전자 이동 모델과 산화수 변화 모델에 대한 화학 I 교육과정과 교과서 분석 및 화학교육전공 교사들의 인식 조사

분석 대상. 선행연구⁵에서 다룬 7차 교육과정에서는 산화·환원 개념을 화학 II에서 다루었으나, 2009 개정 교육과정에서는 화학 I으로 바뀌었다. 따라서 이 연구에서는 2009 개정 교육과정의 화학 I에서 산화·환원 개념을 어떻게 설명하고 있는지 분석하기 위해 교육과정³과 4종의 화학 I 교과서¹⁶⁻¹⁹의 내용을 분석하였다(Table 1).

분석 방법. 교과서에 제시된 산화·환원 개념은 전자 이동 모델, 산화수 변화 모델, 혼성 모델 등 세 가지로 분류하였다. 전자 이동 모델은 실제적인 전자의 이동으로 산화·환원 반응을 설명하는 것으로, 제한 조건은 원소나 단순한 이온 또는 이온화합물이 포함된 화합물의 경우 잘 맞지만, 공유결합 물질로까지 확대하여 적용하는 데에는 논란이 있을 수 있다는 것이다.²⁰⁻²⁴ 산화수 변화 모델은 반응 전과 반응 후에 결합한 분자 내 원자들의 전기 음성도 순서의 변화에 의해 전하의 분포가 달라지는 것으로 산화·환원 반응을 설명한다. 이때 산화수는 화합물을 구성하는 각 원자들 중에 전기 음성도가 더 큰 원자로 결합한 전자들이 완전히 이동하였다고 가정하였을 때, 각 원자가 갖는 전하의 수를 의미한다.¹⁸

산화수 변화 모델의 제한 조건으로는 가상적인 전자의 이동을 실제 전자의 이동으로 해석하는 오류가 발생할 수 있다. 혼성모델은 다시 두 가지로 나누어지는데, 이 연구에서는 공유결합 물질에 전자 이동 모델을 확장한 것을 전자 이동 모델에 기반한 혼성 모델로 분류하였다. 또한 실제적인 전자의 이동을 전기음성도가 큰 원자 쪽으로 전자가 치우친다고 가정하는 산화수 개념과 동일시하는 것을 이 연구에서는 산화수 변화 모델에 기반한 혼성 모델로 분류하였다.

연구 대상. 이 연구에서는 질문지를 통해 1차로 교사들의 사고유형을 분석한 후에, 주관식 응답과 면담 등을 통해 교사의 사고 유형을 분석하였다. 연구 대상으로는 우리나라 중부지역에 위치한 교사양성 대학의 대학원에 재학 중인 화학교육전공 교사 19인을 선정하였다. 보다 심층적인 분석을 위하여 많은 수의 교사를 대상으로 하지 않았고, 면담 등에서 래포를 형성할 수 있는 수의 연구대상을 선정하였다. 구체적인 연구 대상자에 대한 정보는 Table 2와 같다.

산화·환원의 다양한 모델에 대한 화학교육전공 교사의 인식을 조사하는 대상으로, 화학 I 교과를 가르친 경험을 가진 교사 15명, 고등학교에 근무하지만 화학 I을 가르친 경험이 없는 교사 2명, 고등학교에 근무한 경험이 없는 중학교 교사 2명이 선정되었다. 이 연구에서 다루는 전자 이동 모델과 산화수 변화 모델은 고등학교 교육과정에서 소개되지만, 화학교육전공 교사는 임의적으로 중학교와 고등학교에서 학생들을 지도할 수 있으므로 연구 대상에 포함하였다.

