[안현정 선생님의 과학은 껌이다] Part 22. 밀도 차를 이용한 혼합물의 분리

안녕하세요. 과학 교육 전문가 안현정입니다.
2007년 12월 7일, 서해안 태안 앞바다에서 원유 유출 사고가 있었던 것을 알고 계신가요?
홍콩 선적의 유조선 ‘허베이스피리트’와 삼성물산 소속 ‘삼성 1호’가 충돌하면서 유조선 탱크에 있던 총 12,547㎘의 원유가 태안 해역으로 유출된 사고 입니다. 이로 인하여 태안 생태계에 재앙이 닥치고 말았지요. 바닷속 생물이 절반가량 줄어든것은 물론, 다시 회복하기 까지 약 20년의 세월이 걸릴 것이라 보도되어 많은 사람들의 마음을 안타깝게 만들었습니다. 약 10년이 지난 지금은 많이 회복된 모습을 보이고 있는데요, 바다위로 유출된 이 기름들은 어떻게 분리할 수 있었을까요? 오늘시간 밀도차를 이용한 혼합물의 분리방법을 알아보며 태안반도 기름유출 사건에 대한 이야기도 함께 나누어보겠습니다.

[밀도]
밀도란 쉽게 말하여 어떤 물질이 뜨고 가라앉는 정도를 뜻하며 보다 정확히는 단위 부피에 대한 물질의 질량을 표시한 물리량으로 기호는 kg/L, g/ml, g/cm³ 를 사용합니다.

[밀도를 구하는 법]
밀도의 정의와 같이 밀도를 구하고자 하는 물질들을 모두 같은 부피(1cm³) 로 만듭니다. 그 뒤 각각의 질량을 저울로 측정하여 이 값을 나누어주면 그 물질의 밀도를 구할 수 있습니다.
예를 들어 1cm³의 쇠와 스타이로폼과 알루미늄을 각각 저울로 측정하게 되면 쇠는 1cm³당 7.9g, 금은 1cm³당 19.3g, 알루미늄은 1cm³당 2.7g 로 부피는 같아도 질량이 다른 것을 관찰할 수 있습니다.
결국 이 세 가지 물질의 밀도는 쇠는 7.9g/cm³ , 알루미늄은 2.7g/cm³ 금은 19.3g/cm³ 이 됩니다. 만약 세가지 물질의 중간정도의 밀도값을 지닌 액체에 이 세가지 금속을 넣는다면 금이 바닥에 가라앉고 쇠는 중간에, 알루미늄은 위쪽에 뜨게 될 것입니다. 각 물질마다 고유한 값을 지니기 때문에 밀도는 물질의 특성에 속합니다.

밀도차를 이용한 액체 혼합물의 분리
** 서로 잘 섞이지 않는 혼합물의 경우 분별 깔때기를 이용하여 분리할 수 있다.

1. 준비물 : 물과 식용유의 혼합물, 분별깔때기(위쪽에는 마개가 아래쪽에는 코크가 있다.), 비커
2, 실험
1) 분별 깔때기의 아래쪽은 한쪽 끝이 길고 한쪽 끝은 짧은 모습입니다.
분별 깔때기의 긴쪽이 비커 벽면에 닿도록 아래쪽에 비커를 설치합니다.
2) 분별 깔때기의 마개를 열고 물과 식용유의 혼합물을 부어줍니다.
3) 분별 깔때기의 입구를 막고 혼합물이 두 층으로 나누어질 때까지 기다립니다.
4) 액체를 분리하기 전 분별 깔때기 위쪽 마개를 열어줍니다.
** 마개를 열어라 대기압이 작용하여 액체가 코크를 열었을때 내려갈 수 있다.
5) 코크를 열어 아래층의 액체를 분리한다.
6) 아래층과 위층의 경계면에 위치한 액체는 비커를 바꾸어 따로 받아둔다.
7) 위층의 액체는 분별깔때기의 위쪽 입구를 이용하여 다른 비커에 담아낸다.

** 아래쪽 코크 방향을 이용할 경우, 먼저 분리하였던 액체가 섞여 들어갈 수 있기 때문입니다.
3. 실험 결과
분별 깔때기의 아래층에는 밀도가 큰 액체(물)가, 윗층에는 밀도가 작은 액체(식용유)가 위치하게 된다. 각각 비커를 바꾸어 가벼 분별깔때기의 아래쪽과 위쪽으로 받아내어 분리한다.

4. 정리
분별 깔때기 속에서 액체가 두 층으로 분리되는 이유는 두 물질의 밀도가 다르기 때문에 나타나는 현상이다. 따라서 밀도차이를 이용하여 액체 혼합물을 분리할 수 있음을 확인할 수 있다.

밀도차를 이용한 액체 혼합물의 분리 : 양이 적은 액체 혼합물의 분리
1. 준비물 : 시험관, 스포이드, 비커

2, 실험
1) 시험관 안에 잘 섞이지 않는 액체 혼합물(물과 식용유의 혼합물)을 넣어줍니다.
2) 물과 식용유의 혼합물이 두 층으로 나누어 질 때까지 기다립니다.
3) 스포이드를 이용하여 위층의 액체를 먼저 분리합니다.
4) 경계면의 액체의 경우 또 따로 비커를 이용하여 분리해줍니다.
5) 남은 액체의 경우 다른 스포이드와 비커를 이용하여 분리해줍니다.
3. 실험 결과
분별 깔때기의 아래층에는 밀도가 큰 액체(물)가, 윗층에는 밀도가 작은 액체(식용유)가 위치하게 된다.
4. 정리
밀도차이를 이용하여 액체 혼합물을 분리할 수 있으며, 분별깔때기 이외 스포이드라는 도구 또한 이용할 수 있음을 확인할 수 있다.

