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예쁜 결정 만들기|
준비물 |
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실험과 관찰 |
1. 백반 덩어리를 망치로 잘게 부순다. 2. 100ml의 물을 투명한 컵에 따른다. (250ml 우유곽의 2/5만큼)
3. 위의 물에 백반을 30g 정도 넣는다. (티스푼으로 가득 6-7숟가락)
4. 백반이 모두 녹을 때까지 서서히 가열하면서 녹인다.
5. 결정핵으로 쓸 실(또는 철사)의 한쪽 끝을 반지 모양으로 묶는다. 6. 실(또는 철사)의 다른 끝은 용액에 반쯤 잠길 정도의 길이로 빨대 (또는 나무젓가락)에 묶는다. 7. 결정핵이 묶여 있는 빨대를 컵 위에 가로질러 걸쳐 놓는다. 8. 창가에 두고 하루 정도 후에 결정이 생기는지 관찰한다. |
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왜 그럴까요? |
100g의 물에 어떤 고체 물질을 녹이는 것을 예로 들어 봅시다. 이 물질은 25℃에서 100g의 물에 최대한 2.0g이 녹습니다. 100g의 용매에 최대한 녹을 수 있는 용질의 질량(g)을 용해도라고 합니다. 25℃에서 이 용질의 물에 대한 용해도는 '2.0g/물100g'입니다. 설탕의 물에 대한 용해도는 25℃에서 '211g/물 100g'입니다.
용해도만큼 녹아 있어, 더이상의 용질이 녹을 수 없는 용액을 포화 용액이라고 합니다. 예를 들어, 25℃에서 물 100g에 211g의 설탕이 녹아있다면, 이 용액은 포화 용액입니다. 그리고 이 용액에는 설탕을 더 놓어도 녹아들어 가지 않고, 고체로 그대로 있습니다.
그런데 용해도는 온도에 따라 달라집니다. 많은 고체 용질의 용해도는 온도가 높아질수록 커집니다. 설탕이 한 예입니다. 설탕의 물에 대한 용해도는 80℃에서 '362g/물 100g'입니다. 따라서 용해도를 말할 때는 온도를 같이 말해야 합니다.
이 실험에서 사용한 백반의 물에 대한 용해도는 20℃에서는 11g/물 100g이고, 80℃에서는 54g/물 100g입니다. 20℃ 50g의 백반을 100g의 물에 넣으면 11g만 녹고 나머지는 그래로 있습니다. 이 혼합물을 80℃까지 가열하면 50g의 백반이 모두 녹습니다.
이제 50g이 녹아있는 이 용액을 다시 20℃로 식히면 어떤 일이 일어날까요?
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답> |
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이렇게 용매에 녹아 있던 용질이 순수한 고체로 되는 과정을 석출이라고 합니다.
그런데 대부분의 경우 80℃로 가열하여 많은 양의 용질을 녹여 놓은 용액을 식힌다고 해서 금방 고체가 석출되지는 않습니다. 따라서 위의 예의 경우 20℃로 식혀도 50g의 물질이 그대로 녹아 있는 경우가 많습니다. 20℃에서 100g의 물에 최대한 11g 녹을 수 있는데 높은 온도에서 많이 녹인 후 식히다 보니 미처 고체로 석출이 되지 못해 50g이나 녹아 있어 39g이 초과로 녹아 있는 용액이 만들어졌지요. 이러한 용액을 '과포화 용액'이라고 합니다.
이렇게 과포화 용액으로부터 과량으로 녹아 있는 고체를 석출시키는 방법이 여러 가지가 있습니다.그 중 하나가 결정핵(또는 결정씨앗)이라고 하는 것을 넣어주는 것입니다. 과량으로 녹아 있는 분자들이 붙을 곳이지요. 이 실험에서는 실을 반지 모양으로 만들어 놓어주었지요.
이렇게 과량으로 녹아 있던 분자들이 결정핵을 중심으로 모일 때엔 아주 규칙적인 배열을 하게 됩니다. 따라서 아주 예쁜 모양을 하는 경우가 많지요. 이렇게 분자(또는 이온)들이 규칙적인 배열로 모여 고체가 된 것을 특별히 '결정'이라고 합니다.
결정의 예는 우리 주위에서도 쉽게 볼 수 있습니다. 바로 겨울날 유리창에 끼는 성애입니다. 공기 중에는 항상 기체 상태의 물인 수증기가 있지요. 온도가 높을수록 많은 양의 수증기가 공기 중에 있을 수 있구요. 낮에 일정 양의 수증기가 공기 중에 있었는데 밤에 기온이 뚝 떨어 졌어요. 그러면 기체 상태의 물분자들이 모여 액체가 되던가, 온도가 영하로 아주 낮으면 고체가 되어야 하거든요. 이때 유리창에 물 분자들이 규칙적으로 하나씩 달라 붙으면 너무나 예쁜 육각형 얼음 결정이 만들어지지요.
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