Pre-service Chemistry Teachers’ Understanding of the Boiling Process of a Liquid Mixture

The goal of this study is to investigate pre-service chemistry teachers’ understanding of the boiling process of a liquid mixture. We surveyed 65 students in the chemistry program of the College of Education about the boiling point of a 50%(by mole) ethanol aqueous solution and the temperature changes during heating. We then interviewed 9 of these students. According to the survey results, the percent of the pre-service teachers who thought that the boiling point of the ethanol solution would be ‘between the boiling points of ethanol and water (78-100 ℃)’ and ‘the same as that of ethanol’ were 52.3% and 35.4%, respectively. The majority of those who stated the former explained that the boiling point of the ethanol solution increased due to the effects of attraction or blocking by water molecules. Most of those who believed the latter explained that physical properties such as the boiling point would not be changed by the addition of water. With regard to the temperature change during heating, 69.2% of the teachers thought that the temperature would increase gradually while boiling, which some thought resulted from the increasing amount of water in the solution as the ethanol boiled off. Others thought that two temperature plateaus would be observed as each component of the liquid mixture underwent phase transition at its specific boiling point. When asked about the particle model of the gas phase during the boiling and evaporation process, some students drew both ethanol and water during evaporation but only ethanol when boiling. We discussed several alternative concepts of pre-service chemistry teachers about the boiling process of liquid mixtures and ways to improve their understanding.

액체 혼합물의 끓음에 대한 예비 화학교사의 이해

본 연구의 목적은 액체 혼합물의 끓음에 대한 예비 화학교사의 인식을 알아보는 것이다. 이를 위해 사범대학에 재학 중인 예비 화학교사 65명을 대상으로 에탄올 수용액의 끓는점과 가열 곡선 유형, 용액이 끓을 때의 기포 속 입자 모형 등에 대한 설문조사를 실시하고, 이 중 9명을 면담하였다. 그 결과, 50% 몰분율의 에탄올 수용액의 끓는점에 대한 예비교사의 인식은 ‘78-100 ℃ 구간에서 끓기 시작한다’는 과학적인 응답이 52.3%이었고, ‘에탄올 끓는점인 78 ℃에서 끓기 시작한다’고 생각하는 응답이 35.4%이었다. 전자의 경우, 물과 에탄올의 부분 증기압력의 합이 순수한 에탄올의 증기압력보다 작고, 물의 증기압력보다 커진다는 과학적인 설명에 비해 ‘끓을 때 에탄올 분자가 물 분자와의 인력이나 진로 방해 등을 통해 순수한 끓는점보다 높아진다’고 생각하는 설명이 많았다. 후자의 경우, 에탄올이 먼저 끓는데, 끓는점은 물질의 고유성질이므로 혼합물이 되어도 변하지 않는다고 생각하였다. 액체 혼합물의 가열 시 온도변화에 대해서는 끓기 시작하면서 온도가 증가하다가 일정한 온도가 된다고 생각하는 응답자가 69.2%이었으나 이들은 에탄올이 끓으면서 기화되어, 액체상에 물의 비율이 높아지기 때문에 점점 끓는점이 증가하게 된다는 설명을 하거나, 에탄올은 상태 변화하지만 액체로 남아있는 물이 열에너지를 흡수하기 때문에 혼합액체의 온도가 증가한다는 설명을 제시하였다. 상당수의 예비교사는 두 개의 일정한 온도 구간이 나타난다는 응답을 하였는데 이들은 액체 혼합물의 각 성분이 자신의 고유한 끓는점에서 상태변화를 한다고 생각하고 있었다. 또한, 액체 혼합물의 증발과 끓음 상황에서 기체상에서의 입자 모형을 분석한 결과, 증발 상황에서는 대부분의 예비교사가 기체상에 물과 에탄올이 동시에 존재하는 모형을 그렸으나, 끓음 상황에서는 기체상에 에탄올만 존재하는 모형을 그리는 비율이 증가하였다. 결과를 바탕으로 예비교사들이 혼합액체의 끓음에 대해 가지고 있는 대체적 개념과 이들의 인식 개선을 위한 시사점을 논의하였다.