함께 만드는 화학수업 색이 변하는 음료수

52 CHEMICAL EDUCATION

색이 변하는 음료수

글∣김덕희(서울 영등포여고, bia@dreamwiz.com)

실험목표 온도에 따라 화학 반응의 속도가 어떠한 영향을 받는지 설명할 수 있다.

실험개요

학생수준 중학교 3학년~고등학교 1학년 모둠인원 1~3명

학습개념 용액, 혼합물, 화학 반응 실험요소설명, 정의, 측정, 가설 설정, 변인 통제

소요시간 50분(설치 10분, 실험활동 30분, 정리 10분)

관련단원 고등학교 1학년 > 물질 > 반응의 빠르기

들어가기 1. 화학 반응 중에 가장 빠른 반응에는 무엇이 있을까? 그렇다면 가장 느린 화학 반응에는 무엇이

있을까?

－빠른 반응에는 폭발, 산·염기 반응(식초와 베이킹소다), 로켓 발사, 산불 등이 있고, 느린 반응

에는 녹이 스는 것, 광합성, 빵 발효(효모 반응), 소화, 음식이 상하는 것 등이 있다.

2. 저온, 실온, 고온의 환경 중에서 반응 속도는 어느 경우에 가장 빠를까?

－고온의 경우 반응 속도가 빠를 것이다.

기본실험 :

색이 변하는 음료수

1. 준비물

준비물 재료 확인

정밀하게 만들어진 강철솜(#000 또는 #0000) 3뭉치

Kool-Aid 538g (포도, 체리, 딸기, 오렌지) 모둠별 1컵(학급

당 1개 준비), 다음 스트로베리 에이드후레쉬 700g

비커 또는 투명 플라스틱 컵 3개

음료수별로 약수저 1개씩

초시계 1개, 휴대전화 사용 가능

더운물(전기 주전자 학급당 1개 준비함)과 얼음 1컵

색상표 1개(정확한 색깔표현을 위해)

2011 + Autumn 53

2. 교사 참고사항

① Kool-Aid 또는 다음 스트로베리 에이드후레쉬

－농축 과일맛 파우더로 된 팩을 구입한다. 하지만 시중에서 판매하는 '30% sweetened' 제품

을 사용해도 무방하다.

－체리, 딸기 그리고 오렌지는 무색으로 변한다. 포도는 보라색에서 푸른색으로 변한다.

－성분표를 확인한 후 어떠한 색소가 들어갔는지 알아본다.

맛 포함 색소

체리 Red40, Blue1

포도 Red40, Blue1

오렌지 Red40, Red40 Lake, Yellow5

수박-체리 Red40

② 강철솜

－강철솜을 1스푼이나 1그램 정도의 솜뭉치처럼 가위로 잘라둔다.

－가장 정밀하게 만든 강철솜(#000 또는 #0000)을 사용한다.

③ 색상표

－Kool-Aid 용액을 가지고 색상표와 비교한다.

－색상표가 없을 때에는 대조군 실험을 설계한다. 4개의 컵에 Kool-Aid 용액을 준비하고, 3개

에만 강철솜을 넣고 나머지 1개는 강철솜을 넣지 않는다.

3. 실험 과정

① 준비된 3개의 비커에 ‘저온’, ‘실온’, ‘고온’으로 표시해 둔다.

② 각 비커에 알맞은 온도의 물을 40mL씩 넣는다. 대조군 실험을 위해 ‘강철솜 없음’을 준비할 수

있다.

비커의 종류 저온 실온 고온 강철솜 없음

만드는 방법 얼음물 상온의 물 전기 주전자로 끓인 물 상온의 물

③ 각 비커에 Kool-Aid를 6스푼씩 넣고 녹이고 이 때 처음 색깔을 기록한다.

④ 강철솜을 같은 크기로 자른 다음 비커에 동시에 넣는다.

⑤ 용액의 색깔 변화를 5분마다 관찰하여 30분까지 표에 기록한다.

⑥ 비커에서 강철솜을 꺼내어 페트리접시 위에 두고 그 변화를 관찰한다.

과정 ③ 과정 ④ 결과(용액의 색변화) 결과(강철솜의 변화)

<Kool-Aid 포도맛 사용>

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<(위에서부터) Kool-Aid 딸기맛, 다음 스트로베리 에이드후레쉬, 황색소 사용>

4. 실험 정리

① 표에 용액의 색깔 변화와 강철솜의 변화를 관찰한대로 기록하라.(학생 활동지)

② 저온, 실온, 고온 중 어느 온도에서 용액의 색깔이 가장 빠르게 변하였을까?

－고온에서 가장 빨리 색이 변하였고 그 다음 실온, 가장 느리게 변한 것이 저온이다.

③ Kool-Aid 속의 색소와 강철솜 중에서 어떤 물질이 비커에 남아 있을까?

－강철솜이 남게 된다.

5. 생각해 보기

① 강철솜을 넣었을 때 Kool-Aid 용액의 색깔이 변하는 이유는 무엇일까?

