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학습자료/과학

생활 속 용액의 이용

대한민국 교육부 2015. 9. 15. 14:44

생활 속 용액의 이용



■ 겨울철 필수품 핫팩

추운 겨울이면 장갑으로 목도리로 중무장을 해도 칼날처럼 스며들어오는 겨울바람에 손과 발은 항상 꽁꽁 얼어붙어 있습니다. 그래서 겨울의 필수품으로 자리 잡은 핫팩. 단순히 장갑 등으로 바람을 막고 내 체온을 유지시키는 것이 아니라 발열을 통해 따뜻함을 느낄 수 있기에 추운 한겨울이면 많은 사람들이 손에 핫팩을 들고 다니는 걸 볼 수 있는데 이러한 핫팩 중에는 액체로 된 것도 있습니다. 액체형 핫팩의 금속 똑딱이를 몇 번 꺾어 주면 핫팩 속에 들어 있던 액체가 순식간에 굳으며 열을 발생시키는데 겨울이면 우리와 함께할 액체형 핫팩의 원리에 대해 알아볼까요?


▲ 액체형 핫팩(출처: 에듀넷)


액체형 핫팩은 '하이포'라고 불리는 티오황산나트륨 용액을 이용합니다. 하이포는 평상시에는 물에 대한 용해도가 낮아 고체 상태로 존재하지만 가열할 경우, 물에 녹아 액체 상태가 됩니다. 녹은 하이포는 정상보다 훨씬 많은 양의 하이포를 녹이고 있는데 이렇게 포화 상태 이상으로 용질(하이포)을 녹이고 있는 상태의 용액을 ‘과포화 용액’이라고 합니다. 과포화 용액은 불안정해서 충격을 주면 그 상태가 파괴되면서 얼음 얼듯이 순간적으로 딱딱하게 변하며 결정으로 석출되는데 이때 저장하고 있던 열이 방출되어 손난로 역할을 할 수 있게 됩니다.


이처럼 과포화 상태의 하이포 용액은 약간의 충격만 주어도 고체 결정을 만들면서 열을 발생시키기 때문에 액체형 핫팩 속에는 똑딱이 금속을 넣어 줍니다. 이 똑딱이 금속을 3~4회 꺾어 충격을 주면 하이포 용액이 잠열을 방출하면서 굳어지게 되는 것이지요. 그런데 하이포 용액은 언제 열을 저장한 것일까요? 고체 상태의 하이포에 물을 넣고 가열하면 물에 녹는 과정에서 하이포가 가열한 열에너지를 흡수하기 때문에 녹은 하이포는 결정 상태의 하이포에 비해 열에너지를 많이 포함하고 있게 됩니다. 이 열에너지가 녹은 하이포에 저장되었다가 나중에 결정으로 석출될 때 방출되게 되는 것입니다. 이 핫팩의 경우에는 영구적이지는 않지만 내용물이 굳어지고 열이 식으면 뜨거운 물에 담가 액체 상태로 변하면 여러 번 다시 사용할 수 있다는 장점과 발열되는 시간이 짧은 단점을 갖고 있습니다.


▲ 과포화 상태의 하이포 용액의 충격을 주기 위해 넣어 주는 똑딱이 금속(출처: 에듀넷)


하이포를 이용한 액체 형태의 핫팩의 경우 최고 온도가 화재를 일으킬만한 온도에 이르지 않아 화재 위험은 없지만 큰 압력을 주거나 날카로운 모서리에 찍힐 경우에는 터질 수 있으므로 주의해야 한답니다. 발열 상태에서 터지면 화상을 입을 수도 있기 때문입니다. 흔히 고온에서만 화상을 입는다고 생각하지만 물이 끓는 온도인 100℃의 절반도 안 되는 48℃에서도 화상을 입을 수 있습니다. 데지 않을 것 같은 온도에 화상을 입는 것이 바로 '저온 화상'입니다. 화상은 100℃의 액체나 물체에 스치기만 해도, 68℃에는 1초, 48℃ 온도에는 5분 간만 접촉해도 발생할 수 있습니다. 또한 하이포를 흡입할 경우에는 호흡 곤란, 구토 등이 발생할 수 있으니 핫팩의 내용물을 알고 싶다고 함부로 분해하는 행동은 자제해야 합니다.



