 2) 50 mL 비커에 1.49 g의 FeCl ∙ H  O 의 무게를 재어서 넣고 3 mL의 찬 증류수에 넣어서 녹인 다. 3) 1)에서 제조한 옥살산 칼륨 수용액에 2)에서 만든 철(III) 수용액을 천천히 가하면서 잘 섞어준 다. 4) 강한 햇빛을 차단하고 위의 혼합 용액을 얼음물에서 결정이 생길 때까지 기다린다. 5) 결정화된 생성물을 감압장치를 이용하여 거르고, 침전물을 약 10 mL의 아세톤으로 씻어서 말린 후, 무게를 재어 수득률을 구한다. 6) 얻어진 철(III) 배위화합물을 햇빛이 차단된 곳에서 보관한다. - 13 - - 14 - 차 시 5 감광이 쉽게 일어나는 것은 감광 용액과 K3[Fe(CN)6] 또는 K3[Co(CN)6]이 함께 있기 때문에 빛에 의해 감광되는 효 화학적 사진 현상의 원리 확인 및 반성 과를 강화시킨 것이 된다. 즉, K  Fe ox  ∙ H  O 이 감광될 때, 감광되고 나면 프러시안 블루 혹은 그 유도체 가 쉽게 형성될 수 있기 때문에 정반응이 잘 일어나는 것이다. 이것은 르샤틀리에 원리에도 부합되는 그런 반응이 라고 할 수 있다. 이 단계의 반응은 반드시 이해하고 설명할 수 있어야 한다. [학습 목표] 실험을 수행한 후 사진의 현상된 결과를 토대로 반응에 대한 고찰을 하고 수행 과정 중의 문제점을 발견하여 토론해 보도록 하는 것이 필요하다. 예를 들면, 산출물(사진)의 색깔의 대비가 좋은지를 확인할 수 있다. 즉, 진 사진의 제작을 통해 과학적 개념과 원리의 적용을 체험하고 과학과 연계된 다른 교과 영역에 대해 이해할 수 있다. 하기가 적당한지를 조사한다. 그리고 실제 사진과의 차이점이 무엇인지 알아본다. 사진이 흐려보이게 되었을 때 무엇이 문제인지 생각해 본다. 그리고 사진의 색깔 종류를 바꿀 수 있는지 토론해 본다. 마지막으로 어떻게 하면 좋은 사진을 얻을 수 있는지 고찰해보도록 한다. [주요 학습 개념] 본 프로그램을 통하여 배위 화합물의 화학 결합과 화학 반응을 실제 응용할 수 있는 기술적인 측면을 알게 됨 으로써 과학의 내용이 새로운 기술 발전에 사용되거나 기여하게 됨을 인식할 수 있게 된다. 이로써 우리가 과학을 프러시안 블루, 감광제, 산화-환원 반응, 전자 전이 배우는 목적을 깨닫게 될 것으로 생각된다. [수업 계획 및 활동 과정] 사진술은 인물이나 풍경 등을 종이 위에 옮겨 놓는 것으로 그 과정이나 기술이 여러 가지가 포함되어 복잡하 다. 이런 과정 중에서 화학물질과 관련된 감광제의 제조와 감광을 통한 사진의 현상을 하는 것이 본 프로그램의 내용이다. ■ 관련 자료 (읽기 자료 포함) 프로그램과 관련된 자료 포함 프러시안 블루와 그 유도체는 전이 금속 이온(철을 포함)들이 CN- 리간드로 연결되어 3차원 다공성 그물 구조 를 이룬다. 3차원의 강한 결합으로 연결되어 있는 프러시안 블루와 그 유도체는 고체 상태에서 매우 안정하다, 그 리하여 사진으로 현상된 후 사진 내용이 오랫동안 보존될 수 있게 된다. 또한 사진 색깔도 변화되지 않을 것으로 예측된다. 본 프로그램에서 철(III) 배위 화합물이 감광제로 이용되었고 감광된 후 방출된 철(II) 이온이 프러시 안 블루가 형성됨에 기여함으로써 열역학적으로 구조적으로 안정하고 특정 색을 띠는 물질로 바뀜으로써 사진술에 ① 프러시안 블루(Prussian Blue, ca 1706, 화학식은 Fe4[Fe(CN)6]3)는 짙은 파란색 물감(유화용 물감) 또는 그 색을 말한다. 주로 염료로 사용되었다. 독일(프로이센) 염색 업자인 디스바하(Johann Jacob Diesbach)는 1706년쯤에 딱정벌레를 갈아서 얻은 코치닐(cochineal)로부터 빨간색의 염료를 만들려고 시도하였는데, 놀랍게도 파란색의 물질을 얻었다. 그 후 2년 이내에 합성 블루 페인트가 프러시안 블루 로 시장에 판매되었다. 디스바하에 의해서 발견된 후 디펠(Dippel), 드 피에르(De Pierre)들의 연구· 유용한 방법임을 알 수 있다. 감광제는 빛에 의해 반응이 일어나 다른 물질로 변화되는 물질이다. 즉, 빛의 양이나 강도에 의해 감광제가 변화되는 정도가 차이가 난다. 이것은 사진 건판의 음영에 따라서 빛의 투과가 다르다는 것을 의미하며 그리하여 감광 후 변화된 물질의 양도 차이가 나게 되는 것이다. 그 결과 포함되어 있는 K3[Fe(CN)6] 또는 K3[Co(CN)6]과의 프러시안 블루 또는 그 유도체의 형성되는 양에 차이가 있어서 색깔의 강도가 달라짐으로 현상된 사진에서 색조의 차이가 나고 사진 건판의 그림이 나타나게 되는 것이다. 