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연소 전과 연소 후의 부피 변화|
준비물 |
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실험과 관찰 |
1. 입구가 넓은 그릇의 가운데에 고무찰흙으로 양초를 세울 수 있는 받침을 만든다. 2. 고무찰흙 받침에 초를 세운다.
3. 고무찰흙으로 접시 주위에 유리병을 세울 수 있도록 기둥을 만든다.
4. 넓은 그릇에 물을 붓는다. 5. 양초에 불을 붙인다. 6. 고무 찰흙 위에 유리병을 세우고 물의 높이를 표시한다.
7. 물 높이의 변화를 관찰한다. |
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왜 그럴까요? |
유리병을 물이 담긴 그릇에 거꾸로 세웠을 때 큰 그릇의 물 높이 만큼 물이 찹니다. 병의 나머지 공간에는 무엇이 들어 있을까요? 물론 공기가 들어 있습니다. 따라서 그릇 안의 기압은 대기압과 같습니다. 보통 1기압 정도입니다.
그런데 양초가 타면서 물의 높이가 높아졌지요. 무슨 일이 일어났는지 한 번 살펴볼까요?
물질이 타는 연소 반응에서 타는 물질은 여러 가지가 될 수 있지만, 태우는 물질은 산소입니다. 그러니까 양초와 병 속에 들어있던 산소가 반응물입니다. 그리고 양초는 탄소와 수소로 이루어진 물질입니다. 따라서 양초가 타면 생성물로 이산화탄소 기체와 물이 만들어집니다.
양초는 산소가 다 없어질 때까지 탑니다. 즉, 병 안의 공기 중 산소 기체는 다 사라지고 이산화탄소 기체와 액체 물이 생깁니다. 위의 그림에서 볼 수 있듯이 탄소와 반응한 산소 분자 수와 같은 수의 이산화탄소가 생깁니다. 하지만 수소와 반응한 산소 분자는 액체 물로 변하므로, 사라진 산소 기체 분자 수보다 생긴 이산화탄소 기체 분자 수가 더 작습니다.
만약 병 속에 처음 들어있던 기체의 분자 수보다 기체 분자 수가 더 많아지면, 기압이 커집니다. 부피가 같다면 기체 분자가 증가하는 만큼 기압이 증가하기 때문입니다. 따라서 부피를 키워 기압을 줄입니다. 그래서 물이 밀려납니다.
실제로는 연소 반응이 일어나면서 기체 분자 수가 줄어들지요. 따라서 병 안의 기압이 낮아집니다. 따라서 물이 위로 올라와 기체의 부피를 줄여서 기압을 높입니다.
이 실험에서 물의 높이가 높아지는 이유를 과학적으로 더 깊이 알고 싶다면, 아래의 [깊이알기]를 보세요.
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 한 걸음 더 깊이 |
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고체와 달리 기체와 액체는 흐른다는 특징이 있습니다. 그래서 이들을 '유체'라고 부릅니다. 유체가 보여주는 현상을 이해하는 데 가장 중요한 원리 중 하나는 다음과 같습니다. "한 덩어리의 유체에서 같은 높이의 점들은 같은 크기의 압력을 받는다." 이 원리를 이 실험의 물애 적용하여 현상을 이해해 봅시다. 먼저 수조의 물에서 같은 높이의 임의의 두 점을 선택합니다. 예를 들어, 아래 그림의 두 점을 선택해봅시다. 초를 태우기 전에는 병 안과 바깥은 모두 같은 공기로 채워져 있고, 병 안과 바깥의 기압은 모두 대기압과 같습니다. 그래서 빨간 점과 파란 점이 받는 압력은 대기압으로 같습니다.
이제 초에 불을 붙여 초가 타기 시작하면, 병 안의 산소 기체가 사라지면서, 이산화탄소 기체와 물이 생깁니다. 이미 살펴본 것처럼, 이 과정에서 병 안의 기체 분자 수가 줄어들고, 따라서 기압이 낮아집니다. 즉, 같은 높이에 있는 빨간 점에 비해 파란 점이 받는 압력이 압력이 낮아졌습니다.
따라서 물이 병 안으로 들어와 병 안의 기체의 부피를 줄임으로써, 파란점이 받는 압력을 빨간 점이 받는 압력(대가업)과 같게 합니다. 아래 그림에서 파란 점은 기체에 의한 압력 외에 물기둥에 의한 압력(파란 점선 화살표)도 받지만, 기암에 비해 아주 작으므로 무시합니다.
이 실험과 반대로 병 안의 기체의 분자 수가 늘어나는 경우도 이 원리로 설명해보세요. 먼저 같은 높이의 두 점을 잡고.
병 안의 기체 분자 수가 증가. -> 기압 증가. -> 파란 점이 받는 압력이 커짐.
병 안의 기압이 대기압과 같아질 때까지 물이 빠져나가면서 부피 증가.(* 빨간 점 위의 물에 의한 압력은 아주 작아 고려하지 않아도 됨.)
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