샬레 속의 작은 우주! 커피 설탕으로 10분 만에 배우는 신비한 확산 실험!

사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험이죠!

홍차를 따른 컵에 각설탕을 살포시 넣어봅니다. 저을 필요도 없는데, 호박색 물결이 느리지만 확실하게 퍼져나갑니다… 이런 광경을 본 적 있으신가요?

“뭐, 녹는 거니까 당연한 거 아닌가?”

그렇게 생각하실 수도 있습니다. 하지만 바로 그 ‘당연함’ 속에 우리 눈에 보이지 않는 미시 세계의 웅장한 드라마가 숨겨져 있습니다. 이번에는 단 한 알의 각설탕이 주인공인, 조용하고 아름다운 과학 실험을 소개합니다. 중학교 1학년 학생들이 ‘수용액’의 세계를 처음 접할 때, 그 재미와 깊이를 분명 느낄 수 있을 것입니다. 준비는 놀라울 만큼 간단합니다. 자, 우리 함께 보이지 않는 세계의 문을 열어볼까요?

고요 속에서 시작되는, 색깔의 춤

실험의 주인공은 페트리 접시(샤레)와 커피 설탕 한 알. 그리고 오직 뚫어지게 바라보는 당신의 눈입니다. 페트리 접시의 물속에 각설탕을 놓으면, 마치 마법처럼 서서히 색이 퍼지기 시작합니다. 아무도 젓거나 흔들지 않았는데, 마치 의지를 가진 것처럼, 균일하게, 조용히 말이죠.

학생들은 분명 자연스레 이렇게 중얼거릴 겁니다. “왜, 젓지 않았는데 퍼지는 거지?” 이 소박하고 순수한 놀라움이야말로 모든 과학의 입구입니다. 눈에 보이지 않는 ‘입자’들의 세계를 상상하게 만드는 최고의 계기가 됩니다.

실험 준비물

페트리 접시 (투명하고 바닥이 평평한 것이 관찰하기 쉽습니다)

커피 설탕 (색깔이 있고 천천히 녹는 굵은 설탕(자라메)이 최적입니다)

물 (상온수 OK. 페트리 접시 바닥이 살짝 가려질 정도로 충분합니다)

100mL 비커 (물을 조용히 따르기 위해 사용합니다)

받침종이/도안 (동심원 눈금이 있어 색이 퍼지는 정도를 기록할 수 있습니다)

※받침종이는 페트리 접시 아래에 깔고 사용합니다. 직접 만드셔도 물론 좋지만, 제가 만든 PDF 파일이 있으니 필요하시면 활용해 보세요.

동심원 (커피 설탕이 녹는 정도)（PDF）

관찰 방법 및 수업 진행 순서

물을 페트리 접시에 조용히 붓습니다 (바닥이 살짝 가려질 정도).
물의 움직임이 멈추면, 중앙에 커피 설탕을 살포시 떨어뜨립니다.
여기가 가장 중요한 포인트! 절대 젓거나 흔들지 말고, 숨죽여 지켜봅니다.
2분 간격으로 10분 동안, 색이 어디까지 퍼졌는지 받침종이의 눈금에 기록합니다.

그저 조용히 변화를 관찰하는 시간 자체가 풍부한 배움으로 이어집니다. 백문이 불여일견. 먼저 이 영상을 보시죠.

보이지 않는 세계를 파헤치는 힌트 [과학의 핵심으로]

자, 이제부터가 과학 시간의 본론입니다. 이 현상은 ‘확산(擴散)’이라고 불립니다. 눈에는 보이지 않지만, 물 입자(분자)도, 설탕 입자(분자)도 사실은 가만히 멈춰 있는 것이 아닙니다. 이들은 끊임없이 부들부들 떨며 돌아다닙니다. 이를 ‘열운동’이라고 부릅니다.

페트리 접시 안에서는 수많은 물 분자들이 마치 작은 아이들처럼 활기차게 돌아다니며, 설탕 분자들에게 연이어 부딪힙니다. 부딪힌 설탕 분자는 조금씩 부서져, 물 분자들에게 밀려 사방팔방으로 운반되어 갑니다.

학생들에게 다음과 같은 질문을 던져봅시다.

왜, 젓지 않았는데 퍼져나갔을까?
→ 보이지 않는 물 입자가 설탕 입자에 부딪혀 운반해 준 것이 아닐까?

왜, 상하좌우 모든 방향으로 똑같이 퍼져나갔을까?
→ 물 입자는 특정 방향뿐만 아니라, 정말 무작위로, 모든 방향으로 움직이고 있다는 증거지.

만약, 이것이 뜨거운 물(온수)이었다면, 퍼지는 속도는 어떻게 될까?
→ 온도가 높을수록 물 입자의 움직임(열운동)은 더 활발해진다. 그러니 훨씬 더 빨리 퍼질 거야!

이처럼, 간단한 관찰에서 ‘입자는 끊임없이 운동한다’는 과학의 기본적인 모델을 학생들이 직접 체험하고, 납득하며 만들어갈 수 있습니다.

“설탕이 그냥 녹는 것”——. 하지만 이 작은 페트리 접시 안에서 일어나는 일은, 향수가 방 전체로 퍼지는 것도, 폐에서 산소가 혈액으로 흡수되는 것도, 그리고 머나먼 우주에서 성운이 확산되는 것도, 모두 동일한 ‘확산’이라는 원리에 기초합니다. 미시 세계의 법칙이 우리 몸과 더 나아가 우주까지 연결되어 있다는 것을 느낀다면, 과학은 훨씬 더 재미있어질 겁니다.

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