드디어~ 기다리고 기다리던 화학키트가 도착했습니다! 키트가 3개나 들어있어서 놀랐는데요, 처음으로 어떤 실험을 할 지 고민하다 예쁜 무지개에 이끌려 '무지개 액체탑 쌓기'를 첫번째 실험으로 선택했습니다. 이번 기사에서는 무지개 액체탑 쌓기 설명서에서의 질문과 이 실험의 원리에 대해 작성해보려 합니다. 설명서의 질문을 답하고 원리에 대해 알아보는 기사이니 설명서와 같이 읽는다면 이 기사를 더 잘 이해할 수 있을 것 입니다. 여러분들도 제 기사를 보고 실험의 원리와 설명서의 질문에 대해 생각해 보세요!

1. 실험과정 3~5

 설명서의 5번 과정에서 질문은 [각 용액의 차이를 관찰하고, 용액의 색깔과 농도에 관해 이야기 해봅시다. ] 입니다.  (왼쪽부터 차례대로 A,B,C라 부르도록하겠습니다. 용액의 양은 모두 약 10ml입니다) .이 질문에 대한 답과 차이점을 아래에서 더 자세히 설명해보도록 하겠습니다. 

1-1. 각 용액의 차이

 일단 눈으로 관찰 할 수 있듯이 A의 색이 가장 옅고, B는 중간, C가 색이 가장 진하다는 것을 알 수 있습니다. 이를 부등식으로 나타낸다면, 

A의 붉은정도 < B의 붉은정도 < C의 붉은 정도 라고 표현할 수 있습니다. 어떻게 이럴 수 있을까요? 이 질문은 각각의 용액의 농도를 안다면 이해 할 수 있습니다. 

  A의 빨간 색소물과 물의 양을 비율로 나타내면 1(ml):10(ml) 입니다. B의 빨간 색소물과 물의 양의 비는 2(ml):8(ml), C는 3(ml):7(ml)로 C 용액의 빨간 색소물에 대한 물의 양의 비율이 가장 높다는 것을 알 수 있습니다. 이 때문에 C의 색이 가장 붉은 것이고, C용액의 빨간 색소물과 물의 양을 비율, 즉 농도가 다른 용액에 비해 가장 높다는 것을 알 수 있습니다.

2. 실험과정 6~10

 이번 실험의 하이라이트인 무지개탑의 완성작품입니다. 제가 양 조절에 실패해서 파란색 용액이 가장 적고 빨간 용액이 더 많아 무지개 색을 제대로 보진 못했지만, 층이 잘 나누어진 모습을 확인 할 수 있습니다. 신기하지 않으신가요? 설탕의 양을 다르게 했다고 해서 어떻게 이런 층이 만들어 질 수 있는 것일까요? 저는 이 질문의 답을 찾기 전에 제 나름대로 이 현상의 이유를 생각해 보았습니다. 

1. 설탕의 양에 따라 용액의 무게가 달라지므로 (설탕 + 물이 물보다 무거울 것) 설탕을 많이 넣어 무거운 파란 색소설탕물이 아래로 내려가고, 설탕을 넣지 않아 가장 가벼운 빨간 색소물이 위로 뜰 것이다. 

2. 설탕의 양이 용액에 어떠한 영향을 끼쳤을 것

3. 설탕에 작은 요정들이 있어서 그 요정들이 다른 색깔의 용액들이 섞이지 못하게 들고 있는 것(??)

 이유는 크게 3가지였습니다. 그 중 이 현상의 원리와 가장 근접한 답은 1번 추측입니다. 어째서 이런 일이 벌어 질 수 있는 것인지 더 과학적인 원리를 들어 설명해드리겠습니다. 

2-1 . 무지개 용액탑의 원리

 먼저, 각각의 용액들에 섞인 설탕의 양을 비교 한다면 

빨간 용액의 설탕의 약 < 노란 용액의 설탕의 약 < 파란 용액의 설탕의 양  인 것을 알 수 있습니다. 이 말을 다른 말로 바꾼다면, 

빨간 용액의 밀도 < 노란 용액의 밀도 < 파란 용액의 밀도 입니다. 

 여기서 밀도란? 일정한 단위 면적이나 체적 속에 포함된 물질의 비율을 말합니다. 이 실험에서의 밀도는 물에 대한 설탕의 양으로 볼 수 있습니다. 

 위의 설명에서는 파란 용액에 가장 많은 설탕이 들어갔다는 것을 알 수 있습니다. 하지만 왜? 설탕이 가장 많이 들어가 무거운 파란용액이 다른 용액과 섞이지 않고 아래에 계속 위치 할 수 있는 것일까요? 

 위의 그림은 물분자(파란색)과 설탕분자(노란색)이 균일하게 섞여 설탕물을 이루고 있는 모습입니다. 만약 설탕이 이보다 더 많이 들어 간다면, 물 분자가 끌어당겨야 할 설탕분자가 더 많아지고 이때 설탕과 물의 밀도가 높아져 설탕이 적게/안 들어간 용액보다 더 무거워집니다. 농도가 높으면 밀도가 커서 무겁고, 농도가 낮으면 밀도가 작아 가볍기 때문에 색깔 층이 형성되는 것 입니다. 

 이 원리를 이용해서 방울토마토로 먹어보지 않고도 설탕이 많이 들어간 설탕물, 덜 들어간 설탕물을 알 수 있습니다. 설탕물에 방울토마토를 넣어 뜬다면 농도가 높은 설탕물, 뜨지 않는다면 농도가 높은 설탕물이라는 것을 알 수 있습니다 .

3. 정리

 용액의 양이 모두 같다고 했을 때 농도가 높다면 색이 진해집니다. 무지개 액체탑의 원리는 밀도가 높은 용액은 무겁고, 낮은 용액은 가볍다는 원리를 이용한 것입니다.

[완성된 모습]

 이번 실험을 통해 많은 원리들을 알 수 있었습니다. 가벼운 것은 뜨고, 무거운 것은 가라앉는다는 상식에 과학적원리가 숨어있었다는 사실이 놀라웠습니다. 남은 2개의 실험도 해본 후 기사 작성에 도전해보겠습니다! 여러분들도 실험을 해보고, 실험의 원리에 대해 찾아보세요. 이해하는데 도움이 조금이라도 되셨다면 좋겠네요.  긴 기사 읽어 주셔서 감사합니다! 이상 고민오 기자였습니다.  

-출처

1. [그림 1] Retrived from http://scienceorc.net/science/study/hwahak/h06-7.html