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1. 고드름을 내 손으로

초가집 처마 밑에 투명하게 빛나던 고드름. 이제는 추억으로만 남은 고드름이 방안에서 자라난다. 어항 물 소독제로 우리들의 고드름을 만들자.

■왜 그럴까?

고드름은 지붕 위의 눈이 녹아 처마 밑으로 물이 흘러내리는 도중에 추위로 물이 얼면서 생긴다. 이 과정은 오랜 시간에 걸쳐 이뤄지기 때문에 고드름이 만들어지는 것을 관찰하기란 쉬운 일이 아니다. 하지만 상온에서 쉽게 과냉각되는 티오황산 나트륨 용액을 사용하면 고드름을 직접 만들면서 고드름이 생성되는 과정도 살펴볼 수 있다.
과냉각이란 쉽게 말해 얼어야 할 때 얼지 않고 있는 상태를 말한다. 일반적으로 물은 0℃이하에서는 얼음으로 존재하는데 조건에 따라서는 액체상태로도 있을 수 있다. 이를 과냉각 물방울이라고 한다. 티오황산 나트륨은 이러한 과냉각이 물보다 더 높은 온도에서 일어난다. 그러므로 상온에서 쉽게 과냉각에 의한 결정화를 관찰할 수 있다.

티오황산나트륨을 물에 중탕해 끊이면 액체로 변한다. 가열해서 녹은 용액은 온도가 내려가면 다시 고체로 변해야 한다. 하지만 티오황산 나트륨의 경우 조심해서 식히면 그대로 용액상태(과냉각 상태)로 남는다. 그러나 과냉각 상태인 티오황산 나트륨 용액은 매우 불안정한 상태이므로 약간의 충격을 주어도 안정된 상태인 결정으로 돌아간다. 이때 열이 발생한다.
시중에서 파는 주머니 난로나 찜질팩이 이러한 현상을 이용한 것이다. 이들 상품을 자세히 보면 조그만 금속판이 들어 있는데 이 판을 꺽어주면 과냉각된 용액이 충격을 받아 결정화되는 것이다. 이때 용액이 가지고 있던 에너지가 한꺼번에 방출돼 뜨겁게 느껴진다.
과냉각된 용액을 고체로 만드는 방법에는 충격 외에도 결정 씨앗을 넣어주는 방법이 있다. 이 방법은 인공강우에 사용된다. 수증기가 많이 있는데도 비가 내리지 않을 때 얼음의 씨앗이 될만한 물질을 뿌려 주면 비가 내린다.

2. 명반으로 종유석 만들기

수백년이라는 긴 세월을 통해 한 가족을 이룬 석순, 석주, 종유석, 봉숭아 물들일 때 넣었던 백반으로 종유석을 만들어 보자.

■왜 그럴까?

종유석은 석회암 용액이 동굴의 천장에서 조금씩 새어 나와 떨어질 때 물과 이산화탄소가 공기 중으로 날아가면서 다시 석회암으로 굳어져 생긴 것이다. 석순은 용액이 바닥에 떨어진 뒤에 물과 이산화탄소가 날아가 바닥에서 굳어진 것이다. 그리고 석주는 종유석과 석순이 만난 것이다.
이러한 과정은 아주 오랜 시간을 두고 일어나므로 관찰하기란 불가능한 일이다. 이 과정을 화학식으로 나타내면 다음과 같다.

탄산칼슘(종유석, 석순) + 물 + 이산화탄소 ⇆ 탄산수소칼슘(석회암)
Ca${CO}_{3}$ + ${H}_{2}$O + ${CO}_{2}$ ⇆ ${(HCO3)}_{2}$

이 실험에서는 석회암의 역할을 대신하는 명반을 이용해 짧은 시간 동안에 종유석을 만들어 본 것이다. 실에 스며들어 이동하던 명반용액에서 수분이 증발하면서 명반 가루가 고드름처럼 매달려 종유석이 되는 것이다.
언뜻 생각하면 하이포를 이용한 고드름 만들기와 명반을 이용한 종유석 만들기와 명반을 이용한 종유석 만들기가 비슷해 보이지만 그 원리는 사뭇 다르다. 물론 실제로 고드름이 만들어지는 것과 종유석이 만들어지는 원리도 다르다. 왜냐하면 실제 고드름이나 하이포를 이용한 고드름은 액체가 고체로 변하는 것을 나타내는 현상이고, 석회암 동굴의 종유석이나 명반을 이용한 종유석은 용질(탄산칼슘과 명반)이 녹아있는 용액에서 용매(탄산수와 물)가 증발하면서 굳어져 만들어지는 것이기 때문이다.

보너스 실험 - 산호초 정원

포도주잔 속에 예쁜 정원을 만들어 보자. 정원에서 자라난 색색의 결정이 마치 산호초 같다.

■왜 그럴까?

금속염을 물유리 안에 넣으면 금속염과 물유리는 순간적으로 반응하면서 금속염 표면에 새로운 반투막을 만든다. 이 막은 금속 규산염으로 만들어진 것이다. 물유리 용액에 있는 물은 이 반투막을 통해 농도가 높은 금속염 안쪽으로 들어간다. 이러한 현상을 삼투현상이라고 한다.
금속염 안쪽으로 물이 들어오면 들어온 물의 압력으로 반투막이 터진다. 이 때 반투막의 옆보다는 위쪽으로 작용하는 압력이 커 결정의 윗부분이 터진다. 터진 곳으로 나온 금속염은 다시 순간적으로 물유리와 반응해 반투막 염을 만들고, 물이 들어와 또 터지는 반응을 반복한다. 결정이 자라는 것처럼 보이는 것은 이러한 이유 때문이다.