화산을 만들어봤더니 폭발적으로 재미있었다! 석고와 베이킹소다로 만드는 실험 레시피 공개!
안녕하세요, 사이언스 트레이너 구와코 켄입니다. 매일매일이 실험!
과학 수업은 역시 “직접 해보는 것”이 제일 재미있죠. 아이들의 반짝이는 눈빛과 “알겠다!” 하는 목소리를 들으면 저희 교사들도 덩달아 기분이 좋아집니다. 교육실습생이었던 H 선생님과 함께 “화산” 수업을 진행했는데, 그때 했던 분화 실험이 그야말로 탐구심에 불을 붙여 준 시간이었어요.
“마그마의 끈적임은 화산의 모양과 어떤 관계가 있을까?”
교과서에 적힌 지식을 외우기만 하는 게 아니라 직접 “보고, 만지고, 몸으로 느끼는” 것이 과학의 묘미입니다. 그래서 저희는 주변에서 쉽게 구할 수 있는 재료로 화산 분화 모형을 직접 만들어 보기로 했어요! 이 실험, 얼핏 보면 간단해 보여도 알고 보면 꽤 깊이가 있답니다.
사용하는 재료는 석고, 베이킹소다, 세탁풀, 그리고 물, 딱 네 가지예요. 이 네 가지 재료의 “배합 비율”만 살짝 바꿔도 마그마가 움직이는 모습과 끈적임이 완전히 달라집니다. 마치 진짜 화산 활동을 시뮬레이션하는 듯한 경험을 할 수 있어요.
특히 재미있는 건 석고(황산칼슘: CaSO₄)와 베이킹소다(탄산수소나트륨: NaHCO₃), 그리고 물을 섞었을 때 일어나는 화학 반응입니다. 무려 이산화탄소(CO₂)가 발생하거든요!
이렇게 발생한 이산화탄소 때문에 섞어 놓은 재료의 부피가 몽글몽글 부풀어 오르는 모습은, 마치 진짜 화산이 분화 전에 천천히 팽창하는 것 같아요.
이 실험은 배합을 몇 번이고 바꿔 가며 반복한 끝에 “오, 이거 되겠는데?” 싶은 절묘한 레시피를 찾아냈는데, 사실 시간이 꽤 오래 걸렸어요. 과학 탐구란 바로 이런 거구나 하고 새삼 느낀 순간이었죠. 게다가 이 실험을 한 단계 더 개선해 준 건 이듬해 실습생이었던 T 선생님과 S 선생님이었습니다. 이번 글에서는 저희가 시행착오 끝에 도달한, 화산 분화 실험을 성공시키는 재료 비율과 그 모습을 자세히 소개해 드릴게요!
준비물
・플라스틱 용기 ・석고 10g×2 ← 지퍼백에 담기 ・베이킹소다 5g×2 ← 증발 접시에 담기 ・세탁풀(PVA) ・물 ・약숟가락 ・유리막대 ・트레이 ・플라스틱 골판지
플라스틱 용기는 다이소에서 파는 아래 제품을 사용했어요. 크기도 중요하니, 같은 방법으로 해 보실 분들은 이 제품을 준비해 주세요.
이 플라스틱 용기의 바닥면과 플라스틱 골판지에 납땜 인두로 구멍을 뚫고, 미리 천 테이프를 붙여 둡니다.
바트에 넣어 두면 좋겠죠.
구멍 크기가 포인트예요. 이 정도입니다.
그리고 가장 중요한 배합은 다음과 같습니다.
마그마의 끈적임이 작은 타입: PVA 세탁풀 1ml + 물 30ml
마그마의 끈적임이 큰 타입: PVA 세탁풀 10ml + 물 15ml
이것들을 위의 용기에 각각 미리 넣어 둡니다.
【실험 순서】
① PVA 세탁풀과 물이 든 플라스틱 용기를 유리막대로 잘 섞는다.
② PVA 세탁풀과 물이 든 플라스틱 용기에 석고 10g(지퍼백에 든 것)을 넣는다.
③ 플라스틱 용기 안의 석고, PVA 세탁풀, 물이 잘 섞이도록 유리막대로 저어 준다.
④ 잘 저었으면 거기에 베이킹소다 5g을 넣고, 전체가 섞이도록 재빨리 유리막대로 젓는다.
