마치 연금술? 레드 와인이 투명한 액체로! ‘와인 증류 실험’ – 실패하지 않는 5단계
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험이죠!
와인에서 투명한 액체를 추출해 불을 붙이면 푸른 불꽃이 솟아오른다…? 마치 연금술 같은, 살짝은 어른스러운 이 실험은 사실 중학교 과학 시간에 배우는 ‘증류(Distillation)’라는 과학적 기법입니다.
이번에는 레드 와인을 이용한 증류 실험을 통해, 액체가 기체로, 그리고 다시 액체로 모습을 바꾸는 신비한 성질을 파헤쳐 봅니다. 이 실험은 술이나 향수, 석유 정제 등 우리 생활을 지탱하는 중요한 기술의 기초가 되기도 합니다.
실험에는 위험이 따르지만, 올바른 절차와 주의사항을 지키면 과학의 재미를 마음껏 느낄 수 있을 거예요. 처음 지도하시는 선생님들도 쉽게 따라하실 수 있도록 안전 수칙을 꼼꼼하게 정리했으니, 꼭 참고해 주세요. 자, 이제 과학의 마법 세계로 함께 떠나볼까요!
실험 준비: 마법의 도구를 모아보자!
먼저, 이번 실험에 사용되는 도구들을 소개합니다.
가지 달린 둥근 바닥 플라스크, 시험관 3개, 비커, 스탠드, 가스 버너, 삼발이, 석면 그물 (철망), 고무 마개 달린 온도계, 와인, 성냥, 타고 남은 재를 담는 통, 젖은 걸레, 면장갑 (실험용 장갑), 보호 안경
이번에 사용할 와인은 이겁니다! 실험 성공의 열쇠는 바로 알코올 도수에 있습니다. 저희가 준비한 와인은 알코올 도수 14%짜리(amazon)입니다. 이 농도가 나중에 아주 중요하게 작용할 거예요!
가장 중요! 안전하게 실험을 진행하기 위한 약속
안전 대책은 무엇보다 중요합니다. 특히 화상 등 사고가 많이 발생하는 실험이므로, 최대한 주의를 기울여 주세요. 수업에서 활용할 수 있는 슬라이드도 공유해 드릴 테니, 사진을 보면서 주의할 점을 확인할 때 활용하시면 좋습니다. ▶수업용 슬라이드는 여기
실전 돌입! 와인에서 보물(알코올)을 추출하는 방법
STEP 1: 사전 준비와 마음가짐
와인을 10mL씩 시험관에 나눠 각 조에 배부합니다. 면장갑과 보호 안경은 반드시 착용! 실험 기구를 세팅합니다. 이 실험은 주의사항이 많고 화상의 위험도 있기 때문에, 사전에 선생님이 시범 실험을 한 번 보여주는 것이 안전합니다. 와인을 미리 10mL씩 시험관에 나눠두면 당일 진행이 훨씬 수월해집니다. 참고로 10mL로 나눈 데는 이유가 있습니다. 알코올 도수가 이보다 조금 낮은 11%짜리 와인이라면, 약 13mL 정도를 넣는 것이 좋습니다. 계산은 뒤에서 설명해 드릴게요.
STEP 2: 플라스크에 와인 붓기
가지 달린 플라스크의 가지(측면 관)를 위쪽으로 향하게 하고, 와인이 가지에 들어가지 않도록 조심스럽게 붓습니다. 온도계 끝이 플라스크 가지의 밑동(연결 부위) 근처에 오도록 설정합니다. 왜 온도계를 이 위치에 둘까요? 그것은 액체에서 기체로 변한 지 얼마 안 된 증기의 온도를 정확하게 측정하기 위해서입니다.
실험은 시간 싸움입니다. 꽤나 촉박하게 진행되는 실험이니, 준비와 뒷정리를 반별로 분담하는 등 요령이 필요합니다. 면장갑은 뜨거워진 고무관 등을 교체할 때 화상 방지에 도움이 됩니다.
참고로, 모으는 액체의 양은 1mL 정도가 기준이지만, **이번에는 시험관 바닥에서부터 약 0.5cm(새끼손톱 길이 정도)**라고 설명했습니다. 레드 와인을 사용하면 무색투명한 액체가 모이는 모습이 잘 보여 변화를 관찰하기 쉽기 때문에 추천합니다. 플라스크를 고정하는 클램프(아르마)는 가지의 분기점보다 ‘위’를 잡는 것이 포인트입니다. 아래를 잡으면, 힘들게 기체가 된 알코올이 식어서 액체로 되돌아가 버려 효율이 떨어집니다.
STEP 3: 드디어 가열 시작!
‘끓임 쪽(비등석, Boiling Chip)’ 넣는 것을 잊지 마세요! 반드시 석면 그물(철망)을 깔아 불꽃이 한 곳에 집중되지 않도록 합니다. 가스 버너의 화력을 조절하며 온도 변화를 관찰합니다.
액체를 모으는 시험관에 고무관 끝이 닿지 않도록 약 1cm 정도 띄워서 세팅합니다. 고무관이 꺾여 있으면 위험하므로, 반드시 곧게 펴주세요.