－강철솜이 Kool-Aid 속의 색소와 반응하여 색소의 구조를 변화시켰기 때문이다.

② 특히 고온에서 용액의 색깔이 빠르게 변하는 이유는 무엇일까? 분자의 운동으로 설명하라.

－온도가 높아지면 분자의 운동이 활발해지므로(평균 운동 에너지가 증가함) 반응이 빨리 일

어나며 그 결과 색깔 변화도 먼저 일어나게 된다.

③ 화학 반응은 온도에 따라서 빨라지기도 하고 느려지기도 한다. 온도가 높아 반응 속도가 빨라

지는 예와 온도가 낮아 반응의 속도가 느려지는 예를 한 가지씩 설명하라.

－온도가 높아 반응 속도가 빨라지는 예 : 겨울철보다 여름철에 음식물이 빨리 상한다. 겨울철

에도 비닐하우스에서는 채소 재배가 가능하다.

－온도가 낮아 반응의 속도가 느려지는 예 : 음식물을 냉장고에 보관한다, 생선 가게에서는 생

선을 얼음 위에 올려둔다.

2011 + Autumn 55

심화실험 :

표면적이 다른

강철솜 실험하기

1. 준비물

① #3, #1, #00, #000 등의 강철솜을 추가로 준비한다.

2. 교사 참고사항

① Kool-Aid의 종류는 같은 것으로 준비하고 강철솜의 굵기에만 변화를 준다.

3. 실험 과정

기본실험 방법과 동일하지만, #3 강철솜은 매우 거칠기 때문에 실험 시간이 1시간 이상이 걸릴 수

도 있다.

4. 실험 정리

① 강철솜의 굵기에 따라 Kool-Aid 용액의 색깔은 어떻게 변할까? 용액의 색깔이 가장 빠르게 변

하는 것은 무엇일까?

－강철솜의 굵기에 따라 용액의 색깔이 변하는 정도가 다르다. 굵기가 가장 가는 강철솜이 용

액의 색깔을 가장 빠르게 변화시킨다.

실험실 안전 ① 실험을 할 때 보안경을 착용한다.

② 절대 실험 준비물을 먹지 않는다.

③ 사용한 Kool-Aid 용액은 싱크대에 버리고, 강철솜은 수거하여 쓰레기통에 버린다.

더 알아보기 [기본자료]

1. 화학 반응

실험에서 강철솜은 Kool-Aid의 색소와 반응하여 그 용액의 색깔을 변화시킨다. 이것은 화학 반응

의 결과이며 Kool-Aid 용액의 온도가 변하면서 반응이 빨라질 수도 있고 느려질 수도 있다.

2. 용액의 색깔 변화

Kool-Aid 용기 뒷면 성분표에서 볼 수 있듯이 다양한 식용 색소가 포함되었다. 예를 들어 적색소

(FD&C Red 40), 청색소(FD&C Blue 1), 황색소(FD&C Yellow 5) 등이 있다. 적색소와 황색소

는 강철솜과 반응하여 색을 잃게 된다. 반면 청색소는 반응하지 않는다. 이는 적색소와 황색소가

포함된 음료수는 색깔이 완전히 변할 수 있다는 것을 말한다.

3. 반응 속도와 온도의 관계

화학 반응의 속도를 반응 속도라고 부른다. 과학자들은 화학 반응의 조건을 변화시킴으로써 반응

속도를 빠르게 하거나 느리게 한다. 실험에서 고온의 Kool-Aid 용액은 얼음물을 이용한 것보다

강철솜과 더 빨리 반응한다. 이것은 고온의 증가한 에너지가 강철솜과 Kool-Aid의 색소가 서로

빠른 속도로 결합한다는 것이다.

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[심화자료]

1. 색소

적색소(Red 40, Red 40 Lake)와 황색소(Yellow 5)는 강철솜과 반응하는데 그 이유는 분자의 구

조가 서로 비슷하기 때문이다. 이러한 색소를 ‘아조염료(azo dye)’라고 부른다. 이것은 색소 분자

구조 속에 2개의 질소원자가 이중결합을 가지고 있는 것(‘아조기(－N＝N－)’)을 말한다. 강철솜

을 이루는 철(Fe)은 이 질소 이중결합과 반응하여 결합을 변화시킨다. 이것이 색소 분자의 모양을

바꾸게 되고 색깔을 변화시키는 것이다. 청색소(Blue 1)와 같은 염료는 이러한 구조를 가지고 있

지 않으므로 강철솜이 있어도 색깔이 그대로 유지된다.

