물 봉지 터뜨리지 않고 연필 꽂기

방구석 과학실 : 물봉지에 연필 꽂기

오늘은 물의 표면장력을 이용한 간단한 실험을 해보겠습니다. 물이 든 봉지에 구멍을 뚫으면 어떻게 될까요? 구멍이 난 곳으로 물이 새겠죠. 너무 당연한 이치입니다. 그럼 이제부터 마법을 이용해 과학으로 물봉지를 터뜨리지 않고 연필을 꽂아보겠습니다. 비닐봉지와 물, 연필 또는 뾰족한 꼬챙이만 있다면 실험 준비 완료. 그럼 시작해 볼까요?

 

실험 준비물

물, 지퍼백 또는 비닐봉지, 연필 또는 뾰족한 꼬챙이

 

실험 방법

1. 지퍼백에 물을 담습니다.
2. 지퍼백 안의 공기를 빼내고 팽팽해지도록 손으로 입구를 꽉 잡아서 조여줍니다.
3. 연필을 찔러 넣습니다.
4. 물이 새는지 관찰합니다.

실험 원리

이럴수가. 물 봉지가 터지지 않았습니다. 물이 새지 않게 연필을 꽂아 넣는 데 성공했습니다. 어떻게 이런 일이 가능할까요? 연필을 꽂아 넣은 곳에서 물이 새지 않은 것은 물의 표면장력 때문입니다. 표면장력은 액체의 표면을 최소화하는 방향으로 작용하는 힘을 말합니다. 물은 액체 중에서도 표면장력이 강한 물질입니다. 물 분자끼리 서로 붙잡아두려는 힘이 강하게 작용하기 때문에 물을 가득 채운 지퍼백에 연필을 찔러도 물이 새지 않습니다.

물이 강한 표면장력을 갖는 이유는 수소결합에 있습니다. 물은 산소 원자 하나와 수소 원자 두 개가 결합해서 만들어집니다. 이때 산소 원자와 수소 원자는 서로 전자를 공유하는 공유 결합을 합니다. 여기서 발생한 전기적인 성질이 물 분자들이 접근했을 때 서로를 끌어당기게 합니다.

물의 강한 표면장력은 다양한 성질을 갖게 합니다. 물은 분자량이 같은 다른 액체에 비해서 끓는점이 높습니다. 그래서 0도에서 100도까지 액체 상태로 존재할 수 있습니다. 또한 물은 물질의 온도를 1도 올리는 데 필요한 열량인 비열이 매우 큽니다. 비열이 클수록 온도를 높이는 데 많은 열량이 필요하므로 온도가 잘 변하지 않습니다. 물의 이러한 성질은 생명체의 내부 온도가 외부 환경의 변화에 따라 급격하게 변하지 않고 안정적인 상태를 유지하게 합니다. 쉽게 생각해서 물의 비열이 크지 않았다면 우리 몸은 혹한의 날씨에서 저체온증에 걸리기 쉽고, 사우나에서는 몸의 열이 너무 올라 장기에 손상을 입게 되었을 것입니다.

물 한 방울을 땅에 떨어뜨리면 위가 둥근 모양을 유지하는 것을 볼 수 있습니다. 물 표면에서 안쪽으로 끌어당기는 힘이 작용하기 때문입니다. 이보다 강한 표면장력을 가진 액체 상태의 수은은 바닥에 떨어뜨렸을 때 동그란 구슬 모양을 유지하며 굴러다닙니다. 에탄올은 물보다 약한 표면장력을 갖고 있습니다. 때문에 물보다 빠르게 증발합니다. 에탄올이 포함된 소독제를 손에 발랐을 때 시원하다고 느끼는 이유입니다.

 

실험 시 참고하면 좋은 사항

• 지퍼백이 없더라도 비닐봉지에 물을 채운 후 묶는 방식으로 동일하게 실험 가능합니다. 일회용 위생백처럼 얇은 비닐봉지는 연필을 꽂은 부분만 뚫리는 게 아니라 다른 부분까지 찢어져서 물이 샐 수 있습니다. 지퍼백 정도의 비닐 두께를 가진 봉지로 실험을 진행하세요.
• 연필은 뾰족하게 깎아서 실험을 진행해야 비닐봉지가 잘 뚫립니다. 이쑤시개, 소떡소떡 꼬치 등 뾰족한 다른 물체로도 실험 가능합니다.
• 연필을 꽂기 전, 물이 든 봉투에 연필을 꽂으면 물이 샐 것 같은지 새지 않을 것 같은지 왜 그렇게 생각하는지 이야기를 나눠보세요. 연필을 하나 꽂았을 때 물이 새지 않았다면 몇 개까지 꽂을 수 있을지 실험해 보세요. 위치를 잘 잡아서 꽂아 넣으면 생각보다 더 많은 수의 연필을 꽂아 넣을 수 있습니다. 안 터뜨리고 누가 더 연필을 많이 꽂나 내기를 해보아도 좋겠습니다.
• 물이 가득 찬 잔에 물을 더 따르면 흘러넘치게 됩니다. 그런데 한 방울씩 떨어뜨리면 물 컵 위로 약간 둥근 모양을 유지하며 흘러넘치지 않는 모습을 볼 수 있습니다. 표면장력 때문입니다. 이러한 성질을 이용해 다른 실험을 해볼 수 있습니다. 100원짜리 동전을 준비한 뒤 물 약통(또는 스포이드)에 물을 담아 한 방울 씩 동전 위에 올려보세요. 물방울이 동전 위에서 둥근 모양을 유지하고 있을 거예요. 최대한 많은 물방울을 올려 관찰하는 것이 목표입니다. 동전 두 개를 준비한 뒤 누가 더 많은 물방울을 올리나 개수를 세어가며 실험해 보세요.