STEM+I 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 2021 이차원 벌집구조 물질과 응용성 알아보기 경북대학교 과학영재교육원 2021년 STEM 생각교실 운영 사업 교육 프로그램 프로그램 개요 기관명 경북대학교 과학영재교육원 프로그램 이차원 벌집구조 물질과 응용성 알아보기 이름 주요 과목 관련 과목 STEM 요소 화학1 과학2, 과학3 S, T, M 관련 단원 관련 단원 3.화학 결합과 분자의 세계-화학 결합, 분자의 구조와 성질 1.물질의 구성-이온, 1. 화학 반응의 규칙과 에너지 출입-화학 반응 지역 보조 주 개발자 개발자 본 프로그램에서는 거대고리 금속화합물을 기반으로 이차원 구조의 물질 합성과 특성을 통하여 물질을 이루는 구조에 대한 기본 원리와 분자 및 이 온의 결합 특성에 대하여 탐구하고, 이러한 이차원 물질의 구조를 근거로 주요 수업 개요 한 성질을 토대로 하여 금속이온 흡착에 의한 물질의 분리에 대한 개념을 이해하고 화학 반응과 흡광도에 대하여 탐구를 수행한다. 학습한 화학적 개념과 원리를 적용하여 거대고리 금속화합물을 포함한 이차원 구조와 특 성을 이해하고 금속이온을 흡착에 따른 용액의 흡광도를 비교함으로써 화 학적 상호작용을 이해한다. 학습한 화학 개념이 어떻게 적용되는지 이해하 고 학생들 간에 서로 공유한다. 차시별 1차시 물질의 구조, 분자간의 힘, 분자간의 결합 2차시 물질의 분리, 금속이온의 흡착, 흡광도 3차시 화학 결합, 화학 반응, 흡착, 농도변화 4차시 흡착자료의 해석, 진로지도, 직업탐구 주요내용 (키워드 위주) [ STEM 생각교실 교육 프로그램 ] 차 시 1 거대고리 금속화합물이 포함된 이차원 물질을 이해하기 위한 기초적인 화학 개념 ■ 학습 목표 1. 이차원 벌집 구조의 물질을 구성하는 거대고리 금속착물과 배위결합의 원리와 관련된 기초적인 화 학 개념 및 원리를 설명할 수 있다. 2. 육각벌집 구조의 장점을 찾고 거대고리 금속착물이 벌집 구조로 나타나는 이유를 도형을 이용하여 설명할 수 있다. 3. 소프트웨어(SW)를 활용하여 물질의 구조를 입체적으로 나타낼 수 있다. ■ 주요 학습 개념 벌집에서 캐낸 육각구조의 첨단 과학 벌집의 육각형은 최소한의 재료로 최대한의 공간을 확보하는 가장 경제적인 구조이다. 그 이유는 무엇일까? 바로 빈틈을 만들지 않는 경제적인 구조이기 때문이다. 정육각형 모양의 구조물은 평면에 서로 붙여 놓았을 때 변이 맞닿아 있어 빈틈이 없다. 물론 정삼각형, 정 사각형도 틈이 생기지 않기는 마찬가지다. 하 지만 정삼각형은 재료가 많이 필요하고 정사 각형은 외부의 힘이나 충격에 비틀리거나 찌 그러져 변형되기 쉽다. 그러나 속이 빈 정육각 형은 외부의 힘이 쉽게 분산되는 구조여서 견고할 뿐 아니라 안정적이다. 벌집의 완벽한 정육각형 구조물은 아무 리 세찬 바람이 불어도 끄떡하지 않을 듯이 튼튼해 보인다. 단체 생활을 하는 꿀벌의 입장에서 같은 양의 재료로 가장 효율적인 공간을 확보할 수 있는 육각형 구조는 매력적이지 않을 수 없을 것이다. 이런 꿀벌의 지혜를 최첨 단을 달리는 인간이 빌려오고 있다. 