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추운 겨울이다. 뭔가 따끈따끈한 것이 그리워지는 요즈음, 친한 친구의 주머니 속에 살며시 넣어줄 수 있는 손난로를 내 손으로 직접 만들어 본다면 얼마나 좋을까?

손난로에는 두종류가 있습니다. 하나는 흔들이 손난로이고, 다른하나는 똑딱이 손난로입니다. 흔들이 손난로는 검은 가루가 들어 있는 부직포 주머니를 주무르고 흔들어 주면 열이 나서 10시간 정도 50℃이상의 온도가 지속되는 제품입니다. 똑딱이 손난로는 맑은 액체가 비닐 주머니 안에 들어 있는 것으로 똑딱이 금속을 꺾어주면 내용물이 갑자기 굳으면서 열이 나는 제품입니다. 똑딱이 손난로는 열이 다 식으면 다시 뜨거운 물에 녹여서 다시 사용할 수 있지만 흔디리이 손난로는 1회용이라는 점이 다릅니다. 왜 이런 열이 나는 것일까요?

지금부터 흔들이 손난로의 원리를 함께 알아봅시다. 시중에서 판매되고 있는 흔들이 손난로를 뜯어보면 뭐가 나올까요, 먼저 부직포 주머니 안에 들어 있는 검은 가루에 자석을 갖다대면 가루의 일부가 자석에 달라 붙는 것ㅇ르 볼 수 있습니다. 가루의 주성분이 무엇인지 아시겠지요? 바로 철입니다.

흔들이 손난로가 열이 나는 이유는 철가루가 급속하게 녹이 슬면서 열을 내기 때문입니다. 철이 산화될 때 일어나는 발열반응을 이용한 것이지요. 그러나 평상시 주변에서 못이 녹스는 과정을 보면 열이 발생한다는 것을 느낄 수 없습니다. 산화속도가 너무 느려서입니다.

손난로 안에는 철이 빨리 녹슬 수 있도록 여러가지 물질들이 혼합되어 있습니다. 철 조각이 아닌 철가루, 산화반응을 빠르게 해주는 촉매로 전해질인 소금(염화나트륨)과 탄소가루, 그리고 발생한 열을 오래 저장하기 위한 단열재가 들어 있습니다. 부직포의 작은 구멍들은 산소를 공급해 줍니다. 만약 열이 나는 것을 중각에서 멈추려고 한다면 산소 공급을 막으면 됩니다. 산화반응을 억제하는 것이지요. 그러면 실제로 흔들이 손난로를 한번 만들어볼까요.

흔들이 주머니 손난로 만들기

■준비물
철가루, 탄소가루, 소금, 톱밥, 물, 스포이트, 가위, 부직포, 한지, 비닐 지퍼백, 테이프(사진1)

■만드는 과정
①재료의 질량을 각각 달아둔다. 철가루 75g,탄소18g,소금6g,톱밥4g.
②비닐 지퍼백의 양면에 창(구멍)을 낸다. 크기는 비닐의 5분의1정도면 충분하다(사진2).
③창을 여러 겹의 한지와 부직포로 잘 막는다. 부직포, 한지, 부직포 식으로 포개면 된다(사진3).
④재료들을 넣을 부직포 봉지를 만든다(사진4).
⑤질량을 달아둔 재료들을 한군데로 넣고 섞은 뒤 물을 15-20mL 정도 스포이트로 넣는다. 물과 재료들이 잘 섞일 수 있도록 섞어준 뒤에 ④에서 만든 부직포 봉지에 넣고 입구를 테이프로 막는다.
⑥부직포 봉지를 창을 낸 지퍼백에 넣고 잘 흔들어 섞어준다. 열이 발생하면 수증기가 발생해 부옇게 보인다(사진5).
⑦열이 나기 시작하는 것을 확인하면 지퍼백 입구를 테이프로 봉한다.
⑧흔들고 주물러서 열이 어느 정도 나면 주머니에 넣어둔다. 흔들이 손난로는 온도가 70℃정도까지 올라간다(사진6).

