‘칼로 물 베기’라는 속담 문구를 보던 고양이 기자는 정말 물을 베거나 나눌 수 있는지 궁금해졌어요. 칼로 물을 베면 아무 일도 일어나지 않는데, 다른 방법을 사용하면 물을 나눌 수 있을까요?

도전 실험
건전지로 물을 나눈다?!

물 분자의 구조를 생각하던 고양이 기자는 한 가지 아이디어를 떠올렸어요. 고양이 기자가 들고 온 건 건전지와 연필이었죠. 건전지와 연필로 물을 나눌 수 있을까요?

준비물
9V 건전지, 연필 두 자루, 베이킹 소다, 투명한 컵, 물, 숟가락, 박스

※ 칼로 연필을 깎을 때, 손을 다치지 않도록 조심하세요.

➊ 컵에 물 300mL와 베이킹 소다 한 숟가락을 녹여 준비한다.

➋ 연필 두 자루의 양 끝을 연필심이 1~2cm 정도 드러나게 깎고, 컵에 걸칠 수 있게 박스를 끼워 준비한다.

➌ 연필심이 전부 물에 잠길 수 있도록 높이를 조정한다.

➍ 컵 바깥의 연필심에 9V 건전지를 연결한다.

➎ 물에 잠긴 연필심을 관찰한다.

 

왜 이런 일이?

➔물에 잠긴 연필심에서 물이 분해되어 공기 방울이 생긴다.

탄소에는 결합할 수 있는 전자가 네 개 있어요. 전자는 원자를 구성하는 작고 가벼운 입자예요. 연필심 재료인 흑연은 탄소의 전자 세 개만 사용해 결합해요. 결합에 사용되지 않은 전자는 움직이며 전기의 흐름을 만듭니다. 그래서 흑연으로 이루어진 연필심은 전기가 통해요. 그리고 물에 베이킹 소다를 넣으면, 베이킹 소다가 전기적 성질을 띠는 이온으로 나뉘어 전기가 잘 통하는 상태가 돼요. 

 이때 건전지로 전기를 가하면 물이 분해되는 전기분해가 일어나요. 산소 원자와 수소 원자로 이뤄진 물 분자가 분해되면서 수소 기체와 산소 기체가 만들어져요. 수소 기체와 산소 기체는 물에 녹지 않고 물보다 가벼워 공기 방울 형태로 떠올라요. 그래서 연필심 주변에서 작은 공기 방울들이 계속해서 생겨나는 모습을 볼 수 있습니다.

수소는 오염물질이 없는 친환경 에너지예요. 미국 매사추세츠 공과대학교 외 국제 연구팀이 바닷물과 햇빛만으로 수소를 만드는 장치를 개발했다고 발표했어요.

▲Yayuan Liu, Xinyue Liu, Lenan Zhang et al.

➊ 연구팀이 개발한 수소 생산 장치.

▲서울시

➋ 서울시에 도입된 수소버스.

지난해 6월, 미국 매사추세츠 공과대학교 외 국제 연구팀은 태양광판을 이용해 바닷물을 깨끗한 물로 바꾸고, 전기를 생산해 수소를 만드는 장치를 개발했다고 국제 학술지 ‘에너지&환경 과학’에 발표했어요. 물에 전기를 가하면 수소와 산소로 분리돼요. 이 수소를 산소와 반응시키면 전기 에너지와 물이 발생해요. 석탄 같은 화석연료를 태우면 지구를 뜨겁게 하는 이산화탄소가 나오지만, 수소를 사용하면 깨끗한 물이 나오죠. 그래서 수소는 친환경적인 에너지로 꼽혀요. 하지만 수소를 만들려면 깨끗한 물이 많이 필요하다는 문제가 있어요. 수소 1kg을 얻으려면 최소 9kg의 깨끗한 물이 필요하죠.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 새로운 장치를 만들었어요. 태양광을 전기로 바꿔주는 판은 햇빛을 받아 전기를 만드는 동안 뜨거워져요. 연구팀은 이 열을 이용해 바닷물을 끓여 수증기로 만들었죠. 바닷물에는 소금이 녹아 있는데, 물을 끓이면 물만 수증기가 되어 날아가고 소금은 그대로 남아요. 수증기를 식히면 깨끗한 물이 되죠. 연구팀은 판에서 생산된 전기로 이 물을 분해해 수소를 얻었어요. 가로, 세로 각각 1m인 장치가 1시간마다 35.9L의 수소를 생산했죠. 연구팀은 “바다와 햇빛이 있는 곳이라면 어디서든 에너지를 만들 수 있는 기술”이라고 강조했습니다.

실험 하나 더!
직접 수소 기체를 모아보자

전기 분해 실험을 끝낸 고양이 기자는 연필심 주위에서 보글보글 공기 방울로 떠오르던 기체의 정체가 궁금했어요. 촛불을 사용해 이 기체의 정체를 확인해 보기로 했죠.

준비물
9V 건전지, 연필 두 자루, 베이킹 소다, 투명한 컵, 물, 숟가락, 빨대, 초, 접착제, 테이프

※ 기체를 너무 많이 모으면 불꽃이 커져 위험할 수 있으니 주의하세요.

➊ 컵 아래 쪽에 연필을 끼울 구멍을 뚫고, 연필심만 밖으로 나오도록 접착제로 고정한다.

➋ 컵에 9V 건전지를 넣고, 위에 연필이 있는 컵을 올려 건전지와 연필을 연결한다.

➌ 위의 컵에 베이킹 소다 한 숟가락을 섞은 물 400mL를 넣고, 공기 방울을 관찰한다.

➍ 테이프로 한쪽 끝을 막고 물을 채운 빨대를 음극과 연결된 연필 끝에 대고 기체를 모은다.

➎ 음극에서 모은 기체를 촛불에 닿도록 내보내며 관찰한다.

 

왜 이런 일이?

➔결과: 음극에서 발생한 기체에 촛불을 갖다 대면 불이 갑자기 커진다.

실험에서 사용하는 9V 건전지에는 전자를 내보내는 음극과 전자를 끌어당기는 양극이 있어요. 수소 원자와 산소 원자로 이루어진 물이 분해되어 만들어진 수소 이온(H+)은 전자가 없어 양전하를 띠어요. 그래서 반대 전하끼리 끌어당기는 힘인 전기적 인력에 의해 음전하를 띠는 음극으로 이동해요. 수소 이온은 음극에서 전자를 받아 수소 원자가 되고, 수소 원자 둘이 뭉쳐 수소 분자(H₂)가 됩니다.

수소 기체는 불이 붙는 데 필요한 에너지가 매우 낮아요. 그래서 촛불 같은 작은 불꽃에도 쉽게 반응합니다. 불꽃이 닿으면 수소는 공기 중의 산소와 강하게 결합하면서 많은 열과 빛을 한꺼번에 내보내요. 이 반응이 아주 빠르고 강하게 일어나서 불꽃이 순간적으로 크게 나타납니다. 이렇게 큰 에너지를 낼 수 있는 수소는 미래 에너지원으로 연구되고 있지만, 폭발 위험이 있어 다룰 때 항상 조심해야 한답니다.