우리도 Tinkercad를 활용하여 주어진 도형만으로 안정적인 구조물을 만들어 봅시다. ■ 학생 활동지 해설 [기초 개념 학습] 1. 벌집모형(구조)에 대한 탐구 - 벌집 모양의 구조를 가지고 있는 대표적인 물질인 그래핀의 구조를 확인해봅시다. 예시) 그래핀 - 90 - 차 시 2 거대고리 금속화합물이 포함된 이차원 물질을 응용하기 위한 핵심적인 화학 개념 ■ 학습 목표 1. 이차원 벌집구조 물질을 이용한 금속 흡착의 핵심적인 화학 개념 및 원리를 설명할 수 있다. 2. 거대고리 분자의 흡착 물질이 우리 인체에서 어떤 작용을 하는지 원리를 설명할 수 있다. ■ 주요 학습 개념 • 우리 삶을 변화시키는 흡착 - 코로나19 바이러스로 인해 우리 삶은 이전은 기억할 수 없을 만큼 많은 변화가 일어났다. 그 중 가장 큰 변화 는 바로 ‘마스크 착용’ 일 것이다. 마스크는 일반적으로 가장 손쉽게 사용할 수 있으며, 가장 효과적인 감염병 예방 방법 중 하나이다. 이런 마스크의 효율을 높이는 방법은 바로 ‘흡착’이다. - 흡착은 어떤 물질이 다른 물질에 달라붙는 것으로, 다양한 물리적 또는 화학적 상호작용으로 인해 발생한다. 흡 착을 이용하여 물질을 분리하는 예로는 거름종이, 정수기, 에어컨 필터 등이 있다. 우리는 이번 실험을 통하여 거대고리 화합물이 포함된 이차원 물질을 이용하여 물질의 흡착과 분리에 대하여 이해하고 이런 과정이 우리 인체에서 어떤 상관관계가 있는지 알아보고자 한다. - 흡착을 용액 중에서 설명하는 간단한 방법으로 Beer-Lambert 법칙이 있다. 자외선 혹은 가시광선을 용액에 비 추었을 때 용액 속의 물질이 빛의 일부를 흡수하고 나머지는 통과하는 것을 적용한 법칙이다. 즉 용액이 빛을 많이 흡수하면 물질의 농도가 진하다고 할 수 있고, 용액이 빛을 적게 흡수하면 물질의 농도가 작다고 말할 수 있다. • 인체와 흡착의 원리 - 흡착이라고 하면 물건에서만 흡착이 일어날 것 같지만, 지금 우리 몸에서도 흡착이 일어나고 있다. 바로 적혈구 와 산소이다. 적혈구는 붉은색 색소인 헤모글로빈을 포함하고 있다. 그런데 이 헤모글로빈이 산소 친화도가 높은 헴(Heme)을 가지고 있고, 이 헴기(Heme group)의 철 이온(Fe2+)이 산소와 결합하여 적혈구가 산소를 운반하게 된다. 철 이온과 산소와의 상호작용은 강한 흡착이라고 표현할 수 있으며 화학결합(배위결합)이라고 한다. ■ 학생 활동지 해설 [ 기초 개념 학습 ] 1. 흡착이란 무엇일까요? 어떤 물질이 다른 물질에 달라붙는 것이다. 2. 아래 예시에서 흡착의 종류를 구별해봅시다. - 93 - 차 시 3 이차원 벌집구조의 물질을 이용한 금속이온 흡착 실험 ■ 학습 목표 1. 이차원 벌집구조의 물질을 이용하여 금속을 흡착하고, 이를 확인하여 일상생활과 관련된 금속 흡착을 이해한다. 2. 실험 과정 및 결과 산출 과정에서 의사소통과 협력적 태도를 함양한다. 3. 소프트웨어(SW)를 활용하여 실험 결과를 분석하고, 금속 흡착을 설명할 수 있다. ■ 주요 학습 개념 흡광도는 물질이 빛을 흡수하는 정도를 의미한다. 이 흡광도는 물질을 분석할 때 많이 쓰이는데, 대표적으로 DNA 와 RNA 등 다양한 바이오 실험 정량에서 사용한다. 