질문지. 교사들의 인식을 알아보기 위한 질문지는 총 5 문항으로 구성되었다(Table 3). 1-4번 문항은 서술형으로 구성하였으며, 5번 문항은 선다형 선택 문항으로 구성하였다. 1번 문항은 산·염기 반응과 산화·환원 반응을 구분하는 기준이 무엇인지 물어본 것으로, 이를 통해 어떤 모델로 산화·환원 반응을 판단하는지 알아보았다. 2번 문항은 실제적인 전자 이동 모델로는 설명하는데 한계를 가지는 공유결합물질의 산화·환원 반응을 제시하고, 혼성 모델을 가지고 있는지 판단하고자 하였다. 3번 문항에서는 루이스의 산· 염기에서 전자쌍의 전달이 있는데 왜 이 반응은 산화·환원 반응이 아닌지 설명하도록 하였다. 이를 통해 산·염기 반응과 산화·환원 반응을 구분하는데 전자의 실제적 이동이 아닌 산화수 변화 모델을 이해하고 있는지 알아보았다. 4번 문항에서는 특정한 반응을 주고 이 반응이 산·염기 반응인지, 산화·환원 반응인지 구분하도록 하였다. 이 문항은 선행연구⁵ 에서 제시한 설문 문항 중 ‘탄산 이온과 아세트산의 반응으로 아세트산이온과 이산화탄소가 만들어지는 반응’과 유사한 것으로, 아세트산 대신에 하이드로늄산을 제시한 것만 차이가 있다. 선행연구에서는 다양한 반응을 제시하고 다양한 모델을 적용하는지, 하나의 모델을 적용하는 지에 대한 분석을 하였으나, 이 연구에서는 다른 문항과 비교하여 일관성 있는 모델을 사용하는지, 혼성 모델을 사용하는지 분석하고자 한 차이점이 있다. 5번 문항은 산화수 변화의 의미를 물어본 것으로, 산화수 변화 모델에서 산화수 변화를 어떻게 이해하는지 알아본 것이다. 이 연구에서 정답으로 간주한 답은 ‘④ Relative order change of electronegativity between two bonded atoms’ ²⁵이다.

질문지 문항의 타당도를 높이기 위하여 화학교육 전문가 1인의 검토를 받았으며 그 후 대학원에 재학하는 화학교육전공 석사 및 박사 과정에 재학하는 교사 3인의 의견을 수렴하여 수정하는 과정을 거쳤다. 이러한 과정을 통하여 적절한 반응식을 제시하거나 선다형 문항의 내용이 분명하게 의사전달이 될 수 있도록 수정하였다. 또한 다섯 명의 화학교육전공 교사들을 대상으로 파일럿 테스트를 거쳐 반응 분석의 기준을 설정하였다. 또한 질문지 투입 후 연구 대상자들에게 면담을 실시하여 질문지에서 표현하지 못한 심층적인 사고를 추가로 조사하였다.

2009 개정 교육과정³의 화학 I ‘닮은꼴 화학반응’ 단원에는 산화·환원의 세가지 모델, 즉 산소 이동 모델, 전자 이동 모델, 산화수 변화 모델이 다음과 같이 병립적으로 제시되어 있다.

(나)의 질소와 수소의 반응에 의한 암모니아 합성은 공유결합 물질의 반응으로 실제의 전자 이동이 일어나지 않으므로 전자 이동 모델로 설명하는 것은 부적절하며, 가상적인 전자의 이동으로 표현되는 산화수 변화 모델이 적절하다. 즉 전자 이동 모델은 공유결합 물질로까지 포괄적으로 적용하는 데에는 제한 조건이 있으나, 이러한 논의가 제시되지 않았다. 선행연구⁵에서 제시한 7차 교육과정²⁶에서는 2009 개정 교육과정과 달리, 다음과 같이 구체적인 산화·환원 반응의 사례가 제시되지 않았다.

분석한 4종의 교과서 모두 전자 이동 모델이나 산화수 변화 모델뿐 아니라 암모니아 합성과 같은 내용에서는 혼성 모델을 제시하고 있었다. 혼성 모델은 크게 두 가지 유형으로 구분할 수 있다. 첫째, 공유결합 물질의 산화·환원 반응에서 산화수 변화를 실제 전자의 이동과 동일시 하는 것이다. 이러한 설명의 사례는 C와 D 교과서에서 찾을 수 있다. D교과서¹⁹의 설명을 제시하면 다음과 같다.

화학 변화 중에서 산화수가 증가한 것은 전자를 잃었다는 것을 의미하고 산화수가 감소한 것은 전자를 얻었다는 의미이다. 따라서 산화수가 증가하면 산화, 산화수가 감소하면 환원이 라고 한다.

즉, 이 설명은 산화수 변화를 전자의 이동으로 보았기 때문에 산화수 변화 모델에 기반한 혼성 모델이라고 할 수 있다. 물론 여기서 ‘전자를 잃었다는 것을 의미하고’에서 ‘의미’를 ‘가상적인 전자 이동을 의미’하는 것으로 해석할 수도 있으나, 문맥상 이 설명은 실제적인 전자의 이동 모델로 볼 수 있다.

