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추운 겨울 사람들이 가지고 다니는 손난로는 한 번 쓰면 버려야 하는 단점이 있다. 어떻게 하면 계속 사용할 수 있는 주머니 난로를 만들 수 있는지 알아보자.
 

■ 준비물/아세트산 나트륨 70g, 또는 티오황산나트륨 80g, 질긴비닐봉투, 스테인리스 금속판, 가열 장치
 

■ 실험방법
 

1. 아세트산나트륨 70g에 물 10g을 섞는다(티오황산나트륨은 80g을 그대로 사용한다).
2. 1. 에서 만든 아세트산나트륨을 비닐봉투에 넣고 뜨거운 물에 담궈 녹인다.
3. 모두 녹으면 비닐봉투를 꺼내 공기중에서 냉각시킨다. 이때 불순물이 들어가지 않도록 주의한다.
 

4. 금속판을 준비하거나, 없으면 병뚜껑을 망치로 두들겨 펴서 붙어있는 비닐을 떼어내고, 못으로 구멍을 여러군데 뚫어 뾰족한 곳을 만든다.
 

5. 식은 용액에 금속판을 넣고 비닐봉투의 윗부분을 밀봉한다. 손난로의 수명은 밀봉이 얼마나 잘됐는지에 따라 결정되므로 꼼꼼하게 막아야 한다. 불을 사용해 막을 경우 장갑을 끼고 해야 한다.
 

6. 용액이 식으면 금속판을 앞뒤로 여러 번 꺾어준다. 하얗게 굳어지면서 열이 나는 것을 느낄 수 있다.
 

7. 손난로가 식으면 다시 끓는 물에 봉지째 넣어서 녹인 후, 위의 과정을 반복해 계속 사용할 수 있다.
 

■ 왜 그럴까?

아세트산나트륨은 분자 한 개가 여러 개의 물 분자를 포함하고 있다. 이렇게 분자 자체가 가지고 있는 물분자를 결정수(結晶水)라고 한다. 이런 물질들은 상온에서 물에 대한 용해도가 작아 고체로 존재한다. 하지만 가열하면 용해도가 커져서 결정수에 녹게 된다. 녹은 용액은 고체상태에 비해 많은 열에너지를 포함한다. 따라서 액체 상태의 아세트산 나트륨이 고체 상태로 굳으면 열에너지가 방출된다.

물속에서 중탕 가열한 아세트산나트륨 용액을 식히면 용해도가 작아져 결정이 석출돼야 하는데 그렇지 않다. 중탕 가열한 아세트산나트륨 용액은 매우 불안정하기 때문에 약간의 자극을 주면 한꺼번에 결정이 석출된다. 실험에서 자극을 준 것이 바로 금속판을 앞뒤로 꺾어준 것이다. 금속판을 꺾는 충격으로 결정이 생기면서 저장하고 있던 열이 한꺼번에 방출되기 때문에 손난로 역할을 한다.

이세트산나트륨 3수화물(CH₃COONa·3H₂O)을 58℃이상으로 가열하면 결정수(3H₂O)가 분리되고, 그 물에 무수아세트산나트륨이 녹기 시작한다. 완전히 다 녹게 되는 온도는 79℃정도로 포화상태를 이룬다.

아세트산나트륨의 용해는 흡열과정으로, 가열해야만 녹는다. 반대과정인 결정화는 발열반응이다. 즉 녹는데 흡수됐던 열이 결정화되면서 방출되는 것이다. 결국 손난로의 열은 결정화열이다. 실험에서 80g의 아세트산나트륨 3수화물을 사용하면 발생하는 열량은 약 11.6kJ(물1L를 약 2.8℃올리는데 필요한 열량)이다. 시중에서 판매하는 손난로는 아세트산나트륨 3수화물에 약간의 물을 첨가한 것이다.

티오황산나트륨(하이포)은 48.2℃에서 결정수가 분리되기 시작해 60℃정도에 모두 녹는다. 하이포의 결정화열은 아세트산나트륨 3수화물보다 작고, 금속판을 여러번 꺾어도 결정화가 잘 일어나지 않는다.

■ 신과림박사의 실험파일

1. 티오황산나트륨은 보통 하이포라 부른다. 금붕어 가게에서 염소제거제라는 이름으로 팔고 있따. 필름통 하나 분량에 5백원 정도로 종로 약품상가에서 구입할 수 있다.

2. 비닐봉투는 한약용 레토르트파우치가 좋다. 여기서 가장 중요한 것은 비닐 봉투의 밀봉. 시중에서 구입한 손난로를 얼마 못쓰고 버리는 이유는 비닐이 새서 내용물이 흘러나오기 때문이다. 따라서 스카치테이프를 사용해 밀봉하려는 생각은 애초에 포기해야 한다. 불로 비닐봉투의 윗면을 살짝 녹이고 뜨거울 때 늘러서 붙이는 방법이 가장 확실하다. 하지만 화상을 입을 염려가 있기 때문에 반드시 장갑을 끼고 해야한다. 가열 밀봉 기계를 구입해 사용한다면 훨씬 편하게 만들 수 있다.

3. 금속판은 못쓰게 된 주머니 난로에서 빼낸것. 혹은 맥주병 뚜껑을 망치로 두들겨서 편 후 구멍을 여러 군데 뚫은 것을 사용한다. 금속판을 대용할 수 있는 것을 여러 가지로 찾아 보았지만 아직까지는 완벽한 대용품을 찾지 못했다. 병뚜껑을 사용할 경우 오래 사용하면 병뚜껑이 잘 안꺾이게 되고 녹이 슨다. 병뚜껑의 표면에 못으로 구멍을 낸 이유는 표면이 매끈한 것보다 결정이 잘 생길 것이라는 생각에서다.