CuII-M(M=Zn, Al 및 Fe) 산화-환원반응에서 활성 금속 및 음이온의 효과

• 영문명: A Study on the Metal and Anion Effects of Cu(II)-M (M=Zn, Al, Fe) Redox reaction
• 발행기관: 한국과학영재교육학회
• 저자명: 박진희(Park, Jin-Hee) 류경주(Rhu, Gyeung-Ju) 김유빈(Kim, You-bin) 박지현(Park, Ji-Hyeun) 지유진(Gee, You-Jin) 김봉곤(Kim, Bong-Gon)
• 간행물 정보: 『과학영재교육』제10권 제1호, 18~29쪽, 전체 12쪽
• 주제분류: 사회과학 > 교육학
• 파일형태: PDF
• 발행일자: 2018.04.30

국문 초록

연구의 목적은 중학교 과학영재학생들의 R & E 프로그램으로, Cu (II) -M (M=Zn, Al, Fe)의 산화-환원반응에서 생성물의 형상과 반응속도에 미치는 구리(II) 이온의 농도, 활성 금속 (M) 및 음이온(spectator ion)의 영향에 대한 연구를 수행하는데 있다. 본 연구를 수행한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다. 첫째, CuSO4-Zn 산화-환원반응에서 0.5 M 황산구리 수용액 보다 진한 농도와 표면적이 큰 아연 분말을 사용하였을 때, 환원 생성물은 빠르게 붉은색 구리로 환원됨을 확인 하였다. 불균일 반응계인 Cu(II)-M의 산화-환원반응은 반응물의 농도가 증가하면 구리의 핵형성 속도가 증가하므로 초기 형성된 검은색 구리가 빠르게 붉은색으로 변화되는 것을 알 수 있었다. 산화-환원반응의 진행에 따른 생성물의 형상 변화는 0.2 M CuSO4 수용액에서 가장 쉽게 확인할 수 있었다. 둘째, 환원 생성물인 구리의 형상은 사용하는 활성 금속의 종류에 따라 다른 것을 확인하였다. 반응성이 큰 아연(Zn)과 알루미늄(Al)은 반응초기에 검은색 구리가 석출되지만, 철(Fe)을 사용하면, 철 표면에 환원된 구리가 도금되는 현상을 쉽게 관찰할 수 있었다. 이처럼 철을 사용하면 새로운 지적 호기심은 감소되지만 형상에 따른 색변화에 따른 학생들의 오개념 형성을 방지할 수 있을 것으로 생각된다. 셋째, 활성 금속(M)의 종류에 따른 Cu(II) -M 산화-환원 반응의 반응속도는 Zn > Al > Fe 순으로 얻어졌다. 이는 환원된 구리의 핵형성 속도가 수소기체의 생성과 관련이 있고, 환원된 구리의 흡착속도 차이를 의미한다. 넷째, 음이온에 의한 Cu(II)-Zn 치환 반응의 반응 속도는 Cl- > SO42- > NO3- 순서로 얻어졌다. 질산 구리(NO3-)와 금속 아연을 반응시켰을 경우, 초기 생성물은 다른 음이온과 같이 검은색 생성물이 얻어졌으나, 2시간 후 다공성의 녹청색 생성물을 확인할 수 있었다. 이 프로그램의 특징은 페트리 접시를 이용한 산화-환원 반응의 실험으로 거시적 현상을 저 비용과 친환경적으로 학생들이 화학 변화를 직접 관찰할 수 있기 때문에, 과학 영재 학생의 지적 호기심과 탐구력을 자극하고 과제 집중력을 높일 수 있었다. 또한, 이 프로그램의 부분적 수정으로 고등학교 과학 영재교육에 적용될 것으로 기대된다.

영문 초록

The aims of in this study is to investigate the effects of the reactants concentration, kinds of active metal (M) and the anion (spectator ion) on the morphology and the rate constants of Cu(II)-M’substitution reaction as the R&E programs of science (chemistry) gifted students. As a result of this study, the following conclusions were obtained. First, in the CuSO4-Zn substitution reaction, it was confirmed that most of the product was red copper when using an aqueous solution of copper sulfate that is thicker than 0.5 M or using a zinc powder having a large surface area. As the concentration of the reactants increases, the nucleation rate of copper is increased and red copper is obtained. However, the concentration at which the change of metal surface was observed was 0.2 M CuSO4 aqueous solution. Second, it was confirmed that the morphology of copper as a reduction product varies depending on the kinds of the active metal. Although zinc (Zn) that generates hydrogen gas has black copper precipitate, iron (Fe) has a morphology and color similar to that of metallic copper. Third, the reaction rate of Cu(II)-M substitution reaction according to the kind of active metal(M) was shown in order of Zn, Al, and Fe. This indicates that the rate of nucleation of the reduced copper is related to the generation of hydrogen gas and the adsorption capacity of copper reduced to the surface of the active metal. Fourth, the reaction rate of Cu(II)-Zn substitution reaction by anions was decreased by Cl-, SO42-, and NO3- order. However, in the case of NO3-, the product was found to be a mixture of various types. The experimental methods of the redox reaction using Petri dishes are economical, environmentally friendly, and can directly observe the chemical changes as macroscopic phenomena. Also, applying this program to middle school students, we were able to stimulate intellectual curiosity and inquiry ability of science gifted students, and to increase task concentration ability. We expect that some modifications of this program will be applicable to high school science gifted education.

목차

Ⅰ. 연구의 필요성 및 목적

Ⅱ. 이론적 배경

Ⅲ. 실험

Ⅳ. 연구 결과

Ⅴ. 결론

키워드

Cu(II)-M 치환반응 산화-환원반응 시각화 실험 갈바니 전지 페트리 접시 화학 R & E 프로그램 Cu(II)-M substitution redox reaction visualized experiments Galvani cell science gifted education chemistry R&E programs