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Analysis of Textbook Contents and Chemistry Teachers' Cognition about Species of Strong Acid in Water
Analysis of Textbook Contents and Chemistry Teachers' Cognition about Species of Strong Acid in Water
Journal of the Korean Chemical Society. 2012. Oct, 56(5): 628-637
Copyright © 2012, The Korean Chemical Society
  • Received : March 09, 2012
  • Accepted : August 02, 2012
  • Published : October 20, 2012
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형석 고
경은 김
성혜 백
shpaik@knue.ac.kr

Abstract
이 연구에서는 1945년 교수요목기의 교과서부터 2009 개정 교육과정 화학II 교과서까지 수용액에서 강산의 이온화도에 대한 내용을 분석하고, 현직 화학 교사 50명을 대상으로 수용액에서 강산의 화학종에 대한 인식과 이온화도를 고려하였을 때의 인식 차이를 알아보는 설문과 면담을 실시하였다. 연구 결과, 우리나라 교사들은 교과서에 제시된 이온화도 값을 근거로 강산의 수용액 안에 존재하는 화학종에 대한 생각을 하고 있었으며, 강산의 정의와 교과서에 제시된 이온화도 값이 서로 일치하지 않은 문제를 생각하지 못하거나, 문제를 인식하는 경우에도 그에 대한 해결을 하지 못한 것으로 나타났다.
Keywords
서 론
‘산과 염기의 반응’은 화학교육에서 가장 중요한 주제 중 하나이다. 1 산성을 나타내는 산도 혹은 pH의 개념이나 강산과 강염기에 관련된 내용은 초등학교부터 고등학교 화학까지 꾸준하게 다루어지며, 학생들의 관련 개념에 대한 연구도 지속적으로 이루어지고 있다. 2 - 8 특히 강산의 대표적인 사례인 염산이나 황산은 초등학교 과학에서부터 제시되는 물질로 그 특성에 대한 학습자의 이해는 물질의 산성을 이해하는 데에 중요한 역할을 한다.
강산이라는 개념의 정의 9 는 ‘수용액에서 완전히 해리하는 물질’ 이므로, 수용액 속의 수소 이온 존재 정도와 강산이라는 용어 정의는 구분되어야 하지만, 많은 학생들은 이 두 개념을 혼동하는 것으로 나타났다. 이러한 학생들의 사고의 문제는 과학 개념의 습득에서 발생하는 어려움이라기보다는 용어의 정의에 대한 혼란이라고 할 수 있다. 과학적 용어는 과학자 사회에서, 혹은 과학교육자 사회에서 합의되어 제시되므로 이를 학생들이 학습하는 과정에서 발생하는 혼란은 교육에서 발생하는 문제라고 판단된다. 이와 관련하여 교사의 지도에서 발생하는 문제를 지적한 선행연구 10 - 13 와 교과서 서술 내용의 오류를 지적한 선행연구 14 - 18 등이 있다.
특히 교과서는 학교에서 사용하는 가장 기본적인 학습자료이며, 학생과 교육자 사이의 의사소통을 담당하기 때문에 그 중요성이 매우 크다. 19 과학 지식은 사회적, 문화적 연관성을 지니고 있으며, 20 인간이 만든 지식의 일종으로서 과학 개념은 과학의 본성, 제한점, 형성 과정에서의 정당화 등과 관련되어 있다.
학생들에게 과학을 가르치는 교사들이 교과서 내용을 전달하는 과정에서 자신들이 가지고 있는 인식과 충돌하는 사례를 연구하기 위해 본 연구에서는 강산에 대한 개념을 활용하였다. 선행연구를 고찰해 보면 강산의 화학종에 대한 시각이 연구자마다 다른데, 이는 이온화도에 근거한 사고로부터 나타난 것임을 알 수 있다. 그러나 아직까지 이러한 관점에서 교사들이 강산을 어떻게 인식하고 있는지 교과서 설명 내용과 연계하여 분석한 연구는 없다. 따라서 본 연구에서는 교과서에서 강산의 이온화도를 어떻게 제시하는지에 대해 분석하고, 이러한 표현 방식과 연결하여 화학 교사들이 강산의 개념에서 느끼는 혼란과 과학 개념에 대한 교사의 인식에 대해 연구해 보고자 한다.
- 강산에 관련된 개념
이 연구에서 다루는 강산은 수용액에서 수소 이온(H + )과 음이온으로 완전히 해리되는 산을 말하며, 염산(HCl), 브로민화수소산(HBr), 아이오딘화수소산(HI), 황산(H 2 SO 4 ), 질산(HNO 3 ), 과염소산(HClO 4 ) 등이 이에 속한다. 산 HA가 물에 녹으면 수용액에서 이온들 사이에 평형을 이룬다. 강산은 수용액에서 실질적으로 완전히 이온화되는 산을 말한다. 염산(HCl)은 강산이고 따라서 물속에서는 다음과 같은 반응을 한다.
