【뉴스캔/과학향기】찬바람이 씽씽 부는 크리스마스. 현민이네 가족은 모처럼 트리 장식으로 멋지게 꾸며진 도심에 나가 크리스마스를 즐겼다.
“와~ 올해도 크리스마스트리가 멋지게 꾸며졌구나!”
“아빠 크리스마스트리가 예쁘긴 한데 너무 추워요. 어디 따뜻한데 들어갔으면 좋겠어요. 이를테면 먹고리아 햄버거 같은 곳 헤헤”
“현민이 요 녀석, 추운 것이 아니라 맛있는 것이 먹고 싶어 그런 거지?”
“아니에요. 진짜 춥다고요.”
“이럴 때 따뜻한 주머니 난로가 있으면 좋을 텐데… 현민아, 잠시 기다려봐. 엄마가 편의점 가서 주머니 난로 하나 사 가지고 올게.”
잠시 후 정 여사는 맑은 액체가 담겨 있는 주머니 난로를 사 가지고 왔다. 그리곤 액체 속에 있는 동전 같은 것을 두세 번 똑딱거리며 구부리니 주머니 속 액체가 하얗게 굳어지면서 열이 나기 시작했다.
“현민아 이거 주머니에 넣어두고 있으면 따뜻할 거야”
“와 따뜻하다. 엄마 이 주머니 난로 정말 신기해요. 어떻게 이렇게 따뜻해질 수 있는 거예요? 그리고 이건 한 번만 쓰고 버리는 거예요?”
주머니 난로가 신기했던 현민이는 엄마와 아빠에게 속사포처럼 물었다.
“우리 현민이가 주머니 난로에 대해 관심이 많구나. 그럼 우리 주머니 난로에 대해 한번 알아볼까?”
“네! 무지 무지 궁금해요. 그런데 햄버거 먹으면서 들으면 안 될까요?”
“하하 요 녀석 그럴 줄 알았다.”
추운 겨울이 되면 밖에서 일하는 분들과 군인 아저씨들, 어린 아이들에게 필수 아이템이 되는 주머니 난로 그 원리는 무엇이고 어떻게 만들어지는지 알아보자.
주머니 난로는 고운 쇳가루를 이용한 고체형 난로와 아세트산나트륨(Sodium Acetate)을 이용한 액체형 난로로 크게 2가지 방식으로 나눌 수 있다.
고체형 난로에는 쇳가루와 탄소가루, 염화나트륨 등이 들어 있는데 이를 잡고 흔들면 주머니 속의 고운 쇳가루가 공기 중의 산소와 반응하면서 열을 만들어 내는 산화 작용을 하게 된다. 이때 염화나트륨은 철의 산화 작용을 더욱 빨리 촉진 시키는 역할을 하며 이렇게 산화된 쇳가루는 다시 사용할 수 없다. 그래서 고체형 난로는 대부분 일회용이다.
이에 반해 아세트산나트륨을 이용하는 액체형 난로는 고체형 난로에 비해 여러 번 사용할 수 있는데 이는 액체형 난로에 사용되는 발열 물질의 특성 때문이다. 액체형 난로에 사용되는 아세트산나트륨은 초산 냄새가 나는 무색의 결정을 가진 고체다. 고체 상태의 아세트산나트륨에 물을 넣고 가열하면 물에 녹는 과정에서 가열한 열을 흡수하게 된다. 이때 과포화된 아세트산나트륨 용액은 물과 같이 투명한 액체 상태를 유지하게 되는데 용기나 비닐봉지 같은 곳에 담아 둘 수 있다. 그러나 외부의 작은 충격이 용액에 가해지게 되면 아세트산나트륨 용액은 물이 얼음 얼듯 순간적으로 딱딱한 고체 형태로 변하게 된다.
이 과정에서 아세트산나트륨이 가지고 있던 잠열을 방출하면서 굳어지게 되는데 이런 아세트산나트륨의 특성을 이용한 것이 바로 액체형 주머니 난로다. 완전 고체화되고 완전 발열이 다 된 다음 아세트산나트륨을 다시 뜨거운 물에 넣게 되면 고체화된 아세트산나트륨은 액체로 변하면서 다시 잠열을 가지게 된다. 그리고 액체 주머니 난로 속에 들어 있는 작은 쇳조각은 과포화된 아세트산나트륨의 충격을 주기 위한 장치다.
아세트산나트륨을 이용한 주머니 난로를 만들기 위해서는 우선 아세트산나트륨을 구해야 한다. 아세트산나트륨 대신 티오황산나트륨을 사용하긴 하지만 반응이 좋고 더 많은 열을 내는 것은 아세트산나트륨이다. 아세트산나트륨은 주머니 난로를 만들어 볼 수 있는 실험 Kit나 화공약품점에 가면 살 수 있다. 아세트산나트륨은 수산화성을 띄기 때문에 눈에 들어가거나 마시게 되면 매우 위험하니 실험할 때 특히 주의해야 한다.
[실험방법]
준비물 : 아세트산나트륨, 두꺼운 비닐봉지(한약 봉지나 유사봉투), 똑딱이 금속(클립도 가능), 일회용 스포이트
[실험순서]
1. 아세트산나트륨 100g을 비늘 봉투에 넣는다.
2. 물 12ml를 스포이드를 통해 넣고 나서 잘 저어준다.
3. 똑딱이 또는 클립을 봉투에 넣고 열 봉합기로 입구를 밀봉한다.
(열 봉합기가 없는 경우 다리미나 고데기로 봉합한다.)
4. 봉투를 물에 넣고 용액이 투명해 질 때까지 중탕 가열한다.
5. 완전히 다 녹은 것을 확인했으면 밖으로 꺼내 두고 식힌다.
6. 완전히 식으면 용액 속에 있는 똑딱이를 여러 번 꺾어 본다.
[실험 Tip]
- 봉투를 봉합할 때 새지 않게 주의한다.
- 화기를 사용할 경우 꼭 부모님과 같이 사용한다.
- 아세트산나트륨이 녹아 있는 용액을 너무 심하게 만지면 바로 결정이 생기므로 조심히 다룬다.
글 : 양길식 과학칼럼니스트
양길식 과학칼럼니스트