화명동 과학과외

화명동에서 시작한 기체 발생 반응의 질량 읽기

화명동은 대림아파트와 벽산아파트 같은 주거지가 있고 부산광역시립구포도서관을 이용하는 생활권과도 가깝다. 화명중학교와 화명고등학교가 있는 교육생활권에서 과학과외를 진행할 때, 기체가 생기는 반응의 질량을 단순히 숫자로 외우지 않고 계의 범위와 연결해 읽는 연습을 했다. 화명동과학과외 수업의 자료는 열린 용기와 밀폐 용기를 비교한 실험 기록이었다.

표의 숫자보다 먼저 확인한 것

첫 자료에는 식초와 탄산수소 나트륨을 반응시킨 두 장치가 제시되어 있었다. A 장치는 뚜껑이 없는 플라스크였고, B 장치는 풍선으로 입구를 막은 플라스크였다. 학생은 다음 기록을 보고 바로 계산부터 시작했다.

• A 장치: 반응 전 150.0 g, 반응 후 146.0 g
• B 장치: 반응 전 150.0 g, 반응 후 150.0 g

학생은 “A에서 4.0 g이 사라졌으므로 질량 보존이 성립하지 않는다”고 적었다. 이어 B의 결과만 질량 보존의 예라고 판단했다. 계산 자체는 정확했다. 150.0 g에서 146.0 g을 뺀 값도 맞았고, 두 장치의 수치도 제대로 표시했다.

학생의 오류는 계산 결과가 아니라, ‘반응이 일어난 플라스크 안’만 항상 같은 계라고 정한 첫 판단이었다.

A에서는 반응 중 생긴 기체가 열린 입구로 빠져나갔다. 따라서 플라스크 안의 물질만 비교하면 반응 후 질량이 작아질 수 있다. 이는 질량이 없어진 것이 아니라 계 밖으로 이동한 기체를 제외하고 측정한 결과다. 반대로 B에서는 풍선과 플라스크를 함께 계로 보아야 한다. 기체가 풍선 안으로 이동해도 계 밖으로 나가지 않으므로 전체 질량은 150.0 g으로 유지된다.

판단의 출발점을 바꾼 한 문장

학생은 풀이를 지우지 않고, 숫자를 읽은 순서도 그대로 남겨 두었다. 대신 문제 옆에 다음 기준을 직접 적었다.

“질량을 비교하기 전에, 무엇을 하나의 계로 포함했는지 확인한다.”

그 뒤 A의 계를 ‘플라스크 안 물질’로, B의 계를 ‘플라스크와 풍선을 포함한 전체’로 나누어 표시했다. A에서는 빠져나간 기체를 계 밖 화살표로 그렸고, B에서는 플라스크에서 풍선으로 향하는 화살표를 그리되 계의 경계 안에 남겼다. 이미 맞았던 4.0 g의 차이 계산은 유지했다. 다만 그 차이를 질량 보존 위반이 아니라 계 밖으로 이동한 기체의 질량으로 해석했다.

검산할 때도 새로운 계산을 덧붙이지 않았다. “A의 측정 범위에는 빠져나간 기체가 포함되지 않았는가?”, “B의 측정 범위에는 풍선 속 기체가 포함되는가?”를 차례로 확인했다. 두 질문에 답하자 표의 결과와 계의 범위가 서로 맞았다.

배열을 바꾼 두 번째 실험 기록

며칠 뒤에는 해설 없이 다른 자료를 건넸다. 이번에는 반응 전후의 순서가 섞여 있었고, 질문도 “어느 장치에서 질량 차이가 나타나는가?”가 아니라 “측정된 질량만으로 계의 범위를 어떻게 설명할 수 있는가?”였다. 장치의 수치와 모양도 달랐다.

• 장치 ㄱ: 열린 비커, 반응 전 92.5 g, 반응 후 89.8 g
• 장치 ㄴ: 마개가 닫힌 플라스크, 반응 전 118.2 g, 반응 후 118.2 g
• 장치 ㄷ: 입구에 연결한 주머니가 있는 용기, 반응 전 121.0 g, 반응 후 121.0 g

학생은 먼저 각 장치의 입구 상태를 그림 옆에 표시했다. ㄱ에는 바깥으로 나가는 기체 화살표를, ㄴ과 ㄷ에는 용기 안에 머무는 기체의 경계를 그렸다. 그 다음 질량 변화가 계의 범위와 일치하는지 설명했다. ㄱ의 2.7 g 감소는 열린 비커만 측정했기 때문에 나타난 값이고, ㄴ과 ㄷ은 발생한 기체가 계 밖으로 빠져나가지 않아 전체 질량이 같다고 정리했다.

힌트 없이 다시 세운 확인 절차

일주일 뒤 새 실험 그림에는 숫자 대신 “반응 후 풍선이 부풀었지만 용기 전체를 저울에 올림”이라는 관찰 기록과 “뚜껑을 열고 반응시킨 뒤 비커만 측정”이라는 기록이 있었다. 학생은 도움을 기다리지 않고 첫 줄에 계의 범위를 적었다. 풍선과 용기를 함께 잰 경우에는 기체가 이동했어도 계 안에 남아 질량이 같다고 설명했고, 비커만 잰 경우에는 빠져나간 기체가 측정 범위에서 제외되어 질량이 작아질 수 있다고 판단했다.

마지막으로 각 결과에 대해 “기체가 계 밖으로 나갔는가?”를 다시 대조했다. 학생은 계산값이 같다는 이유만으로 결론을 내리지 않고, 계의 경계와 기체의 이동을 근거로 열린계와 닫힌계의 질량 차이를 스스로 검증했다.