  • HCl(aq) + H2O(l) → H3O+(aq) + Cl-(aq)
이때 이중 화살표가 아니라 단일 화살표를 사용하여 반응이 실질적으로 완결된다는 것을 나타낸다. 21 , 22 여기서 주의해야 할 점은 이것은 수용액에서 일어나는 반응이라는 점이다. 기체 상태에서라면 HCl의 극성 공유결합이 깨져서 H + 와 Cl - 로 분리된다 하더라도 온도가 아주 높아서 이들 이온의 운동 에너지가 아주 크지 않는 한 이들은 곧 전기적 인력에 의해 끌려서 재결합할 것이다. 그러나 수용액에서는 이들 이온은 물에 둘러싸여 크게 안정화된다. 이온의 안정화 효과는 HCl 분자의 안정화 효과보다 훨씬 크다. 그런 상황에서 전기음성도가 높은 염소는 전자를 얻어서 안정한 이온이 된 상태이기 때문에 HCl로 되돌아가려는 경향이 거의 없다. 따라서 역반응이 일어난다 해도 HCl은 즉시 다시 해리하므로, HCl은 거의 100% 해리한다고 볼 수 있다. 23 즉, 강산은 물속에서 거의 100% 이온화되는 물질로 보아야 한다. 9 , 24 - 26 고등학교에서 화학교재로 널리 사용되는 영국, 호주, 캐나다의 화학 교재 27 - 29 에서는 강산을 100% 이온화된 것으로 제시하였고, 일본에서 보편적으로 사용하는 고등학교 化學 I 교재 30 - 32 에서는 강산의 해리도 α를 거의 1에 가깝다고 제시하였다.
이 연구에서는 강산(HCl)이 ‘100% 이온화한다.’는 설명이나 ‘강산의 이온화도 α를 거의 1에 가깝다.’고 설명한 경우에 ‘모두 H + 이온과 Cl - 이온으로 존재한다’는 표현이 ‘HCl보다는 H + 이온과 Cl - 이온으로 더 많이 존재한다.’는 표현보다 더 적합하다고 판단하였다. 이온화도 α가 거의 1이라는 의미가 0.96 정도의 수치를 의미하는 것이 아니기 때문이다. 거의 1이라는 의미는 0.99999999999 정도를 의미하고 99.999999999% 이온화하는 것이다. 이때 연속적인 9값은 더 진행될 수도 있다. 따라서 소수점 둘째 자리까지 제시하는 경우에는 이 수를 반올림하였을 때 1로 표현하고, 100% 이온화한다고 표현하는 것이 더 타당하다. ‘HCl보다는 H + 이온과 Cl - 이온으로 더 많이 존재한다.’는 표현에는 HCl이 일부 존재한다는 의미가 있으므로, 이로부터 부적절한 사고가 유발될 가능성이 더 높다고 보았다.
0.1몰의 염산이나 과염소산을 물에 녹여 1.0 L의 용액을 만들면 0.1 M의 H 3 O + (aq)가 만들어진다. 용액에서 산염기 성질은 H 3 O + (aq) 농도에 의해 결정되며, 따라서 이들 두 강산은 수소 이온을 내는 능력이 본질적으로 다름에도 불구하고, 물에서는 같은 산의 세기를 나타낸다. 이는 두 강산이 수용액에서 같은 수의 수소 이온을 내놓는다는 것을 의미한다. 용매가 물일 때 강산은 모두 같은 세기의 산으로 작용하므로 물은 강산 집단(HCl, HBr, HI, H 2 SO 4 , HNO 3 , HClO 4 등)에 대하여 평준화 효과를 가진다고 말한다. 즉, 강산과 물의 반응은 평형에서 오른쪽으로 매우 심하게 치우쳐 있으므로, 이 산들 간의 이온화차이는 검출될 수 없을 정도로 작아진다. 물속에서 강산의 이온화 상수는 너무 커서 서로 측정하여 비교할 수 없다.
‘H 3 O + 보다 더 강한 산이거나 OH-보다 더 강한 염기들은 물과 완전히 반응한다.’라는 평준화 효과(leveling effect) 현상으로 인해, 강산과 강염기의 이온화도를 물속에서 재는 것은 불가능하므로, 33 강산끼리의 이온화도를 측정하고자 할 경우에는 상대적 산의 세기는 물보다 약한 용매로 바꾸어서 측정하거나 특수기술을 이용한다. 만약 사용하는 용매가 충분히 약한 염기(물보다 H + 를 받아들이는 경향이 작은 것)이면, 비교적 강한 산일지라도 부분적으로만 이온화된다. 예를 들면, 디에틸에테르(C 2 H 5 OC 2 H 5 ) 용매에서 HCl은 HClO 4 보다 이온화가 덜 되므로 HCl은 HClO 4 보다 약한 산으로 표현된다. 23 따라서 이온화도는 동일한 용매에서 측정한 값이 아니므로, 서로의 크기를 절대적인 값으로 비교하는 것은 무의미하다.
- 염산의 수용액 상태에 대한 선행 연구
우리나라의 선행 연구 6 , 8 중에 강산의 일종인 염산(HCl)의 수용액 상태를 묻는 문항이 여러 연구에서 꾸준히 사용되고 있다. 그러나 수용액에서 염산이 어떤 형태로 존재하고 있는지를 묻는 선행 연구에서 연구자에 따라 옳은 답에 대한 판단이 서로 다르다.
예를 들어 선행연구 4 에서는 ‘HCl보다는 H + 이온과 Cl - 이온으로 더 많이 존재한다.’를 옳은 답으로 보았고, ‘모두 H + 이온과 Cl - 이온으로 존재한다.’를 오개념으로 보았다. 화학II 교과서에 제시된 염산의 이온화도를 근거로 ‘HCl 보다는 H + 이온과 Cl - 이온으로 더 많이 존재한다.’를 옳은 답으로 본 것이다. 대부분의 화학II 교과서에서는 20 ℃에서 0.1 M 염산(HCl)의 이온화도를 0.93(또는 0.94)으로 제시하고 있으므로, 93%가 이온화되고 7%가 이온화되지 않은 분자 형태로 존재한다고 판단한 것이다.
그러나 강산에 대한 정의에 근거하면 수용액에서 강산의 이온화도는 0.93이 될 수 없다. 만약 교과서의 내용에서 제시한 것처럼 염산의 이온화도를 0.93으로 본다면, 이를 이온화 상수 공식( Ka =Cα 2 /(1-α))에 대입했을 때 대부분의 교과서에서 제시한 상황처럼 0.1 M로 초기농도를 가정하면 1.24라는 값을 얻게 된다. 이 값은 Ka =10 7 이라는 값과 전혀 다르므로, 염산의 이온화도를 0.93으로 보는 것은 잘못된 해석이라고 할 수 있다.
