[실험] 오르락~ 내리락~ 양초 시소 만들기

아메리카 인디언들은 기름진 생선(candlefish, 은대구의 일종)을 뾰족한 막대에 끼운 채 불로 태웠다.
- 밥 셔먼, 『양초 제작의 역사』

정전이 되면 가장 먼저 찾게 되는 것, 생일 케이크에 빠지면 허전한 것, 값싸고 손쉽게 불을 밝힐 수 있는 것, 바로 양초다. 그 기원을 따라가다 보면 동물의 지방덩어리가 양초의 시초인 것을 알게 된다.

수 세기에 걸쳐 동물의 지방에서 밀랍, 파라핀 등으로 재료가 변했지만 ‘불을 밝히기 위한’ 양초의 역할은 변함이 없다. 불을 밝히는 용도 외에도 양초의 성질을 이용해 재미있는 실험을 할 수 있다.


[교과과정]
초등 3-1 우리 생활과 물질
초등 6-2 연소와 소화
중 1 물질의 세가지 상태

[학습주제]
액체와 고체의 성질 이해하기
겔 상태의 특징 알아보기

<실험 방법 및 원리>




<실험 동영상>


* 실험 참고사항 : 양초에 불을 켤 때는 다른 곳에 옮겨 붙지 않도록 주의하세요.
촛농이 많이 떨어지기 때문에 촛농이 떨어질 위치에 충분한 크기의 받침대를 놓아주세요.

양초 시소의 원리를 알기 위해서는 양초의 성질 이전에 시소의 원리를 먼저 알아야 한다. 시소는 일종의 긴 판자 중앙을 받침대로 고정하고 양 끝에 한 사람씩 앉아 위 아래로 오르내리는 놀이기구다. 시소는 타는 사람의 무게와 중앙 받침대와의 거리에 따라 오르내리는 정도가 달라진다. 받침대는 시소의 무게중심이 되는데, 이를 기준으로 무게가 가벼울수록 위로 올라가고 무거울수록 아래로 내려가게 된다. 무게가 같을 경우, 무게중심과의 거리가 가까울수록 위로 올라가고, 무게중심과의 거리가 멀수록 아래로 내려간다.

빨대로 만든 시소 양 끝에 양초의 심지를 향하도록 고정한 후 심지에 불을 붙이면 오르락내리락 하는 모습을 관찰할 수 있다. 양초 두 개의 무게는 동일하고, 무게중심과의 거리도 같은데 어떻게 빨대의 평형이 깨져버린 것일까.

오늘날 양초의 주재료는 석유정제 과정에서 얻는 파라핀이다. 양초 심지에 불을 붙이면 심지가 타들어가며 양초의 길이도 점점 짧아지며 촛농이 떨어진다. 촛농은 불꽃 근처의 파라핀이 녹으면서 액체가 돼 바닥으로 떨어진 것이다. 떨어진 촛농의 무게만큼 가벼워진 양초로 인해 시소의 평형이 깨지며 상하운동이 시작된다.

양 끝에 위치한 양초는 불을 붙인 속도 등의 차이로 촛농이 떨어지는 속도가 조금씩 다른데, 이 때문에 서로 번갈아가며 시소 운동을 하게 된다. 상대적으로 아래쪽으로 내려간 양초는 불꽃과 더 많이 접하게 돼 녹는 속도가 빨라진다. 녹는 속도가 빨라지면서 촛농이 더 많이 떨어지게 되고, 무게는 더 가벼워져 다시 위로 올라간다.

파라핀은 탄소와 수소로 구성된 탄화수소 물질이다. 양초의 심지에 불을 붙이면 파라핀이 녹으면서 생긴 액체가 심지를 따라 끄트머리로 올라간 뒤 기체로 바뀐다. 이 기체가 타면서 빛과 열이 발생한다. 기체가 탄다는 것은 산소와 결합한다는 의미이다. 심지 끝에 생긴 기체는 산소와 결합하면서 다른 기체로 바뀌는데, 탄소와 수소가 각각 산소와 결합해 이산화탄소와 수증기가 된다. 촛불을 끈 뒤 나오는 흰색 연기는 바로 이산화탄소와 수증기가 섞인 것이다.

