과학 초보도 $100\%$ 성공! ‘조회분 실험’ 매우 쉬운 방법 대공개
목차
- 조회분 실험이란 무엇이며 왜 중요할까요?
- 실험에 필요한 준비물: 간편하게 준비해요
- 매우 쉬운 조회분 실험 $3$단계: $10$분 완성 가이드
- 준비 단계: 용액 제조 및 환경 설정
- 실험 단계: 핵심 과정 및 관찰 포인트
- 결과 정리 단계: 분석 및 해석 방법
- 실험의 원리: 조회분 현상은 왜 일어날까요?
- $100\%$ 성공을 위한 핵심 팁 및 주의사항
$1$. 조회분 실험이란 무엇이며 왜 중요할까요?
조회분(潮解, Deliquescence) 현상이란, 특정 고체 물질이 대기 중의 수증기를 흡수하여 스스로 녹아 액체가 되는 현상을 말합니다. 이 현상은 고체 물질의 포화 수용액 증기압이 대기 중 수증기의 부분 압력보다 낮을 때 발생합니다. 즉, 주변 공기가 가진 수분보다 이 물질이 물을 더 강력하게 ‘끌어당긴다’는 의미입니다. 조회분 현상은 일상생활에서도 흔히 볼 수 있으며, 특히 습도가 높은 환경에서 더욱 두드러집니다. 예를 들어, 소금 창고나 특정 화학 물질 저장소에서 습도 관리가 중요한 이유 중 하나가 바로 이 조회분 현상 때문입니다. 조회분 실험은 이러한 흥미로운 물질의 특성과 습도의 영향을 직접적으로 관찰하고 이해할 수 있는 매우 중요한 기초 과학 실험입니다. 이 간단한 실험을 통해 물질의 흡습성(吸濕性) 차이를 명확하게 파악하고, 상대 습도와 물질의 상 변화(相變化) 간의 관계를 배울 수 있습니다.
$2$. 실험에 필요한 준비물: 간편하게 준비해요
조회분 실험은 특별하고 비싼 장비 없이도 주변에서 쉽게 구할 수 있는 재료들로 충분히 진행할 수 있습니다. 실험의 난이도가 ‘매우 쉬움’인 만큼, 준비 과정도 $5$분이면 충분합니다.
| 준비물 | 상세 설명 및 대체 가능 품목 | 비고 |
|---|---|---|
| 조회분 물질 | 염화칼슘($\text{CaCl}_2$): 가장 흔하고 강력한 조회분 물질. 제습제나 염화칼슘 제설제에서 쉽게 얻을 수 있습니다. | 반드시 건조한 상태의 순수한 물질을 사용해야 합니다. |
| 비교 물질 | 정제된 소금(염화나트륨, $\text{NaCl}$), 설탕(자당), 베이킹소다(탄산수소나트륨, $\text{NaHCO}_3$) 등 일반적인 물질 $2$종류. | 조회분성이 매우 낮거나 없는 물질을 비교군으로 선택합니다. |
| 작은 접시 또는 시계접시 | $3$개. 물질을 올려놓고 관찰하기 용이한 납작한 접시. 일회용 플라스틱 접시나 작은 유리 접시도 좋습니다. | 같은 크기와 재질로 준비하여 비교 조건을 동일하게 합니다. |
| 전자저울 (선택 사항) | 정확한 질량 변화를 측정하고자 할 때 사용합니다. 초보 실험에서는 필수는 아닙니다. | 정밀한 정량 분석을 원할 경우 준비합니다. |
| 습도계 및 온도계 | 주변 환경의 습도와 온도를 측정하기 위함입니다. 스마트폰 앱이나 간단한 디지털 습도계도 무방합니다. | 실험 환경의 객관적인 기록을 위해 필수적입니다. |
| 관찰 기록 용지 및 펜 | 시간 경과에 따른 변화, 관찰 내용, 습도 및 온도 등을 기록합니다. | 자세하고 정확한 기록은 결과 분석의 핵심입니다. |
$3$. 매우 쉬운 조회분 실험 $3$단계: $10$분 완성 가이드
이 실험은 물질 자체의 성질과 환경 조건(습도)이 결과를 좌우하기 때문에, 인위적인 조작 없이 ‘관찰’에 집중하는 것이 핵심입니다.