다른 선행연구 5 - 7 에서는 ‘모두 H + 이온과 Cl - 이온으로 존재한다.’는 것과 ‘HCl보다는 H + 이온과 Cl - 이온으로 더 많이 존재한다.’는 답을 모두 옳은 개념으로 인정하였으며, 그 근거로 평형의 개념을 제시하였다. 즉, 염산의 Ka 값이 10 7 이고 화학 평형 상태를 유지해야 하므로 물에 녹은 HCl 분자 중 극히 일부는 이온화되지 않고 분자 형태로 존재한다고 보았다. 그러나 강산의 정의가 물속에서 100% 이온화된다는 것이므로 이에 근거해 ‘모두 H + 이온과 Cl - 이온으로 존재한다.’와 ‘HCl보다는 H + 이온과 Cl - 이온으로 더 많이 존재한다.’를 모두 답으로 인정하였다. 이러한 사고에는 일부 존재하는 HCl 분자의 양이 극히 작으므로 무시할 만하다는 의미가 포함되므로, 6~7%의 HCl 분자 형태의 존재를 의미하는 것은 아니라고 할 수 있다.
한편 다른 선행연구 2 , 3 , 8 에서는 ‘모두 H + 이온과 Cl - 이온으로 존재한다.’는 것만을 답으로 보았고 ‘HCl보다는 H + 이온과 Cl - 이온으로 더 많이 존재한다.’는 답은 틀린 것으로 간주하였다. 이 세 편의 선행연구의 연구자들은 극히 적은 양의 HCl의 존재를 인정하는 것 자체가 무의미하다고 판단한 것이다. 이와 같이 전문적인 연구 논문에서조차도 강산의 개념에 대한 시각이 서로 다름을 알 수 있다.
- 연구문제
이 연구에서 구체적으로 다루고자 하는 연구 문제는 크게 두 가지로 정리할 수 있다. 첫째, 교수요목기부터 2009개정교육과정까지 강산 수용액의 이온화도에 대한 내용을 교과서에서는 어떻게 제시하는가? 둘째, 강산의 정의에 비추어 보았을 때 강산 수용액에서 분자의 존재에 대한 교사들의 생각과 강산의 이온화도와의 관계에 대한 생각은 어떤 갈등을 일으키는가?
연구 절차 및 방법
- 연구 절차
이 연구에서는 산염기와 관련된 선행 연구 및 교수요목기부터 2009 개정 교육과정 화학II 교과서까지 76 종의 교과서에 제시된 이온화도에 대한 설명을 분석하였다. 분석한 결과를 토대로 강산의 개념에 대한 이해를 알아보기 위해 설문 문항을 개발하였으며, 문항은 선다형과 선택 이유를 설명하는 서술형 문항의 짝으로 구성하였다. 문항은 총 4개로, 선행연구 6 , 8 의 연구 내용과 관련된 것으로 일부 수정하여 사용하였다. 수정한 문항의 자료들은 2009 개정 교육과정 교과서 중 34 - 36 에서 스캔하여 사용하였다.
예비연구에서는 기초 연구에서 개발한 설문지를 화학교사 5인을 대상으로 1차 예비 검사를 실시하여 응답 형태에 근거해 문항을 수정한 후, 화학교육전문가 2인과 화학교육 전공 박사 과정 대학원생 2인, 화학교육 전공 석사 과정 대학원생 5인의 검토를 통해 최종 수정 보완하여 완성하였다. 이 과정에서 응답 유형의 분류에 대한 체계를 확립하였으며, 설문 내용도 응답자의 편에서 이해하기 쉽도록 수정하였다. 수정 보완된 설문지를 전국에 분포하는 화학 전공 교사 180명에게 전자 우편을 통해 투입하였으며, 그 중 50명의 응답 자료를 확보하였다. 180명 중 50명의 응답으로 회수율이 낮지만, 그 이유 중 가장 큰 것은 설문지 투입 대상 교사들 중에 화학II 교과를 지도한 경험이 있는 교사들의 비율이 낮았기 때문이다. 비록 화학교육을 전공하였더라도 화학II 교과를 가르치지 않은 교사들은 본 연구의 설문에 응답하기 어려운 점이 있었다. 이러한 추측은 응답한 교사들 중에서 화학II를 가르친 경험이 없는 교사는 4명(8%)에 불과하였음을 통해서 알 수 있다.
본 연구에서는 예비 연구를 통해 얻은 50명의 설문 응답을 분류하여 응답 내용을 분류 틀에 근거하여 분석하였다. 분류 틀에 근거한 응답 자료의 분석 결과는 설문지 개발에 참여한 화학교육전문가 2인과 화학교육 전공 박사 과정 대학원생 2인, 화학교육 전공 석사 과정 대학원생 5인의 검토를 받았으며, 분석 결과가 일치하지 않는 경우에는 논의를 통하여 분석 기준을 명료화함으로써 일치하도록 하였다.
