샤프심이 전극으로 변신!? ‘염화구리 전기분해’로 화학 변화를 추적하자 (마이크로 실험으로 친환경적으로!)

사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험이죠.

여러분은 과학 실험이라고 하면 무엇이 떠오르시나요? 비커나 플라스크가 늘어서 있고, 왠지 모르게 어려워 보이는 약품들을 많이 사용하는… 그런 이미지를 떠올리실 수도 있습니다. 하지만 사실, 훨씬 간편하고 환경에도 친화적이면서 과학의 핵심에 다가가는 방법이 있답니다.

이번에는 중학교 과학 시간에도 익숙한 「염화구리 전기분해」를 놀랍도록 작은 실험 기구(#마이크로플레이트)를 이용하는 「#마이크로스케일실험」으로 소개해 드립니다. 이 실험은 단순히 전기를 흘려주는 것 이상의 재미가 있습니다. 푸르고 아름다웠던 수용액이 「투명」하게 변하고, 눈에 보이지 않았던 「금속」이 나타나는… 마치 마법 같은 화학 변화를 눈앞에서 관찰할 수 있습니다!

작은 실험실, 「마이크로스케일」의 매력

이번에 진행한 「#마이크로스케일실험」은 제가 이전에 근무했던 학교에서도 도입했던 방식입니다. 사용하는 약품이나 물의 양을 최소화하여, 실험 후 발생하는 「폐액」을 획기적으로 줄일 수 있습니다. 환경을 고려하면서도 준비와 뒷정리가 간편해지고 안전하게 실험을 즐길 수 있다는 것이 가장 큰 매력입니다.

규모가 작기 때문에 변화가 신속하게 나타나 관찰에도 매우 적합하답니다. 마이크로스케일 실험에 대해 더 자세히 알고 싶다면, 이 논문을 꼭 확인해보세요. 실험의 상세 내용과 염화구리 수용액 제조법까지도 자세히 정리되어 있습니다.

마이크로스케일 실험에 대해서는 이 논문에서 자세히 다루고 있습니다

이것이 실제 실험 모습입니다. 먼저 영상을 통해 확인해보세요!

실험 준비와 「아하!」하는 아이디어

실험에 사용할 「염화구리 수용액」은 푸른색을 띠는 액체입니다. 과학 실험에서는 약품의 농도(진하기)를 정확하게 계산해서 준비합니다.

【10%-塩化銅（Ⅱ）二水和物水溶液の調製法】

塩化銅（Ⅱ）二水和物 CuCl2・2H2O 式量＝170.48

10%水溶液を調製する場合，水和水を除いて10gになる量をはかりとる。 CuCl2＝63.5＋35×2＝133.5 　　2H2O＝2×18＝36 であるから，

よって，13gの塩化銅（Ⅱ）二水和物結晶に水を加えて100gにする。

조금 전문적인 계산이 나왔지만, 이는 수용액에 「수화수(결정에 포함된 물)」가 있는 경우에 필요한 계산입니다. 하지만 다행히도, 이번 실험의 염화구리 농도는 조금 낮아도 가능합니다(3퍼센트도 괜찮습니다). 논문에서는 하나의 셀(실험 구멍)에 4cm³라고 나와 있지만, 비교를 위해 1cm³도 준비했습니다.

참고로, 만약 학교에서 4명씩 10개 조(40명 학급)로 실험한다고 해도, 1개 조 분량(4cm³) × 10 = 40cm³에 불과합니다. 4개 학급 전체를 통틀어도 겨우 160cm³(우유팩의 1/6 정도)만 있으면 됩니다. 정말 친환경적이죠!

(이번에는 비교 실험도 하고 싶어서 좀 더 많이 만들었습니다)

실험 방법과 안전을 위한 아이디어

실험 방법은 간단합니다.

1. 셀에 염화구리(Ⅱ) 이수화물 수용액을 넣습니다.
2. 탄소 막대 전극을 꽂고, 5V 직류 전압을 가합니다.
3. 양극(+극), 음극(-극)에서의 변화를 관찰합니다.
4. 양극/음극에서 발생한 물질에 대해 조사합니다.

여기서 재미있는 아이디어가 있습니다. 전극에 사용하는 「탄소 막대」, 놀랍게도 「굵은 2mm 샤프심」으로 대체할 수 있습니다!

2mm 샤프심

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샤프심도 연필심과 같은 **「탄소」**로 만들어져 있어 전기를 잘 통하는 성질이 있습니다.