밀도 차를 이용한 혼합물의 분리의 일상 예
[액체 혼합물의 분리]
- 바다 위 유출된 기름을 제거하는 방법
여러분들이 알고 계시듯 물과 기름은 섞이지 않습니다. 때문에 바다 위 유출된 기름들은 바닷물과 섞이지 않고 두개의 층으로 분리됩니다. 밀도차에 의하여 위쪽으로 분리된 기름은 흡착포를 이용하여 제거할 수 있습니다.
이 외에도 기름유출은 검은 재앙이라고 불리는 환경오염의 원인이기 때문에 오일펜스(Oil fence), 바다위 기름에 불을 붙여 태우는 방법, 유화제 이용 등등 여러가지 기름제거 방법을 통해 환경오염을 막기위한 노력이 이어지고 있습니다.

[고체 혼합물의 분리]

- 신선한 달걀? 상한 달걀?
보글보글 꼬불꼬불 맛좋은 라면, 다들 좋아하시나요? 양파나 대파를 송송 넣어 먹는 친구들도 있고, 쫄깃한 떡과 치즈를 넣는 친구들도 있지만 라면의 찰떡궁합 친구는 바로 달걀이지 않을까 싶은데요. 혹시 라면을 다 끓이고 나서 탁 깨어 넣은 계란이 상해있던 경험을 해본 친구 있으신가요? 겉으로는 멀쩡해 보여도 속내는 까맣게 썩어있는 계란은 정말 깨어보기 전에는 신선한지 상했는지 분간이 어렵습니다. 하지만 밀도차를 이용하면 신선한 달걀과 상한 달걀을 구분할 수 있습니다. 방법은 이렇습니다.

1. 컵 두개를 평평한 스탠드 위에 올려 놓고 소금물을 2/3까지 채웁니다.
2. 각 컵에 달걀을 넣어 보고 두 달걀 중 어느 달걀이 아래에 있는지 확인합니다.

소금물은 신선한 달걀의 밀도와 상한달걀의 밀도에 중간인 밀도를 가지고 있습니다. 때문에 밀도가 높은 신선한달걀은 가라앉고, 밀도가 낮은 상한달걀의 위로 떠오르게 됩니다.

- 사금 분리하기
사금이란 자연금을 함유한 모암이 풍화작용을 받아 부서진 후, 강가나 해변가에 퇴적한 것을 말합니다. 그래서 일반적인 모래와 작은 돌멩이들과 뒤섞여 있곤하는데 각각의 밀도가 다르기에 다음의 방법으로 분리해낼 수 있습니다.

준비물: 사금이 걲인 모래, 큰 그릇, 흐르는 물

1) 사금이 섞인 모래를 큰 그릇에 넣습니다.
2) 흐르는 물에 그릇을 넣어줍니다.
3) 물에넣은 그릇을 흔들어 줍니다. 이때 사금이 같이 떠내려 가지않게 주의합니다.

밀도가 작은 모래는 물에 떠서 떠내려가고 밀도가 큰 사금은 그릇에 남게 되어 분리할 수 있으며 사금이 물보다 밀도가 크다는것을 알 수 있습니다.

- 좋은 볍씨 고르기
벼농사는 좋은 볍씨를 고르는 일에서부터 시작한다는 말이 있지요. 그렇기에 볍씨를 고르는데는 까다로운 기준이 필요합니다. 적당히 잘익고 무겁고 병해충이 없는것이 최고라고 할 수 있는데요, 하지만 한알한알 섬세하게 고르기엔 너무 작은만큼 밀도차를 이용하여 좋은 볍씨를 골라낼 수 있습니다. 바로 다음의 방법과 같습니다.
준비물: 볍씨, 스포이트, 물, 식용유

1) 500ml 비커에 물 400ml를 넣는다.
2) 비커에 달걀 한개를 살짝 넣고 달걀이 물위에 나오도록소금으로 밀도를 조절한다.
3) 볍씨를 넣고 몇번 저어준 다음 관찰한다.

볍씨를 소금물에 넣으면 밀도가 작은 쭉정이(껍질만 있고 속이 빈 곡식)는 위로 뜨고, 밀도가 큰 좋은 볍씨는 가라앉습니다. 이 외에도 밀도차를 이용하여 쭉정이를 골라내는 두가지 방법이 더 있는데요 한번 알아보겠습니다.

< 풍구 >
곡물에 섞인 쭉정이나 먼지를 날리는데 사용하는 농기구로, 풍구 위쪽에 곡식을 넣고 바람을 일으키면 밀도가 작은 쭉정이와 먼지는 날아가고, 밀도가 큰 알곡은 밑으로 분리되어 나옵니다.

< 키질 >
타작된 곡식의 낟알을 겨와 분리시키기 위해서 키를 잡고 까부는 행위로써, 키를 들고 흔드는 행위에서 밀도가 작은 쭉정이나 검부러기는 날아가고밀도가 큰 낟알들은 키 안쪽에 남게 된다.

출처= 이투스me 안현정 강사
동아닷컴 교육섹션 정민아기자 mina@donga.com