또한 연구 대상자들이 강산 개념에 대해 가지고 있는 어려움의 원인에 대하여 보다 심층적으로 연구하기 위하여 응답 유형별로 6명의 면담 대상자를 선정하여 면담을 실시하였다. 면담은 설문을 통해 수집한 자료를 보강하고, 응답자의 개념 이해 정도를 심층적으로 파악하기 위하여 실시하였다. 면담 내용은 응답한 설문 자료를 토대로 하였으며, 비교적 자유롭게 대화하는 비구조화 면담을 실시하였다. 면담에서 활용된 질문의 형태는 연구 문제를 준거로 선정하였고, 질문의 절차와 반응의 형식을 강요하거나 제한하지 않는 개방적 질문으로 하였다. 면담 대상은 설문지를 분석하여 개념 유형별로 유목화한 후, 유형별 대표적인 응답자를 선정하였다. 면담은 개별적으로 전화통화로 실시하였으며, 대략 40분 정도의 시간이 소요되었다. 면담 내용을 녹음한 후 2일 이내에 전사하였다.
- 연구 대상
설문 연구 대상은 근무학교, 교육 경력, 화학II를 가르친 경험 유무에 따라 구분하여 1 에 나타내었다. 총 50명이 교사 중에서 중학교에 근무하는 교사가 9명, 고등학교에 근무하는 교사가 41명이었다. 그리고 교직경력이 10년에서 20년 사이의 교사가 가장 많았다. 평균 교직 경력은 12.8년이었다. 응답한 교사들의 지역 분포를 보면, 서울특별시 20명, 경기도 15명, 인천광역시 8명, 대전광역시 3명, 충청남도 2명, 광주광역시 1명, 강원도 1명이었다. 그리고 연구 대상 교사의 92%가 화학Ⅱ를 가르친 경험이 있었다.
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- 설문지
설문지의 형태와 요구하는 개념을 정리하면 2 과 같다. 문항은 총 4개로 구성되어 있으며, 선다형 문항과 그렇게 생각한 이유를 묻는 문항으로 구성하였다. [문제 1]과 [문제 2]는 앞서 제시한 선행연구 6 , 8 에서 사용하였던 문항을 그대로 사용하였고, [문제 3]과 [문제 4]는 1946년 화학 교과서부터 2012년 화학II 교과서까지 분석한 결과를 자료로 제시하는 부분만 수정하여 사용하였다. 설문 내용을 제시하면 다음과 같다.
[문제 1] 염산(HCl) 수용액에서 염산은 어떤 형태로 존재하고 있습니까? ( )
  • ① 모두 HCl 형태로 존재한다.
  • ② 모두 H+이온과 Cl-이온으로 존재한다.
  • ③ HCl보다는 H+이온과 Cl-이온으로 더 많이 존재한다.
  • ④ H+이온과 Cl-이온보다는 HCl 형태로 더 많이 존재한다.
  • ⑤ H+는 H+끼리, Cl-는 Cl-끼리 모여 있는 형태로 존재한다.
  • ⑥ 기타 ( )
[문제 2] 그렇게 답한 이유는 무엇입니까? ( )
[문제 3~4] 다음은 2012년부터 사용될 화학II 교과서에 제시된 이온화도의 정의와 몇 가지 산의 이온화도를 스캔한 자료입니다.
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Acid ionization (α) in 0.1 M, 20 ℃
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Acid ionization (α) in 0.1 M, 20 ℃
비슷한 내용의 자료는 1946년 화학 교과서부터 2012년 화학II 교과서까지 분석한 결과 76 권의 교과서 중 59 권의 교과서에 수록되어 있습니다.
[문제 3] 위 자료에 근거하면 염산 수용액에서 염산은 어떤 형태로 존재하고 있습니까? ( )
  • ① 모두 HCl 형태로 존재한다.
  • ② 모두 H+이온과 Cl-이온으로 존재한다.
  • ③ HCl보다는 H+이온과 Cl-이온으로 더 많이 존재한다.
  • ④ H+이온과 Cl-이온보다는 HCl 형태로 더 많이 존재한다.
  • ⑤ H+는 H+끼리, Cl-는 Cl-끼리 모여 있는 형태로 존재한다.
  • ⑥ 기타 ( )
[문제 4] 그렇게 답한 이유는 무엇입니까? ( )
서술형 문항인 [문제 2]의 응답 유형은 [문제 1]의 응답과 연계하여 4 유형으로 구분하였다. 첫째 유형은 염산은 강산이라 100% 이온화하기 때문에 모두 HCl 형태로 존재한다고 응답한 것이며, 둘째 유형은 염산의 이온화도 값이 0.94이므로 염산 수용액에서는 HCl보다는 H + 이온과 Cl - 이온으로 더 많이 존재한다고 응답한 경우이다. 세번째는 염산의 이온화상수( Ka )값이 10 7 이고, 평형을 유지하려고 하기 때문에 염산 수용액에서는 HCl보다는 H + 이온과 Cl - 이온으로 더 많이 존재한다고 응답한 경우이다. 나머지 응답은 [문제 1]과 연계하였을 때 일관성을 가지지 못하였으므로 기타로 분류하였다.
Response categories of Item 2 and Item 4
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서술형 문항인 [문제 4]의 응답 유형은 [문제 3]의 응답과 연계하여 4 유형으로 구분하였다. 첫째 유형과 두 번째 유형은 [문제 2]의 분류틀과 동일하였다. 그리고 세 번째 유형은 염산의 이온화도와 이온화상수( Ka ) 값 때문에 라고 응답한 경우이다. 나머지 응답은 [문제 3]과 연계하였을 때 일관성을 가지지 못하였으므로 기타로 분류하였다. 분류한 결과는 2 에 제시하였다.
연구 결과 및 논의
- 수용액에서 강산의 이온화도 α값에 대한 교과서 분석
현재 확인할 수 있는 자료에 의하면 일제강점기의 교과서에서는 이온화도를 제시하지 않았다. 강산의 이온화도를 제시한 가장 오래된 자료는 1946년에 중등교재편집위원회에서 편집한 ‘중등 화학’ 교과서로서 25 ℃에서 염산 (HCl)의 이온화도를 0.80, 황산(H 2 SO 4 )의 이온화도를 0.34로 나타내고 있다.