준비 단계: 용액 제조 및 환경 설정
- 실험 환경 설정: 실험 장소를 결정하고 습도계와 온도계를 설치합니다. 조회분 현상은 습도가 높을수록 잘 일어나므로, 가급적 습도가 $60\%$ 이상인 곳을 선택하거나, 밀폐된 용기 안에 물을 담아 인위적으로 습도를 높인 환경을 조성할 수 있습니다. 이때, 용기의 온도는 일정하게 유지되어야 합니다.
- 샘플 준비: 준비된 $3$개의 접시에 조회분 물질(염화칼슘)과 비교 물질 $2$종류(예: 소금, 설탕)를 각각 $1\sim2\text{g}$ 정도씩 평평하게 펴서 담습니다. 이때, 질량을 정확히 재는 경우, 접시의 초기 질량을 반드시 기록해 둡니다.
- 초기 관찰 기록: 각 물질의 초기 상태(색, 질감, 형태 등)를 자세히 기록하고, 실험 시작 시점의 습도와 온도를 기록합니다.
실험 단계: 핵심 과정 및 관찰 포인트
- 배치 및 관찰 시작: 준비된 $3$개의 접시를 설정된 실험 환경에 나란히 배치합니다. 모든 물질이 동일한 온도와 습도 조건에 놓이도록 주의합니다.
- 시간 경과에 따른 관찰:
- $5$분 간격 관찰: 초기 $30$분 동안은 $5$분 간격으로 각 접시의 변화를 육안으로 관찰합니다. 변화의 시작 시점과 그 양상을 기록합니다.
- $30$분 이후 관찰: $30$분 이후에는 $1$시간 간격으로 $3\sim4$시간 동안 관찰을 지속합니다. 특히 밤샘 관찰이 가능하다면 더 극적인 결과를 얻을 수 있습니다.
- 핵심 관찰 포인트:
- 표면의 변화: 물질 표면에 습기가 맺히기 시작하는 시점과 정도는 어떠한가?
- 액화 진행: 고체 물질이 녹아 액체가 되기 시작하는 시점은 언제인가? (액화가 가장 빠르게 진행되는 물질을 주목합니다.)
- 용액의 형성: 최종적으로 얼마나 많은 양의 용액이 형성되었는가? (선택 사항으로, 이 시점에서 최종 질량을 재어 물을 얼마나 흡수했는지 정량적으로 비교할 수 있습니다.)
결과 정리 단계: 분석 및 해석 방법
- 데이터 정리: 기록 용지에 시간(Time), 염화칼슘 상태(Observation $\text{CaCl}_2$), 소금 상태(Observation $\text{NaCl}$), 설탕 상태(Observation Sugar), 습도(Humidity), 온도(Temperature) 등의 항목을 표로 만들어 관찰된 모든 내용을 정리합니다.
- 비교 분석:
- 조회분 속도 비교: 염화칼슘이 다른 두 물질에 비해 얼마나 빠르게 수분을 흡수하여 녹기 시작했는지 비교합니다.
- 최종 상태 비교: 일정 시간이 지난 후, 세 물질 중 액체가 된 정도를 비교하고 그 차이를 분석합니다. 소금이나 설탕은 조회분성이 낮거나 거의 없으므로 고체 상태를 유지하거나 표면에 미세한 습기만 보일 것입니다.
- 원리 해석: 염화칼슘이 강력한 조회분성을 보이는 이유와 소금, 설탕이 그렇지 않은 이유를 조사하고, 실험 결과와 연결하여 설명합니다. (다음 ‘실험의 원리’ 단락 참고)
$4$. 실험의 원리: 조회분 현상은 왜 일어날까요?
