소금물은 통하고 설탕물은 안 통한다?! 주방에서 시작되는 전기의 신비 (화학)

안녕하세요, 사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험이죠!

과학 수업에서 “전기가 통하는가, 안 통하는가”에 대한 이야기를 꺼내면, 학생들은 아마 제일 먼저 “금속” 을 떠올릴 거예요. 하지만 이 실험의 매력은 금속뿐만 아니라, 물에 녹인 물질(즉, 수용액) 중에도 전기가 통하는 경우가 있다는 걸 직접 체험하며 깨닫는 데 있습니다. 오늘 소개할 실험은 “수용액에 전류가 흐르는지 확인하는 실험” 입니다. 사용하는 물질은 소금, 설탕, 에탄올 등 학생들이 일상에서 쉽게 접할 수 있는 것들이죠. “어? 설탕물도 전기가 통한다고?” 같은 궁금증이 자연스레 솟아나 탐구심을 자극하는 흥미로운 활동이랍니다. 준비 시간은 대략 40분 정도 걸리지만, 장비를 미리 세팅해 두면 수업 시간 안에 충분히 진행할 수 있어요.

실험에 사용한 물질들

이번에 사용한 수용액과 고체 물질은 다음과 같습니다.

정제수 (H₂O)

소금물 (NaCl aq)

설탕물 (수크로오스 수용액 C₁₂H₂₂O₁₁aq)

염산 (HCl aq)

에탄올 (C₂H₆O aq)

수산화나트륨 수용액 (NaOH aq)

고체 소금 (NaCl)

고체 설탕 (C₁₂H₂₂O₁₁)

이 중에서 “전류가 흐르는 것” 과 “흐르지 않는 것” 을 체크해 볼 겁니다. 과연 어떤 결과가 나올까요? 준비했을 때의 모습은 이랬습니다. 8개 조 편성으로 1~4번 용액과 5~8번 용액을 나눠서, 각각 4개씩 같은 용액을 만들어 뒀다가 나중에 한 번에 교체하는 방식이에요.

라벨은 노란색 비닐 테이프에 유성 매직으로 썼습니다.

랩을 씌워두면 비교적 오래 보존할 수 있습니다.

참고로 소금물과 염산은 매번 수업이 끝날 때마다 교체해야 해서 400mL씩 만들었습니다. 시간이 지나면 색깔이 변하는 현상이 관찰되기 때문이에요.

실험 진행 방식

학생들은 셀 플레이트를 사용하여 각 수용액을 나누고, 스테인리스 전극을 넣어 전압을 걸어 전류가 흐르는지 확인했습니다. 전압은 5V로 설정했고, 사용한 전류계는 아날로그식이라 미세한 변화도 놓치지 않고 확인할 수 있죠. 회로는 이런 모습입니다.

실험이 끝날 때마다 증류수로 헹구는 것도 잊지 마세요. 또한, 고체 소금과 설탕의 경우에도 전극을 꽂아 전류를 측정합니다.

염산에서 볼 수 있는 재미있는 현상

염산(HCl aq) 실험 결과입니다. 비커에 염산을 넣고 전류를 흘려주면 어떻게 될까요? 관찰해 보니, 무려 1.13A의 전류가 흘렀습니다! 상당히 큰 전류죠! 게다가 한쪽 전극에서 거품이 엄청나게 많이 올라왔습니다. 이 거품은 전기 분해로 생긴 부산물인데, 보고 있으면 정말 흥미로운 현상입니다. 염산에 전극을 오래 담가두면 염소가 발생하여 물에 녹아들어 특유의 염소 냄새가 퍼집니다. 또한, 염소수가 만들어지면서 용액의 색깔이 변하는 것도 확인할 수 있었습니다.

관찰 후에는 전극을 빼내야 합니다. 왜냐하면 염산의 경우 염소가 발생하여 물에 녹아 염소 냄새가 나고 염소수가 되어 색깔이 변하기 때문입니다. 또한 소금물은 스테인리스 전극이 녹아 나와 수용액의 색깔이 변해버립니다. 다음은 염산의 모습으로, 노란색이나 녹색으로 변합니다.

실험 전과 후

소금물에서는 어떻게 될까요?

소금물(NaCl aq)에도 똑같이 전류를 흘려보았습니다. 그러자 스테인리스 전극이 녹아 나오면서 역시 용액의 색깔이 변하기 시작했습니다. 오랫동안 전류를 흘려주면 소금물 안에 주황색 침전물이 생기는 것도 흥미로운 관찰 지점입니다.

실험 전과 후

전기 분해 후의 소금물. 주황색 침전물이 생깁니다.

오랫동안 전류를 흘려주면 이렇게 색이 선명하게 나타납니다. 왼쪽이 염산, 오른쪽이 소금물입니다.

왜 이런 현상이 일어날까요? 자세한 내용은 여기를 확인해 보세요.

塩酸と食塩水の電気分解後に溶液の色が変わる理由（水溶液とステンレス電極の化学反応）

핵심은 다음과 같은 반응이 일어나기 때문입니다.

• 염산의 경우 → 양극에서 염소가 발생하고, 염소가 물에 녹아 황록색으로 변합니다. 염소 냄새가 날 수도 있으니 환기에 주의하세요. ※반응 상세 보기

• 소금물(염화나트륨 수용액)의 경우 → 스테인리스 전극이 반응하여, 양극에서 수산화철(Ⅲ)이 나와 갈색~노란색으로 탁해지는 현상이 발생할 수 있습니다. 즉, 이것은 수용액 자체의 반응이라기보다는 전극 재질에 의한 변화입니다. ※자세한 설명은 여기 또는 여기를 참고하세요.

전류가 흐른 수용액은 무엇일까요?

자, 마지막으로 어떤 수용액에 전류가 통하는지 표로 정리해 보았습니다. 실험 결과는 이렇습니다!

• 정제수… 잘 안 흐름 • 소금물… 흐름 • 설탕물… 잘 안 흐름 • 염산… 흐름 • 에탄올… 잘 안 흐름 • 수산화나트륨 수용액… 흐름 • 고체 소금… 흐르지 않음 • 고체 설탕… 흐르지 않음

이 결과를 보면, 소금물, 염산, 수산화나트륨 수용액이 전류를 흘려보낸다는 것을 알 수 있었습니다. 반면, 정제수, 설탕물, 에탄올은 잘 흐르지 않았고, 고체 상태의 소금과 설탕은 전류를 전혀 통과시키지 않는다는 것이 확인되었죠. 어떤 물질은 흐르고, 어떤 물질은 안 흐른다고 학생들이 각각 다르게 판단할 수도 있습니다. 그럴 때는 양의 문제일 수 있으니, 전체가 데이터를 공유하면 검토하기가 더 쉬워질 거예요. 그때 활용했던 것이 바로 이 스프레드시트입니다. 복사해서 사용해 보세요. 다음은 그 예시입니다만,

표로 정리하면 정제수, 설탕물, 에탄올은 잘 흐르지 않고, 고체 소금과 설탕은 흐르지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 반대로, 소금물, 염산, 수산화나트륨은 전류가 흐른다는 것을 확인할 수 있죠.

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