친환경·간단·뒷정리도 완벽! 겹치기만 하면 완성되는 ‘햄버거식 다니엘 전지’ 실험
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험의 연속이죠.
다니엘 전지는 전지의 원리를 이해하는 데 있어 정말 중요한 주제죠. 하지만 실험 준비가 까다롭거나, 실험 후 폐액 처리가 번거로워 고민인 선생님들도 계실 것 같습니다.그래서 이번에 소개해 드릴 실험은 바로 🍔햄버거식 다니엘 전지입니다! 이 독특한 이름처럼 재료를 햄버거처럼 차곡차곡 쌓아서 만드는 획기적인 간이 버전 다니엘 전지예요. 이름만 재미있는 게 아니라, 일반적인 다니엘 전지에 비해 폐액이 훨씬 적게 나와서 환경친화적이라는 점이 가장 큰 매력입니다. 게다가 주변에서 구하기 쉬운 재료로 뚝딱 만들 수 있어 수업 준비 부담도 확 줄여줍니다.물론 간이 버전이라 용액의 상태를 직접 관찰하기 어렵다는 단점은 있어요. 하지만 걱정 마세요! 일반적인 다니엘 전지(시연용)와 병행해서 실험하면 각자의 장점을 살려 학생들의 이해를 훨씬 더 높일 수 있답니다.https://phys-edu.net/wp/?p=41763예를 들어, 일반 다니엘 전지로 이온의 이동이나 금속의 용해·석출 과정을 시각적으로 보여준 뒤, 이어서 소개할 햄버거식 전지로 직접 간편하게 발전 체험을 해보는 흐름이죠. 이런 구성을 통해 학생들은 다니엘 전지의 기본 원리를 다각도로 파악하고 더 깊이 있는 학습을 할 수 있습니다. 이번 수업에 햄버거식 다니엘 전지를 도입해서 학생들의 입에서 “아하!” 소리가 절로 나오는 즐겁고 에코한 화학 실험을 실천해 보시는 건 어떨까요?필요한 재료와 만드는 법이 햄버거식 다니엘 전지의 핵심은 바로 셀로판지입니다. 일반 다니엘 전지에서 두 용액이 섞이지 않게 막아주면서 이온은 통과시키는 소기판(초벌구이 판)이나 염다리와 같은 칸막이 역할을 하죠. 놀랍게도 다이소 같은 곳에서 파는 컬러 셀로판지로도 충분히 제 기능을 발휘해서 비용과 수고를 동시에 아낄 수 있습니다. 또한, 거름종이(키친타월로 대체 가능)를 용액을 적시는 매체로 사용하기 때문에 폐액이 거의 나오지 않아 뒷정리도 정말 간편합니다.
※ 덧붙여서 놀라운 사실 하나! 셀로판지가 없어도 일반 복사용지로도 실험이 가능하다고 하네요. 또한 황산아연 수용액 대신 포화 소금물을 사용해도 된다고 합니다.준비물
- 황산아연 수용액: 약 5% (황산아연 7수화물 9.8g을 물 100g에 녹임)
- 황산구리 수용액: 약 17% (황산구리(Ⅱ) 5수화물 35.7g을 물 100g에 녹임)
- 스포이트 2개, 샬레 2개, 아연판, 구리판, 거름종이 2장 (키친타월 가능), 셀로판지 1장, 티슈 1장, 프로페러 모터, 전자 멜로디 ( #나리카 ), 테스터기, 악어 클립, 핀셋 (셀로판지는 100엔숍에서 구입했습니다.)
실험에 필요한 전체 재료입니다.
실험 방법이제 본격적으로 햄버거식 다니엘 전지를 조립해 보겠습니다. 과정은 아주 간단해요. 샌드위치를 만들 듯이 재료를 차례대로 쌓기만 하면 됩니다!샬레 위에 거름종이를 놓고, 각각 황산구리 용액과 황산아연 용액을 스포이트로 떨어뜨려 충분히 적십니다.
책상 위에 티슈를 깔고 그 위에 구리판을 놓습니다. 이때 책상 가장자리에서 작업하는 것이 편합니다. 쌓는 순서는 다음과 같습니다.
티슈를 깔고 -> 구리판을 놓고 -> 황산구리 수용액을 적신 거름종이를 올린 뒤 -> 그 위에 셀로판지를 덮습니다.
마지막으로 황산아연을 적신 거름종이를 올리고, 그 위에 아연판을 덮어 마무리합니다.
이때 구리판과 아연판이 직접 맞닿지 않도록 주의해야 합니다. 이제 악어 클립으로 집어서 전자 멜로디나 모터에 연결해 보세요. 그다음 테스터기로 전압을 측정합니다.https://youtu.be/DA5oORUdbO4
제가 만들었을 때는 기전력이 약 1V 정도 나왔습니다. 1.1V 정도 나와주면 딱 좋은데 말이죠.
