d라이브러리

봄을 알리는 3월에 눈을 보기란 쉽지 않다. 만약 병석에 누워 계신 할머니가 소원으로 설경을 보고 싶다고 한다면? 모험이와 슬기가 보여주는 시험관 속 설경을 감상해보자.


오늘 모험이와 슬기는 몸이 많이 아프신 할머니의 병문안을 갔다. 둘은 아프신 할머니를 기쁘게 해드리기 위해 지난 겨울방학에 있었던 일들을 말씀드렸다. 그 중에서 대관령에서 본 아름다운 눈꽃에 대한 얘기를 들으신 할머니는 눈이 내리는 모습이 너무나도 보고 싶다면서 눈물을 흘리셨다. 할머니는 오랜 병환으로 몸이 약해지셔서 겨우내 방에만 머물러야만 했다.

할머니의 눈물을 본 모험이와 슬기는 할머니에게 눈을 보여드리고 싶은 생각이 굴뚝같다. 만약 할머니가 겨울철에 딸기가 드시고 싶다고 말씀하셨다면 모험이와 슬기는 아무런 문제없이 할머니의 소원을 들어줄 수 있다. 그러나 이제 밖은 3월의 봄이 와있지 않는가.

하지만 과학으로 무장한 모험이와 슬기는 여기서 포기할 수 없다.

모험이: 슬기야! 결혼식장 같은데서 사용하는 눈 스프레이로나마 대신하는 것은 어때?
슬 기: 그것으로는 멋진 눈 결정을 볼 수 없잖아. 모험이 오빠!
모험이: 뭔가 방법이 없을까.
슬 기: 눈 결정은 아니지만, 눈처럼 생긴 것이 오히려 더 낫지 않을까?

모험이와 슬기는 자연스런 눈 내리는 모습을 할머니에게 보여드릴 만한 뭔가를 만들어야 한다. 과연 이들은 21세기 효자가 될 수 있을까. 할머니의 소원을 들어줄 묘책은 과연 무엇일까.


시험관에서 내리는 눈

■ 왜 그럴까?

●●● 염화암모늄 포화용액의 온도가 내려가면서 시험관에 어떤 변화가 일어날까?

시험관 안 염화암모늄 포화용액은 대기와 접촉한 바깥 표면부터 먼저 식기 시작하면서 온도가 점점 떨어진다. 따라서 시험관의 위쪽에서 하얀 결정이 만들어진다. 이 작은 결정이 아래로 내려오면서 점점 커져 눈 모양의 결정을 형성한다.

●●● 포화용액은 어떻게 만들까?

이 실험에서는 결정을 얻기 위해 포화용액을 이용했다. 결정으로 성장시키고자 하는 물질(용질)을 물(용매)에 녹여 더이상 녹지 않는 상태(포화상태)로 만들고 온도를 낮추면 용질이 결정으로 분리(석출)되는 점을 이용한 것이다.

포화용액이란 용매에 용질이 더이상 녹지 않는 용액을 말한다. 포화용액을 만들려면 녹이고자 하는 물질인 용질의 용해도 값을 알아야 한다. 용해도는 특정 온도에서 용매 1백g에 녹을 수 있는 최대 용질의 g수를 의미한다. 예를 들어 60℃ 물(용매) 1백g에 염화암모늄(용질)이 최대로 녹을 수 있는 양이 55.2g인데, 이 경우 염화암모늄의 용해도가 55.2인 것이다.

용해도는 온도에 따라 달라지기 때문에 포화용액을 만들려면 먼저 몇℃의 포화용액을 만들지를 결정해야 한다. 그런 후 용질과 용매를 섞은 후 가열해 용질을 모두 녹인다. 만약 포화용액이 제대로 만들어졌는지를 확인하고 싶다면, 온도를 점점 낮춰 자신이 결정했던 포화용액의 온도 근방에서 고체 용질이 석출되는지를 확인하면 된다. 만약 고체결정이 그 전에 석출된다면 이 용액은 과포화용액이고, 포화용액의 온도보다 떨어져도 고체결정이 생기지 않으면 불포화용액이다.

●●● 염화암모늄 포화용액의 온도가 내려가면 왜 결정이 성장할까?

높은 온도에서 액체나 기체 상태인 물질은 온도가 낮아짐에 따라 결정화된다. 이것은 물질을 구성하는 입자들의 운동이 온도가 내려감에 따라 느려져서 입자 사이의 끌리는 힘의 효과가 커지기 때문이다. 따라서 결정화될 때에는 구성입자 사이의 틈이 최소한으로 좁혀짐으로써 결국 입자들끼리 모여서 결정을 이루게 된다. 염화암모늄을 녹인 용액의 온도가 내려가면서 눈과 같은 결정이 만들어지는 것을 관찰할 수 있다.

모험이와 슬기가 시험관 속에서 내리는 눈을 할머니에게 보여드리자, 할머니는 무척 기쁘고 신기하게 여겼다.


종이로 나만의 눈 결정 만들기

■ 왜 그럴까?!
눈 결정은 6각기둥의 빙정핵을 기본 모양으로 하고 있다. 그리고 빙정핵을 중심으로 사방으로 뻗어나가면서 눈 결정이 성장하는데, 이때 습도와 기온과 같은 주위 환경에 따라 매우 다양한 모양의 눈 결정이 형성된다. 여기에서 6각형의 눈 결정 그림을 각 꼭지점이 접히도록 한 후 잘라내는 까닭이 바로 눈 결정이 6각형을 기본으로 하기 때문이다.