금속들의 자리싸움! ‘이온이 되고 싶어!’ 최강 금속을 가려내는 마이크로 규모 실험

사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험이죠!

왜 철로 된 못은 녹이 스는데, 금(골드) 반지는 영원히 빛을 낼까요? 건전지는 왜 단순히 금속들을 조합하는 것만으로 전기를 만들어낼까요? 그 비밀은 바로 금속들이 “이온이 되고 싶어!”라고 바라는 마음의 강도, 즉 “금속이 이온으로 변하려는 성향”에 숨겨져 있습니다.오늘은 눈에 보이지 않는 금속들의 ‘진심’을 마이크로 스케일(초소형)로 진행하는 친환경 실험을 소개합니다! 핵심은 “소량의 시약, 탁월한 관찰성, 안전성”입니다. 중학생도 쉽게 이해할 수 있고, 준비물도 적어 부담이 없다는 점이 매력적이죠. 화학을 좋아하는 학생은 물론, “좀 어렵다…”고 느끼는 학생도 극적인 색 변화에 분명 짜릿함을 느낄 거예요.’금속이 수용액 속에서 이온이 된다’는 말을 들으면 잘 와닿지 않을 수 있지만, 실제로 금속 색깔이 변하거나 용액의 푸른색이 사라지는 드라마틱한 변화를 직접 보면 “아, 이게 이런 거구나!” 하고 깊이 이해할 수 있습니다. 게다가 마이크로 플레이트나 미니 보틀을 사용하면 폐액을 획기적으로 줄여 실험의 환경 부담도 최소화할 수 있습니다.이번에는 준비부터 관찰, 그리고 “왜 이런 현상이 일어날까?” 하는 고찰까지 자세하게 알려드릴게요.

준비물

도구/시약 설명— | —구리판, 아연판, 마그네슘판 | 이번 실험의 주인공, 3가지 금속 선수

• 3% 황산구리 수용액 | 구리 이온 (푸른색)
• 3% 황산아연 수용액 | 아연 이온 (무색)
• 3% 황산마그네슘 수용액 | 마그네슘 이온 (무색)

💡 추천 아이템: 나리카(Narikar) 사의 미니 보틀(이곳)은 한 방울씩 조절하기 쉬워서, 일반 저가 제품과는 사용감이 완전히 다릅니다.

https://www.rika.com/product/detailed/S75-1140-02

그 외 필요한 도구는 마이크로 플레이트 (소량으로 반응을 관찰할 수 있는 접시), 핀셋, 보안경입니다.

시약 준비 (3% 용액 만드는 법)

시약 제조 방법은 다음과 같습니다. 조금 전문적이지만, 선생님들을 위한 메모입니다.

3% 황산구리 수용액 만들기: 황산구리(Ⅱ) 5수화물($\text{CuSO}_4 \cdot 5\text{H}_2\text{O}$) 4.9g + 물 100g을 녹인다.3% 황산아연 수용액 만들기: 황산아연 7수화물($\text{ZnSO}_4 \cdot 7\text{H}_2\text{O}$) 5.6g + 물 100g을 녹인다.3% 황산마그네슘 수용액 만들기: 황산마그네슘 7수화물($\text{MgSO}_4 \cdot 7\text{H}_2\text{O}$) 6.5g + 물 100g을 녹인다.

실험 순서

금속판 준비각 금속판을 사포로 가볍게 문질러 표면에 광택을 냅니다. 이는 표면의 산화된 막(녹 등)을 제거하고 금속의 ‘맨얼굴’을 드러내기 위함입니다. 반응이 훨씬 더 잘 일어나게 됩니다.마이크로 플레이트에 금속 배치플레이트의 각 셀(작은 홈)에 3종류의 금속 조각을 놓습니다. (9개의 셀을 사용해 3종류의 금속 $\times$ 3종류의 수용액, 총 9가지 패턴을 실험합니다)각 수용액 점적미니 보틀을 이용해 각 금속 위에 수용액을 3방울 정도씩 떨어뜨립니다.반응 관찰색깔 변화, 거품 발생, 금속 표면의 모습 3가지에 집중하여 관찰합니다.

