KISTI의 과학향기

자연에는 여러 형태의 물질이 있다. 하나씩 있을 수도 있고, 함께 있을 수도 있다. 소금과 물, 설탕과 물처럼 잘 섞이는 물질이 있는 반면, 함께 있어도 서로 섞이지 않는 물질도 있다. 대표적인 것이 ‘물과 기름’이다.

옛날부터 서로 섞이지 못하는 사이를 ‘물과 기름’ 같다고 했다. 물과 기름은 그 성질이 달라서 서로 섞이지 못한다. 흔들어서 섞어 놓아도 시간이 흐르면 두 층으로 분리된다. 이것은 기름이 물보다 비중이 작아서 나타나는 현상이다. 그런데 이런 성질은 물과 기름만 가지고 있는 것은 아니다.

물질의 비중 차이를 이용하면 재미있는 실험을 할 수 있다. 소금물과 이소프로필알코올(isopropyl alcohol)로 무게가 다른 구슬이 한곳에서 만나는 실험을 해 보자.

[교과과정]
초등 5-2 용해와 용액
중 2 물질의 구성
중 2 우리 주위의 화합물

[학습주제]
각 물질의 밀도차 이해하기
비중과 밀도의 차이점 알기

<실험 방법 및 원리>


<실험동영상>



<실험 주의 사항>
* 이소프로필알코올은 온라인 과학사에서 구입할 수 있습니다.
* 이소프로필알코올은 피부에 묻지 않게 주의하세요. 피부에 묻으면 물로 바로 씻으세요. 부스럼이나 발진이 생길 수 있습니다.
* 알코올과 소금물은 1:1로 섞을 때 반응이 잘 일어납니다.
* 색소를 너무 많이 넣으면 구슬의 움직임이 잘 보이지 않을 수 있습니다.
* 실험에 사용한 용액을 절대 마시거나 입에 대지 마세요. 두통, 어지러움, 구토, 혼수상태 등을 유발할 수 있습니다.

▪ 구슬의 위치가 변하는 이유는?

야광구슬과 색구슬이 두 용액의 경계면에서 만나는 이유는 소금물, 이소프로필알코올, 야광 구슬과 색 구슬의 비중이 각각 다르기 때문이다.

각 물질의 비중은

소금물 > 색 구슬 > 야광 구슬 > 이소프로필알코올

순이다.

우선 이소프로필알코올의 비중은 물보다 작은 0.786이고 소금물은 물보다 비중이 크다. 따라서 두 용액이 만나면 이소프로필알코올이 위로 소금물이 아래로 움직이게 되는 것이다.

그런데 병을 흔들어 두 액체를 섞는 순간에는 용액의 비중이 비슷해져서, 야광 구슬은 위로, 색 구슬은 아래에 위치하게 된다. 하지만 일정 시간이 흐른 후, ‘물과 기름’처럼 두 액체가 나누어지고 비중 차에 의해 구슬이 가운데로 모이게 되는 것이다. 이소프로필알코올보다 비중이 높은 야광 구슬은 아래로, 소금물보다 비중이 낮은 색 구슬은 위로 올라가게 된다.

▪ 비중 VS 밀도

보통 비중과 밀도를 같은 개념으로 이해하고 사용한다. 하지만 두 용어에는 분명히 개념차이가 있다. 밀도란 물질의 질량을 부피로 나눈 값으로 물질마다 고유한 값을 지닌다. 밀도라는 단어도 ‘빽빽이 들어선 정도’라는 뜻이다. 밀도는 주로 g/㎖, g/㎤ 의 단위를 사용한다.

고체 상태의 물질은 분자들이 매우 빽빽하게 모여 있는 상태이므로 밀도가 크다고 할 수 있다. 액체 상태의 물질은 고체에 비해 분자 간의 거리가 멀기 때문에 큰 부피를 차지하고, 고체보다 작은 밀도는 갖는다. 기체 상태의 물질은 분자 간의 거리가 매우 멀어 같은 수의 분자에 대해 차지하는 부피가 고체나 액체에 비해 훨씬 크다. 따라서 밀도는 매우 작은 편이다.

비중이란 1기압, 섭씨 4도일 때 물의 비중을 1로 잡고 같은 부피의 다른 물질을 비교한 값이다. 밀도와 달리 별도의 단위가 없으며, 같은 부피의 물에 비해 질량이 몇 배인가를 말한다. 비중이 1보다 작으면 물에 뜨고 크면 가라앉는다.

▪ 소금물이 물보다 비중이 큰 이유

대부분 고체는 물보다 밀도가 높다. 분자들이 매우 빽빽하게 모여 있는 상태이기 때문이다. 그래서 물에 녹으면 고체일 때보다 밀도가 낮아진다. 하지만 소금물의 경우 소금이 녹더라도 부피에는 변화가 없는 상태에서 녹은 소금만큼 질량이 늘어나기 때문에 밀도가 증가하는 것이다. 소금이 물 분자 사이에 들어가서 물 분자 간의 공간이 줄어들어 부피에 변화가 없다고 볼 수 있다.

글 : 김세경 과학칼럼니스트

실험 칼럼은 이번 기사가 마지막입니다. 다음 시간부터는 실험 칼럼 대신 과학을 테마로 한 지리 여행 칼럼을 보내드릴 예정입니다. 많은 관심 부탁드립니다.