본 프로그램에서 가장 중요한 내용이라고 할 수 있다. 본 프로그램을 수행함으로써 유기물, 금속이온으로 구성된 배위 화합물의 화학 결합에 대하여 이해할 수 있고 또한 화학 반응(광반응, 라디칼 반응, 산화-환원 반응) 등을 이해할 수 있게 된다. 이러한 화학 반응은 전자 전이 와 밀접하게 관련되어 있음을 확인하게 된다. 즉 배위 화합물이 화학 반응을 거치면서 사진을 현상하는 사진술을 학습하게 됨으로써 화학 물질, 화학 결합, 화학 반응 등이 사진술이라는 것에 적용되는 원리와 응용성에 대하여 개량에 의해서 1750년 경까지 널리 사용되게 되었다. 성분은 페로시안화 철의 수화물이며, 페로시안화 칼륨 용액에 염화 철(III)을 가하여 만든다. ② 카메라는 두 가지 필수적인 구성으로 이루어진다. 하나는 빛을 모아 초점을 맞추는 렌즈이며, 다른 하나는 렌즈를 통해 보인 이미지를 만들어 내는 것으로 빛을 이용하여 감광지의 화학물질을 감광시킴으 로써 이미지를 구현하는 것이다. 현재에는 디지털 이미지 센서를 가진 카메라가 사용되고 있다. 카메라 의 기원은 camera obscura (Latin for “dark room”)로 벽에 작은 구멍이 있는 창이 없는 방을 의미하 였다. 구멍으로 들어가는 빛은 벽 밖에 있는 모습을 거꾸로 된 이미지를 만든다. 예술가들은 이미지를 추적하는데 도와주는 것으로 이 장치를 사용하였다. 후에 큰 빛 배제하는 상자의 형태로 들고 다니는 용도가 되었다. 본 프로그램과 관련이 깊은 것은 렌즈가 아니고 감광 화학물질에 대한 것이다. 감광 화 알 수 있게 된다. 광반응과 산화-환원 반응이 화합물에서 일어날 수 있음을 알 수 있다. 사실 광반응은 빛에 의하여 화합물이 변화되는 반응인데 이것 역시 산화-환원 반응의 일종이라고 할 수 있다. 광반응은 화학 반응이 일어나는 에너지원 이 열이 아니고 광(빛)이라는 것이다. 대표적으로 잘 알려진 광반응이 식물에서 일어나는 광합성이다. 광합성은 식물 또는 다른 생명체가 빛에너지를 화학 에너지로 바꾸기 위해 사용하는 과정이다. 변환된 화학 에너지는 후에 생명체의 활동에 필요로 되는 에너지를 제공하기 위해서 사용될 수 있다. 광합성의 경우는 화학 에너지는 이산화 탄소와 물로부터 합성된 당과 같은 탄수화물 분자에 저장된다. 이처럼 광에 의한 반응은 매우 요긴하게 실생활에 이용된다는 것을 인식할 수 있다. 마찬가지로 본 프로그램에서 사용한 K  Fe ox  ∙ H  O 의 광반응은 사진현 상에 유용하게 이용되었다. 이 반응 중에는 이산화탄소 라디칼 생성 반응이 일어나며, 철(III)에서 철(II)로 환원 되는 산화-환원 반응이 일어난다. 주지해야 할 점이 있다. K  Fe ox  ∙ H  O 은 고체나 수용액에서 빛에 대하 여 민감성을 가지고 있다. 하지만 일정 시간 이상을 보관할 수 있을 정도는 안정하다. 그러나 빛을 짧게 주어도 - 17 - 학물질과 관련된 최초의 예는 1725년 독일 의사 Johann Schulze(1684-1744)가 발견한 것으로 어떤 은 염이 빛을 받았을 때 검게 변한다는 것이었다. 약 50년 후, 스웨덴 화학자 Karl Scheele(1742-1786)는 어두워지는 효과는 금속 은의 알갱이의 존재에 기인함을 알게되었다. 결과적으로 은(Ag)염은 필름, 종 이, 가죽에 대해 사진 에멀젼(광 민감 코팅)에 있어서 표준 성분이 되었다. 영국인 Thomas Wedgwood(1771-1805)에 의해 1790년대까지 시도되었다. 그러나 Scheele의 방법이 일반적으로 채택되기 전까지 수많은 과정이 반복해서 조사되었었다. 이로 인하여 1826년에 Joseph Niépce(1765-1833)가 최초 의 사진을 찍었다. 1839년에 다게레오타이프(Daguerreotypes) 개발되었으며, 1841년에 Calotypes 개발 되었다. 1851년에 Wet-collodion 과정이 개발되었고, 1871년 Dry gelatin plates 개발되었으며, 1888년 최초의 Kodak 카메라가 발명되었다. 이 중에서 최초의 사진술에 소개하면 다음과 같다. 루이 자크 망데 다게르(Louis-Jacques-Mandé Daguerre, 1787년~1851년)는 사진의 아버지로 불리는 프랑스의 미술가, 사 진가이다. 그는 촬영 시간을 크게 단축한 사진술인 다게레오타이프를 1839년에 발명하였다. 다게레오타 - 18 -