<적색소(좌)와 황색소(우)에는 공통적으로 ‘아조기(－N＝N－)’가 있다.>

<청색소는 질소 이중결합 구조를 가지고 있지 않으므로 강철솜이 있어도

색깔 변화는 일어나지 않는다.>

2. 산화와 환원 반응

이 실험은 산화-환원 반응에 해당한다. 강철솜은 전자를 잃어 산화되는데 학생들은 강철솜을 관

찰하면서 이를 확인할 수 있다. 강철솜은 검게 변하거나 녹슨 것처럼 보인다. 어떤 물질이 전자를

잃게 되면 또 다른 물질은 전자를 얻게 된다. 실험에서 Kool-Aid 용액에 있는 색소가 전자를 얻어

환원되고 색깔을 잃게 된다.

3. 온도와 반응 속도

화학 반응은 분자가 에너지를 가질 때 일어난다. 반응이 일어나려면 색소를 이루는 분자가 강철솜

에 있는 철 원자와 물리적으로 충돌해야 한다. 분자들끼리 서로 얼마나 충돌할 수 있는지는 반응

물이 가지는 에너지에 따라 다르다. 온도를 증가시키면 반응 속도가 증가하는데, 왜냐하면 충돌수

와 분자 간 충돌에너지를 모두 증가시키기 때문이다. 고온에서 분자는 저온에 비해 많이 움직이

고, 빠르게 운동하여 화학반응을 일으키는 분자들 사이의 충돌수를 증가시킨다.

4. 표면적과 반응 속도

심화 실험에서 알 수 있듯이 강철솜의 표면적은 반응 속도에 변화를 주는 또 다른 요인이다. 강철솜은

같은 질량의 강철 조각에 비해 상대적으로 큰 표면적을 가지고 있다. 강철솜이 더 세밀할수록 노출된

표면적이 훨씬 넓어지고, 강철이 많이 노출될수록 충돌수도 증가하고 반응속도도 늘어나게 된다.

참고문헌 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •1. OMSI(2007). No Hassle Messy SCIENCE WITH A WOW : Chemistry in the K-8 classroom2. 정완호 외 9인(2002). 고등학교 과학 교과서. (주)교학사

3. 색소 정보 http://www.chemicalregister.com

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탐구 활동 보고서 : 색이 변하는 음료수

주제 음료수의 온도에 따라 색이 어떻게 변할까?학 번 이 름

활동목표 온도에 따라 화학 반응의 속도가 어떠한 영향을 받는지 설명할 수 있다.

준비물정밀하게 만들어진 강철솜(#000 또는 #0000), Kool-Aid, 비커 50mL, 초시계(휴대전화 사용 가능), 전기 주전자, 얼음, 색상표

들어가기 1. 화학 반응 중에 가장 빠른 반응에는 무엇이 있을까? 그렇다면 가장 느린 화학 반응에는 무엇이

있을까?

2. 저온, 실온, 고온의 환경 중에서 반응 속도는 어느 경우에 가장 빠를까?

실험과정 ① 준비된 3개의 비커에 ‘저온’, ‘실온’, ‘고온’으로 표시해 둔다.

② 각 비커에 알맞은 온도의 물을 40mL씩 넣는다. 대조군 실험을 위해 ‘강철솜 없음’을 준비할 수

있다.

비커의 종류 저온 실온 고온 강철솜 없음

만드는 방법 얼음물 상온의 물 전기 주전자로 끓인 물 상온의 물

③ 각 비커에 Kool-Aid를 6스푼씩 넣고 녹이고 처음 색깔을 기록한다.

④ 강철솜을 같은 크기로 자른 다음 비커에 동시에 넣는다.

⑤ 비커에서 일어나는 용액의 색깔 변화를 5분마다 관찰하여 30분까지 표에 기록한다.

⑥ 비커에서 강철솜을 꺼내어 페트리접시 위에 두고 그 변화를 관찰한다.

실험정리 ① 다음의 표에 실험에서 관찰한 것을 기록하여라.

－실험을 실시한 Kool-Aid의 종류 :

용액의 색깔 변화

시간(분) 저온 실온 고온

5:00

10:00

15:00

20:00

25:00

30:00

함께 만드는 화학수업 색이 변하는 음료수

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강철솜 실험 전 실험 후

관찰내용

② 표에 용액의 색깔 변화와 강철솜의 변화를 관찰한대로 기록하라. (학생 활동지)

③ 저온, 실온, 고온 중 어느 온도에서 용액의 색깔이 가장 빠르게 변하였을까?

④ Kool-Aid 속의 색소와 강철솜 중에서 어떤 물질이 비커에 남아 있을까?

생각해 보기 ① 강철솜을 넣었을 때 Kool-Aid 용액의 색깔이 변하는 이유는 무엇일까?

② 특히 고온에서 용액의 색깔이 빠르게 변하는 이유는 무엇일까? 분자의 운동으로 설명하여라.

③ 화학 반응은 온도에 따라서 빨라지기도 하고 느려지기도 한다. 온도가 높아 반응 속도가 빨라

지는 예와 온도가 낮아 반응 속도가 느려지는 예를 한 가지씩 설명하라.

－온도가 높아 반응 속도가 빨라지는 예 :

－온도가 낮아 반응의 속도가 느려지는 예 :