순수한 원소 불꽃색 관찰을 위한 불꽃 반응 실험 방법 개선 - 물질의 용해도를 고려하여 -
Improvement of the Flame Reaction Experiment for Observation of Pure Element Flame Color - Considering the Solubility of Materials -
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초록
물질의 불꽃 반응 실험은 불꽃과 반응한 원소의 특징적인 방출 색을 눈으로 관찰하는 간단한 원소 분석방법이다. 특히, 실험과정이 단순하고 흥미로워 원소 고유의 물성을 눈으로 확인할 수 있는 실험 방법으로 사용되어 왔다. 하지만, 학교 현장의 제한적인 실험 조건으로 인해 교과서에 제시된 불꽃 반응 실험에 대한 다양한 문제점들이 제기되어 왔다. 그중에서도 짧은 불꽃 관찰 시간, 불꽃 장치에 의한 불꽃색의 간섭, 관찰하는 불꽃색의 불분명성이 대표적인 문제점이라 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 불꽃 장치에 의한 불꽃색 간섭이 없이 물질 고유의 불꽃색을 충분한 시간동안 명확하게 관찰할 수 있으면서도 학교 현장에 손쉽게 적용 가능한 불꽃반응 실험조건을 연구하였다. 이를 위해서는 불꽃의 온도가 충분히 높아야하고 불꽃 속에 관찰하고자 하는 물질이 충분히 전달되어야 한다. 학교에서 사용하는 대부분의 물질이 물에 용해도가 높은 염의 형태이고, 불꽃색 간섭이 거의 없는 것이 에탄올 불꽃임을 고려하여 물과 에탄올 혼합 용매를 사용하였다. 물과 알코올의 혼합 용매에서 물의 혼합 비율이 증가함에 따라 물질의 용해도가 증가함을 확인하였고, 염화나트륨 불꽃 반응 실험에서 20:80, 30:70, 40:60의 부피 비율로 물과 알코올 혼합 용매를 활용한 시료 용액에서 선명한 불꽃색 관찰할 수 있었다. 이를 통해 나트륨을 포함한 다양한 원소의 순수한 불꽃색 관찰이 가능함을 확인하였다. 특히, 본 연구에서 제안하는 불꽃반응 실험은 실험 장치의 구성 및 수행 방법이 간단하여 중학교 수준의 학교 현장에서도 폭넓게 적용 가능할 것이라 기대된다.
Abstract
Flame reaction experiment is a simple method for an elementary analysis that observes unique elementary flame colors. Owing to its simplicity and attraction, it has been widely performed to visually observe unique elementary properties. However, due to limited conditions for experiments in school, the flame reaction experiment suggested in the middle school textbooks has been problematic. In particular, short flame observing time, color interference caused by flame instruments, and ambiguity of observed elementary flame color were the common problems. This study suggests an experimental condition for improving the flame reaction experiment. In order to clearly observe the pure elementary flame color and of prolong the observing time, the flame temperature should be sufficiently high, and the elements also should be sufficiently and consistently delivered to the flame. For this purpose, the mixture of water and alcohol is utilized to dissolve the solid sample in regard to high solubility of sample in water and minimal interference by alcohol flame. The solubility of each sample in mixture of water and alcohol increased as the ratio of water in those mixtures increased. In terms of solubility and heat of combustion, we confirmed that the mixtures that mixed water and alcohol in the ratios of 20:80, 30:70, and 40:60 were the optimal condition to observe the clear elementary flame color. Based on this optimal condition, various elementary flame colors were clearly observed involving sodium, lithium, strontium, copper, potassium, and calcium. The simple reaction apparatus and procedure found from this study will enable a more extensive application of the flame reaction experiment in the national science curriculum for middle school students.
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