교수요목기 이후의 화학 교과서 중 평균적으로 75.7%의 교과서에서 강산의 이온화도를 제시하였으나, 그 값의 편차가 상당히 크고 조건도 제각각이었다. 염산(HCl)의 이온화도가 0.94로 고정된 것은 6차 교육과정 교과서부터였으며, 그 전에는 0.80부터 0.9, 0.92, 0.94 등 다양한 값이 제시되었다. 또한 염산의 이온화도가 0.94로 고정된 6 차 교육과정의 교과서부터 2009 개정 교육과정 화학II 교과서까지를 비교해 보면 온도는 18 ℃, 20 ℃, 25 ℃ 등 조건도 다양하게 제시하고 있었다. 3 은 1946년 교수요목기의 교과서부터 2009 개정 교육과정 화학II 교과서에 제시된 이온화도를 분석한 것이다.
Ionization degree of Chemistry textbooks in curriculum
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황산(H 2 SO 4 )의 이온화도는 더 다양한 값을 제시하였다. 이 값을 처음 제시한 화학 교과서에는 0.34였으나, 그 후에 0.5, 0.6, 0.61, 0.62, 0.64, 0.88, 0.91 등으로 제시되었으며, 7차 교육과정 이후에 0.62로 고정되었다. 이온화도를 제시하면서 초기 조건을 명시하지 않은 교과서도 있었으나, 대부분 20 ℃ 내외의 온도에서 0.1 M 초기 농도를 기준으로 제시하였다. 반면 아세트산(CH 3 COOH)의 이온화도는 비교적 고정된 값으로 제시하였는데, 대부분 0.01, 0.013으로 제시하였다.
한편, 대부분의 화학 교과서에서는 강산을 ‘이온화도(전리도)가 1에 가까운 산’으로 정의를 하고 있다. 그러면서 황산(H 2 SO 4 )의 이온화도를 0.62로 제시하기 때문에 황산이 강산이라면 0.62를 1에 가까운 값으로 보아야 하는 모순을 가지게 된다.
- 수용액에서 강산의 이온화도 α 값에 대한 화학교사의 인식 분석
앞서 제시한 [문제 1]에 대한 교사들의 응답 분포를 보면 4 와 같다.
4 를 보면, 화학 교사들 중에 HCl 수용액 안에 H + 이온과 Cl - 이온이 HCl보다 많이 있다고 생각하는 비율이 80%로 매우 높음을 알 수 있다. 이는 일부 HCl이 분자의 형태로 수용액 안에 존재하고 있다고 생각함을 의미하는 것이다. 그러나 강산의 정의가 이온화도를 1이라고 가정한다는 점을 고려한다면, 일부 HCl이 분자의 형태로 수용액 안에 존재하고 있다고 생각은 타당하지 않을 수 있다. 이러한 반론에 대한 교사들의 인식을 알아보기 위하여 선다형 문항의 응답을 고른 이유를 적도록 한 서술형 응답의 유형을 분석하여 5 에 제시하였다.
Teachers’ cognition of HCl species in water in Item 1
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Teachers’ cognition of HCl species in water in Item 1
The response reasons of Item 2
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The response reasons of Item 2
5 에 의하면, 70%의 교사들이 교과서에 제시되어 있는 이온화도값 0.94를 근거로 수용액 안에 HCl 분자가 일부 존재할 것이라고 생각하고 있음을 알 수 있다. 이와는 달리 [1번 문제]에서 강산의 정의를 근거로 ‘모두 H + 이온과 Cl - 이온으로 존재한다.’를 선택하고, 그 이유를 진술한 6명의 교사 중 한 명인 교사 ⑩과의 면담 내용이다.
  • 면담자: 선생님께서 ‘모두 H+이온과 Cl-이온으로 존재한다.’로 답을 하신 이유는 교과서에 나와 있는 염산의 이온화도(α) 값을 믿지 않기 때문인가요?
  • 교사⑩: 중학교 교과서에도 강산은 물속에서 거의 대부분 이온화되는 산이라고 되어 있는데 염산의 경우 0.94, 심지어 황산은 0.62 정도의 이온화도를 갖는다면 거의 대부분 이온화된다는 강산의 정의에 너무 어긋나네요.
  • 면담자: 그럼 교과서를 믿지 않으시네요.
  • 교사⑩: 교과서를 못 믿는 건 아닌데 교과서에는 그냥 내가 잘 알지 못하는 어떤 조건들이 있기에 값이 다르지 않을까요?
  • 면담자: 알지 못하는 조건이란 뭐죠?
  • 교사⑩: 예를 들면 온도나 초기 농도, 활동도, 이온 세기 등 많은 변수가 있을 것 같은데요.
  • 면담자: 그런데 강산의 정의에 그런 제한 조건이 있었나요?
  • 교사⑩: 아뇨. 그렇지는 않아요. 강산은 그냥 수용액 상태에서 거의 대부분 이온화되는 산이라고만 하고 다른 조건은 보지 못했어요.
  • 면담자: 우리나라 중등 교과서와 달리, 대학 화학 교재나 외국 교과서에서는 그냥 100% 이온화, 즉 이온화도(α)는 1로 제시합니다.
  • 교사⑩: 제가 고등학교 시절에 본 교과서에도 강산의 이온화도가 분명히(현재 교과서와) 똑같이 제시되어 있었는데요. 우리가 모르는 어떤 다른 초기 조건이 있지 않을까요?