어떻게 열이 나는걸까?

흔들이 손난로는 철이 산화되는 과정에서 열이 나는 것을 이용한다.

4Fe+3O₂→2Fe₂O₃+열

이 산화반응은 느리기 때문에 반응속도를 빠르게 하기 위해서 탄소,소금,물을 넣어준다. 각 물질이 하는 역할은 쇠못이 녹스는 것을 생각해보면 쉽게 알 수 있다. 산소와 물이 있을 경우 녹이 빨리 슨다는 것은 대부분 아는 사실이다. 게다가 그 물이 소금물일 때 훨씬 녹이 잘 슨다는 것도 상식. 그래서 철가루에다 소금과 물을 섞는 것이다.

좀더 자세히 살펴보면, 전해질인 소금은 물에 녹아 전자의 이동을 쉬비게 해붐으로써 철가루의 산화를 돕는다. 여기에 촉매로 많이 쓰이는 탄소가루를 첨가한다. 톱밥은 단열재로 열이 오래 지속되게 하는 역할을 한다. 이렇게 제작한 손난로는 보통 10시간-3일 동안 열이 지속된다. 물질을 담는 봉투를 제작하는 방법, 재료들의 순도, 알갱이의 굵기 등에 따라 발열량, 발열시간 등이 달라지므로 각자 가지고 있는 재료의 종류에 따라 알맞는 방법을 개발해보자.

탄소가루는 숯을 갈아서 사용해도 무방하고, 소금은 배추 절일 때 사용하는 굵은 소금을 사용해도 된다. 톱밥은 목공소에 가면 얻을 수 있으므로 체로 여러번 쳐서 고운 톱밥을 얻는다.

실험 뒷 이야기

흔들이 손난로를 만들 때 가장 중요한 것은 산소는 적당량 통과하고 물과 가루는 새지 않는 봉투를 제작하는 일이다. 철가루나 탄소가루의 굵기가 1벡메시(mesh)정도라면 가장 좋다. 그 이유는 내용물이 창구멍으로 새나올 염려가 없기 때문이다. 비닐 지퍼백을 사용하지 않고 포장용 부직포만으로 봉투를 만들면 산소가 너무 많이 들어간다. 그렇게 되면 열이 많이 나서 금방 식어버린다. 봉투를 만들 때는 산소 공급 속도를 알맞게 하는 것이 중요하다.

흔들이 손난로를 만들어보면 창 주변의 온도가 ㅁ너저 올라가는 것을 쉽게 알아차릴 수 있다. 시중에서 팔고 있는 제품은 부직포봉투에 노하우가 담겨 있다. 그 봉투는 부직포에 얇은 비닐을 코팅하고 바늘로 미세한 구멍을 뚫어 놓은 것이다. 그러한 봉투를 구학려고 수소문해 보았으나 시장에서는 살 수 없었고 제조회사에서는 산업 기밀에 해당한다면서 팔 수 없다고 말했다. 그래서 궁리 끝에 비닐에 창을 낼 생각을 하게 된 것이다.

?함께 생각해 봅시다

만약 재료의 양을 2배로 하여 손난로를 만든다면 온도는 어떻게 될까?
1.2배로 올라간다.
2.2배는 아니어도 어느 정도는 올라간다.
3.변화없다.
4.내려간다.

(정답) 3번이다. 재료의 양이 2배로 되면 발생하는 열량은 당연히 2배가 된다. 그러나 온도는 평균 분자 운동에너지이므로 분자수가 2배로 된다고 해도 변하지 않는다. 50℃의 물과 50℃의 물을 합하면 물의 양은 많아지지만 온도는 그대로 50℃인 것과 마찬가지이다. 따라서 온도는 같다. 차이가 있다면 열량이 많아서 더 오랫동안 따뜻하다는 것이다.