※ ③과 ④의 순서를 헷갈리지 마세요. ④를 넣으면 화학 반응이 일어나 이산화탄소가 발생합니다. 또 ③ 상태로 20분쯤 두면 석고가 물과 반응해 굳어 버려서 실험이 잘 안 됩니다. 찾아보니 물과 석고는 반응해서 5분 정도면 끈기가 생기며 굳기 시작한다고 해요.
※ ④에서 재빨리 전체를 섞고 뚜껑을 닫는 것도 포인트입니다. 또 베이킹소다는 뭉쳐 있는 경우가 있으니, 약숟가락으로 잘게 부숴 두세요.
⑤ 플라스틱 용기의 뚜껑을 닫고, 트레이 위에 용기를 뒤집어 놓은 뒤 붙어 있는 테이프를 바로 떼어 낸다.
⑥ 구멍 뚫린 플라스틱 골판지를 위에서 덮고, 용암 모형을 바로 위에서 내려다보며 용액(용암)이 퍼져 나가는 모습을 잘 관찰한다.
※ 실험하는 사람은 반드시 폴리에틸렌 장갑을 착용하세요! 그리고 모두 실험복과 보안경을 착용합니다!
실제로는 이렇게 되었어요.
끈적임이 약한 경우
끈적임이 강한 경우
위에서 봤을 때 끈적임이 약한 경우
위에서 봤을 때 끈적임이 강한 경우
플라스틱 골판지가 없으면 이렇게 됩니다. 있는 쪽이 훨씬 좋다는 걸 실감하실 수 있을 거예요.
정리하면, 왼쪽이 끈적임이 약한 타입, 오른쪽이 끈적임이 강한 타입입니다.
위에서 내려다본 모습을 비교해 봤어요.
・끈적임이 약한 경우의 분화 영상 (킬라우에아산 용암)
색깔의 차이에 대해
마우나로아와 킬라우에아에서 나오는 현무암과, 쇼와신잔에서 나오는 유문암 (색깔 차이에 주목!)
현무암은 거무스름하고, 유문암은 희끄무레하죠.
아래 칸막이가 없는 경우
끈적임이 강한 경우
위에서 보면,
끈적임이 약한 경우
H 선생님의 아이디어로, 검은 쟁반 위에 올려 두 가지를 함께 해 보기로 했어요.
왼쪽 위가 끈적임이 약한 타입, 오른쪽이 강한 타입이에요. 4명이 한 세트로 준비해서 진행했더니 분위기가 완전 후끈 달아올랐답니다.
【왜 이 배합으로 분화가 일어날까?】
이 실험의 열쇠는 석고와 베이킹소다, 그리고 물의 화학 반응입니다.
베이킹소다의 분해로 인한 이산화탄소 발생: 베이킹소다(탄산수소나트륨: NaHCO₃)는 물에 녹으면 일부가 분해되어 탄산 이온(CO₃²⁻)과 탄산수소 이온(HCO₃⁻)이 생기고, 여기서 다시 이산화탄소(CO₂)와 물이 만들어집니다.
석고와 베이킹소다의 반응으로 인한 이산화탄소 발생:
석고(황산칼슘: CaSO₄)가 물에 녹아 생기는 칼슘 이온(Ca²⁺)과 베이킹소다에서 생기는 탄산수소 이온(HCO₃⁻)이 반응하면, 탄산칼슘(CaCO₃)이 침전되는 동시에 이산화탄소(CO₂)와 물이 만들어집니다.
세탁풀(PVA)의 역할: 세탁풀에 들어 있는 폴리비닐알코올(PVA)은 물에 녹으면 긴 분자들이 서로 얽혀 높은 점성을 나타냅니다. 이 PVA가 발생한 이산화탄소 거품을 가둬 두는 역할을 해서, 거품이 한꺼번에 빠져나가지 않고 천천히 부풀어 오르며 분출하는 “끈적한 분화”를 재현해 줍니다.
PVA의 양이 적으면 거품이 금방 빠져서 주르르 흐르는 분화(하와이의 순상화산 같은 형태)가 되고, 많으면 끈적임이 강해져 돔 모양으로 솟아오르는(쇼와신잔 같은 용암 돔) 형태에 가까워집니다.
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