전류를 잠시 동안 계속 흐르게 하기 위해 악어 클립의 두 단자를 서로 연결하여(단락 회로 상태) 2분 정도 방치합니다. 그 후 각 금속판에 붙어있던 거름종이를 떼어내 색깔 변화 등을 관찰합니다.
구리판에 붙어있던 거름종이입니다. 색깔이 붉게 변했네요.
아연판에 붙어있던 거름종이입니다. 어째서인지 이쪽도 갈색으로 변했네요. 구리 이온이 셀로판지를 통과한 걸까요?
다니엘 전지는 한마디로 두 종류의 금속이 이온(물에 녹은 상태)이 되려는 힘의 차이를 이용해 전기를 만드는 장치입니다.다니엘 전지의 원리다니엘 전지에 사용되는 주요 재료를 살펴봅시다.
- 아연판 (Zn): 마이너스 극(-극)이 됩니다.
- 구리판 (Cu): 플러스 극(+극)이 됩니다.
- 황산아연 수용액 (ZnSO₄): 아연판을 담그는 액체.
- 황산구리 수용액 (CuSO₄): 구리판을 담그는 액체. 푸른색을 띱니다.
- 셀로판지 (또는 소기판): 두 수용액이 바로 섞이지 않도록 막아주는 벽입니다.
전기가 흐르는 원리전기가 흐른다는 것(전류)은 사실 전자라는 아주 작은 입자가 이동하는 현상입니다. 다니엘 전지에서는 이 전자를 억지로 밀어내는 일종의 승부가 벌어지는데, 바로 금속이 얼마나 이온이 되어 수용액 속으로 녹아들고 싶어 하는가 하는 승부입니다. (이를 이온화 경향이라고 합니다.)
- 아연 (Zn): “난 정말 녹고 싶어!” 전자를 버려서라도 이온($Zn^{2+}$)이 되고 싶어 합니다.
- 구리 (Cu): 아연만큼 녹고 싶어 하지 않습니다. 오히려 수용액 속의 구리 이온($Cu^{2+}$)은 전자를 받아서 원래의 금속 구리(Cu)로 돌아가고 싶어 하죠.
이 “전자를 버리고 싶은 아연”과 “전자를 받고 싶은 구리 이온”의 상호작용이 전지 원리의 핵심입니다!단계별로 보는 전기의 흐름[-극: 아연 쪽] 아연이 녹으면서 전자를 내던지다!아연판(Zn)이 가지고 있던 전자($e^-$) 2개를 내던지고 아연 이온($Zn^{2+}$)으로 변신해 황산아연 수용액 속으로 녹아 들어갑니다.
Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (전자 방출)
그 결과 아연판은 점점 녹아서 너덜너덜해집니다. 이때 방출된 전자($e^-$)는 도선을 따라 구리판 쪽으로 대이동을 시작하는데, 이것이 바로 전류의 정체입니다![+극: 구리 쪽] 구리 이온이 전자를 넙죽 받다!도선을 타고 전자가 구리판에 도착합니다. 그러면 황산구리 수용액 속에 있던 구리 이온($Cu^{2+}$, 푸른색의 정체)이 기다렸다는 듯 구리판으로 달려와 그 전자 2개를 받아들입니다.
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (전자 수용)
전자를 받은 구리 이온은 다시 평범한 구리(Cu) 원자가 됩니다. 그 결과 구리판에는 점점 구리가 달라붙어 두꺼워지게 되고, 수용액의 푸른색은 점점 옅어집니다.셀로판지의 역할은?셀로판지는 두 수용액이 순식간에 섞이는 것을 막는 칸막이입니다. 하지만 단순한 벽은 아니에요. 아연 쪽에서는 플러스 이온($Zn^{2+}$)이 늘어나고, 구리 쪽에서는 플러스 이온($Cu^{2+}$)이 줄어듭니다. 이 상태로 두면 전기적 균형이 깨져 전기가 흐르지 않게 되는데, 셀로판지의 미세한 구멍을 통해 마이너스 이온($SO_4^{2-}$ 등)이 왔다 갔다 하며 전기적 중성을 맞춰주는 아주 중요한 역할을 합니다.일반적인 다니엘 전지에 대해서는 아래 기사도 함께 참고해 보세요.https://phys-edu.net/wp/?p=41763문의 및 의뢰 안내과학의 신비함과 즐거움을 더 가까이! 집에서 할 수 있는 재미있는 과학 실험과 꿀팁들을 알기 쉽게 정리하고 있습니다. 궁금한 점은 언제든 검색해 보세요!・운영자 쿠와코 켄 소개는 여기・각종 의뢰 (집필, 강연, 실험 교실, TV 자문 및 출연 등)는 여기・새로운 소식은 X(구 트위터)에서 확인하세요!
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