액체가 결정이 되는 원인과 예
액체에서 결정을 만들려면 어떻게 해야 할까요? 먼저 용매에 용질을 충분히 넣어 용액이 포화 상태가 되어야 하고, 그것이 다시 과포화 용액이 되어야 합니다. 과포화 용액은 매우 불안정하기 때문에 결정씨앗을 만나기만 하면 그대로 결정을 만듭니다.
아세트산나트륨 과포화 용액은 고체가 되면서 열을 발생하기 때문에 우리가 흔히 사용하는 주머니 손난로나 찜질용 핫패드에 들어 있습니다. 아세트산나트륨 과포화 용액이 담긴 찜질용 핫패드의 금속 조각을 꺾어 주면 순식간에 액체가 고체로 변하면서 열을 내게 됩니다. 이것은 아세트산나트륨 과포화 용액이 매우 불안정하기 때문에 금속 조각을 꺾는 작은 충격에도 응고다 되어 열을 발생하게 되는 것입니다. 아세트산나트륨을 이용한 손난로나 찜질요 핫패드는 뜨꺼운 물에 녹이면 다시 본래의 상태로 돌아오기 때문에 재사용할 수 있다는 장점이 있습니다.
황산마그네슘은 마그네슘의 황산염으로 결정 안에 물 분자를 포함하고 있습니다. 백색 분말로 100g의 물에 0도씨에서는 26.9g, 100도씨에서는 68.3g이 녹습니다. 또한 포화 수용액으로부터 결정을 만들 때 온도에 따라 결정 내의 물 분자 수가 달라집니다. 특히 황산 마그네슘은 두부를 만들 때 쓰이는 간수에서 얻을 수 있고, 종이의 재료, 섬유의 염색을 도와주는 매염제, 변비 치료제로도 사용됩니다. 황산마그네슘 포화 수용액이 담긴 두 개의 비커 사이에 끈을 연결하면 끈에 흡수되는 물 분자를 따라 황산마그네슘 알갱이가 끈의 중간까지 이동합니다. 이때 수용액 밖으로 나온 물 분자는 공기 중으로 증발하고, 남아 있는 황산마그네슘 알갱이들이 모여 고드름처럼 생긴 종유석을 만듭니다.
석회 동굴은 지하수나 빗물에 의해 석회암이 녹아서 생긴 동굴로, 이러한 석회 동굴에서는 종유석, 석순, 석주 등을 볼 수 있습니다. 종유석은 석회 동굴 천장에 고드름처럼 자라는 것이고, 석순은 석회질의 바닥으로 떨어져 바닥에서 죽순처럼 위로 솟은 돌을 말합니다. 이 종유석과 석순이 맞닿으면 석회 기둥인 석주가 됩니다. 석회 동굴을 이루는 석회암의 주성분인 탄산칼슘이 이산화탄소가 섞인 물에 녹으면 탄산수소칼슘이 만들어집니다. 이 용액이 동굴의 천장에 스며들어 떨어질 때 이산화탄소가 포함된 물은 공기 중으로 날아가기 때문에 탄산칼슘이 재결정되어 종유석 등이 만들어지게 되는 것입니다.
두 개 이상의 물질을 함께 섞어 두었을 때 온도를 떨어뜨리는 물질을 혼합 냉각제 또는 한제라고 합니다. 얼음에 소금을 넣으면 온도가 더욱 내려가는 것도 소금이 한제이기 때문입니다. 그런데 소금은 얼음과 어떤 질량비로 섞여 있는가에 따라 떨어지는 온도가 달라지게 됩니다. 이처럼 얼음과 섞여 온도를 떨어뜨리는 물질은 그 혼합비에 따라 낮아지는 온도가 달라집니다.
물 120mL에 물유리 30g을 넣고 유리 막대로 물유리를 비커 벽에 물질러 잘 녹입니다. 유리컵에 모래를 깔고 작은 흰색 자갈을 넣은 뒤 물에 녹인 물유리를 넣습니다. 이때 물유리와 물은 1:4의 비유로 섞어야 하며 물유리 용액은 강염기이므로 반드시 장갑을 끼고 진행해야 합니다. 이후 여러 가지 종류의 염을 비커 속에 떨어뜨립니다. 이후 물유리 속에서 씨앗이 자라 결정 꽃을 피우게 됩니다. 물유리는 컵에 오래 두면 규산이 벽에 달라 붙습니다. 실험이 끝난 후에는 진한 수산화나트륨 용액을 넣고 가열한 뒤 물로 씻어 놓아야 합니다. 여기서 물유리는 규산나트륨 용액입니다. 금속염을 물이에 넣으면 금속염과 물유리가 순간적으로 반응하여 금속염 표면에 새로운 금속 규산염을 만들게 됩니다. 이 염은 반투막인데 이 막을 통해 농도가 낮은 바깥쪽의 물이 농도가 높은 반투막 염 안으로 들어오게 되는 것입니다. 이처럼 물이 안으로 들어오면 막이 팽창하여 터지거나 기포가 생긴 약한 부분에서 염 용액이 밖으로 분출됩니다. 하지만 곧 금속염이 물유리와 반응하여 반투막 염을 또 만들게 됩니다. 이런 과정이 반복되면서 점점 염 결정이 자라나 컵 속에 화학 정원을 꾸미게 되는 것입니다. 이 때 금속염이 더 빨리 자라게 하려면 물유리 온도를 낮추어야 합니다. 또 물유리는 오래 지나면 딱딱하게 굳어서 아름다운 화학 정원으로 보관할 수도 있습니다.