아연과 염산으로 만드는 ‘미니 폭탄’: 청정 기체 수소 발생 실험!
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험이죠!
“타면 물이 되는 깨끗한 기체”, 이런 마법 같은 물질에 대해 들어본 적 있으신가요? 사실 그건 바로 ‘수소’입니다. 이번 시간에는 미래 에너지라고도 불리는 이 수소를 우리 주변의 흔한 재료들을 이용해 직접 만들어보는 짜릿한 화학 실험에 도전해 봅시다!
수소 발생 실험에 도전!
이번에는 아연과 염산을 사용해서 수소를 발생시키는 실험이에요. 지난 시간에는 산소 발생 실험도 해봤으니, 두 기체의 성질 차이를 비교해보는 것도 재미있을 거예요.
자, 이제 준비 시작!
수소를 발생시키려면 다음 재료와 도구가 필요해요.
재료
•아연 (꽃 모양, 작은 알갱이 모양) 1g •10% 염산 7mL
도구
•시험관 2개 •성냥 •꺼져가는 불씨 (불은 꺼졌지만 아직 뜨거운 것) •젖은 걸레 (만약을 대비한 안전장치!)
수소 포집 순서
① 수소를 발생시키자!
시험관에 묽은 염산을 넣고, 그 안에 꽃 모양 아연을 넣어줍니다. 그러자… 미세한 기포가 뽀글뽀글 힘차게 발생하기 시작해요! 이 기체가 바로 이번 실험의 주인공, 수소입니다. 이 반응은 화학적으로 다음과 같이 나타낼 수 있어요.
Zn (亜鉛) + 2HCl (塩酸) ⟶ ZnCl₂ (塩化亜鉛) + H₂ (水素)
아연이 염산에 녹으면서 염화아연이라는 물질로 변하고, 동시에 수소가 발생하는 것이죠.
발생한 수소는 ‘수상 치환법’이라는 방법으로 시험관에 모아요. 기포가 잘 안 나오는 겨울철에는 시험관을 따뜻한 물로 살짝 데워주면 반응이 더 활발해진답니다.
② 불을 가까이 대보자!
모은 수소에 불붙인 성냥을 가까이 대봅시다. (주의: 첫 번째 시험관은 공기가 섞여 있을 수 있으니, 두 번째 시험관을 사용하세요!) 자, 여기서 퀴즈! 불을 가까이 대면 어떻게 될까요?
정답은……”펑!” 하고 작은 폭발음을 내며 타오른다는 것입니다!
이것은 수소가 공기 중의 산소와 격렬하게 반응(연소)하여 물(H₂O)로 변했다는 증거예요. 이 소리는 반응 에너지 때문에 주변 공기가 순식간에 팽창하면서 나는, 말하자면 ‘미니 폭발음’이죠. 실제로 해보면 “슈슉!”이나 “피융!”처럼 조건에 따라 소리가 달라지는 것도 재미있는 발견이 될 거예요.
③ 추가 실험!
만약 수소가 더 모였다면, 시험관에 석회수를 넣고 흔들어 봅시다. 산소 실험에서는 석회수에 변화가 없었는데, 이번엔 어떨까요? …아마도 변화가 없을 거예요. 석회수가 하얗게 흐려지는 것은 이산화탄소의 성질이므로, 수소나 산소와는 다르다는 것을 알 수 있죠.
과학 심화 학습: 신기한 아연의 비밀
이번에 사용한 것은 ‘꽃 모양 아연’이에요. 사실 아연의 모양에 따라 수소 발생의 용이성이 완전히 달라진답니다. 똑같은 아연인데 왜 그럴까요?
힌트는 바로 ‘표면적’!
예를 들어, 각설탕과 설탕가루 중 어느 쪽이 물에 더 빨리 녹을지 상상해 보세요. 바로 녹는 건 설탕가루겠죠? 그 이유는 설탕가루가 물에 닿는 면적, 즉 표면적이 훨씬 넓기 때문이에요.
이와 마찬가지로, 복잡한 모양의 꽃 모양 아연은 매끈한 알갱이 모양 아연보다 염산과 닿는 면적이 넓어서 반응이 많이 일어나고, 그만큼 수소가 힘차게 발생하는 거예요. 이렇게 ‘왜 그럴까?’를 생각해보는 것이 바로 과학의 묘미랍니다! 실험을 마친 아연은 표면의 광택을 잃고 거뭇하게 변합니다. 이는 아연이 녹아 나오거나 표면에 다른 물질이 생기기 때문이에요. 만약 재활용을 하려면 사포질을 해서 반짝이는 면을 다시 드러내야 한답니다.
왼쪽: 실험 전 오른쪽: 실험 후
마무리
학생들은 실험 도구 다루는 데도 완전히 익숙해져서, 한 시간 만에 능숙하게 실험을 진행할 수 있었어요. 그 성장하는 모습에 감동했습니다! 우리 주변의 현상들도 화학적인 눈으로 보면 새로운 발견들로 가득합니다. 여러분도 다음 ‘왜?’를 꼭 찾아보세요.
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