공원을 여유롭게 산책하던 섭섭박사님은 눈앞에 둥둥 떠다니는 비눗방울을 발견했어요.
주위를 둘러보니 공원에 놀러 나온 꼬마가 비눗방울 놀이를 하고 있네요. 섭섭박사님도 어렸을 적에 비눗방울 놀이를 참 좋아했는데…. 간만에 솜씨를 발휘해 비눗방울 장난감을 만들어 볼까요?
어떻게 된 걸까?
▷ 결과 : 페트병 입구에서 동그란 비눗방울이 발사된다.
왜 비눗방울을 만들 때 비눗물을 사용할까요? 그건 ‘표면장력’ 때문이에요. 표면장력은 액체 분자끼리 서로를 잡아당겨 표면적을 최소한으로 줄이려고 하는 힘이에요. 물은 분자간의 인력이 강한 편이어서 표면장력이 크지요. 큰 표면장력 때문에 물은 표면적이 잘 늘어나지 못하고, 따라서 공기를 불어 넣어도 방울이 금세 터져 버린답니다.
한편, 비누나 세제는 물과 친한 부분(친수성)과 물과 친하지 않은 부분(소수성)을 함께 지니고 있는 ‘계면활성제’예요. 세제를 물에 녹이면 물 분자 사이에 계면활성제 분자가 끼어들며 물 분자 간의 인력을 방해해 표면장력이 줄어들지요. 그 결과, 물 분자 간의 거리가 잘 늘어나 공기를 불어 넣어도 비눗방울이 터지지 않고 커질 수 있답니다.
2년 전, 비눗방울이 얼어붙는 영상이 인터넷에서 화제가 됐어요. 미국 버지니아공과대학교 조나단 보레이코 교수는 이 영상에서 흥미로운 현상을 발견했지요. 비눗방울에 눈꽃이 생기기 직전, 비눗방울의 표면에 생긴 작은 얼음 결정들이 비눗방울 위를 떠다녔던 거예요.
원인이 궁금했던 보레이코 교수팀은 영하 18℃에서 비눗방울을 만든 뒤 비눗방울이 얼어붙는 과정을 초고속카메라와 열화상카메라로 촬영했어요. 초고속카메라로는 비눗방울 위의 얼음 결정이 움직이는 모습을, 열화상카메라로는 비눗방울 안팎의 온도 변화를 관찰했지요. 그 결과, 얼음 결정이 움직이는 건 ‘마랑고니 효과’ 때문이라는 사실을 알아냈어요.
마랑고니 효과는 액체의 온도 혹은 농도 차이로 표면장력에 차이가 생기면 표면장력이 낮은 곳에서 높은 곳으로 대류가 일어나는 현상이에요. 일반적으로 온도와 농도가 높은 곳의 표면장력이 더 낮지요. 비눗방울은 액체로 이루어진 얇은 막이고, 열화상카메라로 확인해 보면 비눗방울의 아래쪽의 온도가 더 높은 것을 알 수 있어요. 따라서 비눗방울은 마랑고니 효과가 발생할 수 있는 조건을 갖추고 있는 셈이죠. 마랑고니 효과로 비눗방울 아래에서 위쪽 방향으로 대류가 생기고, 이에 따라 얼음 결정도 함께 떠도는 거랍니다.
어떻게 된 걸까?
▷ 결과 : 거품에 닿은 향의 불씨가 밝게 타오른다.
과산화수소의 화학식은 ‘H2O2’로, 물 분자(H2O)에 산소 원자 하나가 추가된 물질이에요. 안정한 물 분자에 추가로 산소 원자가 붙어 있기 때문에 다소 불안정한 물질이기도 하지요. 따라서 과산화수소는 산소를 떼어내고 물로 돌아가려는 성질을 갖고 있답니다.
이때 효모를 과산화수소에 넣으면 효모가 촉매*로 작용해요. 효모는 과산화수소에서 산소가 떨어지는 반응을 촉진시키지요. 둘을 섞었을 때 생기는 거품은 과산화수소에서 떨어져 나온 산소 기체로 인해 생기는 거랍니다. 산소 기체는 다른 물질의 연소를 돕는 ‘조연성 기체’지요. 그래서 향의 불씨를 가져다대면 산소 기체가 불씨를 되살려서 밝은 빛이 나는 거예요.
*촉매 : 화학반응의 속도를 변화시키는 물질.
