밀도 차이로 움직이는 라바램프

흔히 절대 친해질 수 없을 것 같은 친구들을 보면 물과 기름 같다고 합니다.

물과 기름은 왜 섞이지 않고 분리되는 것일까?

물과 기름이 층을 이루는 이유, 물과 기름을 섞는 방법,

그리고, 밀도 차이에 의해서 생기는 현상을 일상생활에서 찾아보고

밀도차를 이용한 라바램프를 만들어봅시다. 

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밀도가 뭐야

밀도는 물질의 질량을 부피로 나눈 값으로 물질마다 고유한 값을 갖습니다. 즉 같은 부피를 갖는 물질이 얼마나 무거운가를 나타내는 척도라고 생각하면 됩니다.

물과 기름은 밀도 차이 때문에 같이 담았을 때 밀도가 큰 물은 아래로, 밀도가 작은 기름은 위로 올라가 층을 만듭니다. 샐러드드레싱이나 네일리무버를 보면 밀도가 다른 용액을 담아 층을 이루고 있는 것을 볼 수 있습니다.

사용할 때 흔들어 섞어도 녹은 용액이 되는 것이 아니라서 시간이 지나면 다시 분리됩니다.

 

일상생활에서 밀도 알아보기

● 떡국이나 수제비가 잘 익었나 알아보려면 동동 뜨는 정도를 보면 되요. 
질량은 변화없는데, 익으면서 부피가 커져요. “밀도=질량÷부피”이므로 익으면 밀도가 작아져서 위로 떠요.

 

● 음료수에 들어있는 얼음은 위쪽으로 올라와요.
모든 물질은 기체상태의 부피가 가장 크고, 그 다음 액체, 고체의 순으로 상태변화를 하면서 부피가 변하는데, 유일하게 액체에서 고체가 될 때 부피가 커지는게 물이예요. 그래서 유리병에 들은 음료가 얼면 병이 깨지기도 해요. 

얼음은 같은 질량의 물에 비해 부피가 크니까 얼음의 밀도는 물의 밀도보다 작아요. 그래서 음료수컵에 담긴 얼음은 모두 위로 떠올라요.

 

얼음물 (이미지출처 : 픽사베이)

 

 

라바램프 만들기

[1] 물과 기름은 섞이지 않는다? 기름에 색깔물을 섞고 흔들어봐요. 
보통 물의 밀도를 1이라고 할 때, 기름은 0.8이라고 합니다.

작은 약병에 기름과 물감을 섞은 물을 조금 넣고 마구 흔들어요. 물과 기름은 서로를 녹이지 않고 작은 입자로 잘게 나뉘어 섞이는데 이 상태를 에멀전이라고 해요. 하지만, 녹은게 아니라 섞인 것이라서 시간이 지나면 다시 물과 기름으로 나뉘어요. 

 

기름넣고 섞기전 기름과 색깔물 입자가 작게 쪼개져 섞임

 

[2] 실험병에 물을 반정도 채우고 [1]의 색깔물이 섞인 기름을 조심조심 부어요. 

기름에 섞여있던 색깔물은 밀도가 더 커서 “아래”로 “아래”로 떨어져요.
기름에 섞여있던 색깔물이 기름과 같이 떠 있기는 어려워 물이 있는 아래층으로 비처럼 내려와요. 

부어줄 때 한쪽으로 치우치면 다음 사진의 파란색처럼 한쪽으로 기울어져 내려오네요. 

시간이 지나면 가장 오른쪽 사진처럼 위쪽에는 기름만 남고, 물감을 섞었던 물들은 모두 아래로 내려오게 되요. 

 

(왼쪽,가운데)기름에 섞여있던 색깔물입자가 아래로 내려와요. (오른쪽)모두 내려온 모습

 

 

[3] 기름에 섞였던 색깔물이 다 아래로 떨어졌어요. 그럼 이제 거꾸로 물을 기름 “위”로 올려볼까요?

(왼쪽) 책상위에 엎질러진 기름과 물, (오른쪽) 발포정이 녹는 모습

 

아, 조심했어야하는데 책상위에 엎질렀네요. 역시 기름과 물은 엎어져도 저렇게 분리됩니다. 조심해야겠어요.

위 그림(오른쪽)은 다들 한번씩은 먹어본 물에 녹여 먹는 발포정 비타민이예요.

발포정에 들어있는 탄산수소나트륨은 물에 녹으면서 이산화탄소를 발생시켜요. 우리는 발포정을 실험병에 넣고 발포정이 녹으면서 생기는 이산화탄소가 공기중으로 올라오면서 물을 기름층으로 끌고 올라오는 현상을 관찰했어요.

핸드폰 액정화면 위에 두고 보면 용암이 부글부글 끓는 것처럼 보인다고 해서 이 실험은 라바램프라는 별명이 붙었어요. 

 

발포정이 녹으면서 생긴 기포가 물을 기름 위쪽으로 끌고 올라가는 모습

 

이런 것들을 알게 되었어요

● 액체는 밀도에 따라 층이 생기는데, 일시적으로 섞여 있더라도 시간이 지나면 다시 원래의 밀도에 따라 있어야하는 위치로 되돌아 간다. 
● 기체는 액체보다 밀도가 작아 물에 섞이면 위로 올라가려는 성질이 있다. 이때 기체가 발생하는 위치에 있는 액체를 위쪽으로 함께 끌고 올라간다.