산과 염기가 만나면 무슨 일이 일어날까? 눈으로 보는 화학 드라마, ‘중화 결정’ 만들기 실험 (염산과 수산화나트륨)

사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험이죠.

갑작스럽지만, 여러분은 ‘신맛’과 ‘쓴맛’이라는 정반대의 성질이 만나면 어떤 일이 벌어질지 상상해 보신 적 있나요? 과학의 세계에서는 강렬한 개성을 가진 물질끼리 손을 잡고 서로의 힘을 상쇄시키는 중화라는 신기한 드라마가 펼쳐집니다. 이번에는 그 반응의 결과로 나타나는 ‘눈에 보이는 화학의 발자취’―― 아름다운 결정을 만드는 두근두근한 실험을 소개해 드릴게요. 간단한 재료로 색의 변화를 즐기며 과학의 깊은 매력을 직접 체험해 보세요!

우선 준비부터! 성공의 열쇠는 정확한 농도

실험을 성공시키려면 요리와 마찬가지로 밑준비가 핵심입니다. 재료로 사용하는 것은 산성의 대표 주자인 염산과 알칼리성의 대표 주자인 수산화나트륨 0.1mol/L 수용액입니다.

여기서 잠깐 농도 계산 이야기를 해볼까요? 0.1mol/L라는 농도는 반응이 너무 급격하지 않으면서도 색 변화를 뚜렷하게 관찰할 수 있어, 중학생 실험에 딱 맞는 적당한 농도랍니다.

이번 준비에서는 조금 넉넉한 480mL의 물에 염산 4mL를 더했습니다. 또한 수산화나트륨은 물 500mL에 2g을 녹여서 준비했죠. 이렇게 하면 4개 학급(10개 조 × 4학급) 분량의 실험 준비가 완벽하게 끝납니다.

실험 스타트! 마법처럼 색이 변하는 순간

https://youtu.be/8fFc48zfGZc

① 염산에 산성의 색 입히기

먼저 100mL 비커에 피펫으로 염산 10mL를 넣습니다 (1학급 분량일 경우, 미리 비커에 10mL씩 담아둡니다). 이때 비커 아래에 흰 종이를 깔아두면 색의 변화를 훨씬 드라마틱하게 확인할 수 있어요. 거기에 BTB 용액을 5방울 정도 떨어뜨리면 순식간에 선명한 노란색으로 변합니다! 이것은 용액이 산성임을 나타내죠.

용액이 노란색으로!

피펫 사용법은 손끝의 섬세한 컨트롤이 필요합니다. 과학의 기초 기술이니 여기서 확실히 연습해 두자고요.

② 중화 반응의 tug-of-war (줄다리기)

다음으로 수산화나트륨 수용액을 2mL씩 넣으면서 유리 막대로 천천히 섞어줍니다.

사진은 준비 모습입니다. 흰색이 수산화나트륨, 빨간색이 염산이에요. 미리 염산은 4mL씩, 수산화나트륨은 14mL씩 시험관에 나누어 담아둡니다. (1학급 기준)

처음엔 노란색이었던 용액이 수산화나트륨을 넣을 때마다 순간적으로 파란색이 되었다가 다시 노란색으로 돌아옵니다. 10mL 정도 들어갔을 때 드디어 용액이 파란색으로 변합니다! 이것은 알칼리성으로 기울었다는 증거죠. 목표 지점인 중화점이 바로 코앞에 왔다는 신호입니다.

너무 많이 넣었다!

③ 미세 조정이 제일 재밌어! 완벽한 초록색 만들기

파랗게 변했다면 이제부터 진짜 승부입니다. 염산을 한 방울씩 신중하게 더하며 중성을 나타내는 초록색이 되도록 조절합니다.

“아, 다시 노란색 됐어!”, “이번엔 너무 파란데?”

이 왔다 갔다 하는 미세 조정 과정이 사실 이 실험에서 가장 흥미진진한 포인트예요. 절묘한 밸런스로 딱 예쁜 초록색이 되는 순간, 여기저기서 환호성이 터져 나옵니다. 빠른 팀은 약 10분 만에 이 기적의 초록색에 도달할 수 있어요.

완성!

마지막 즐거움― 마이크로 보석 결정 관찰

중화가 무사히 끝났다면 마무리 작업입니다. 슬라이드 글라스에 그 용액을 한 방울 떨어뜨리고 그대로 물을 증발시킵니다. 그러면 어떻게 될까요? 다음 수업 시간에 현미경으로 들여다보면, 그곳에는 네모나고 투명한 아름다운 결정이 나타나 있을 거예요!

자신의 프레파라트에 번호를 써두면 편리합니다.

다음 시간에 관찰하게 되지만, 예비 실험 등을 통해 프레파라트를 미리 만들어 두면 같은 시간에 바로 확인할 수 있어 추천합니다.

이 결정의 정체는 우리가 잘 아는 소금(염화나트륨)입니다. 산과 알칼리가 만나 전혀 다른 물질로 모습을 바꿨다는 증거죠. 규칙적으로 늘어선 정육면체의 모습은 마치 미시 세계의 보석 같습니다.

중간에 수산화나트륨으로 추정되는 나뭇가지 모양의 결정이 보이기도 합니다.

선명한 색의 변화를 즐기며 화학의 기본인 중화 반응을 배우고, 마지막엔 결정 관찰까지 할 수 있는 이 실험. 준비에 약간의 요령이 필요하지만, 학생들의 놀라움과 발견으로 가득 찬 표정을 보면 과학교사로서 정말 하길 잘했다는 생각이 드는 순간입니다. 여러분도 꼭 이 색의 마법과 결정의 광채를 체험하며 과학의 즐거움을 온몸으로 느껴보세요!

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体中に梱包材をはりつけてみよう！

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