교사⑩과의 면담에서 알 수 있듯이 강산의 정의를 잘 이해하고 있는 교사들조차도 교과서의 이온화도에 대한 문제에 갈등을 느끼고 있었다. 강산의 정의를 근거로 [문제 1]에서 ‘모두 H + 이온과 Cl - 이온으로 존재한다.’라고 답했던 6명의 교사들 중 1명을 제외한 5명의 교사는 교과서의 이온화도를 비교하는 것에 대해 어떤 오류가 발생 할 수 있는지 인식하지 못하였다. 따라서 주어진 조건에 따라 ‘HCl 보다는 H + 이온과 Cl - 이온으로 더 많이 존재한다.’는 응답과 ‘모두 H + 이온과 Cl - 이온으로 존재한다.’는 응답이 공존할 수 있다고 생각하였다. 이러한 사고의 혼재는 선행연구들로부터도 확인할 수 있었다.
대학 전공 서적 23 , 33 에서 지적한 것과 같이 교재에 제시된 강산의 이온화도는 용매를 바꾸어 측정하거나 특수한 기술을 사용한 값이라는 점을 인식하여야 한다. 따라서 수용액에서는 모든 강산이 거의 100% 해리하므로 화학종에 따른 이온화도의 차이가 나지 않는다는 점을 인식하는 것이 필요하지만, 이러한 생각을 가지고 있는 교사는 연구 대상자 중에 없었다. 이는 교과서에 제시된 이온화도가 어떻게 측정된 것인지에 대한 과학 지식 형성 과정에 대한 교사들의 이해가 부족하였기 때문에 발생하는 문제라고 할 수 있다.
기타로 분류한 4명 중 2명은 물속에서 H + 는 불안정하여 H 3 O + 의 형태로만 존재할 수 있기 때문에 답이 없다고 하였다. 그리고 나머지 2명은 ‘수용액의 농도에 따라 이온화된 정도가 다르다.’고 답하였다. 이 경우에도 역시 용매를 수용액으로 보는 관점은 동일하였으므로, 다른 응답의 경우과 크게 다르지 않다고 할 수 있다. 다음은 기타로 분류한 교사⑭와의 면담 내용이다.
  • 면담자: 선생님께서는 강산의 이온화도가 초기 농도에 따라 영향을 받는다고 생각하셨네요.
  • 교사⑭: 예. 이온화 상수가 온도에만 영향을 받기 때문에 초기 농도가 변하면 이온화 상수가 고정되어 있기 때문에 이온화도(α)가 달라져야 합니다.
  • 면담자: 그 개념이 강산의 경우에도 해당됩니까?
  • 교사⑭: 예. 강산이건 약산이건 정해진 이온화 상수가 있고 이온화 상수를 구하는 공식(Ka= Cα2/1-α)이 있으니 초기 농도가 변하면 당연히 이온화도가 달라져야죠.
  • 면담자: 이온화 상수를 100% 믿으시네요.
  • 교사⑭: 물론이죠. 교과서에 제시된 값이고 예전에 대학 때 배웠던 교재에서도 나왔던 값이니 믿어야죠.
  • 면담자: 교과서에서는 25 ℃에서 염산의 이온화 상수를 107으로 제시했는데 다른 교재에서는 104또는 106으로 제시한 자료도 있어요.
  • 교사⑭: 그래요? 그건 잘 모르겠네요. 아마 실험 시 온도가 달라서겠죠. 이온화 상수는 온도에 의해 변하니까요.
  • 면담자: 강산의 경우 실험에 의해 이온화 상수를 측정하는 건 불가능해요. 거의 100% 이온화되어 있어 분자 상태의 물질 농도를 측정할 수 없기 때문이죠. 즉, 식에서 분모 [HA]가 너무 작아Ka를 측정할 수가 없어요.
  • 교사⑭: 그렇다면 진한 황산이 산성을 띠지 않는 이유는 어떻게 설명하죠? 황산의 농도가 아주 진하면 중성을 나타내고 농도가 연할 때만 강산성을 띠잖아요.
  • 면담자: 황산의 농도를 진하다고 보는 기준은 보통 95% 이상의 농도일 때인데 그 때는 수용액이라고 볼 수가 없죠. 수용액의 사전적 정의를 보면 ‘용매가물인 용액’ 이거든요. 그런데 95%의 황산이라면 황산을 용매로, 물을 용질로 볼 수 있기 때문에 수용액 상태라고 볼 수 없어요.
  • 교사⑭: 그런 생각은 처음 들어보는 건데 생소하네요. 좀 더 고민해야겠어요.
교사⑭의 경우도 용매를 물로 생각하고, 교과서에 제시된 강산의 이온화도를 근거로 수용액에 존재하는 강산의 이온 상태를 사고하고 있음을 알 수 있다. 따라서 초기 농도, 온도, 진한 황산의 사례 등을 제시하면서 자신이 가지고 있는 강산이라는 과학 개념과 교과서에 제시된 강산의 이온화도의 불일치를 해결하려는 시도를 하고 있었다. 교사⑭가 제시한 진한 황산의 사례는 보편적으로 용매를 물로 보기 어려운 상황이며, 보편적으로 교과서에서 이온화도를 제시할 때 조건인 0.1 M 수용액과는 다른 상황이다. 이러한 점을 연구자가 지적하였을 때, 교사는 갈등을 경험하고 자신의 사고를 유보하는 태도를 보였다.
- 교과서에 제시된 이온화도에 근거한 교사의 인식
[문제 3]의 교사 응답을 분석한 6 에 의하면, 교과서에 제시된 이온화도를 고려하였을 때 교사들이 HCl의 일부는 수용액에서 해리되지 않는다는 사고를 하는 경향이 강해짐을 확인할 수 있었다. [문제 1]에서 HCl이 100%해리된다고 응답하였던 6명의 교사들도 교과서의 이온화도를 고려하였을 때, 의견을 바꾸었기 때문이다.