양초의 불꽃은 크게 세 부분으로 나뉜다. 가장 바깥쪽은 겉불꽃으로 산소 공급이 잘 이루어져 완전 연소가 일어난다. 불꽃의 온도는 섭씨 1,400도로 가장 높아 불꽃의 색깔을 거의 볼 수 없다. 가운데 부분은 속불꽃으로 산소 공급이 부족해 불완전 연소가 일어난다. 때문에 그을음이 생기는데, 이 그을음이 열을 받으면 밝게 빛난다. 불꽃 온도는 600도 정도로 겉불꽃보다 800도나 낮다. 가장 안쪽은 불꽃심으로 그을음이 가장 많이 생기는 부분이다. 온도는 300∼400도 정도로 가장 낮다.

글 : 유기현 과학칼럼니스트
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촛불을 켜면 다이아몬드가 생긴다?

탁자마다 촛불이 켜진 어느 근사한 레스토랑에서 젊은 연인들이 그윽한 눈길로 서로를 바라본다. 갑자기 남자가 조용히 일어나 한쪽 무릎을 꿇고는 반지를 내민다. 여자는 갑작스런 청혼에 당황했지만 이내 눈가에 기쁨의 눈물이 맺힌다. 그런데 반지를 집어든 여자의 얼굴에 실망한 표정이 잠깐 스친다. 다이아몬드 반지가 아니어서라나?

‘보석 중의 보석’이라 불리는 다이아몬드는 모스경도계 기준으로 최고 등급의 광물이다. 자연물질 중에서 가장 단단하다는 뜻이다. 빛 굴절률도 높아 제대로 가공하면 눈이 부실 정도로 반짝거린다. 덕분에 ‘변치 않는 사랑’의 의미가 더해져 청혼반지로 인기가 높다. 그러나 값비싼 반지를 선물 받지 못했다고 실망할 필요는 없다. 탁자 위 촛불 속에서는 초당 150만 개의 다이아몬드 입자가 만들어지기 때문이다.

노랑, 빨강, 파랑 등 다양한 색깔을 내며 조용히 타오르는 촛불은 부위에 따라 온도 차이가 크다. 가장 바깥쪽은 섭씨 1,400도에 달하지만 심지 근처의 어두운 부분은 500도밖에 되지 않는다. 그러나 바로 이곳이 다이아몬드 입자를 쏟아내는 보석공장이다. 흑연, 풀러렌 등 다양한 종류의 탄소 입자도 만들어진다.

이 사실은 영국 세인트앤드루스대학교 화학과의 저우우종(周武宗) 교수가 밝혔다. 저우 교수는 동료교수와의 대화에서 이 연구의 아이디어를 얻었다. “과학자들이 수백 년 동안 노력했지만 촛불의 원리에 대해 별로 알아낸 것이 없다”는 지적에 저우 교수는 “무엇이든 과학으로 설명 가능하다”고 반박하며 촛불 연구에 매달렸다.

수천 년 동안 인류와 함께 해오며 어둠을 밝혀온 촛불을 과학자의 시각으로 처음 바라본 사람은 영국의 철학자 프랜시스 베이컨이었다. 1550년 어느 날, 베이컨은 화살촉을 촛불에 달구다가 놀라운 사실을 알아냈다. 심지 부근 불꽃 중심부의 온도가 생각보다 낮았던 것이다.

그로부터 300년 가까이 시간이 흐른 1860년, 영국의 과학자 마이클 패러데이가 촛불의 비밀에 다시 도전했다. 그는 점토로 만든 가느다란 관을 촛불에 집어넣어 내부의 성분을 추출했고, 녹은 파라핀이 심지 끝에서 연소되며 물과 이산화탄소가 발생한다는 사실을 알아냈다. 패러데이는 크리스마스 때마다 아이들을 대상으로 불꽃의 화학적 원리에 대해 설명했다. 이후 6년의 강연은 ‘양초의 화학사’라는 한 권의 책으로 묶여졌다.

다시 90년이 지나 1954년이 돼서야 열전도율이 높은 석영을 이용해 촛불의 정확한 온도를 측정할 수 있었다. 또한 불꽃 중심의 어두운 부분에서 열분해 된 탄화수소가 연소에 의해 확산되면서 밝은 불꽃이 생겨난다는 원리도 밝혀졌다. 최근에는 우주공간의 무중력 상태에서 촛불이 어떻게 타오르는지 알아내는 실험도 있었다.

