SZ-F-R-005(Rev.3)                                                                                                      호기심의 시작 사이언스존                                                                                                     A4(210mm ×297mm)

◎ 미리생각해보기

가정에서 사용하는 연수기는 어떤 기능을 가지고 있을까요?

◎ 녹성분 제거 : 변질된 수질의 중금속을 제거해 순수한 물로 재생시킴으로써 목욕 등 피부 관리나 세탁을 하는데 있어 유해성분에 대한 걱정 없이 안심하고 사용하실 수 있다.

◎ 피부병 예방과 부드러운 머리결 보호: 피부표면에 있는 노폐물을 제거하여 피부노화방지효과가 있으며 각종 피부질환(여드름, 무좀, 주부습진, 유아태열, 세균 등) 피부가 보호되며, 소중한 아기의 아토피성 피부, 성인층의 건성피부(검버섯 등), 탈모예방에 효과적이다.

◎ 실험 전 주의사항!

1. 실험에 포함된 작은 부품이나 시약 등은 삼키지 않도록 주의합니다.

2. 실험에 포함된 준비물은 실험 외 다른 용도로 절대 사용하지 않도록 합니다.

3. 실험용 도구와 시약으로 절대 장난치지 않도록 합니다.

4. 날카로운 도구를 사용할 때는 다치지 않도록 주의합니다.

5. 실험 후에는 주변을 정리하고 손을 깨끗이 씻습니다.

1. 몸체도안을 떼어내 접는선에 따라 접은 후 부착면 숫자에 맞추어 다음과 같이 조립합니다.	2. 거치대 도안을 떼어내 접는선에 따라 접은 후 몸체 옆면 칼선에 끼워 양면테이프를 이용하여 몸체를 완성합니다. (주의- 1번과 2번 부착면을 반드시 확인합니다.)

3. 투명관을 절반으로 자르고, 고무마개를 윗 부분을 살짝 잘라 타공을 만듭니다. (주의- 고무마개를 너무 많이 자르지 않게 주의합니다.)	4. 스펀지를 1개당 8등분을 한 후, 실험과정 3에서 잘라 놓은 고무마개에 넣어 연수기 필터를 만듭니다. (주의- 양이온교환수지 입자가 통과하지 못하도록 스펀지로 고무마개의 타공을 완벽히 막아줍니다.)

5. 만들어 놓은 몸체에 투명관을 끼운 후, 다음과 같이 고무마개를 끼웁니다. (주의- 고정력을 위해 도안 타공을 넉넉하지 않게 하였으니 투명관을 끼울 때 종이가 찢어지지 않도록 주의합니다.)	6. 부채모양의 도안(깔때기 도안)을 떼어낸 후, 둥글게 말아 깔대기를 완성합니다. 깔대기를 이용하여 투명관에 양이온교환수지를 절반씩 양쪽에 넣어줍니다. (주의- 양이온교환수지는 투명관 윗부분까지 올라오지 않도록 넣어줍니다.)

7. 종이컵2.5oz를 필터 밑에 배치한 후, 투명컵에 물을 담아 투명한 물이 나올 때까지 양쪽 투명관에 넣어줍니다.

(주의- 추후 명확한 색변화를 확인하기 위해 필요한 과정입니다. )

◎ 실험방법 [PART1. 간이연수기 만들기]

SZ-F-R-005(Rev.3)                                                                                                      호기심의 시작 사이언스존                                                                                                     A4(210mm ×297mm)

1. 종이컵 6.5o에 각각 황산구리, 염화코발트, 염화나트륨을 넣어 수용액을 만듭니다. 황산구리와 염화코발트는 투명컵 기준으로 1컵, 염화나트륨을 2컵을 넣어 시약이 완전히 녹을 수 있게 하드스틱으로 저어줍니다. (주의- 5인 기준 용액 제조법입니다.)	2. 투명컵 1개를 오른쪽 필터 아래 놓은 후, 황산구리수용액과 염화코발트수용액을 스포이트를 이용하여 각 6ml정도 필터를 통과시킵니다. 용액의 색을 관찰하고, 사용한 스포이트는 명칭에 알맞게 타공에 꽂아 보관합니다. (주의-용액이 너무 빠르게 떨어질 경우 양이온교환수지가 넘칠 수 있으니 천천히 통과시켜야 합니다.)

