[신나는 과학이야기] 흔들이 손난로
아침, 저녁으로 제법 쌀쌀해졌다. 추운 겨울이 돼도 움츠리지 않고 오래도록 뛰어노는 아이들을 보면 절로 감탄사가 난다.
어떻게 추위를 이겨내는 것일까. 어렸을 적의 일이다. 매우 추운데도 잘 놀던 아이가 있었다. 비밀은 조그만 ‘주머니 손난로’였다.1회용이지만 추위를 막아낼 방법이 없는 곳에서는 아주 유용하다. 그럼, 흔들이 손난로를 만들어 보자.
철가루, 탄소가루, 소금, 톱밥, 물, 한지, 규조토, 부직포(4절지 크기), 비닐 지퍼백(가로 14㎝, 세로 10㎝), 스테이플러, 테이프, 저울, 칼이나 가위, 큰 그릇, 계량용 컵을 준비한다.
먼저, 비닐 지퍼백을 가로, 세로로 각각 2번씩 접는다. 그러면 9개의 칸이 만들어진다. 가운데 있는 칸을 칼로 잘라서 창구멍을 만든다. 가위로 자르면 엉뚱하게 잘릴 수 있으니 칼이 낫다.
이어 지퍼백 안에 넣을 부직포 봉지를 만든다.
부직포 봉지는 입구만 두고 나머지 부분은 스테이플러로 박는다. 바느질로 막을 수도 있다. 그런 다음 창구멍을 막을 크기로 부직포 2조각과 한지 2조각을 자른다. 창구멍을 낸 비닐 지퍼백을 뒤집는다.
양 창구멍을 부직포, 한지, 부직포 순으로 놓은 뒤 테이프를 붙여서 막는다. 이때 창구멍으로 산소가 통과할 수 있게 테이프를 가장자리에 붙인다.
창구멍을 다 막았으면 다시 뒤집는데, 입구의 반대쪽 모서리부터 밀어 넣어서 뒤집는다.
철가루 45g, 탄소 11.25g, 소금 2.25g, 톱밥 3.75g, 규조토 4.5g 등을 하나의 큰 그릇에 넣고 섞는다. 약 수저로 잴 경우 철가루는 10스푼, 탄소가루는 6스푼, 소금은 1스푼, 톱밥은 3스푼, 규조토는 2스푼을 넣으면 된다.
여기에 물을 10.5㎖ 정도 넣는다. 물과 재료들을 잘 섞어준 뒤 미리 만들어놓은 부직포 봉지에 넣고 봉지의 입구를 테이프로 막는다.
테이프로 막은 부직포 봉지를 창을 낸 지퍼백에 넣고 잘 흔들어 섞어준다. 흔들고 주물러서 열이 어느 정도 나면 옷주머니에 넣어둔다. 온도가 섭씨 70도 정도까지 올라간다.
흔들이 손난로에서는 왜 열이 발생하는 것일까.
흔들이 손난로는 철의 산화반응으로 열이 발생하는 원리를 이용했다. 화학식으로는 ‘4Fe +3O2→ 2Fe2O3+열’로 표시할 수 있다. 산화반응 속도를 빠르게 하기 위해 탄소가루와 소금, 물 등을 넣는 게 필요하다.
각각의 물질이 하는 역할은 쇠못이 녹스는 것을 생각하면 된다.
못이 녹슬려면 산소가 있어야 하고 물이 있으면 산화가 더욱 빠르다.
소금물 안에 있으면 녹이 훨씬 잘 슨다. 소금은 물에 녹아 전해질로서 전자의 이동을 쉽게 해 줘 철가루의 산화를 돕기 때문이다. 탄소가루는 촉매 역할을 한다. 톱밥은 단열재로 열이 오래 지속되게 하는 역할을 한다.
규조토는 흡착제로 수분을 적절히 보존하는 역할을 한다. 이렇게 제작한 손난로는 10시간에서 3일까지 제 기능을 발휘한다.
비닐 지퍼백의 양면에 낸 창구멍의 역할은 무엇일까.
손난로 실험에서 가장 중요한 것은 적당한 양의 산소를 통과시키고 물과 가루가 새지 않는 봉투를 만드는 일이다.
비닐 지퍼백을 사용하지 않고 포장용 부직포만으로 봉투를 만들면 산소가 너무 많이 들어가서 열이 많이 나고 금방 식는다.
따라서 산소의 공급 속도를 조절하기 위해 비닐 지퍼백의 양면에 창구멍을 내는 것이다. 시중에서 파는 흔들이 손난로의 부직포는 내피가 붙어 있는 상태에서 압축포장을 한 것으로 그 구멍은 마이크로미터 수준으로 매우 미세하다.
흔들이 손난로는 따뜻하고 편리하지만 가능하다면 피부에 직접 닿지 않게 손수건이나 헝겊으로 감싸서 사용해야 한다. 약한 피부 등에 직접 닿으면 화상을 입을 수도 있다.
홍준의 한성과학고 교사