질소(-196ﾟC)의 정체를 밝혀라(물질의 이해를 통한 발명)

물질이 가지고 있는 고유의 특성과 그 특성을 이용하여 일상생활에 적용된 예를 알아볼까요? 지난 7월 10일 국립과천과학관 발명과학교실 심화반에서는 물질의 이해를 통한 발명을 알아보기 위해 액화질소를 가지고 체험하며 배우는 시간을 가졌습니다.

물질의 특성은 다른 물질과 구분이 되는 그 물질만의 고유한 성질을 말하며, 물질의 양에 상관없이 일정하므로 물질을 구별하는데 이용됩니다. 물질의 특성에는 걷보기 성질(색깔, 맛, 냄새, 결정모양, 굳기 등), 밀도, 용해도, 녹는점, 어는점, 끓는점 등이 있습니다.

질소는 상온에서 이원자분자(N₂)를 이루고 냄새, 색깔, 맛이 없고 무극성 분자로 물에 약간 녹고, 용해도는 온도가 올라갈수록 높습니다. 액체질소는 공기를 액화하여 액화 공기를 만들고, 이것을 정류하여 산소, 아르곤, 이산화탄소 등을 제거한 수 다시 액화하여 만듭니다. 저온에서 기화하므로 저장과 취급에는 단열용기, 듀어병(보온병)이 쓰입니다.

먼저 액체질소란 무엇인지 알아보기 위해 몇 가지 실험을 하였습니다. 먼저 과자를 액체 질소에 담근 후 먹어 보았습니다. 먹어보니 매우 차가웠고 입을 다물고 있으니 코에서 김이 나왔습니다. 과자를 빨리 씹지 않으면 혀에 달라붙어 매우 아팠습니다. 학생들은 너무 신기해 하며 서로 먹어보겠다고 하였습니다.

다음으로 풍선을 불어 액체질소통에 넣었습니다. 풍선 하나도 들어가기 힘든 작은 통에 풍선이 10개나 계속해서 들어갔습니다. 그럴 수 있는 이유는 샤를의 법칙 때문입니다. 샤를의 법칙은 온도가 1도 올라가거나 내려가면 부피는 1/273 씩 늘어나거나 줄어든다는 것입니다. 이 법칙에 따라 산소는 액화되는 온도가 –183ﾟC 이므로 풍선안의 산소가 액화되어 부피가 줄어들어 통에 풍선이 계속해서 들어갈 수 있었던 것입니다.

마지막으로 질소를 이용하여 공기 중의 산소를 잡는 실험을 하였습니다. 스탠드에 알루미늄 캔을 고정하고 캔 안에 액체질소를 넣으면 캔 밑에 액체가 찍하는 소리와 함께 나오는 것을 확인할 수 있었습니다. 이것은 알루미늄캔에 구멍이 뚫린 것이 아니라 액화된 산소가 밑으로 모여서 떨어지는 것이었습니다. 질소의 끓는점이 산소보다 더 낮아 공기 중의 산소를 액화시킬 수 있기 때문에 캔 주위의 산소가 액체가 되어 떨어지는 것입니다.

여러 가지 실험을 통해 액체질소의 특성에 대해 알아보니 어디에 쓰일 수 있는지 쉽게 알 수 있었습니다. 액체질소의 발견으로 우리는 식품의 동결, 건조를 쉽게 할 수 있게 되었고, 세포 보존 용제로 사용하게 되어 생명공학 분야에 큰 영향을 주었습니다. 어려울 수 있는 내용을 실험을 통해 체험해 보니 쉽게 이해가 되었습니다. 실험 도중에 선생님이 재미있는 것을 보여주신다며 바나나를 액체질소통에 넣었다가 꺼내셨습니다. 그리고 못과 망치를 주시며 못을 박아보라고 하셨습니다. 그런데 놀랍게도 못이 부러져 버렸습니다. 저에게는 가장 기억에 남는 실험이었습니다.

장제우 나누리기자 (서울원명초등학교 / 6학년)

박민지 호원중학교 / 1학년 2011-08-26 19:17:34 | 액체 질소의 발견이 우리가 생할하는데 큰 도움이 되네요. 저도 액체질소가 뭔지 몰랐었는데...좋은 기사 추천~ 장제우 서일중학교 / 1학년 2011-08-27 07:56:53 | 감하합니다. 박민지 기자님. 실제 액체질소로 실험을 해보면 무척 재미나고 신기합니다.