3. 2번에서 사용한 투명컵을 제거한 후, 새로운 투명컵을 오른쪽 필터 아래 놓은 후 염화나트륨수용액을 10ml정도 필터를 통과시킵니다. 용액의 색을 관찰하고, 사용한 스포이트는 명칭에 알맞게 타공에 꽂아 보관합니다. (주의-용액이 너무 빠르게 떨어질 경우 양이온교환수지가 넘칠 수 있으니 천천히 통과시켜야 합니다.)

◎ 실험방법 [PART2. 연수기의 원리]

1. 종이컵2.5oz에 수산화칼슘수용액을 5등분하여 배분하고, 배분받은 수산화칼슘수용액의 1/2는 투명컵에 나누어 담고 투명컵을 왼쪽 필터 아래에 놓은 후, 나머지 수산화칼슘용액을 스포이트를 이용하여 투명관(필터)에 넣어줍니다. (주의-용액이 너무 빠르게 떨어질 경우 양이온교환수지가 넘칠 수 있으니 천천히 통과시켜야 합니다.)	2. 필터를 통과한 수산화칼슘수용액과 통과하지 않은 수산화칼슘수용액을 제공된 빨대를 이용하여 15초간 입김을 불어 용액의 변화와 차이점을 관찰합니다. (주의- 빨대를 용액 안에 넣어 입김을 불어 주어야 합니다.)

3. 사용한 스포이트와 빨대는 명칭에 알맞게 타공에 꽂아 보관합니다.

◎ 실험방법 [PART3. 필터 청소 방법]

◎ 실험결과 및 생각해보기

1. [연수기의 원리]

①양이온교환수지를 통과한 수산화칼슘수용액 ②양이온교환수지를 통과하지 않은 수산화칼슘수용액 에 빨대를 용액 안에 넣어 1분정도 입김을 불었을 때 변화를 관찰하고, 그렇게 된 이유는 무엇인지 토의해봅니다.

⇒  ① 양이온교환수지[R(-SO3 Na)2]를 통과한 용액에는 아무런 변화가 없습니다.

: 양이온교환수지의 나트륨이온[Na+]과 수산화칼슘수용액[Ca(OH)2](석회수)의 칼슘이온 [Ca2+]이 치환되어 투명컵에는 수산화나트륨용액[NaOH]이 됩니다.

[eqn: R(-SO _{3} Na) _{2} +Ca(OH) _{2`} -> `R(-SO _{3} ) _{2} Ca+2NaOH]

양이온교환수지+수산화칼슘수용액 → 양이온교환수지(칼슘이온치환)+수산화나트륨수용액

② 양이온교환수지를 통과하지 않은 용액은 뿌옇게 흐려지게 됩니다.

: 양이온교환수지에 통과하지 않는 용액은 이산화탄소[CO2]와 결합하여 탄산칼슘[CaCO3]이라는 흰색 앙금을 만들게 된 것입니다.

2.[필터 청소 방법] 염화코발트수용액, 황산구리수용액이 양이온교환수지를 통과하면 어떠한 현상이 나타나나요? 그 후 염화나트륨수용액이 양이온교환수지를 통과하면, 어떠한 현상이 나타나나요? 그 이유는 무엇일까요?

⇒ (염화코발트수용액, 황산구리수용액 통과) 투명컵에 무색 투명한 액체가 모입니다. 염화코발트수용액의 코발트 이온 (붉은색) [Co2+]이 양이온교환수지의 나트륨이온과 치환되어 투명컵에는 투명한 액체가 모입니다. 마찬가지로 황산구리수용액의 구리이온(푸른색)[Cu2+]이 양이온교환수지의 나트륨이온과 치환되어 투명컵에 투명한 액체가 모이게 됩니다.

⇒ (염화나트륨수용액 통과) 투명컵에 보라색 액체가 모입니다. 염화나트륨수용액의 나트륨 이온과 양이온교환수지에 있는 코발트이온(붉은색), 구리이온(푸른색)이 치환되어 투명컵에는 보라색 액체가 모이게 됩니다.

◎ 원리이해

1. 이온의 치환

어느 종류의 물질을 구성하는 일부 이온들이 다른 물질의 이온과 자리바꿈하는 화학변화를  이온치환이라 하고 이러한 작용을 갖는 물질을 이온교환체라고 합니다. 교환하는 이온의 종류에 따라서 양이온교환과 음이온교환으로 나누어집니다. 예로부터 사용된 이온교환체로는  부식된 토양, 이탄, 산성 백토 등이 있지만 최근 화학합성에 의해 만들어진 이온교환수지의   발명에 의해 응용범위가 확대되었습니다.

