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주머니난로와 소금: 겨울철 화학 목록

조회 : 7142 | 2010-01-04

주머니난로와 소금
겨울입니다. 그것도 몹시 추운 겨울입니다. 지난 연말부터 시작된 강추위가 새해 들어서도 여전히 계속되고 있습니다. 일기예보에 따르면 이번 주 내내 전국적으로 추운 날씨가 이어질 것이라고 합니다. 그뿐 아닙니다. 얼마 전에도 전국적으로 많은 눈이 내려서 여기저기서 교통사고가 일어나고 차들은 엉금엉금 거북이 운행을 해야 했는데, 또 많은 눈이 내린다고 합니다. 눈싸움, 눈사람 만들기, 썰매 타기, 스키 타기 등 겨울에만 할 수 있는 즐거운 놀이들이 많이 있긴 하지만, 겨울은 여러 가지로 힘든 계절임에 틀림없습니다. 이번 주에는 겨울을 나는 데 도움을 주는, 우리 주변에서 쉽게 볼 수 있는 화학 현상에 대해 이야기하려고 합니다. 추위를 조금이나마 덜어주는 ‘주머니 난로’와 눈 쌓인 길을 녹여주고 또 얼어붙지 않게 도와주는 ‘소금(제설제)’이 그 주인공입니다.

(사진) 눈사람 (cc) by Jinho.Jung




*알아보기*
- 주머니난로: 발열반응
- 제설제: 어는점 내림

*관련 단원*
- 4학년 2학기 8단원 열의 이동과 우리 생활
- 5학년 1학기 2단원 용해와 용액
- 5학년 1학기 6단원 용액의 진하기
- 5학년 2학기 2단원 용액의 성질
- 6학년 2학기 4단원 계절의 변화
- 6학년 2학기 5단원 연소와 소화





주머니난로: 발열반응
누구나 겨울이면 따뜻한 곳을 찾게 됩니다. 그러나 아무리 추운 날이라 하더라도 어쩔 수 없이 바깥에서 활동을 하게 되는 일이 있습니다. 그럴 땐 추위를 견디는 게 여간 힘든 게 아니지요. 이럴 때 작은 주머니난로(또는 손난로) 하나만 있어도 큰 도움이 됩니다. 가만히 두면 전혀 따뜻하지 않은 주머니난로인데 필요할 때 금세 열이 나게 할 수 있습니다. 어떤 것은 비비거나 흔들어주면 되고, 어떤 것은 단추 같은 것을 눌러주면 열이 나기 시작합니다. 조그만 주머니난로에 어떤 비밀이 숨어 있는지 알아보겠습니다.





비비거나 흔들어주면 되는 주머니 난로는 1회용입니다, 한 번 사용하고 나면 더 이상 난로로 사용할 수 없다는 뜻입니다. 1회용 주머니 난로는 일명 ‘핫팩’이라고도 하는데 봉지가 이중으로 되어 있어서 사용할 때 겉에 있는 봉지를 벗겨내고 쓰면 됩니다. 그 안에는 알갱이가 작은 철가루와 함께 탄소 가루와 소금이 들어 있습니다. 철가루가 공기 중의 산소를 만나 산화될 때 열이 발생하는 원리를 이용한 것입니다. 반응이 일어나는 속도는 다르지만, 철로 된 못을 공기 중에 오래 놓아두면 산화되어 녹이 스는 것과 같은 원리입니다. 주머니 난로의 경우에는 입자가 무척 고운 철가루로 채워져 있기 때문에 산소와 만나는 표면적이 넓어서 반응이 한꺼번에 훨씬 빨리 일어나게 되고, 열도 한꺼번에 많이 발생하게 되는 것입니다. 이렇게 열을 내보내는 화학반응을 ‘발열반응’이라고 부릅니다(반대로 열을 흡수하는 경우도 있는데, 그런 반응은 ‘흡열반응’이라고 합니다). 탄소 가루와 소금은 철의 산화 반응이 더 잘 일어나게 도와주는 역할을 합니다. 철가루가 일단 산화되고 나면 다시 재활용할 수 없기 때문에 1회용인 것입니다.






