플라스크 속 ‘빨간 용 분수’의 반전! 실패 속에 숨겨진 암모니아의 놀라운 능력
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험이죠.
플라스크 안에 새빨간 분수가 솟아오르는… 마치 마법 같은 **’암모니아 분수 실험’**을 아시나요? 학창 시절 과학 수업에서 보신 분들도 많을 겁니다. 이 아름다운 현상은 사실 암모니아라는 기체의 **’의외의 성질’**을 이용한, 과학의 재미가 가득 담긴 실험이랍니다.
이번에는 이 암모니아 분수 실험에 도전했을 때의 손에 땀을 쥐게 하는 드라마틱한 결과와, 그 아름다움 뒤에 숨겨진 과학적 비밀을 모두 알려드리겠습니다!
암모니아 분수 실험 도전! 1승 2패의 드라마틱한 결과는?
여러분, 안녕하세요! 이번에는 과학 실험 중에서도 특히 인기가 높은 **’암모니아 분수 실험’**에 도전했습니다!
실험 준비는 간단합니다. 염화암모늄과 수산화칼슘이라는 두 종류의 흰 가루를 섞어 가열하면 암모니아 기체가 발생합니다. 화학 반응식으로 쓰면 다음과 같습니다.
2NH₄Cl + Ca(OH)₂ ⟶ 2NH₃ + CaCl₂ + 2H₂O
이 반응에 사용되는 염화암모늄과 수산화칼슘을 각각 약 3g씩 사용하면, 이론상 암모니아가 약 1.3L나 발생하는 것으로 계산됩니다. 이 정도 양이면 분명 성공할 거라고 의기양양하게 임했습니다! 아래에 반응에 관여하는 물질의 화학 구조를 보여드립니다.
실험 방법과 성공을 위한 ‘비결’
암모니아 분수 실험을 성공시키기 위해서는 몇 가지 중요한 포인트가 있습니다.
1. 약품 섞기
염화암모늄과 수산화칼슘을 3g씩 취하여 잘 섞습니다. 이때, 반드시 보호 안경을 착용해야 합니다.
2. 암모니아 발생 및 포집
섞은 약품을 시험관에 넣고 가스버너로 약하게 가열합니다. 발생한 암모니아 기체를 마른 둥근 바닥 플라스크에 모읍니다. 여기서 중요한 포인트가 세 가지 있습니다!
- 충분한 환기: 암모니아는 자극적인 냄새가 강하고, 고농도로 흡입하면 위험합니다.
- 시험관 입구를 살짝 낮추기: 이 화학 반응에서는 물(H
2
O)도 발생합니다. 시험관 입구를 낮추지 않으면, 발생한 물이 가열 부분으로 역류하여 시험관이 깨질 위험이 있습니다. - 암모니아를 올바르게 모으기: 암모니아는 공기보다 가벼운 기체입니다. 따라서 플라스크 입구를 아래로 향하게 하여 하방 치환법으로 모읍니다. 유리관을 플라스크 깊숙이 넣어 플라스크 안의 공기를 밀어내듯이 모으는 것이 실패율을 낮추는 비결입니다.
팁을 드리자면, 기체를 모을 때 관의 끝을 둥근 바닥 플라스크의 상단으로 가져가는 것입니다. 위에서부터 채워 넣는 듯한 느낌으로 모으세요. 또한, 플라스크는 클수록 성공 확률이 높아집니다!
3. 자극적인 냄새 주의!
암모니아 냄새를 확인할 때는 시험관에서 얼굴을 멀리하고, 손으로 부채질하듯이 맡아야 합니다. 절대로 직접 흡입해서는 안 됩니다.
승부의 결과는… 드라마틱한 1승 2패!