생명과학 실험을 하는 연구자라면 하루에도 몇 번씩 시료의 흡광도를 측정하고 있다. 그렇다면 흡광도는 어떤 원리로 측정되는 것일까? 흡광도 측정을 이해하기 위해서는 Beer-Lambert 법칙과 모든 물질은 고유의 흡광도가 있다는 사실을 이해해야 한다. ■ 학생 활동지 해설 [실험하기] 스마트폰을 이용한 구리(II) 이온의 정량적 분석 용액의 농도를 알아내는 방법으로 흔히 사용하는 것으로는 자외-가시선 분광광도계이다. 이는 고가의 장치로 대학과 같은 연구기관 외에서는 접하기가 어려운 기기이다. 최근 스마트폰의 광범위한 보급으 로 색에 대한 정보를 알 수 있기에 이를 이용하여 간단하게 농도를 알 수 있다. 따라서 본 실험은 ICT 기반한 금속 이온을 확인하는 실험이다. 준비물: 이차원 물질, 같은 농도 구리(II) 용액 3개(용매: 에탄올 20 mL, CuCl2•3H2O, FW = 188.498 g/mol), 바이알(20 mL, 5개), 매스실린더, 약숟가락, 유산지, 사용 가능한 스마트폰 무료 앱: Color Grab/Android, ColorAssist/iOS, 기타 등등) - 96 - 차 시 4 흡착 실험 결과의 발표 및 진로 탐색 ■ 학습 목표 1. 평가 및 발표를 통하여 다른 모둠의 아이디어를 공유하고 문제해결 능력을 신장시킬 수 있다. 2. 차시별로 경험한 학습들이 화학, 공학 분야의 진로와 어떤 관계가 있는지 토론하고 그 과정을 통해 우리 생활에서 화학 분야의 중요성에 대해 인식할 수 있다. ■ 주요 학습 개념 물질의 농도와 흡광도 간의 관계, 화학 및 공학과 관련된 진로와 직업 탐구 ■ 학생 활동지 해설 [활동 결과 발표하기] 발표 실험 결과 사진 및 그래프 공유, 실험 결과 해석 발표 내용 평소 학교에서 하던 실험과는 조금 달라서 신기했다. 과학자가 된 것 같은 기분이 들어 좋았다. 실험 소감 다른 장치 없이 휴대폰으로 흡광도를 측정하고, 이 결과를 스스로 계산하여 그래프를 그리고 의미 있는 결과를 도출해냈다는 사실이 뿌듯하다. 처음에는 내용이 복잡하고 어렵게 느껴졌는데, 막상 하고 나니 재미있었다. 또 해보고 싶다. [토론하기] 1. 각 차시별로 활동한 내용과 관련된 직업은 무엇이 있을지 이야기하고 왜 그렇게 생각하는지 발표해보자. 차시 활동 내용 SW를 활용한 1차시 입체 구조 만들기 관련 직업 및 그렇게 생각한 이유 건축설계사 – 안정한 구조물을 만드는 것이 건축설계사 같아서, 조경사 – 아름다운 건축 구조물을 만드는 것도 중요한 것 같아서, 과학자 – 새로운 물질을 만들어 내니까 화학 공학자 – 새로운 물질을 만들어서 공장에서 활용하니까 2차시 흡착의 이해 및 실생활 예시 기업 연구원 – 정수기가 다양한 연구를 통해 흡착이 잘되는 것처럼 여러 기업에서도 연구원들이 정수기같이 새로운 물품을 발명하기 때문에 화학자 – 새로운 물질을 만들어서 연구하니까 실험 및 SW를 3차시 활용한 실험 결과 분석 앱 개발자 – 만들어낸 물질을 분석하기 위해서 다양한 어플리케이션을 개발하니까 환경 연구자 – 화학적인 물질을 이용하여 환경을 정화하는 것이 실험과 비슷하니까 - 100 -