다만, 여기서 중요한 것은 「합선 방지」입니다. +극과 -극이 수용액 속에서 서로 붙게 되면, 전기가 수용액이 아닌 전극 사이를 직접 흘러버려(합선), 올바른 전기 분해가 이루어지지 않습니다. 매우 위험할 수도 있습니다. 그래서 발포 스티로폼을 작게 잘라 전극을 고정하는 받침대를 만들었습니다.

발포 스티로폼이 없더라도, 전극을 「팔(八)자 모양」으로 벌려서 절대로 서로 붙지 않도록 강하게 주의를 주는 것도 중요합니다.

회로는 하나의 전원 장치에서 분기시켜 두 가지 실험을 동시에 진행할 수 있도록 구성했습니다. 전압은 5V입니다.

자, 이제 실험 시작! 푸른 수용액의 대변신

전극을 연결하고 전기 분해를 시작합니다!

용액을 가만히 관찰하고 있으면… 곧바로 변화가 나타납니다. 음극(-극) 쪽으로 갈색을 띠는 물질이 달라붙는 것을 확인할 수 있습니다. 그리고 양극(+극) 쪽에서는 미세한 기포가 보글보글 발생하기 시작했습니다.

약 10분 정도 계속 전압을 걸어주면…그토록 선명했던 수용액의 푸른색이 완전히 사라지고 투명해집니다! (※ 시간을 단축하고 싶다면 9V 정도로 진행할 수도 있지만, 합선에 대한 주의를 더욱 기울여야 합니다!)

수수께끼 해설: 사라진 「푸른색」과 나타난 「거품」의 정체

자, 이제 이 신기한 변화의 정체를 파헤쳐 봅시다. 우선, 수용액의 「푸른색」 정체는 「구리 이온(Cu²⁺)」이라는 입자입니다. 염화구리(CuCl₂)가 물에 녹으면, 구리 이온(Cu²⁺)과 염화 이온(Cl^–)으로 나뉩니다.

【음극(-극)에서의 변화】

음극(-극)에는 플러스 전기를 띠는 「구리 이온(Cu²⁺)」이 끌려옵니다. 그리고 전원 장치에서 보내진 전자(e^–)를 받아들여, 전기적으로 중성인 「구리(Cu)」 원자가 됩니다. 이것이 바로 전극에 달라붙은 갈색 물질의 정체입니다! 수용액 속에 있던 푸른색의 「구리 이온」이 계속해서 「구리」로 변했기 때문에, 수용액의 색이 사라지고 투명해진 것입니다.

【양극(+극)에서의 변화】 양극(+극)에는 마이너스 전기를 띠는 「염화 이온(Cl^–)」이 끌려옵니다. 그리고 전자(e^–)를 빼앗겨 「염소(Cl₂)」라는 기체(가스)가 됩니다. 보글보글 올라오던 그 거품의 정체는, 수영장 소독 냄새로도 익숙한 바로 「염소」였습니다!

염소는 「탈색 작용」이 있어 색깔을 없애는(표백하는) 작용을 합니다. 학생들에게 이 염소 확인 실험을 자유롭게 시도하게 했습니다. 거름종이에 수성 잉크(빨간색)를 떨어뜨려 양극 근처에 두어 탈색 반응을 확인하는 조, 거름종이를 용액에 담가보는 조, 옆 셀에 물과 잉크를 넣고 거품을 유도하는 조 등 다양한 방법이 나왔습니다.

수성 잉크 외에도 녹색 형광펜을 사용하면 색 변화를 훨씬 더 잘 볼 수 있다는 것도 알게 되었습니다! 이 또한 재미있는 발견입니다.

확장되는 과학적 연결고리

실험은 여기서 끝이 아닙니다. 음극(-극)에 달라붙은 「구리」는 거름종이 위에 떼어내어 스푼 등으로 문지르면 반짝이는 금속 광택을 뿜어내는 것도 확인할 수 있습니다. 나아가 어떤 조는 가스 토치(burner)를 사용해 수용액이나 달라붙은 구리를 태워 「불꽃 반응」을 확인하기도 했습니다.

구리는 불꽃에 넣으면 청록색 불꽃을 냅니다. 이는 불꽃놀이의 색을 내는 데도 사용되는 원리입니다. 스스로 얻어낸 물질이 확실히 「구리」임을 다양한 방법으로 확인해 나가는 것… 이야말로 과학의 진정한 묘미(재미)가 아닐까요. 「전기 분해」라는 단어만 외우는 것이 아니라, 실제로 눈앞에서 물질이 변하고, 색이 사라지고, 새로운 물질이 생성되는 순간을 체험함으로써 화학의 재미가 훨씬 깊어집니다. 여러 가지 발견이 있는 정말 흥미로운 실험입니다. 마이크로스케일 실험에 대해서는 이 책도 구입해봤습니다.

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