조회분 현상은 열역학적인 평형과 관련이 있습니다. 어떤 고체 물질이 물을 흡수하기 위해서는, 고체 표면에 형성된 포화 용액의 증기압($P{\text{sol}}$)이 주변 대기의 수증기 부분압($P{\text{air}}$)보다 낮아야 합니다.
$$P{\text{sol}} < P{\text{air}}$$
주변 공기의 수증기 부분압($P{\text{air}}$)은 일반적으로 상대 습도($\text{RH}$)와 관련이 있습니다. 특정 온도에서 물의 포화 증기압($P{\text{sat}}$)을 기준으로, $P{\text{air}} = \text{RH} \times P{\text{sat}}$의 관계가 성립합니다.
염화칼슘($\text{CaCl}_2$)과 같이 조회성이 강한 물질은 물에 녹을 때 매우 낮은 증기압을 갖는 포화 용액을 만듭니다. 이는 $\text{CaCl}2$ 용액의 농도가 매우 높아(높은 용해도) 증기압을 크게 낮추는 ‘콜리올리 효과’가 강하게 작용하기 때문입니다. 물은 증기압이 낮은 쪽으로 이동하려는 경향이 있으므로, 주변 공기($P{\text{air}}$)의 수증기가 $\text{CaCl}2$ 포화 용액($P{\text{sol}}$)으로 계속해서 흡수됩니다. 이 과정이 지속되면 고체 $\text{CaCl}_2$는 주변 공기 중의 수증기를 흡수하여 점차 녹아내리는 것입니다.
반면, 소금($\text{NaCl}$)이나 설탕(자당)은 염화칼슘에 비해 용해도가 낮아 포화 용액의 증기압($P{\text{sol}}$)이 염화칼슘 포화 용액만큼 크게 낮아지지 않습니다. 따라서 일반적인 습도($\text{RH} \approx 75\%$ 이하) 환경에서는 $P{\text{sol}} < P_{\text{air}}$ 조건이 성립하지 않아 조회분 현상이 거의 일어나지 않거나 매우 더디게 일어납니다.
$5$. $100\%$ 성공을 위한 핵심 팁 및 주의사항
- 습도 조건의 중요성: 조회분 실험의 성패는 $90\%$ 이상 습도 조건에 달려 있습니다. 실내 습도가 $60\%$ 이하라면, 밀폐된 투명 용기(플라스틱 통이나 유리 수조) 안에 물이 담긴 작은 접시를 넣고 그 위에 실험 물질 접시를 넣어 인위적으로 고습 환경($70\%\sim90\%$)을 조성해야 실험 결과를 명확하게 관찰할 수 있습니다.
- 물질의 순도 및 건조 상태: 조회분 물질은 반드시 사용 전 완전히 건조된 상태여야 합니다. 이미 습기를 흡수한 물질을 사용하면 명확한 관찰이 어렵습니다. 제습제에서 염화칼슘을 추출할 경우, 알갱이가 단단한지 확인하고 필요하다면 낮은 온도에서 건조 과정을 거치는 것이 좋습니다.
- 안전 주의: 염화칼슘 용액은 발열 반응을 일으키기도 하며, 피부에 닿으면 자극을 줄 수 있습니다. 실험 시에는 맨손으로 물질을 만지지 않도록 주의하고, 실험 후에는 생성된 용액을 적절하게 폐기해야 합니다. 어린이가 실험할 경우 반드시 보호자의 지도하에 진행해야 합니다.
- 관찰의 정밀성: ‘언제’ 액화가 시작되었는지의 미세한 시간 차이가 물질의 조회분성 차이를 나타내는 핵심 데이터입니다. 주기적인 관찰과 정확한 시간 기록이 실험의 완성도를 높입니다.