2. 양이온교환수지

양이온을 교환하는 이온교환수지를 뜻하며, 자신이 가진 양이온과 다른 수용액 속의 양이온을 교환하는 역할을 합니다. 구성은 아주 작은 입자로 되어 있으나 외부에는 띠가 있어 양이온 성분인 나트륨이온(Na+)이 20~30개 가량 부착되어 있습니다. 이 나트륨이온(Na+)은 칼슘이온(Ca2+)과 마그네슘이온(Mg2+)등 양이온을 20~30개 가량 제거할 수 있습니다. 원리는 칼슘, 마그네슘 등의 양이온 성분이 유입되어 통과 되면 내부의 나트륨과 자리를 교환하여 칼슘이온과 마그네슘이온은 나트륨이온과 치환하게 되는 것입니다. 이 원리는 연수기에 많이 사용되고 납 같은 중금속을 제거하는 데 사용하기도 합니다. 양이온교환수지의 능력은 한정되어 있어서 10%의 소금물(NaCl)을 양이온교환수지에 통과 시키면 양이온교환수지에 붙어있는 이온들과 나트륨이온이 치환되면서 재생할 수 있습니다.

3. 연수기의 역할과 재생

1) 연수기의 역할 :

경수(센물)를 연수(단물)로 바꾸는 설비를 연수기(경수연화장치)라고 합니다. 물속에 함유된 양이온과 양이온성 중금속 등을 이온교환수지를 통해 흡착 제거하여 연수로 바꾸어 주며, 연수기에 들어 있는 이온교환수지는 양이온 성분만을 제거하는 양이온 교환수지 이며 작용기는 나트륨이온으로 붙어있습니다. 연수기에 물을 통과시키면 칼슘, 마그네슘, 철분 등의 양이온성분과 작용기로 붙어 있는 나트륨이온과의 상호 교환이 이루어지며, 따라서 연수에는 나트륨 성분이 많아집니다.

2) 연수기의 재생 :

장기간 연수기를 사용하면, 양이온교환수지의 나트륨성분이 다 소멸되어 더 이상 교환할 수 없게 되는데, 이때는 이온교환수지를 꼭 재생하여야 합니다. 재생의 원리는 염화나트륨(소금)을 물에 용해시켜 이온교환수지를 통과시키면 됩니다. 소금은 고체상태로 있을 때는 Nacl 이지만 물에 녹이면 양이온인 Na+ 와 음이온인 Cl- 로 나뉘어져 소금을 물에 녹여 연수기 내부로 투입시키면 수지에 붙어 있는 Ca+, Mg+는 소금물속의 염소성분(Cl)과 결합하여 떨어져 나가 배수되고 다시 그 자리에 나트륨(Na+)가 붙어 계속해서 연수를 만들 수 있게 됩니다.

학습목표

간이연수기를 만들어보고, 양이온교환수지를 통한 이온의 치환을 알아봅니다.

실험날짜          년      월      일

학년   반    이름 :

가정에서 사용하는 연수기는 어떤 기능을 가지고 있을까요?

◎ 미리생각해보기

양이온교환수지(10g), 황산구리, 염화코발트, 염화나트륨, 수산화칼슘용액, 빨대(5Φ), 스포이트, 고무마개, 스펀지, 투명관, 하드스틱, 양면테이프, 종이컵(2.5oz), 종이컵(6.5oz), 투명컵(2.5oz), 도안

※직접준비해주세요. (가위, 물)

◎ 실험준비물

1. [연수기의 원리]

①양이온교환수지를 통과한 수산화칼슘수용액 ②양이온교환수지를 통과하지 않은 수산화칼슘수용액 에 빨대를 용액 안에 넣어 1분정도 입김을 불었을 때 변화를 관찰하고, 그렇게 된 이유는 무엇인지 토의해봅니다.

2.[필터 청소 방법] 염화코발트수용액, 황산구리수용액이 양이온교환수지를 통과하면 어떠한 현상이 나타나나요? 그 후 염화나트륨수용액이 양이온교환수지를 통과하면, 어떠한 현상이 나타나나요? 그 이유는 무엇일까요?

◎ 실험결과 및 생각해보기

◎ 새롭게 알게 된 사실

◎ 느낀점