예비 실험에서는 2번 성공했기에 “오, 이 정도면 되겠는데!”라며 자신만만했지만, 막상 본 수업에서 시도해 보니… 결과는 무려 1승 2패! 2번 실패하고 1번만 성공하는, 그야말로 드라마 같은 전개가 펼쳐졌습니다. “실험은 교과서대로 되지 않는구나…” 하고 학생들과 함께 아쉬움을 삼켰지만, 그만큼 성공했을 때의 기쁨은 훨씬 컸습니다! 교실 전체가 “와아!” 하는 큰 환호성으로 가득 찼습니다.
성공의 순간! 아름다운 붉은 분수의 수수께끼
성공했을 때의 모습은 다음과 같습니다!
플라스크 안으로 빨려 올라간 물이 아름다운 분홍색 분수가 되어 퍼져나가는 모습은 언제 봐도 감동적입니다. 그런데 여기서 궁금하지 않으신가요?
“왜 그냥 물이 분홍색으로 변할까?”
“애초에 왜 물이 저절로 빨려 올라갈까?”
그 비밀은 암모니아의 놀라운 성질에 숨겨져 있습니다. 사실 암모니아는 **’물에 엄청나게 잘 녹는다’**는 특징을 가지고 있습니다. 플라스크 입구에 연결된 스포이트로 물을 조금 넣어주면 (이것이 ‘호출수’입니다), 플라스크 안의 암모니아가 그 물에 순식간에 녹아버립니다. 그러면 기체가 액체에 녹아버린 만큼 플라스크 내부의 압력이 급격히 낮아집니다. 외부 기압(대기압)은 변하지 않으므로, 플라스크 안팎으로 큰 압력 차가 발생합니다. 이 압력 차를 해소하기 위해 비커 속의 물이 대기압에 의해 밀려 강한 기세로 플라스크 안으로 빨려 올라가는 것입니다. 이것이 바로 ‘분수’의 정체입니다.
그리고 분홍색의 비밀! 이것은 미리 비커의 물에 **’페놀프탈레인 용액’**이라는 지시약을 섞어두었기 때문입니다. 페놀프탈레인은 알칼리성 액체와 반응하여 선명한 분홍색으로 변하는 성질이 있습니다. 암모니아가 녹은 물은 ‘암모니아수’가 되어 알칼리성을 띠므로, 빨려 올라간 물이 아름다운 분홍색으로 물드는 것이죠.
참고로, 분수가 도중에 멈추는 것은 플라스크 안에 물이 가득 차면서 안팎의 압력 차가 작아지기 때문입니다. 이것 또한 과학 법칙이 작용하고 있다는 증거죠.
실험의 재미는 ‘예측 불가능한 드라마’에 있다!
이번 실험의 실패 원인은, 1차는 암모니아 발생량이 부족했던 것, 2차는 암모니아수를 직접 가열하는 방법을 시도했을 때 화력이 너무 강했던 것이었습니다. 역시 무슨 일이든 꼼꼼한 준비가 중요하죠. 하지만 성공하든 실패하든, 그 모든 과정이 배움으로 이어집니다. “왜 잘 안 됐을까?”, “어떻게 하면 다음엔 성공할까?”라고 생각하는 과정이야말로 과학의 가장 재미있는 부분일지도 모릅니다. 이번 1승 2패는 그야말로 과학의 예측 불가능한 드라마를 체험하게 해 주었습니다.
더 알고 싶다면! 암모니아 분수 응용편
학생들에게 보여주기 위한 영상으로는 다음 영상도 매우 이해하기 쉽습니다.
또한, 이런 재미있는 실험 영상도 찾았습니다. 일반적인 분수 실험에는 호출수용 스포이트가 달려 있지만, 이 영상에는 그것이 없습니다. 관을 물에 담가 두기만 하면 암모니아가 조금씩 물에 녹아들고, 이윽고 자동으로 분수가 시작되는 것입니다. 시범 실험으로 보여주면 분명 모두 깜짝 놀랄 겁니다!
이번 실험에 사용된 염화암모늄은 다음 단원인 ‘재결정’ 실험에서도 아름다운 결정을 보여줍니다. 하나의 물질이 다양한 과학 현상에 관여한다는 것을 아는 것도 화학의 재미 중 하나죠.
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