여기서 등장하는 ‘끓임 쪽(비등석)’! 이것은 액체가 갑자기 폭발하듯 끓어 넘치는 **’돌비 현상(갑작스러운 끓어오름)’**을 막아주는 일종의 부적 같은 존재입니다. 끓임 쪽 표면의 작은 요철이 기포가 부드럽게 나올 수 있도록 도와줍니다. #돌비현상 에 대한 자세한 설명은 이 영상이 알기 쉽습니다.
가열을 시작해도 온도계 눈금은 바로 올라가지 않습니다. 기체의 온도를 측정하고 있기 때문에, 액체가 따뜻해져도 바로 반응하지 않는 것이죠. 하지만 끓기 시작하면 온도가 급상승합니다! 이 순간을 놓치지 마세요.
STEP 4: 액체 수집
온도가 70℃를 넘어서는 시점부터 가지(측면 관)에 액체가 맺히기 시작합니다. 시험관에 액체를 1mL씩, 총 3개를 모읍니다. 시험관을 교체할 때는 비커 채로 움직이면 수월합니다.
왜 알코올이 물보다 먼저 기체가 되어 나올까요? 그것은 물질이 액체에서 기체로 변하는 온도, 즉 **’끓는점(비점, Boiling Point)’**이 다르기 때문입니다. 물의 끓는점이 100℃인 반면, 알코올(에탄올)의 끓는점은 약 78℃입니다. 뜨거운 사우나에서 알코올 친구가 먼저 ‘포기!’하고 뛰쳐나가는 모습을 상상하면 쉽습니다.
온도가 70℃를 넘어서면 먼저 날아오른 알코올 증기가 가지 부분에서 식어 다시 액체가 되어 떨어집니다. 이것을 모으는 것이 바로 증류입니다. 첫 번째 시험관이 가득 차면 비커 채로 빠르게 교체하세요. 이때 관이 뜨거울 수 있으므로, 면장갑을 끼고 있으면 안심입니다.
STEP 5: 실험 종료! 가장 위험한 순간
불을 끄기 직전, 혹은 끈 직후에 반드시 고무관을 시험관에서 빼야 합니다. 뜨거운 고무관은 물이 담긴 비커가 아닌, 젖은 걸레 위에 올려두세요. 이것은 절대적인 규칙입니다! 만약 고무관을 끼운 채 불을 끄면, 플라스크 안의 기체가 급격히 식으면서 수축하여 마치 진공청소기처럼 주변의 액체를 빨아들이는 ‘역류(Backflow)’ 현상이 발생합니다. 차가운 액체가 뜨거운 플라스크로 흘러 들어가면 온도차로 인해 유리가 깨질 수 있는 매우 위험한 상황이 됩니다.
#역류 의 무서움을 알 수 있는 영상이 여기 있습니다.
플라스크가 액체를 빨아들입니다.
뜨거운 고무관을 실수로 물에 담그는 학생이 있는데, 이것 또한 위험합니다. 젖은 걸레 위라면 안전하게 식힐 수 있습니다.
놀라운 결과! 추출한 액체의 정체는?
자, 이제 모은 3개의 액체를 조사해 봅시다.
연소 시험: 1번과 2번 시험관의 액체를 증발 접시에 덜어 성냥불을 가까이 대면… ‘팟!’ 하고 푸른 불꽃을 내며 타오릅니다! 이는 알코올이 포함되어 있다는 증거입니다.
냉각 효과: 손가락에 조금 떨어뜨리면 ‘쏴아’ 하고 차갑게 느껴집니다. 이것은 액체가 증발할 때 피부에서 열을 빼앗아 가는 ‘기화열’이라는 현상입니다. 여름에 마당에 물을 뿌리면 시원해지는 것과 같은 원리입니다.
냄새 변화: 소독약 같은 ‘톡’ 쏘는 알코올 냄새 속에서 어딘가 와인의 달콤한 향이 남아 있습니다. 향기 성분도 함께 증류된 것이지요.
이번 와인은 알코올 도수가 14%이므로, 나눠준 10mL 안에는 약 1.4mL의 알코올이 포함되어 있습니다. 따라서 끓는점이 낮은 알코올이 많이 포함된 1번은 거의 알코올, 2번은 알코올과 물, 그리고 끓는점이 높은 물이 주성분이 될 3번은 불이 잘 붙지 않는 결과가 나올 것입니다. 만약 알코올 도수 11%짜리 와인을 사용한다면, 처음에 준비할 와인의 양을 약 14mL 정도로 하는 것이 좋습니다.
14*0.11=1.54mL
이렇게 하면 1mL씩 모았을 때 알코올만, 알코올과 물 반반, 물만 순서가 되어 딱 좋은 비율이 됩니다. 이 와인 증류 실험은 끓는점의 차이를 이용해 혼합물을 분리하는 과학의 기본적인 사고방식을 배울 수 있는 절호의 기회입니다. 동시에 역류나 돌비 현상 등으로부터 과학의 엄격함과 안전 관리의 중요성도 가르쳐 줍니다. 부디 안전에 유의하여 지적 호기심을 충족하는 멋진 경험을 해보시길 바랍니다!
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