[과학카페] 혼합물 분리 어떻게

다음의 문제는 중학생들의 정기고사나 수행평가에서 자주 출제되는 내용이다. 혼합물에 자석을 갖다 대면 철가루가 달라붙는다. 이 때 다른 가루도 달라붙을 수 있으므로 철가루에 붙은 가루만을 따로 떼어내어 자석을 갖다대는 행위를 반복하게 되면 순수한 철가루만을 분리해 낼 수 있다.

철가루가 제거되고 나면 나프탈렌, 소금, 구리가루만 남게 된다. 이 가루들이 섞인 혼합물을 비커에 넣고 그 위에 찬물을 넣은 둥근바닥 플라스크를 장치한다. 다음 알코올 램프로 비커를 가열하면 셋 중 끓는점이 가장 낮은 나프탈렌이 승화해 기체로 변하고 기체가 둥근바닥플라스크에 닿으면 냉각 승화해 고체로 변한다. 이 고체 나프탈렌을 긁어모으면 나프탈렌이 되고 혼합물에서 나프탈렌 가루는 제거된다.

그럼 남은 소금과 구리가루는 어떻게 분리할까. 두 혼합물을 물에 넣으면 밀도가 큰 구리가루는 가라앉고 소금은 물에 녹았으므로 거름장치로 두 혼합물을 금방 분리할 수 있을 것 같다. 하지만 밀도가 큰 물질도 아주 가는 가루로 만들면 물 위에 뜰 수 있다. 왜냐하면 가는 가루의 입자에 작용하는 중력의 크기가 물의 표면 장력보다 작을 경우, 물분자 사이에 작용하는 인력을 끊지 못하기 때문에 물에 떠 있게 된다. 즉, 가는 입자가 물분자의 인력을 끊지 못하면 가는 입자는 가라앉지 못하게 되는 것이다.

이때 물에 넣은 소금과 구리가루를 거름장치를 이용해 분리해주면 된다. 즉, 거름종이를 이용해 걸러주면 구리가루는 거름종이 위에 남고 소금물은 통과하게 된다. 거름종이 위에 남겨진 구리가루는 건조기에 넣어 건조시키면 구리가루를 얻을 수 있고 소금물은 증발접시에 넣고 알코올램프로 가열해 물을 증발시키면 소금을 얻을 수 있다.

위의 실험에서 실험기구를 다음과 같이 다루어야 한다.

첫째, 승화실험을 할 때 사용하는 둥근바닥플라스크의 크기는 비커보다 조금 커야 하고 둥근바닥 플라스크에 찬물을 넣으면 승화된 기체가 냉각이 더 잘 돼 나프탈렌을 쉽게 얻을 수 있다.

둘째, 거름종이를 선택할 때 깔때기보다 크기가 작은 것을 선택해야 하고 용액을 부을 때는 거름종이 밖으로 넘치지 않도록 한다.

셋째, 거름 장치의 높낮이를 조절하고 깔때기의 긴 쪽이 벽에 닿아 용액에 튀지 않도록 해야 한다.

넷째, 비커에 담겨진 용액을 직접 가열하지 말고 증발접시에 옮겨 가열하여야 한다.

다섯째, 모든 용액을 젓을 때는 약숟가락을 사용하지 말고 반드시 유리막대를 사용하여야 한다.

"(중략) 모든 과학은 실험을 통해서 얻지 않으면 무익할 뿐 아니라 착오를 포함할 것이다. 실험은 모든 것을 확실하게 한다. (중략)" 레오나르도 다빈치가 한 말이다. 실험을 통한 학습이 이론을 공부하는 것보다 학습 속도도 느리고 학업성취도도 낮게 보이는 듯하나 직접 실험을 통해 얻은 지식이야말로 살아있는 지식이고 그러한 학습을 통해 학생들은 오래 기억할 수 있다.

이호준(경북과학고 교사)