응답의 이유를 묻는 [문제 4]의 분석 결과에서도 이온화도가 수용액에서 강산의 해리에 대한 교사들의 사고에 영향을 미쳤음을 확인할 수 있었다( 7 ). HCl의 이온화도가 0.94이기 때문에 ‘HCl 보다는 H + 이온과 Cl - 이온으로 더 많이 존재한다.’는 항목을 선택하였다고 응답하였기 때문이다.
The teachers’ cognition of HCl species in water of Item 3
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The teachers’ cognition of HCl species in water of Item 3
The response reasons of Item 4
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기타를 선택한 교사⑭는 염산의 초기 농도에 따라 이온화도가 달라진다고 보았기 때문에 초기 농도를 지정하지 않은 상황에서는 ‘HCl보다는 H + 이온과 Cl - 이온으로 더 많이 존재한다.’와 ‘H + 이온과 Cl - 이온보다는 HCl 형태로 더 많이 존재한다.’가 동시에 정답이 될 수 있다고 생각하여 기타를 선택하였다.
다음은 [문제 1]과 [문제 2]에서 과학적 개념을 가지고 있었던 6명의 교사(교사④ ⑩ ⑬)중 한명의 교사와의 면담 내용이다.
  • 면담자: 선생님께서는 설문지 1번에서는 ‘모두 H+이온과 Cl-이온으로 존재한다.’를 선택하셨는데 3번 문항에서는 ‘HCl보다는 H+이온과 Cl-이온으로 더 많이 존재한다.’로 바꾸셨네요.
  • 교사: 제가 알고 있는 바로는 강산은 100% 이온화되니까 ‘모두 H+이온과 Cl-이온으로 존재한다.’가 답일 것 같은데, 2번 문항에서 교과서의 이온화도에 근거해 염산의 존재 형태를 물었으니까 당연히 ‘HCl보다는 H+이온과 Cl-이온으로 더 많이 존재한다.’를 선택해야죠. 6%가 이온화되지 않고 분자로 있잖아요.
  • 면담자: 그럼 교과서에서 제시한 이온화도에 대해 어떻게 생각하세요?
  • 교사 : 글쎄요. 약산의 이온화도는 맞는 것 같은데 강산의 이온화도는 좀 이해하기 어렵네요.
  • 면담자: 교과서가 틀렸다고 생각해 보신 적은 없나요?
  • 교사: 설마... 이런 중요한 자료가 틀렸을 거라는 생각은 안 해요. 숨겨진, 그래서 잘 이해하지 못하고 있는 뭔가가 분명 있을 것 같은데요. 그게 뭘까 고민해 본 적도 있는데 너무 힘들어서 포기했어요. 마땅히 물어볼 사람도 없고 혼자 끙끙대다가 해결하지 못하고 넘어갔던 문제인데, 연관성 있는 설문지가 와서 뭔가 알 수 있을 것 같아 반가웠습니다.
  • 면담자: 수업 시간에 이 부분은 어떻게 가르치시나요?
  • 교사 : 이온화도의 정의는 옳으니 그대로 가르치고, 제시된 약산의 이온화도도 괜찮으니 그대로 가르치죠. 강산의 이온화도는 아예 가르치지 않습니다. 솔직히 말하면 조금 얼버무리고 넘어간다고 해야 할까요?
  • 면담자: 혹시 이와 관련해 학생들에게서 질문을 받으신 적은 없었나요?
  • 교사: 아주 드물게 질문하는 학생들이 있었는데 교과서에서 제시한 강산의 이온화도는 실험값이고 이론값과는 조금 다르다고 설명했어요.
강산의 개념과 이온화도 사이의 괴리에 대한 문제는 교과서에 제시된 이온화도에 근거한 것이고, 교과서에 대한 교사의 신뢰는 매우 크기 때문에 강산의 이온화도를 0.94로 제시한 C 출판사의 저자와 전화 면담을 하였다.
  • 면담자: 안녕하세요? 선생님께서 2009 개정 교육과정 C출판사의 화학Ⅱ 교과서 산염기 단원을 집필하셨죠?
  • 집필자: 예. 맞습니다. ‘산과 염기의 평형’ 단원을 집필했습니다.
  • 면담자: 선생님께서 쓰신 심의용 교과서에 보면 몇 가지 산의 이온화도가 제시되어 있습니다.
  • 집필자: 예. 강산과 약산의 이온화도 몇 가지를 제시했습니다.
  • 면담자: 강산의 이온화도(α)가 제 생각보다 많이 작은데, 자료의 출처는 어디인가요?
  • 집필자: 자료의 출처는 7차 교육과정에서 사용했던 교과서에 제시한 자료를 그대로 사용했습니다.
  • 면담자: 죄송하지만 7차 교육과정의 교과서도 선생님께서 집필하지 않으셨나요?
  • 집필자: 예. 그렇습니다. 7차 교육과정 교과서를 쓸 때는 6차 교육과정 교과서를 토대로 했습니다.
  • 면담자: 제가 연구한 바로는 1946년 교과서부터 강산의 이온화도를 제시하고 있는데 그 값의 근거를 알 길이 없습니다. 또한 역대 교과서마다 제시한 값이 들쭉날쭉하다가 최근에서야 비로소 값이 고정되기 시작하더군요.
  • 집필자: 그랬나요? 사실 크게 고민해 보지 않았던 부분이라 갑자기 답변 드리기 어렵네요. 제가 좀 더 알아보고 나중에 알게 되면 전화를 드리겠습니다.