혼성 모델의 두 번째 사례는 공유결합이나 배위 결합 화합물에 전자의 치우침을 전자의 이동으로 설명하는 것이다. 이러한 설명의 사례는 A와 B 교과서에서 찾을 수 있다. A 교과서¹⁶의 사례를 제시하면 다음과 같다.

수소 기체와 염소 기체가 반응하여 염화 수소 기체가 생성될 때에는 공유 전자쌍이 염소 쪽으로 치우치게 되는데, 이는 전기 음성도가 작은 수소에서 전기음성도가 큰 염소로 전자가 이동한 것으로 볼 수 있다. 즉 수소는 염소에 전자를 내주어 산화되고, 염소는 수소로부터 전자를 얻어 환원된 것이다.

이 설명에서는 전자의 치우침을 전자의 이동으로 설명하므로 전자 이동 모델에 기반한 혼성 모델이라고 할 수 있다. ‘전자가 이동한 것으로 볼 수 있다’는 의미를 가상적인 전자의 이동으로 해석할 수도 있으나, 다음 문장에서 명백하게 ‘전자를 내어 준다’ 혹은 ‘전자를 얻는다’는 표현이 있어서 실제적인 전자의 이동으로 이해할 가능성이 높다. 이러한 전자 이동 모델에 기반한 혼성 모델의 가장 큰 문제점은 산·염기 반응과 산화 환원 반응을 구분하는데 혼란을 일으킨다는 것이다. 예를 들어 염화수소가 물에 녹아 염소 음이온과 수소 양이온으로 해리되면 전자의 이동이 일어나지만 산화수의 변화는 없다. 산화수 변화 모델에 의하면 염화수소가 물에 녹기 전에 이미 공유전자쌍은 염소 원자로 이동했다고 가정하기 때문이다. 그러나 이러한 가정은 염화수소의 공유결합을 염화나트륨과 같이 이온결합과 동일시하는 문제를 일으키며, 따라서 염화수소가 물에 녹는 반응은 화학변화이지만, 이를 마치 용해처럼 해석해야 하는 문제를 발생시킨다. 이러한 문제를 피하기 위하여 전자의 이동을 제시하면 산·염기 반응을 산화·환원 반응으로 인식하게 될 가능성이 생긴다.²⁵ 이를 이 연구에서는 혼성 모델의 문제점으로 보았다.

이러한 충돌을 방지하기 위해서는 각 모델의 제한 조건에 대한 설명을 제시할 필요가 있으나, 분석한 교과서에서 이러한 설명을 찾아 볼 수 없었다. 선행연구⁵에서는 산화·환원의 진술에만 초점을 두었으므로, 이 연구에서 분석한 바와 같이 산·염기 반응의 정의를 통해 산화·환원의 정의와 충돌하는 사례는 제시하지 않았다.

산화수 변화 모델에 대한 교사들의 이해를 확인하기 위하여 먼저 산화수의 변화가 무엇을 의미하는지 묻는 5번 문항에 대한 교사들의 응답을 분석하였다(Table 4).

분석 결과, 19명 중에서 2명 만이 반응 후에 결합한 두 원자 사이의 전기음성도 변화가 산화수의 의미임을 인식하고 있었다. 기타의 응답들은 대부분 산화수라는 용어를 다시 반복하여 진술하는 것이었다. 13명의 교사들은 산화수 변화를 전자 이동, 전자 밀도 변화, 전하 분포의 변화 등 전자의 치우침과 관련된 답을 선택하였다. 이러한 결과를 통해 많은 교사들이 산화수 변화의 개념을 실제적인 전자의 이동과 혼동하고 있음을 확인할 수 있었다. 선행연구⁵에서도 많은 교사들이 산화수의 변화를 전자의 이동이나 산소의 이동과 혼용하여 생각하고 있음을 제시하였다.

공유결합물질의 산화·환원 반응을 전자 이동 모델로 설명하도록 요구한 2번 문항에 대한 교사들의 응답 결과는 Table 5에 제시하였다.

