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학습자료/과학

신선한 달걀 고르기, '밀도 차이'를 이용하세요!

대한민국 교육부 2015. 6. 15. 13:25


혼합물의 분리, 

'밀도 차이'를 이용하면 간단하게!



■ 밀도 차이를 이용한 혼합물 분리

밀도는 질량을 부피로 나눈 값으로서, 단위 부피당 질량이라고 할 수 있습니다. 밀도는 물질마다 다르므로 물질의 특성이라 할 수 있습니다. 밀도가 다른 두 물질을 섞으면 밀도가 작은 것은 위로 뜨고 밀도가 큰 것은 아래로 내려가게 됩니다. 그래서 밀도 차이를 이용하면 혼합물의 각 성분을 쉽게 분리할 수 있습니다.


신선한 달걀과 오래된 달걀을 밀도 차이를 이용해 분리할 수 있습니다. 그냥 수돗물에 신선한 달걀과 오래된 달걀을 떨어뜨리면 두 달걀 모두 가라앉지만(달걀의 밀도>수돗물의 밀도), 수돗물보다 밀도가 조금 더 큰 소금물(10% 농도 정도)에 떨어뜨리면 신선한 달걀은 여전히 가라앉지만 오래된 달걀은 위에 뜨게 됩니다(오래된 달걀의 밀도<소금물의 밀도<신선한 달걀의 밀도). 이는 오래된 달걀일수록 달걀 껍질 내부의 수분이 달걀 껍질을 통해 빠져나가고 이 부분을 공기가 채움으로써 질량이 줄어들어 밀도가 감소하기 때문입니다.


▲ 신선한 달걀 고르기



우리 조상들은 밀도 차이를 이용하여 알찬 곡식과 쭉정이를 분리하였습니다. 풍구는 바람의 힘을 이용하여 벼 · 보리 · 팥 · 콩 · 밀 등 곡물에 섞인 쭉정이 · 겨 · 먼지 등을 분리하는 농기구를 말합니다. 양쪽에 큰 바람 구멍이 있고, 북처럼 생긴 통 속에 여러 개의 넓은 날개가 달린 바퀴가 있어 이것을 돌리면 바람이 일어납니다. 이 바람의 힘으로 위에 장치된 깔때기 모양의 구멍에서 흘러내리는 낱알과 티끌, 쭉정이, 왕겨 등의 찌꺼기가 위쪽으로 날아가고, 알곡은 밑으로 분리됩니다.



▲ 여러 가지 풍구



한편, 밀도 차에 의해 혼합물을 분리하는 원리는 실험실에서 매우 작은 물질을 분리하는 데에도 쓰입니다. 흙탕물의 경우는 그냥 가만히 내버려 두면 밀도가 높은 모래는 중력의 영향으로 서서히 가라앉고, 밀도가 낮은 물은 위로 올라가면서 밀도 차이에 의해 쉽게 분리됩니다.

 

하지만, 흙탕물과는 달리 어느 정도 물에 잘 녹으며, 크기가 작은 입자들이 섞인 혼합물의 경우 아무리 오랜 시간 방치해도 밀도 차이에 의해 분리되기 전에 물이 먼저 증발되어 사라지게 됩니다. 또는 분리되더라도 시간이 너무 많이 걸립니다. 그래서 실험실에서는 원심분리기라는 장치를 이용합니다. 원심분리기는 혼합물을 밀도 차이에 의해 분리해주는 힘인 중력을 인위적으로 크게 해줌으로써 혼합물을 분리해 주는 장치입니다.



▲ 실험실용 저속원심분리기


정확히 표현하면 원심분리기는 중력 대신에, 물체가 원운동(회전)할 때 원의 중심에서 멀어지는 방향으로 작용하는 힘인 원심력을 이용한 것입니다. 원심력을 구하는 공식은 아래와 같습니다.


원심력 = 물질의 질량 x 원의 반지름 x 각속도2

※ 각속도: 회전하는 물체의 회전축에 대한 단위 시간당 각의 변화량

 

원심분리기는 혼합물을 회전시킴으로써 원심력을 가하게 됩니다. 원심력은 위의 공식에서와 같이 물질의 질량, 원의 반지름, 각속도의 제곱에 비례합니다. 원의 반지름은 원심분리기 내에서 거의 같다고 볼 때, 물질에 작용하는 원심력을 결정하는 것은 각속도가 되겠지요. 비교적 느린 속도로 회전하는 저속원심분리기는 1분에 6,000번을 회전할 수 있는데, 이 때 입자에는 중력의 6,000배에 해당하는 원심력이 작용합니다. 그렇기 때문에 그냥 내버려두었을 때에는 전혀 분리되지 않았던 혼합물이 원심분리를 통해 밀도가 큰 물질일수록 원의 중심에서 더 먼 쪽으로 이동하게 되는 것입니다. 


원심분리기는 병원에서 혈액이나 소변에 포함된 구성 성분을 분리하거나, 우유에서 지방을 제거하는 일에도 쓰입니다. 가장 빠르게 회전할 수 있는 초원심분리기는 최대 속도가 1분당 40,000~80,000번 회전하여 무려 중력의 60만 배에 해당하는 원심력을 낼 수 있어 세포 안의 구성 성분들을 세밀하게 분리하는 데 사용합니다. 







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