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  1. 2014.04.30 [실험]무게가 다른 구슬이 한곳에서 동동
  2. 2008.05.30 물로 무지개탑 쌓기

[실험]무게가 다른 구슬이 한곳에서 동동

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>

실험방법및원리

 



<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.

 

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물로 무지개탑 쌓기

과학향기 기사/Sci-Fun 2008.05.30 16:48 by 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.


사용자 삽입 이미지
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. 심층수는 바닷물과 달리 맹물로 되어 있는데 햇빛이 도달하지 않는 심해저에서 2℃ 이하의 차가운 온도와 높은 수압, 그리고 물속에 섞어 있는 다양한 미네랄 성분 때문에 비중이 바닷물에 비해 매우 높다. 이 때문에 바닷물과 섞이지 않고 바다 깊은 곳에서 흐르게 되는 것이다.

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

<출처:한국과학기술정보연구원>ndsl링크

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