섞기만 해도 80℃!? 직접 만든 핫팩으로 밝혀내는 ‘녹슬 때 나는 열’의 과학! 발열 반응을 손수 배우자
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험이죠.
추운 겨울날, 주머니에 슬쩍 넣어둔 핫팩의 은근한 온기는 정말 하늘이 내린 선물 같죠? 그런데 이 작은 봉투 안에서 대체 무슨 일이 벌어지고 있는지 상상해 본 적 있으신가요?
사실, 이 작은 봉투는 **’주머니 속 화학 공장’**이랍니다. 이번 시간에는 그 공장의 비밀을 파헤치기 위해, 일회용 핫팩을 직접 만들어 보고 화학의 열기를 ‘체험’하는 실험을 소개합니다.
이 실험을 실제로 수업에서 해보면 학생들의 눈빛이 달라집니다. “진짜 따뜻해졌다!”, “봐봐, 김이 나!” 하는 환호성이 교실에 울려 퍼지죠. 눈에 보이지 않던 화학 반응이 손으로 만져지는 **’열’**로 변하는 순간은, 교과서만으로는 절대 느낄 수 없는 최고의 학습 경험입니다.
핫팩 만들기에 도전! 준비물과 순서
목표는 일회용 핫팩의 원리를 이해하고, **’산화’**라는 화학 반응이 **열을 만들어낸다는 것(발열 반응)**을 직접 느껴보는 거예요. 자, 그럼 준비를 시작해 볼까요!
■ 준비물 (1조당)
- 철 가루 (300메시): 약 4g (황화수소 실험에서도 사용했던 거예요). 오늘의 주인공!
- 활성탄: 약 2g. 철의 반응을 돕는 명품 서포터.
- 소금물 (3%): 3cm³ . 반응 속도를 높여주는 마법의 물.
- 종이컵: 1개 (작은 것)
- 온도계: 1개
- 유리 막대: 1개
- 약포지(가루약 포장지): 적당량
■ 실험 순서
① 철 가루 4g과 활성탄 2g을 종이컵에 넣고, 유리 막대로 가루가 고루 섞이도록 잘 젓습니다.
② 소금물 3cm³를 넣고, 즉시 유리 막대로 빠르게 휘젓습니다. 화학 반응 시작!
③ 온도계를 꽂고, 1분마다 온도를 기록하세요. 10분 동안 측정해서 변화를 그래프로 그려봅시다.
팁: 가끔씩 저어주어 공기(산소)를 넣어주면 온도가 더 잘 올라갑니다.
섞기만 했는데 80℃?! 화학의 ‘열’을 파헤치다
실험에서는 조에 따라 최고 80℃ 가까이 온도가 올라가 김이 날 정도의 뜨거운 반응이 나타나기도 합니다! 이는 종이컵 안에서 ‘철의 산화’, 즉 **’철이 급속도로 녹스는 반응’**이 일어나고 있다는 증거예요. 철은 공기 중의 산소와 결합하여 녹슬 때 열을 방출하는 성질이 있답니다. 핫팩의 따뜻함의 비밀은 바로 이 화학 반응에 있었던 거죠.
4Fe+3O
2
+6H
2
O⟶4Fe(OH)
3
+열 에너지
이 화학식이 복잡해 보일 수도 있지만, 핫팩 속 **’최강 팀’**의 활약을 그린 이야기라고 생각해보세요.
- 철 가루 (Fe):【주인공】 산소와 결합하여 열을 내는 에너지원.
- 산소 (O
2
):【단짝】 공기 중에서 와서 철과 반응합니다. - 물 (H
2
O)과 염류:【서포터】 철과 산소의 반응을 엄청나게 빠른 속도로 진행시키는 촉매 역할을 합니다. 소금물을 넣자마자 온도가 오르기 시작하는 건 이들 덕분이죠. - 수산화철 (Fe(OH)
3
):【생성물】 철, 산소, 물이 결합해 만들어진, 일종의 ‘녹’입니다. 이 물질이 생성될 때 열이 발생해요.
그리고 시판되는 핫팩에는 여기에 더 많은 비결이 숨어있습니다.
- 활성탄:【슈퍼 어시스턴트】 표면에 수많은 미세한 구멍이 뚫려 있어, 그곳에 공기 중의 산소를 대량으로 흡착합니다. 철 주변에 산소를 모아 반응을 지속적이고 효율적으로 진행시키는 아주 중요한 역할을 해요.
- 질석, 목분, 흡수성 수지:【조절 담당】 보수성을 높여 반응을 오래 지속시키거나, 발생한 열을 핫팩 전체에 고르게 퍼지게 하는 역할을 합니다. 이들 덕분에 핫팩은 갑자기 너무 뜨거워지지 않고, 오랫동안 따뜻함을 유지할 수 있는 거예요.
안전하게 즐기기 위한 약속
이 실험은 비교적 안전하지만, 철 가루가 산화하는 중에는 고온이 됩니다. 반응이 끝나 충분히 식기 전까지는 절대 쓰레기통에 버리지 마세요. 실험 후에는 종이컵째 안전한 장소에 보관했다가, 다음 날 이후 선생님의 지시에 따라 처리하도록 합시다. 겨우 하나의 일회용 핫팩에도 이처럼 많은 과학적 지식과 아이디어가 담겨있습니다. 주변의 사물에 “왜?”라고 질문을 던지면, 세상은 훨씬 더 재미있게 보일 거예요!
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