철의 산화열 이용하는 흔들이 손난로
흔들이 손난로는 마트에서 흔히 볼 수 있습니다. 부직포 주머니를 흔들면 순식간에 뜨거운 열이 발생하죠. 부직포 주머니 안에는 일반적으로 철 가루, 아주 소량의 물, 소금, 활성탄, 질석 등이 들어 있습니다. 철 가루와 물, 소금, 활성탄 그리고 공기 중 산소가 만나 발생한 열을 질석이 보존하는 원리입니다.
흔들이 손난로는 주변 재료를 활용하면 의외로 손쉽게 만들 수 있습니다. 철가루 30g, 활성탄 역할을 할 숯 조각 5g, 소금 5g, 물 3mL, 그리고 부직포 주머니를 준비해 주세요. 질석은 원예 자재로 팔고 있다고 하는데, 기자는 구하지 못했으니 패스합니다(털썩).
제작 과정은 쉽습니다. 다 섞으면 됩니다! 부직포 주머니 안에 재료를 다 넣고 흔들어 보세요. 과학동아가 실험해 봤을 때는 3분 만에 46.5℃, 10분 후에는 58.3℃까지 온도가 상승했습니다. 전통의 강자답게 ‘핫’하네요.
흔들이 손난로가 따뜻해지는 비밀은 산화 반응에 있습니다. 철은 산소와 만나 산화됩니다. 이를 ‘녹이 슨다’고도 표현하죠. 산화 반응이 일어날 때 에너지가 발생하는데, 이것이 열의 형태로 방출됩니다. 물론 이 반응은 매우 천천히 일어나기 때문에 흔들이 손난로에는 소금과 활성탄을 넣어 산화 반응이 빠르게 일어나도록 합니다. 실험을 마치고 나니, 온도를 측정할 때 썼던 온도계에도 녹이 슬어 있었습니다. 소금과 활성탄이 정말 ‘열일’한 모양입니다.
과산화수소 분해열 이용하는 채소 손난로
흔들이 손난로에 대항하는 신흥 강자는 바로 채소 손난로입니다. 흔들이 손난로보다 준비물이 더 간단합니다. 채소 100g과 과탄산소듐(흔히 과탄산소다라고 불립니다)이 들어 있는 산소계 표백제 50g, 강판, 비닐봉지 그리고 마지막으로 체력(!)이 필요합니다. 채소를 강판에 갈아야 하니까요.
채소 손난로의 핵심은 카탈레이스입니다. 대부분의 채소에 들어 있는 효소인 카탈레이스는 생체 내에서 과산화수소가 물과 산소로 분해되는 반응을 촉진합니다. 이 분해 반응에서 열이 발생합니다. 이 원리를 이용해, 과탄산소듐 속 과산화수소를 채소 속 카탈레이스와 반응시켜 손난로를 만드는거죠! 채소를 갈면 카탈레이스를 더 많이 얻을 수 있습니다. 여러 채소 중에서도 강판에 좀 더 쉽게 갈 수 있는 고구마, 당근, 무, 감자를 준비해 봤습니다.
자, 이제 강판에 간 채소와 과탄산소듐을 비닐봉지에 넣고 주물러 섞으면 됩니다. 결과는 흔들이 손난로보단 약했지만 시린 손을 녹이기엔 충분했습니다. 채소 간 것 100g과 과탄산소듐 50g을 섞은 결과, 무의 경우 실험 3분 후 약 31.0℃, 10분 후 약 33.8℃로 온도가 상승했고, 당근은 실험 3분 후 약 40.0℃, 10분 후 약 41.6℃까지 온도가 올라갔습니다.
이성국 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 교수는 “각 채소에 들어 있는 효소의 양과 활성도에 따라 온도는 조금씩 차이가 있다”고 설명했습니다.