공유결합 물질인 질소와 수소의 반응에서 전자 이동 모델을 적용하여 전자가 수소에서 질소 쪽으로 이동했다고 응답한 교사는 8명이었으며, 이들은 전자 이동 모델에 기반한 혼성 모델을 가지고 있다고 분석하였다. 왜냐하면, 공유결합물질의 경우에는 전자의 가상적인 이동을 고려할 수는 있으나, 실제적인 전자의 이동이 있다고 보기 어렵기 때문이다. 또한 9명의 교사들은 산화수의 변화로 설명하였으나, 질소의 산화수가 3만큼 감소하였으므로 질소가 3개의 전자를 실제적으로 얻었다고 응답하였다. 따라서 이 교사들은 산화수 변화 모델에 기반한 혼성 모델을 가지고 있다고 분석하였다. 이 두 사고의 유형은 교과서 분석에서 사용된 두 개의 혼성모델과 일치한다. 따라서 교사들의 인식은 교과서의 설명에 큰 영향을 받고 있음을 알 수 있다. 단지 두 명의 교사만이 전자의 이동으로는 질소와 수소의 반응을 설명할 수 없다고 응답하여 전자 이동 모델의 제한 조건을 인식하고 산화수 변화 모델을 제대로 인식하고 있는 것으로 나타났다.

산화수 변화 모델로 설명해야 하는 산화·환원 반응을 전자 이동 모델로 설명하도록 요구하였을 때 혼성 모델을 가지고 있는지 확인하기 위하여 2번 문항을 제시하였으며, 루이스의 산·염기 반응에서 전자쌍을 주거나 받음에도 불구하고 이것이 산화·환원 반응이 아닌 이유를 묻는 3번 문항을 통해 산화·환원 반응을 산·염기 반응과 구분할 수 있는지 알아보았다. 따라서 두 문항에 대한 교사들의 응답의 일관성을 통해 사고의 견고함을 파악하기 위하여 교차 분석한 결과를 Table 6에 제시하였다.

문항 2, 3을 교차하여 분석한 결과, 산화수 변화 모델로 일관성 있게 사고한 교사는 전체 19명의 교사 중 한 명뿐임을 알 수 있다. 문항 3에서 산화수 변화 모델로 응답한 교사 7명 중 6명은 혼성 모델을 가지고 있었다. 그 중에 2명은 전자 이동 모델에 근거한 혼성 모델을, 그리고 4명은 산화수 변화 모델에 근거한 혼성 모델로 응답한 것으로 나타났다. 설문 후에 이루어진 심층 면담을 통해 많은 교사들이 산화·환원 정의에 대한 혼란을 지니고 있음을 인식하게 되었고, 학생들을 가르치면서 전자 이동 모델이나 산화수 변화 모델에 근거한 혼성 모델로 인해 혼란이 발생하였음을 깨달았다.

문항 1에서 산화·환원 반응을 산·염기 반응과 구분하는 데 기준으로 산화수 변화 모델을 선택한 비율은 19명 중 15명으로 매우 높았으나, 루이스의 산·염기 모델에서 전자쌍의 주게 받게가 있음에도 불구하고 산화·환원이 아닌 이유를 묻는 3번 문항과 교차 분석을 한 결과(Table 7), 산화수 변화 모델에 대한 이해를 하는 교사는 5명뿐임을 알 수 있었다. 나머지 10명의 교사 중에서 5명은 전자 이동 모델로 응답하였고, 5명의 교사는 이에 대해 응답을 하지 못하였다.

다양한 문항들에 대한 교사들의 응답을 서로 비교하여 교차 분석한 이유는 어떤 상황에서도 산화수 변화 모델을 정확하게 이해하고 있는 교사가 얼마나 되는지 알아보기 위해서이다. 분석 결과, 문항의 교차 분석이 달라질 때마다 산화수 변화 모델을 이해하는 교사들의 수가 변화하는 것으로부터 교사들의 산화수 변화 모델의 안정성이 취약하다는 것을 알 수 있었다.

특정한 산·염기 반응을 제시하고 이 반응이 산·염기 반응인지 산화·환원 반응인지 묻는 4번 문항과 루이스 산·염기 반응에서 전자쌍의 주고 받는 과정이 있음에도 불구하고 왜 산화·환원 반응이 아닌지 묻는 3번 문항에 대한 응답 결과를 교차 분석하여 Table 8에 제시하였다.

특정한 산·염기 반응을 산화·환원 반응으로 인식한 교사는 7명이었다. 또한 2명은 응답을 하지 못하였다. 즉, 절반 가까운 교사들이 실제적으로 산화·환원 반응과 산·염기 반응을 정확한 모델로 분류할 능력을 가지지 못하였음을 확인할 수 있었다. 이들이 교사양성대학의 대학원에서 화학교육을 전공하는 화학교사들임을 고려할 때 우수한 화학 교사로 볼 수 있으므로, 이러한 문제는 보편적인 화학교사들이 가지는 문제라고 해석할 수 있다.