그러나 촛불 속에서 수십 억 분의 1mm 크기밖에 되지 않는 나노입자를 채취해 분석한 것은 2011년 8월 발표된 저우 교수의 실험이 처음이다. 뜨거운 불 속에서 나노 크기의 물질만을 골라내는 기술이 없었기 때문이다. 저우 교수는 알루미늄 양극산화물(AAO)을 재료로 10나노미터(nm, 10억분의 1미터) 두께의 극히 얇은 포일을 만들고 80nm 크기의 작은 구멍을 무수히 뚫었다. 그리고 40nm의 더 작은 구멍이 뚫린 포일을 위아래로 겹쳐서 촛불 하단부의 심지 근처에 1초 동안 넣었다가 얼른 빼냈다.

알루미늄 포일은 구멍이 많고 두께가 얇아 촛불이 타오르는 데 방해가 되지 않았고, 그을음 색깔을 띤 여러 크기의 나노입자들은 2단계의 구멍을 통과하면서 포일에 달라붙었다. 초음파 처리법으로 그을음을 분리해 고해상도 투과전자현미경(TEM)으로 관찰하자 4종류의 탄소물질이 발견됐다.

첫째로 모습을 드러낸 것은 그래파이트(graphite)라고 불리는 흑연이다. 0.34nm의 흑연 조각들이 20nm 크기의 둥그런 공 모양으로 뭉친 뒤 쇠사슬처럼 길게 연결돼 있었다. 다음으로는 1nm 이하의 풀러렌(fullerene)이 발견됐다. 수많은 탄소 원자가 격자형으로 결합된 풀러렌은 온도와 열에 잘 견디며 표면이 매끄러워 신물질로 각광받는 소재다. 불꽃의 상층부나 외곽으로 갈수록 뚜렷한 형체 없이 덩어리처럼 뭉쳐진 무정형탄소(amorphous carbon)가 많아졌다.

채집된 나노입자 가운데 예상치 못한 물질도 발견됐는데, 다이아몬드 입자가 바로 그것이다.
크기는 2~5nm에 불과했지만 분명한 다이아몬드 구조를 이루고 있었다. 불꽃 하단부에서 상층부로 갈수록 다이아몬드 나노입자의 숫자가 많아지고 크기도 커졌다.


[그림 1] 촛불 속에서 생성되는 것으로 밝혀진 4가지 탄소물질. 왼쪽 상단부터 시계방향으로 나노다이아몬드 입자, 흑연 나노구, 무정형탄소 덩어리, 풀러렌. 사진 출처 : Chemical Communications
이를 바탕으로 촛불이 타오르는 원리를 화학적으로 정리해보자. 양초의 재료인 파라핀(CnH2n+2) 속 탄화수소가 심지에서 열분해되며 C2, C3, C2H2 등의 라디칼(radical)로 나뉜다. 이들은 불꽃 하단부에서 다시 수소와 결합해 흑연과 다이아몬드의 나노입자를 형성한다. 불꽃 중심부로 이동하면 입자의 크기가 커지면서 풀러렌 입자까지 생겨난다. 불꽃 상층부에서는 나노입자가 다시 분해돼 무정형탄소와 그을음이 돼 날아간다. 1분이면 1억 개 가까운 다이아몬드 입자가 생겼다가 공중으로 사라지는 셈이다.

다이아몬드가 사라지는 것은 아깝지만 촛불에 대한 시각이 완전히 바뀌었다는 점에서 의미 있는 연구결과다. 저우 교수는 각종 산업에서 핵심재료로 쓰이는 공업용 다이아몬드를 더 저렴하고 친환경적인 방법으로 제조하는 방법을 찾는 데 도움이 될 것으로 기대하고 있다.

청혼 중이던 연인에게로 되돌아가보자. 남자는 평범한 금반지를 내밀었지만 여자는 이제 실망하지 않는다. 그와 결혼한다면 저녁식사 때마다 식탁에 촛불이 켜질 것이고, 매일 밤 수십 억 개의 다이아몬드 입자들이 집안을 환하게 밝힐 것을 알기 때문이다.

글 : 임동욱 사이언스타임즈 기자
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즐거운 주말 양과장네 가족은 세계에서 가장 큰 익룡 발자국의 화석과 세계에서 가장 오래된 물갈퀴새 발자국 화석이 있는 해남 우항리로 탐구 여행을 갔다.