전화 면담 결과, 교과서 저자도 그 전 교과서의 자료를 발췌하여 사용하는 일을 반복하다보니, 과거부터 생긴 오류를 바로잡을 기회가 없었을 가능성이 높다. 이러한 문제에 대한 해답을 구하기 위하여 전문기관(한국표준과학연구원)에 고등학교 화학교과서에 제시된 염산과 질산, 황산의 이온화도에 대해 문의하였지만, 관련 자료나 정확한 정보에 대한 답을 구할 수 없었다. 이 연구를 통해 연구자들은 현재 고등학교 화학 교과서에서 제시하고 있는 강산의 이온화도(α) 차이는 용매를 바꾸어 측정한 값임을 명시하고, 수용액에서의 이온화도는 강산의 정의에 따라 1, 혹은 1에 매우 근접한 값으로 제시하는 것이 타당하다고 판단한다. 현재까지 화학교과서에서 제시하고 있는 대표적인 강산인 염산(HCl), 질산(HNO 3 ), 황산(H 2 SO 4 )의 이온화도 값인 0.94, 0.92, 0.62는 수용액이 아닌 용매에서의 측정값이기 때문이다. 이때 어떤 용매를 사용하였는가에 대해 교재들이 명확하게 제시하지 않는 이유는, 용매와의 반응이 중요한 것이 아니라, 용매를 바꾸거나 특수기술을 이용하여 강산의 이온화도 차이를 극대화하여 비교하는 것에 초점을 두었기 때문일 것이다. 그러나 이러한 과학지식의 형성과정에 대한 인식을 충분히 하지 못하였을 경우, 교사들이 학생들을 지도할 때 부딪치는 어려움을 해결하기 어려울 것이다.
결론 및 제언
본 연구는 고등학교 화학 교과서에 제시되어 있는 강산의 정의와, 여러 강산의 이온화도를 분석하고, 이에 대한 교사들의 생각을 알아봄으로써 과학 지식의 생성 과정과 교과서 내용에 대한 교사들의 신념 등에 대해 알아보았다. 연구 결과, 교수요목기부터 2009 개정 교육과정 화학 II 교과서까지 여러 교과서에서 제시한 강산의 이온화도는 매우 다양한 것으로 나타났다.
이온화도는 실험값이므로 어떤 용매를 사용하고 어떻게 실험을 했느냐에 따라 달라질 수 있다. 강산의 정의는 수용액에서 이온화도가 1, 혹은 1에 가깝다는 것이므로, 수용액에서 강산들끼리 이온화도를 비교하는 것은 불가능하다. 따라서 강산끼리의 이온화도를 비교하기 위해서는 용매를 바꾸거나 특수기술을 사용하여야 하며, 교과서에 제시된 강산의 이온화도는 이러한 과정에서 만들어진 것이므로 수용액에서 이온화도를 측정한 다른 산의 이온화도와 동일한 상황으로 인식하는 것은 타당하지 않다.
이온화도의 측정 방법에 대한 이러한 인식이 없을 때, 화학 교사들은 수용액 안에 강산의 이온화도를 고려하여 해리되지 않고 분자 형태로 존재하는 경우의 수가 어느 정도 있다고 판단하게 되는 것이다. 그리고 이러한 사고가 강산의 정의와 충돌함을 인식하고 있어도, 이러한 문제를 어떻게 해결할지 판단하지 못하고 자신이 알 수 없는 어떤 조건 때문일 것이라고 사고를 유보하는 경향을 보였다.
이 연구에서 과학 지식의 잠정성에 대해 이해하고 있는 교사들도 실제 가르치면서 상충되는 과학 개념에 대한 문제 해결에는 매우 소극적인 태도를 보이는 것으로 나타났다. 이러한 과학 지식에 대한 교사의 인식은 교육활동을 통해 잠재적으로 학생들에게 전달될 수 있다. 교육은 전통을 가진 문화적 행위라고 할 수 있다. 교과서에 제시된 과학 지식을 절대적이라고 생각하고, 자신의 개념과 충돌할 때 이러한 문제를 덮어버리려는 태도를 획득한다면, 새로운 과학의 발달은 일어나기 어려울 것이다.
과학이 자연 현상을 설명하는 합리적인 사고방식이라고 할 때, 개념 간에 상충되는 부분을 인식한다면, 이로부터 사고의 오류를 찾아내고 교정하는 과정에 대한 사고도 함께 배울 필요가 있다. 과학교육에서 중요한 것은 교과서에 제시된 지식을 절대적으로 신뢰하고 암기하기보다, 지식이 어떻게 만들어졌는지 인식하고 이를 토대로 배울 지식을 받아들이는 태도일 것이다. 이는 현재 우리가 전달하고자 하는 과학 지식이 절대적이지 않을 수 있다는 사실을 인식하는 것과 통한다. 이러한 사고를 화학교사들이 깨닫게 될 때, 과학 지식을 보는 관점에 대한 사고는 교사로부터 학생에게 전달될 것이며, 이를 통해 과학 지식의 발달이 지속적으로 이루어질 수 있게 될 것이다.
본 연구를 통해 제안한 이러한 과학교육의 변화가 지속적으로 이루어지기 위해서는 먼저 절대적 지식을 전달역할을 해왔던 교과서의 내용에 대해 화학 교사들이 비판적인 시각에서 사고하고, 오류를 찾을 수 있는 능력을 길러주는 교사 교육이 이루어질 필요가 있다. 이러한 교육은 예비교사 교육과정부터 시작된다면, 기존의 사고 틀을 깨는 과정이 보다 쉽게 이루어지고 교육적 효과가 더 클 수 있을 것이라고 생각한다. 그리고 이러한 노력들이 쌓여서 새로운 교육과정 및 교과서 개발에 지속적으로 포함시키는 과정이 앞으로 이루어지는 것이 중요하다.
Acknowledgements
이 논문은 한국교원대학교 2012학년도 KNUE 학술연구비와 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행한 연구(No. 2010-0005225)임.
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