탐구주제	손으로 끓이는 액체
교과영역	화학
관련단원	중2 물질의 특성

경기도교육청지정 과학교육선도학교

경기도교육청지정 과학교육선도학교

「이천중학교」

「이천중학교」

「이천중학교」

활동준비

준 비 물 : 과학완구(손으로 끓이는 액체)

구입방법 : 놀면서 배우는 과학(http://scienceisfun.co.kr/)

소요경비 : 10,000원

활용방법

손으로 끓이는 액체를 가지고 들어가 학생들에게 보여 줍니다.

두 손으로 아랫부분을 감싸 액체가 위로 올라가는 현상을 보여 줍니다 .왜 그런지 생각해 보게 합니다.(온도에 따라 부피(이 실험에서는 기체부피)가 팽창한다는 것을 상기 시켜 줍니다. 정확하게 말하면 병 내부의 압력이 작아 체온만으로도 액체가 끓는점 가까이 올라가게 되고 그럼 증기압이 세지면서 압력차에 의해 액체가 위로 이동하게 되는 것입니다. )

계속해서 잡고 있으면 액체가 위로 다 올라가고 마치 끓는 것처럼 기포가 발생하는 모습을 보여 줍니다. 왜 그런지 생각해 보게 합니다.(사실은 끓는 다기 보다 아래쪽에 기체가 위로 올라가면서 나타나는 현상으로 보아야 할 것입니다.)

이번엔 위쪽 병을 두 손으로 잡아 액체가 아래로 내려오는 현상을 보여 줍니다. 왜 그런지 생각해 보게 합니다.(기체의 압력 차이 때문에 액체들이 이동하게 되는 거지요)

온도를 올리지 않고 액체가 위로 올라가게 할 수 있는 방법이 없을지 토의해 본다.(위쪽을 얼음 같은 걸로 차갑게 해도 증기압의 차이가 생겨 액체가 위로 올라가게 됩니다.)

안에 들어있는 물체가 물이라면 더 잘 변화가 나타날지 생각해 보게 합니다.(압력을 낮추었을 때 끓는점이 체온과 가까워지면서, 휘발성이 강한 액체일수록 이런 현상을 잘 관찰할 수 있습니다. 참고로 안에 들어있는 액체는 메틸 알콜임을 설명해 줍니다.)

두 명의 학생을 불러내어 한명은 아래쪽을 한명은 위쪽을 잡게 하고 액체가 어느 쪽으로 이동하는지 관찰하게 합니다. 그리고 왜 어느 한쪽으로 이동하게 되는지 생각해 보게 합니다.(학생 두명의 체온이 조금이라도 차이가 난다면, 온도가 더 높은 쪽이 증기압이 더 커지므로 반대쪽으로 이동하게 되겠지요)

유의점

체온과 주변온도가 비슷하다면 액체가 이동하는 현상을 관찰하기가 어려워집니다.

유리로 되어 있기 때문에 깨지지 않도록 조심해서 다룹니다.

제목은 손으로 끓이는 액체이지만 실제로 끓는 모습을 보기는 어렵습니다. 온도가 올라가면 증기압이 커져 끓는점도 같이 올라가기 때문입니다. 따라서 끓는점은 이론적으로 만 설명해 주시고, 증기압으로 액체가 이동하는 현상을 설명하는 것이 바람직합니다.

완구가 외국에서 만든 제품이다 보니 유리병 위쪽의 물질이 외설적인 모양이 달려 있는 경우도 있습니다. 구입하실 때 꼭 확인하셔서 건전한 모양으로 구입하시기 바랍니다.

과학적 원리

손으로 병의 아래 부분을 감싸고 있으면 체온이 전달되어 액체(메틸알콜)의 온도가 올라갑니다. 액체가 상승하는 이유는 다음 2가지로 설명할 수 있습니다.

첫째는 병의 내부는 압력을 낮추어 제작된 상태이므로 메틸 알콜의 끓는점은 약 65도 정도 이지만 병 내부의 압력이 작기 때문에 끓는점이 낮아져 체온에서고 끓게 되는 것입니다. 끓기 시작하면 병 내부의 증기압력이 커지면서 액체는 빠른 속도로 위로 상승하게 되는 것입니다.

둘째는 끓지 않더라도 온도가 올라가면 메틸 알콜의 분자간의 인력이 작아져서 열팽창이 일어나고, 열팽창 때문에 위로 상승하게 된다고 볼 수도 있습니다. 참고로 메틸 알콜의 열팽창률은 물의 약8배 정도입니다. 하지만 . 위쪽 병에 얼음을 데어 차갑게 식혀도 메틸 알콜이 위로 올라가기 때문에 열팽창률로 설명하기에는 무리가 있습니다.

이 실험기구는 액체의 열팽창률 보다는 끓는점으로 설명하는 것이 바람직하다고 봅니다. 그리고 병 내부에 있는 액체의 상태를 보았을 때 끓는다고 보기에도 약간의 무리가 있습니다.

손으로 감싸 온도가 올라가면 메틸 알콜에서 기화 현상이 발생하고 기화된 메틸 알콜의 증기압 때문에 액체가 위로 밀려 올라가는 것이지요. 그리고 증기압이 커지면 커질수록 액체의 끓는점이 올라가기 때문에 실제로 액체가 끓는 현상을 보기는 어려워집니다.

압력과 끓는점과의 관계(라울의 법칙) 용기에 물을 넣고 공기를 빼 용기안의 공기압을 작게 하고 알콜 램프로 물을 끓이면 100℃보다 훨씬 낮은 온도에서 물이 끓는 현상입니다 ,즉 대기압이 작아지면 액체의 끓는점도 낮아집니다.

반대로 압력 밥솥처럼 용기안의 증기압이 커지면 액체의 끓는점도 따라서 커지기도 합니다.

참고자료

- http://scienceisfun.co.kr/ 홈페이지에 교수도우미 및 메뉴얼(회원가입필요)