뿌리학습 · 중학 과학탐구
화학 반응에서의 에너지 출입
화학 반응이 일어날 때는 에너지가 드나든다. 어떤 반응은 에너지를 내놓고 어떤 반응은 가져간다. 앞을 발열 반응, 뒤를 흡열 반응이라 한다.
이 단원, 내가 꺼낼 수 있는지 확인해 볼까요?
15일 무료 · 끝나도 자동 결제 없음 · 이후 월 결제 9,800원부터
개념 정리
익숙한 예가 있다. 겨울에 쓰는 손난로를 흔들면 뜨거워진다. 안에 든 철가루가 공기 중 산소와 반응하면서 열을 내놓기 때문이다. 연료가 타는 연소 반응, 산과 염기가 만나는 중화 반응, 산화 칼슘이 물과 만나는 반응도 모두 열을 내놓는다.
반대로 열을 가져가는 반응도 있다. 시험에서 자주 다루는 것은 수산화 바륨과 염화 암모늄처럼 두 고체 물질을 섞는 반응이다. 이 반응은 주변의 열을 매우 빠르게 가져가서, 플라스크 밑에 물을 묻혀 두면 그 물이 얼어붙어 나무판에 달라붙을 정도다. 눈에 보이지 않는 열의 이동을 얼음으로 확인하는 장치다.
여기서 방향을 정확히 잡아야 한다. 차가워진다고 해서 차가운 무언가가 나오는 것이 아니다. 나오는 것은 없고, 주변의 열을 가져가는 것뿐이다. 열을 빼앗긴 주변이 차가워지는 것이다. 이 구분이 서지 않으면 뒤에 나오는 모든 사례를 거꾸로 읽게 된다.
정리하면 이렇다. 열을 내놓는 반응이 일어나면 그 열을 받은 주변의 온도가 올라간다. 열을 가져가는 반응이 일어나면 열을 빼앗긴 주변의 온도가 내려간다. 생활 속 사례에서 어느 쪽인지 판단할 때는 주변의 온도가 어떻게 달라졌는지를 보면 된다.
몇 가지 사례를 더 보자. 금속이 녹스는 것을 화학 반응으로 세지 않는 경우가 있는데, 천천히 일어날 뿐 산소와 결합하는 엄연한 화학 반응이고 에너지를 내놓는다. 다만 반응이 느려서 손난로처럼 뜨거워지는 것을 느끼기는 어렵다. 손난로는 흔들어 공기를 통하게 함으로써 이 반응을 빠르게 일으킨 장치다.
여름에 쓰는 냉찜질 팩도 흡열 사례로 자주 소개된다. 다만 여기에는 구분이 필요하다. 흔히 쓰는 냉찜질 팩은 안에 든 고체 물질이 물에 녹으면서 열을 가져가는 방식이다. 물질이 물에 녹는 용해는 화학 반응이 아닌 경우가 많다. 열이 드나든다는 점은 같지만, 이 단원이 다루는 것은 화학 반응에서의 열 출입이므로 둘을 구분해 두어야 한다.
드나드는 에너지가 늘 열인 것도 아니다. 물에 전기를 흘려 수소와 산소로 나누는 반응은 전기 에너지를 가져가고, 식물의 광합성은 햇빛의 에너지를 가져가 양분에 저장한다. 그렇게 저장된 에너지는 세포 호흡에서 꺼내 쓰이며, 그 과정에서 일부가 열로 방출된다. 열만 떠올리면 이런 사례에서 막힌다.
여기서 이 단원의 범위를 한 번 정리해 두자. 에너지가 드나드는 것은 화학 반응만의 일이 아니다. 얼음이 녹거나 물이 증발하는 상태 변화에서도 열이 드나든다. 다만 상태 변화는 물질의 종류가 그대로인 변화이고, 이 단원이 다루는 것은 새로운 물질이 생기는 화학 반응이다. 상태 변화에서의 열 출입은 물질의 상태 변화 단원에서 따로 다루므로, 여기서는 둘이 다른 종류의 변화라는 점만 확인해 두면 된다.
다만 그 구분과 관련해 가장 많이 걸리는 질문이 하나 있다. 얼음이 녹을 때 열을 흡수한다고 배웠는데, 흡수하면 온도가 내려간다니 앞뒤가 안 맞는 것 같다는 것이다. 모순이 아니다. 두 문장이 말하는 온도가 서로 다르다. 얼음이 녹으려면 열을 가져와야 하고, 그 열을 내준 쪽은 주변이다. 그래서 얼음을 쥔 손이 차가워진다. 온도 이야기가 나오면 그것이 변화하는 물질의 온도인지 주변의 온도인지부터 확인해야 한다. 이 원칙은 화학 반응에서도 똑같이 적용된다.
마지막으로 생활 속 사례를 다룰 때 조심할 점이 있다. 하나의 현상을 한 가지 원인으로만 설명하려 하면 무리가 생긴다. 소나기가 오기 전에 후덥지근한 것이 그렇다. 많은 수증기가 물방울로 변하면서 열을 내놓는 것도 작용하지만, 공기 중에 수증기가 많아 땀이 잘 증발하지 못하는 것도 함께 작용한다. 사례를 조사해 발표할 때는 그 현상에 무엇이 함께 작용하는지까지 살펴보는 것이 좋다.
