Analysis of High School Science Textual Descriptions of Scientifically Debatable Compounds According to the Experimental Results by MBL: A Case Study of Carbonic Acid in Water and Aqueous Solution of Carbon Dioxide

본 연구의 목적은 과학적으로 논의가 되고 있는 탄산에 대한 고등학교 과학 교과서의 기술을 살펴보고 '탄산 용액'의 물리적인 특성을 MBL 기구를 이용하여 측정하고 교과서 자료와 비교하는 것이다. 네 가지 서로 다른 이산화탄소 수용액을 준비하여 분석하였다: 공기 중에 자연스럽게 노출된 수용액, 드라이아이스를 녹인 용액, $CO_2$ 버블링 용액 및 상업용 탄산수. 실험결과 이들 4가지 용액의 pH와 전기전도도는 각각 3.85 ~ 5.66 및 0.21 ~ 272.1 ${\mu}S$ /cm의 범주에 있다는 것을 밝혔다. 이중에서 $CO_2$ 버블링 용액의 평형상수( $K_{a1}$ )를 $5.7{\times}10^{-7}$ 으로 추산할 수 있는데 이것은 교과서에 기재되어 있는 탄산의 $4.3{\times}10^{-7}$ 과 실험오차 범위 안에서 비교할 수 있는 수치이므로 교과서 화합물이 순수 탄산이 아니라 수화된 이산화탄소와 탄산의 평형 혼합물을 의미한다. 한편 교과서 분석에 의하면 대부분의 고등학교 교과서가 탄산을 약산과 혈액의 완충용액의 예로 많이 들고 있지만 탄산과 이산화탄소 수용액을 구별한 고등학교 교과서는 없었다. 하지만 단 한 교과서에서 두 화학종을 화학식에 병기하였다. The purposes of this study are to investigate the description of scientifically debatable carbonic acid in the Korean high school textbooks, characterize the physical properties of 'carbonic acid solutions' by using an MBL set-up and compare the properties with textual ones. Four different aqueous solutions of carbon dioxide have been prepared and analyzed: naturally aerated aqueous solution, dry ice-dissolving solution, $CO_2$ -bubbling solution and commercial carbonic acid water. Experimental findings showed that pH and conductivity of these 4 solutions ranged from 3.85 to 5.66 and from 0.21 ${\mu}S$ /cm to 272.1 ${\mu}S$ /cm, respectively. Out of these solutions, the dissociation constant( $K_{a1}$ ) of the bubbling solution at room temperature could be calculated to $5.7{\times}10^{-7}$ which value is comparable to the textual $4.3{\times}10^{-7}$ within experimental errors, which means that textual compound is not pure carbonic acid but the equilibrated mixture of carbonic acid and the aqueous solution of carbon dioxide. On the other hand, textual analysis showed that most of high school textbooks used carbonic acid as an example of weak acid and buffer solution of the blood but none of them distinguished the carbonic acid from the aqueous solution of carbon dioxide. Only one textbook, however, tiered two species in the chemical equation.