질산칼륨과 염화나트륨으로 하는 ‘재결정 실험’ 준비와 절차
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험이죠.
일상생활에서 ‘결정’에 대해 생각해 본 적 있으신가요? 사실 우리 주변에도 결정은 늘 존재해요. 예를 들면, 겨울 아침 창문에 낀 성에, 눈 결정, 그리고 식탁 위에 있는 설탕이나 소금 알갱이도 작은 결정이에요. 하지만 이것들이 어떻게 만들어지는지 진지하게 생각해 본 사람은 많지 않을 거예요.
이번에 소개해 드릴 ‘재결정’ 실험은 중학교 1학년 화학 분야에서 다루는 내용으로, 평소에는 잘 의식하지 못하는 결정을 직접 내 손으로 만들어 보는 신나는 실험이에요. 특히 질산칼륨이나 염화나트륨을 사용해 결정을 얻는 방법을 배우게 되는데요. 이 실험을 통해 용해도와 온도의 영향을 몸으로 직접 느끼면서 물질의 성질에 대한 이해를 깊게 할 수 있답니다. 그럼 바로 그 방법을 알아볼까요!
실험 순서
⓪ 사전 준비
시험관에 소금(빨강) 3g과 질산칼륨(파랑) 3g을 약포지에 담아 둡니다.먼저, 소금과 질산칼륨을 약포지 등에 미리 담아 무게를 재어 두면 실험을 빨리 끝낼 수 있어요. 저는 과학 조교님께 미리 부탁해서 만들어 놓았습니다. 30분 정도 걸리더라고요.
① 시험관에 녹이기
그다음, 각각 3g을 다른 시험관에 넣고 5mL의 물을 추가한 뒤, 뜨거운 물이 담긴 비커에 넣고 살짝 흔들어 잘 섞어 줍니다(저는 파란 라벨에 질산칼륨을, 빨간 라벨에 염화나트륨을 넣으라고 지시했어요). 그런데 피펫으로 5mL를 잘 못 재는 학생들이 있어요. 실험 전에 피펫 잡는 법과 사용법을 미리 알려줘야 해요.
질산칼륨은 전부 녹아요.
실험이 서툰 학생들은 뜨거운 물이 식어서 잘 안 녹는 조도 있었어요. 다시 뜨거운 물을 넣어 주긴 했지만, 이 실험은 50분 내내 써야 해서 주의해야 합니다. 시간이 좀 지나도 전부 녹지 않을 때는 위쪽의 맑은 용액(녹아 있는 부분)을 약 2mL 다른 시험관에 옮겨 담아요(초록색 라벨이 붙은 시험관).
② 용액을 식히고 변화 관찰하기
파란색이 모두 녹으면 빨간색에 녹지 않은 부분이 남아 있더라도, 시험관째로 찬물이 담긴 비커에 넣어 식힙니다. 그러면… 질산칼륨 쪽에서는 용질(고체 성분)이 결정이 되어 나타나요! 결정이 나오면 시험관 거치대에 세워 두고 관찰해 봐요. 예쁜 바늘 모양의 결정이 보일 거예요.
질산칼륨 결정의 모습
염화나트륨은 나오지 않아요.
③ 거른 뒤 현미경 등으로 관찰하기
질산칼륨은 거름종이로 거른 후 고체만 남겨 둡니다. 바로 관찰해도 되지만, 소금 결정도 보고 싶으니까 이대로 둔 채 용액을 두 개로 나눠요. 하나는 자연 건조시켜서 증발시키는 방법, 다른 하나는 끓여서 물을 날려 보내는 방법으로 해 볼 거예요. 먼저 물을 끓여서 날리는 방법부터 설명할게요.
이건 끓여서 물을 날려 보내는 방법이에요.
이때 가열하면 소금이 튈 수 있으니 조심해야 해요. 보호 안경을 꼭 착용하세요. 최종적으로 이렇게 된답니다.
약수저로 채취해서 돋보기나 현미경으로 들여다봅시다. 현미경으로 보면 소금은 결정이 거의 보이지 않아요.
현미경으로 관찰하기
질산칼륨도 거름종이에서 약수저로 결정을 꺼내 현미경으로 보세요. 맨눈으로도 놀라울 만큼 섬세한 결정의 모습을 관찰할 수 있습니다.정말 아름다워요! 바늘 모양의 결정이 보이죠?
확대
슬라이드 글라스에 올리고 현미경으로 보면(질산칼륨)
이렇게 보입니다. 자연 건조시킨 용액은 따로 모아서 슬라이드 글라스에 한 방울씩 떨어뜨려 뒀어요.
이건 다음 시간에 관찰할 거예요.
④ 며칠 뒤, 염화나트륨 결정 관찰하기
결정의 모양과 무늬를 꼼꼼히 관찰해 보세요. 관찰한 후에는 꼭 스케치해서 아름다운 모습을 기록해 두면 좋겠죠. 염화나트륨 결정(정사각형 같은 구조가 보여요)
맨눈으로도 정사각형 구조를 관찰할 수 있어요. 현미경으로도 봤는데…
확대해 보면…
마찬가지로 질산칼륨도 햇볕에 말려봤어요. 그게 바로 이거예요.
재결정 실험은 눈에 보이지 않던 용질이 다시 고체로 나타나는 순간을 체험할 수 있는, 정말 신나는 실험이에요. 학생들이 직접 결정을 만들면서 과학의 신비함을 가까이 느낄 수 있을 거예요. 만약 결정을 더 크게 키우고 싶다면, 다음 단계로 결정을 키워내는 방법을 도전해 보게 하는 것도 재미있을 것 같네요.
참고로, 이건 예전 근무하던 학교 과학부 학생들이 만든 결정이에요.
염화암모늄 결정 모습도 추천해요. 여기서 보실 수 있습니다.
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