(사진) 난로 안에서 장작이 타고 있다. 연소반응은 대표적인 발열반응이다. (cc) by Shandchem

여러 번 사용할 수 있는 주머니난로도 있습니다. 그 안에는 가루가 아니라 액체가 들어 있으며, 똑딱단추 같은 것이 달려 있어서 그것을 눌러주면 열이 나기 시작합니다. 주머니 난로 안에 들어 있는 액체는 아세트산나트륨 또는 티오황산나트륨의 과포화 수용액입니다. 과포화 수용액이란 물이 어떤 온도에서 녹일 수 있는 양보다 많은 양의 용질(이 경우에는 아세트산나트륨이나 티오황산나트륨)이 녹아 있는 용액을 말합니다. 과포화 수용액은 불안정하기 때문에 조그만 자극이 가해져도 균형이 깨지게 되고, 용해도보다 많이 녹아있던 용질이 고체 상태로 되돌아가게 되는데, 이 때 열을 방출합니다. 한 번 사용한 주머니 난로를 뜨거운 물에 넣어주면 다시 과포화 수용액이 되어 액체 상태가 되기 때문에 다시 사용할 수 있습니다.



제설제: 어는점 내림
지난 연말에 서울 시내에 갑자기 많은 눈이 오는 바람에 큰 혼잡을 빚었습니다. 뉴스에 따르면 남산터널에 두 시간도 넘게 갇힌 운전자들이 많았다고 하는데, 알고 보니 터널 바깥 도로에 쌓인 눈 때문이었다고 합니다. 이렇게 눈은 보통 때 같으면 몇 분밖에 걸리지 않을 거리를 몇 배, 몇 십 배 넘게 걸려서야 겨우 지나갈 수 있게 만들기도 합니다. 그래서 겨울철에는 눈이 오는 것에 대비해서 늘 제설제를 마련해두는 일이 중요합니다. 주로 사용하는 제설제는 염화칼슘인데, 식용으로 사용하는 염화나트륨을 쓰기도 합니다. 제설제의 원리를 염화칼슘을 예로 들어 알아보겠습니다. 염화칼슘은 건조제로 사용될 정도로 물을 흡수하는 성질이 강합니다. 염화칼슘이 물을 흡수하여 용해되면 열이 발생합니다(발열반응). 이 열 때문에 눈이 녹습니다. 눈이 녹아서 물이 생기지만 염화칼슘이 녹아 있기 때문에 순수한 물보다 어는점이 많이 내려가게 되고(어는점 내림), 그 덕분에 길이 얼어붙지 않는 것입니다. 그러나 염화칼슘이 얼마나 녹아 있는가에 따라서 어는점이 달라지기 때문에, 경우에 따라서 빙판길이 되는 수도 있습니다. 그런데, 차량 운전을 생각하면 제설제가 꼭 필요하긴 하지만 부작용도 무시할 수 없습니다. 염화칼슘 같은 소금 성분이 차량이나 건물의 부식에 영향을 끼치기도 할 뿐 아니라 강으로 흘러들어가 근처 식물 등 환경에도 좋지 않은 영향을 미친다고 합니다. 앞으로 점점 더 환경 친화적인 제설제를 개발하고 사용하는 일이 필요하겠습니다.





(사진) 눈 때문에 거북이 운행을 하는 차량 행렬 (cc) by Robbie1




*오늘의 중요 용어정리
[발열반응]
화학반응이 일어날 때 열이 발생하는 반응

[용해도]
정해진 양의 용매에 녹을 수 있는 용질의 양의 최댓값. 온도에 따라 용해도 차이가 큰 경우와 그렇지 않은 경우가 있다.

[과포화용액]
어떤 온도에서 용해도 이상의 용질을 포함하고 있는 용액. 불안정하기 때문에 작은 자극에도 쉽게 용질이 석출된다. (액체가 들어있는 주머니 난로에 아세트산나트륨 혹은 티오황산나트륨 등의 과포화용액을 사용한다.)

[어는점 내림]
어떤 물질이 녹아 있는 경우에 순수한 용매보다 낮은 온도에서 어는 현상. (물에 염화칼슘 등의 물질이 녹아 있으면 순수한 물보다 낮은 온도에서 얼기 때문에 겨울철 빙판길을 예방하기 위해 사용한다.)






*한걸음 더!
☆ 발열반응이나 흡열반응의 예를 주변에서 찾아보세요.

☆ 제설제가 환경에 미치는 영향에는 어떤 것들이 있을까요?



주제!
연소 ,소화
관련단원 보기
*초등6학년 2학기 연소와 소화
화재, 원리를 이해하면 예방할 수 있습니다.
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