[신나는 과학이야기] 양초 시소 만들기

축하와 기념 행사에서 빠지지 않는 것이 케이크라면 이를 더욱 화려하고 의미있게 장식하는 것이 양초다. 탈취 기능도 있어 실내의 담배 냄새나 고기 굽는 냄새 등을 제거하는 생활 속의 팔방미인이라 할 수 있다. 양초를 이용한 몇 가지 실험을 해보자.

양초를 이용한 실험의 첫 단계는 촛불의 관찰이다. 양초에 불을 붙여 받침에 세운다. 촛불의 광채와 아름다움, 신비로움을 느껴보고 불꽃 모양, 양초 몸통을 타고 흐르는 촛농, 불꽃 위의 그을음, 까맣게 변한 심지와 심지 끝 빨간 불똥 등을 관찰해 보자. 양초가 녹아 심지 주변에 촛농이 고이면 연필심이나 색소 가루를 떨어뜨리고 가루가 어떻게 움직이는지 살펴보자.

알루미늄 호일로 대롱을 만들어 심지 근처에 가져가 대롱을 통해 나오는 기체에 불을 붙여 보고 이유를 생각해 보자.

양초에 불을 붙이면 불꽃 근처의 양초 파라핀이 녹고, 녹은 액체 파라핀이 심지를 따라 올라간다. 색소 가루나 연필심 가루를 녹은 가장자리 쪽의 촛농에 떨어뜨리면 가운데 심지 주위로 모이면서 심지를 타고 올라가는 것을 볼 수 있다. 액체 속에 모세관을 넣었을 때 관 내부의 액체 표면이 외부의 표면보다 높거나 낮아지는 모세관 현상에 의한 것이다. 수건이나 흡수지에 물이 저절로 스며드는 것이나 식물의 뿌리에서 흡수된 수분이나 양분이 식물 전체에 퍼지는 것과 같은 원리다. 심지의 미세한 틈을 타고 심지 끝으로 운반된 액체 파라핀은 뜨거운 촛불의 열에 의해 기화되고 산소와 결합하여 불이 붙게 된다.

이번에는 촛불을 가로와 세로로 잘라 보자. 철물점에서 창틀 방충망으로 쓰이는 알루미늄 그물을 구해 촛불 위에서 지그시 내려 덮으면 불꽃이 도넛 모양을 하고 있는 것을 볼 수 있다. 이쑤시개나 꼬치용 나무 바늘을 옆으로 들고 나란히 해 촛불에 가까이 댔다가 뗀다. 불꽃에 따라 이쑤시개에 검게 탄 자국이 다르게 생긴다.

양초의 불꽃은 크게 세 부분으로 나뉜다. 가장 바깥쪽은 겉불꽃으로 산소 공급이 잘돼 완전 연소가 일어난다. 온도도 섭씨 1400도로 가장 높아 불꽃의 색깔을 거의 볼 수 없다. 가운데 부분은 속불꽃인데, 산소 공급이 부족해 생긴 그을음(탄소알갱이)이 열을 받아 가장 밝게 빛나고, 온도는 섭씨 600도 정도다. 가장 안쪽의 검은 부분은 불꽃심으로 그을음이 가장 많이 생기며 온도는 300∼400도 정도. 양초의 불꽃 위를 금속 망으로 덮으면 가장 안쪽이 검게 보이는 것도 이 때문이다.

양초는 탄소와 수소가 주성분인 파라핀 왁스로 돼 있다. 완전 연소하면 이산화탄소와 수증기가 발생한다. 하지만 심지 부근은 산소와 접촉 기회가 적어 불완전 연소가 일어난다. 따라서 심지 부근에 알루미늄 대롱을 연결해 두면 미처 타지 못한 파라핀 증기 성분이 대롱을 따라 흰 연기로 나오게 되고, 여기에 불을 붙이면 더 탈 수 있게 된다.

양초 시소를 만들어 역동적인 실험도 해보자. 같은 모양의 플라스틱 음료수병을 준비한다. 철사가 통과할 수 있도록 같은 위치에 송곳으로 구멍을 뚫는다. 양초의 양끝을 칼로 다듬어 심지가 나오도록 한다. 양초의 중간 지점에 철사를 가열해 통과시키고 균형을 맞춘다.

양초의 양쪽 심지 부분에 불을 붙이고 어느 한쪽을 아래쪽으로 내려 타게 만든 다음 손을 놓으면 시소처럼 움직인다. 아래쪽으로 기울어진 부분의 양초는 불꽃과 더 많이 접하기 때문에 더 빨리 녹게 되고 결과적으로 위쪽 불꽃보다 더 빠르게 연소가 일어나 촛농이 많이 떨어지게 된다. 양초가 녹아서 가벼워지면 위로 올라가고, 반대쪽이 아래로 내려가서 마찬가지 현상이 되풀이된다.



양초의 연소 속도와 질량 변화에 따라 시소처럼 오르락내리락하는 운동을 계속하게 되는 것이다.

김연숙 부평고등학교 교사