이 단원 시험에서 묻는 것
학교 시험은 교육과정 성취기준을 바탕으로 출제됩니다. 이 단원의 성취기준은 다음을 할 수 있는지 확인하도록 정하고 있습니다.
- [9과16-06]화학 반응에서 열에너지가 출입함을 알고, 생활 속 사례를 조사하여 발표할 수 있다.
자주 하는 착각
흡열의 이해
- 차가워지는 제품이 냉기를 내뿜는다고 이해한다. 시원해지니 무언가 차가운 것이 나온다고 느끼기 때문이다. 나오는 것은 없다. 주변의 열을 가져가는 것이고, 열을 빼앗긴 주변이 차가워지는 것이다. 이 방향이 서지 않으면 이 단원 전체가 흔들린다.
- 반응이 일어날 때 재는 온도가 무엇의 온도인지 혼동한다. 발열과 흡열을 함께 배우면서 기준이 흐려지기 때문이다. 판정할 때 보는 것은 반응하는 물질 자신의 온도가 아니라 주변의 온도다. 열을 내놓으면 주변이 따뜻해지고, 열을 가져가면 주변이 차가워진다.
기준의 혼동
- 열을 흡수하면 온도가 오른다고 배운 것과 흡수하면 주변이 차가워진다는 설명이 서로 모순된다고 생각한다. 두 문장이 가리키는 대상이 다르기 때문이다. 앞은 변화하는 물질 자신의 온도이고 뒤는 주변의 온도다. 온도 이야기가 나오면 그것이 어느 쪽의 온도인지부터 확인해야 한다.
- 소나기 전에 후덥지근해지는 것을 한 가지 원인으로 설명한다. 배운 개념 하나에 끼워 맞추기 때문이다. 수증기가 물방울로 변하면서 열을 내놓는 것도 작용하지만, 공기 중에 수증기가 많아 땀이 잘 증발하지 못하는 것도 함께 작용한다. 한 가지 원인으로 설명하려 하면 무리가 생긴다.
범위의 오해
- 화학 반응에서 드나드는 에너지가 항상 열이라고 본다. 사례가 대부분 열이기 때문이다. 전기분해는 전기 에너지를, 광합성은 빛 에너지를 흡수한다.
- 물질이 물에 녹으면서 차가워지는 것을 화학 반응으로 본다. 흡열 사례로 함께 배우기 때문이다. 물질이 물에 녹는 용해는 화학 반응이 아닌 경우가 많다. 열이 드나든다는 점은 같지만, 이 단원이 다루는 것은 화학 반응에서의 열 출입이므로 둘을 구분해야 한다.
사례 판정
- 금속이 녹스는 것을 화학 반응이 아니라 표면이 변한 것으로 본다. 천천히 일어나 반응처럼 보이지 않기 때문이다. 산소와 결합하는 화학 반응이며 에너지를 내놓는다. 다만 반응이 느려 온도 변화를 손으로 느끼기는 어렵다.
- 상태 변화에서 열이 드나드는 것과 화학 반응에서 열이 드나드는 것을 같은 것으로 본다. 둘 다 열이 오가기 때문이다. 얼음이 녹거나 물이 증발하는 것은 물질의 종류가 그대로인 상태 변화이고, 이 단원이 다루는 것은 새로운 물질이 생기는 화학 반응이다. 열이 드나든다는 점은 공통이지만 변화의 종류가 다르다.
이런 오개념, 나도 갖고 있을까?
냉각 팩이 차가워질 때 팩에서 냉기가 나와 주변을 시원하게 만든다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
시원해지는 느낌이 드니까 차가운 무언가가 빠져나오는 것처럼 느끼기 쉬워요. 실제로는 팩에서 나오는 것은 없고, 오히려 팩이 주변의 열을 가져가는 거예요. 열을 빼앗긴 주변이 차가워지는 것이기 때문에, 차가운 것이 퍼지는 게 아니라 열이 이동하는 방향을 기준으로 이해하는 것이 중요해요.
자연에서 일어나는 화학 반응의 대부분은 발열 반응이고, 흡열 반응은 그보다 훨씬 적다.정답 보기
O (맞는 설명이에요)
교과서에서 흡열 반응과 발열 반응을 나란히 배우다 보면 두 가지가 비슷하게 많이 일어난다고 느끼기 쉬워요. 실제로는 대부분의 화학 반응이 발열 반응이고 흡열 반응은 상대적으로 드문 편이에요. 그래서 흡열 반응의 대표적인 사례 몇 가지를 따로 기억해 두면, 나머지 낯선 반응들은 발열 반응일 가능성이 높다고 판단하는 데 도움이 돼요.
흡열 반응에서 물질이 열을 흡수하면 그 물질의 온도와 주변의 온도가 모두 올라간다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
열을 흡수하면 온도가 올라간다고 배웠기 때문에, 흡열 반응에서도 모든 것의 온도가 함께 오른다고 생각하기 쉬워요. 실제로는 두 설명이 가리키는 대상이 달라요. 열을 흡수하는 쪽은 변화가 일어나는 물질 자신이고, 온도가 내려가는 쪽은 그 열을 내준 주변이에요. 예를 들어 손 위의 얼음이 녹을 때 열을 흡수하는 것은 얼음이고, 그 열을 내준 손은 차가워지는 것이에요.
나머지 OX 문제와 4지선다 문제는 앱에서 풀어볼 수 있어요.
자주 묻는 질문
교육부 고시 제2022-33호 과학탐구 교육과정 기반