실험 결과 및 관찰 예시

실제로 실험해 본 결과는 다음과 같습니다.https://youtu.be/3Wj6nx0YqKQ이것이 셀의 모습입니다. 총 9가지 패턴 중 일부 셀에서 명확한 반응이 관찰되었습니다 (사진에서는 왼쪽 아래 3개 셀 등).특히 드라마틱했던 것은 푸른색의 황산구리 수용액에 넣은 금속들의 모습입니다.

【황산구리 수용액 $\times$ 마그네슘판】

왼쪽이 반응 전, 오른쪽이 반응 후

마그네슘 조각이 조금 얇아졌습니다 (녹았습니다).

오른쪽이 새것, 왼쪽이 반응 후. 표면이 검게 변했습니다.

마그네슘을 넣자마자 표면이 곧바로 검게 변하고, 푸르던 용액의 색깔이 옅어집니다! 마그네슘판 자체도 조금 녹아(얇아져) 있습니다.

【황산구리 수용액 $\times$ 아연판】

왼쪽이 반응 전, 오른쪽이 반응 후아연판도 마찬가지로 표면에 붉은 기가 도는 부착물이 생겼습니다. 마그네슘만큼 격렬하진 않지만, 분명하게 반응하고 있습니다.

【황산구리 수용액 $\times$ 구리판】

구리판은 황산구리 수용액에 넣어도 아무런 변화가 없었습니다.요약하자면, 조합별로 관찰된 변화는 다음과 같습니다.황산구리 $\times$ 마그네슘 금속 표면이 검게 변함, 침전물 생성황산구리 $\times$ 아연 금속 표면에 붉은 부착물황산구리 $\times$ 구리 변화 없음이렇게 됩니다.

고찰: 금속의 이온화 경향

이러한 반응 결과를 통해, 전자를 방출하고 이온이 되기 쉬운 금속의 순서(=이온화 경향)를 유추할 수 있습니다.

마그네슘 > 아연 > 구리

마그네슘은 가장 적극적으로 반응했고, 구리는 정반대로 아무 변화도 없었습니다. 이는 마그네슘이 전자를 방출하기 쉽고, 이온화되기 가장 쉽다는 것을 보여줍니다.

정리 및 수업 활용 팁

좁은 공간, 저렴한 비용, 안전성까지 삼박자를 갖춘 마이크로 스케일 실험입니다. “푸른색이 사라진다”, “붉은 금속이 나타난다” 등 색깔 변화가 극적이어서 화학 변화를 실감하기 쉽습니다. 고찰 과정이 ‘왜?’를 파헤치는 스토리 라인이 되어 그룹 활동에도 최적입니다. 폐액도 마이크로 플레이트 셀 몇 방울에 불과해서, 뒷정리가 간단하고 환경에도 친화적입니다!이온화 경향에 대한 이해는 중학교 과학에서 배우는 ‘다니엘 전지'(아연과 구리의 이온화 경향 차이를 이용해 전기를 얻는 장치)나 고등학교 화학의 ‘금속의 부식(녹)’으로 이어지는 매우 중요한 기초입니다.이 즐거운 실험을 통해 화학의 재미를 함께 탐구해 봅시다!

마이크로 스케일 실험 amazon

문의 및 의뢰에 관하여

과학의 신비로움과 재미를 더 가까이에서! 집에서 할 수 있는 즐거운 과학 실험과 그 노하우를 알기 쉽게 정리했습니다. 다양하게 검색해 보세요! $\cdot$ 운영자 쿠와코 켄에 대해서는 이곳 $\cdot$ 각종 의뢰(집필, 강연, 실험 교실, TV 자문, 출연 등)는 이곳 $\cdot$ 기사 업데이트 정보는 X(구 트위터)에서 제공 중!

과학 아이디어 채널에서 실험 영상을 제공 중!