■ 추운 날씨에도 얼지 않는 부동액

자동차는 엔진 및 부속 장치들이 과열되었을 때 이를 식혀 줄 수 있는 물질을 필요로 합니다. 장시간의 운전이나 뜨거운 날씨 등으로 인해 엔진이 과열되면 엔진이 작동을 멈출 수도 있고 심하면 엔진이 폭발해 화재가 발생할 수도 있기 때문입니다. 이를 막기 위해 사용하는 액체가 바로 냉각수입니다. 그런데 자동차를 안전하게 운행할 수 있는 기능을 하는 냉각수이지만 이러한 냉각수가 겨울에는 오히려 자동차의 안전을 위협할 수도 있습니다. 자동차를 추운 겨울에 오랜 시간 방치해 두면 냉각수가 얼어서 엔진이나 부속 장치 등을 파괴할 수도 있기 때문입니다.


▲ 자동차에 넣어 주는 냉각수(출처: 에듀넷)


여러분은 페트병에 물을 넣어 얼려 본 경험이 있나요? 페트병에 물을 담아 냉동실에 넣어 두었다가 꺼냈을 때 페트병의 밑부분이 볼록하게 튀어나온 모습을 본 경험이 있을 것입니다. 왜 그럴까요? 물은 얼었을 때 부피가 팽창하기 때문입니다. 물은 비열이 커서 같은 양으로 더 많은 열을 흡수할 수 있지만 겨울철에 온도가 내려가면 얼게 되고 그것을 담고 있는 용기는 견디지 못하고 부서지게 됩니다. 따라서 자동차에 넣어 주는 냉각수는 물 이외에 다른 물질을 첨가해서 얼지 않도록 해 주어야 합니다. 이러한 필요에 의해서 나온 것이 바로 부동액입니다. 부동액은 물이 얼지 않도록 하는 것으로 물에 에틸렌글리콜이라는 성분을 첨가해서 만든 것입니다. 기온이 낮더라도 얼지 않고 액체 상태를 유지하면서 엔진 및 부속 장치들이 열로 인해 피해를 입는 것을 방지해 주는 기능을 가지고 있습니다. 


순수한 에틸렌글리콜을 부동액으로 사용하는 것도 불가능하지는 않지만 좋은 선택은 아닙니다. 순수한 에틸렌글리콜의 어는 온도는 영하 12℃ 밖에 되지 않기 때문입니다. 하지만 에틸렌글리콜과 물을 혼합하면 어는점이 내려가게 됩니다. 예를 들어 에틸렌글리콜의 양이 70%, 물이 30%로 혼합된 액체의 어는점은 최대 영하 50℃ 정도까지 내려갈 수 있습니다. 우리나라 정도의 기온에서는 별 무리 없이 사용할 수 있는 부동액이지요. 단순히 엔진의 열을 식혀 주는 냉각의 기능만 있다면 냉각수라 불러야 할 것 같은데 부동액이라 부르는 것도 얼지 않는다는 의미를 강조한 것이랍니다. 자동차를 운행하는 지역의 기온에 맞추어서 물과 에틸렌글리콜의 혼합 비율을 적절히 조절하여 사용하는 지혜가 필요할 것입니다. 너무 많이 사용해서 낭비한다면 그것은 경제적으로 혹은 환경에도 좋지 않은 결과가 나타나기 때문입니다. 


우리 몸에도 부동액 역할을 하는 액체가 있습니다. 혈액은 다른 기능도 포함하고 있지만 인체가 얼지 않도록 혹은 과열이 되지 않도록 해 주는 인체 부동액입니다.



[자료출처: 에듀넷]





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