KISTI의 과학향기

오랜만에 가족들과 나들이를 나온 양과장은 갑자기 내린 비로 근처 건물에서 잠시 몸을 피했다. 한참 뒤 비가 그친 뒤 나와 보니 공원 뒤 먼 산 앞으로 무지개가 걸려있었다.
“와, 아빠! 저기 무지개 좀 봐~ 너무 이뻐.”
“그러게… 비가 와서 오늘 나들이는 망쳤지만 대신 저렇게 예쁜 무지개를 봐서 정말 다행이다. 그치?”
“응! 그런데 아빠, 저 무지개 뚝 떼어다가 내방에 걸어 놨으면 좋겠다. 그럼 매일 볼 수 있을텐데…”
채원이의 반짝이는 눈을 보며 양과장은 좋은 생각이 떠올랐다.
“음, 채원이의 소원이 그렇다니 우리 집에서 무지개를 한번 만들어 볼까?”
“정말? 와~ 우리 아빠 최고!”
좋아하는 채원이의 모습을 보며 양과장은 물의 비중을 이용해서 무지개를 한번 만들어 봐야겠다는 생각을 했다.

많은 사람들이 물은 다 똑같은 물이라고 생각하지만 실제로 여러 가지 물을 한곳에 섞은 뒤 잘 지켜보면 섞이는 물도 있는 반면 기름처럼 층이 지는 물도 있다. 예를 들어 똑같은 물이지만 한쪽에 소금을 좀 넣은 뒤 맹물과 섞으면 두 물이 바로 섞이지 않고 소금물은 아래로 맹물은 위로 나눠져 층이 생기게 된다. 또한 뜨거운 물과 차가운 물을 섞으면 소금물에서와 같이 뜨거운 물은 위로 차가운 물은 아래로 나눠지게 된다.

이처럼 물이 나눠지는 이유는 물의 비중 때문이다. 비중이란 어떤 물질의 질량과, 이것과 같은 부피를 가진 표준물질의 질량과의 비율을 말한다. 즉 측정하기 어려운 물질을 물속에 넣은 뒤 넘치는 물을 모아 측정해 보면 해당 물체의 비중을 알 수 있게 된다. 비중은 온도와 기체의 압력에 따라 달라지며 밀도와 같은 말로 사용되기도 한다. 이때 비중의 기준이 되는 표준물질은 액체의 경우 4℃, 1기압 하에서의 물을 기준으로 사용하고 기체의 경우 0℃, 1기압 하에서의 공기를 사용한다.

물은 4℃, 1기압 하에서 비중이 1g/㎤이 되는데 비중값은 온도와 압력에 따라 다르다. -5℃에서 물의 비중은 0.99918g/㎤이며 100℃에서 물의 비중은 0.95858g/㎤이 된다. 이 미세한 비중의 차이 때문에 뜨거운 물과 차가운 물을 섞어 놓으면 층을 이루게 된다. 물론 뜨거운 물과 차가운 물 사이에 열교환이 바로 이루어져 열평형이 되면 비중이 똑같아 지기 때문에 층은 금방 사라지지만 열교환이 이루어지고 있는 동안에는 층을 볼 수 있다.

소금물의 경우도 이와 비슷하다. 소금물의 경우 물속에 소금이 녹아 있기 때문에 똑같은 질량을 가진 물에 비해 더 무겁게 된다. 0℃, 1기압 하에서 26%의 농도를 가진 소금물의 경우 밀도는 1.207g/㎤이다. 이와 동일한 조건에서 물의 밀도는 0.99987g/㎤이므로 소금물이 맹물에 비해 무거워 밑으로 가라앉게 되는 것이다.

그렇다면 맹물은 소금물보다 무조건 가벼울까? 대부분 맹물이 소금물보다 가볍지만 예외의 경우도 있다. 그것은 바로 바다 깊은 곳에 흐르고 있는 심층수다. 심층수는 수심 200m 이하 깊은 곳에 있는 물로서, 북대서양 그린랜드, 남극에서 발원하여 외부에 노출되지 않고 4,000년을 주기로 대서양, 인도양, 태평양을 순환하는 물이다. 해양 심층수는 표층수에 비해 염도와 미네랄 함유량이 더 높고 낮은 온도때문에 밀도가 높다. 햇빛이 도달하지 않는 심해저에서 2℃ 이하의 차가운 온도와 높은 수압, 그리고 물속에 섞어 있는 다양한 미네랄 성분 때문에 비중이 바닷물에 비해 매우 높은 것이다. 이 때문에 바닷물과 섞이지 않고 바다 깊은 곳에서 흐르게 된다.

그렇다면 이런 물의 비중을 이용해 어떻게 무지개탑을 쌓을 수 있을까?
소금 또는 설탕의 밀도를 다르게 하면 물의 비중을 이용한 예쁜 무지개탑을 만들 수 있다.

[실험방법]
준비물 : 투명한 용기(우유병이나 PET병), 종이컵 4~5개, 소금(또는 설탕), 숟가락, 물감, 스포이드

진행순서
1. 투명한 용기를 준비한다.
2. 준비된 종이컵에 같은 양의 물을 붓는다.
3. 종이컵에 숟가락으로 각각 소금(또는 설탕)을 넣고 잘 젓는다.
1번 컵 : 물, 2번 컵 : 물+소금(또는 설탕)1숟가락,
3번 컵 : 물+소금(또는 설탕)3숟가락, 4번 컵 : 물+소금(또는 설탕)6숟가락
4. 각각의 소금(또는 설탕)물에 물감을 넣고 섞는다.
5. 이렇게 준비된 물을 4번 컵, 3번 컵, 2번 컵, 1번 컵 순서대로 스포이드를 이용해서 투명 용기의 벽면에 대고 천천히 넣는다.
(물 붓듯 부으면 바로 섞여버리기 때문에 스포이드 등으로 물을 조심스럽게 넣어서 층이 생길 수 있도록 한다.)

글 : 양길식 과학칼럼니스트