“아빠, 여기 바위에 큰 발자국이 무척 많아요.”
“어~ 그래. 현민아, 그것이 바로 동일 지층에서 발견된 익룡의 발자국 가운데 세계에서 가장 큰 발자국 화석이야.”
“와! 30cm도 넘을 것 같아요.”
“정확하게 35cm란다. 이렇게 큰 익룡이 있었다는 것은 이 주위로 무척이나 많은 공룡이 있었다는 것을 의미하는 것이겠지?”
발자국을 보며 신기해하는 현민이에게 정여사가 대답했다.

“그런데 이런 발자국들이 몇 천만년 지나도 남아 있다는 게 너무 신기해요.”
“그렇지? 이런 발자국 화석을 생흔 화석이라고 하는데….”
“여보, 갑자기 그렇게 어려운 용어를 쓰면 현민이가 못 알아듣잖아요.”
“헤~ 맞아요. 역시 우리 엄마가 최고야!”
“그…그런가? 그러면 우리 간단하게 화석에 대해 좀 알아볼까?”
“네. 좋아요~”

“화석은 우선 몇 가지 분류로 나눌 수 있어. 우선 화석이 생성될 당시 그 주변 환경을 알려주는 시상화석이 있고, 화석이 생성될 당시의 시대를 측정할 수 있는 표준화석이 있지.”
“시상화석과 표준화석이요?”
“그래. 현민아, 예를 들어 산호는 바다가 잔잔하고 수심이 얕으며 따뜻한 바다에서만 자라는 특성이 있어. 그래서 어느 지층에서 산호 화석이 발견되었다면 그 당시 그 주변은 수심이 얕고 따뜻한 바다라는 것을 추측해 볼 수 있겠지? 이런 화석을 시상화석이라고 한단다.”

“그럼 표준화석은요?”
“표준 화석은 화석이 생성될 당시의 시대를 추측해 볼 수 있는 화석을 말하는데…. 음, 예를 들면 현민이가 좋아하는 스테고사우루스 공룡의 경우 지금으로부터 약 1억 5,600만 ~ 1억 4,600만 년 전 쥬라기 후기에 살던 공룡이야. 그러니까 어느 지층에서 스테고사우루스의 화석이 발견되었다면 화석이 발견된 지층은 쥬라기 후기 지층이라고 생각할 수 있겠지? 이런 화석을 표준화석이라고 해.”

“아~ 그렇구나. 시상화석과 표준화석. 까먹지 말아야지. 아빠, 그런데 어떤 화석을 보면 이렇게 발자국만 있는 것이 있고 어떤 것은 뼈 그대로 있는 것도 있고 어떤 것은 돌처럼 생긴 화석이 있는데 이런 화석들은 다 다른 거예요?”
“그건 엄마가 설명해 줄게. 그런 것들은 화석이 어떻게 생성 됐는가에 따라 나누어지는데, 예를 들어 지금 보고 있는 이런 발자국같이 그 당시 동물들의 발자국이나 몸이 끌린 자국들이 그대로 굳어지면서 만들어진 화석을 흔적화석 또는 생흔화석이라고 해. 그리고 지층 속에 동물의 유체가 묻힌 뒤 분해되어 완전히 사라져 버리고 그 외형만 남아 있는 것을 몰드(Mold)라고 하고 이 몰드에 지하수나 화산암의 영향으로 다른 성분이 들어가 채워지는 것을 캐스트(Cast)라고 한단다.”

“와, 우리 정여사가 그걸 어떻게 알았어? 대단한데!”
“현민이랑 이곳에 온다고 공부한 거라고요~”
“우리 엄마 최고다.”
“호호~ 그렇지? 현민아, 그럼 우리 직접 화석을 만들어 보면서 어떻게 화석이 만들어지는지 알아볼까?”
“물론이죠! 어서 만들어 봐요.”


[실험방법]
준비물 : 지점토, 입이 넓은 용기, 파라핀(양초), 종이컵, 비눗물, 전자레인지, 공룡 인형

[진행순서]
1. 입이 넓은 용기에 지점토를 깐다.
2. 공룡 인형에 비눗물을 바른다.
3. 지점토 위에 공룡 인형을 놓고 꾹 누른다.
4. 다시 공룡 인형을 뺀 다음 그곳에 비눗물을 살짝 바른다.
5. 전자레인지에 녹인 파라핀 용액을 용기에 붙는다.
6. 잠시 후 파라핀 용액이 굳으면 용기에서 파라핀과 지점토를 꺼낸다.
7. 여기에서 지점토를 제거하면 화석 만들기 성공.

글 : 양길식 과학칼럼리스트





ndsl링크 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >

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