밀도란 무엇인가
밀도란 물질의 질량을 물질의 부피로 나눈 값으로, 일정한 부피에 대한 상대적인 질량입니다. 이것은 각 물질마다 다르기 때문에 물질의 특성이 됩니다. 물질의 부피 1세제곱센티미터당 질량을 밀도라고 합니다. 같은 부피의 철이 나무보다 더 무거운 것은 철을 이루는 입자가 더 조밀하고 무겁기 때문입니다. 이처럼 물질마다 1세제곱센티미터의 부피 속에 들어 있는 질량은 모두 달라서 밀도를 측정하면 그 물질이 무엇인지 구별할 수 있습니다.
달걀의 밀도를 측정하는 방법
먼저 전자저울로 달걀의 질량을 측정합니다. 그리고 물이 가득 담긴 컵에 달걀을 넣고 잠길 때까지 살짝 눌러서 달걀의 부피만큼 물이 넘치게 합니다. 넘친 물을 눈금 실린더에 넣고 눈금을 읽어 달걀의 부피를 구합니다. 달걀의 질량을 부피로 나누면 밀도는 약 세제곱센터미터당 0.97그람입니다. 이번에는 물이 든 비커에 소금을 넣고 더 이상 녹지 않을 때까지 유리 막대로 저어 포화 소금물을 만들어 줍니다. 물이 담긴 수조에 달걀을 넣고 유리 막대로 저어 주면서 포화 소금물을 천천히 넣습니다. 이때 달걀이 떠오르기 시작하면 소금물을 더 넣지 말고 기다려봅니다. 달걀이 너무 위로 떠오르면 물을 넣어 묽게 하면서 달걀이 정확하게 중간에 떠 있을 수 있도록 조절합니다. 달걀이 소금물의 중간에 떠 있을 때 달걀의 밀도는 바로 소금물의 밀도와 같습니다. 소금물의 밀도는 수조의 소금물 20밀리리터의 질량을 측정하여 계산합니다. 먼저 전자저울에 빈 비커를 놓고 0점에 맞춘 후 소금물 20밀리리터를 담아서 질량을 잽니다. 소금물의 질량을 부피로 나누어 계산한 소금물의 밀도는 세제곱센터미터당 0.97그램이며, 이것은 달걀의 밀도라고도 할 수 있습니다. 이렇게 측정한 달걀의 밀도는 앞서 측정한 달걀의 밀도와 같습니다.
설탕 알갱이와 수가 무지개탑의 원리
비터 7개에 같은 양의 물을 넣고 빨, 주, 노, 초, 파, 남, 보의 순서로 수성 물감을 타서 무지개 색깔의 용액을 만들어 줍니다. 빨간색 물에는 설탕을 넣지 않고, 주황색 물부터 무지개 색깔 순서대로 설탕의 양을 다섯 숟가락씩 증가시키면서 넣어 녹입니다. 설탕을 가장 많이 넣은 보라색 설탕물을 제일 먼저 시험관에 넣습니다. 다음에는 스포이트로 남색 설탕물부터 차례로 시험관의 벽을 타고 흘러내리도록 조심스럽게 넣어줍니다. 설탕을 많이 넣을수록 밀도가 커집니다. 따라서 무지개 색깔의 7가지 설탕물은 서로 섞이지 않고 아래쪽부터 밀도가 큰 순서대로 무지개 물탑을 쌓게 됩니다.
기름이 물 위에 뜬다는 것은 다 아는 사실입니다. 고깃국에 기름이 뜬 것이나 비 오는 날 주유소 바닥에 고인 물에 무지갯빛 기름이 떠 있는 것을 종종 볼 수 있습니다. 이렇게 물과 기름은 서로 다른 물질이며 밀도가 달라 섞이지 않습니다. 그런데 같은 물질이 녹아 있는 설탕물이 서로 섞이지 않고 층을 이루는 이유는 무엇일까요. 설탕이 많이 녹아 있는 물일수록 같은 부피에 들어 있는 설탕 알갱이 수가 많아져 밀도가 커지기 때문입니다. 부피가 같은 때에는 밀도가 클수록 더 무거우므로, 시험과의 아래쪽부터 밀도가 큰 순서대로 무지개 물탑이 쌓이게 됩니다.
알곡과 쭉정이
밀도 차이가 나는 물질을 액체에 넣으면 액체보다 밀도가 큰 물질은 가라 앉고 밀도가 작은 물질은 액체 위로 뜨게 됩니다. 농부들은 다음 해에 뿌릴 좋은 알곡을 골라낼 때 바로 이 원리를 이용했습니다. 껍질만 있고 알갱이가 없는 쭉정이는 겉보기에 알곡과 모양도 같고 크기도 같지만 속이 비어 있기 때문에 알고보다 조금 가볍습니다. 즉, 알곡의 밀도가 쭉정이의 밀도보다 조금 더 큰 것입니다. 이 둘을 물속에 집어 넣으면 알곡이나 쭉정이 모두 물보다 밀도가 크기 때문에 대부분 가라앉아 버립니다. 그런데 소금물은 맹물보다 밀도가 조금 크기 때문에 알곡과 쭉정이를 소금물에 넣으면 밀도가 작은 쭉정이는 떠오르고 알곡만 가라앉게 됩니다. 이때 떠오르는 쭉정이를 채로 살짝 건져 내면 속이 꽉 찬 알곡만을 골라낼 수 있어 가을에 풍성한 수확을 할 수 있습니다. 밀도 차이를 이용해 알곡과 쭉정이를 골라내는 원리는 오래된 달걀과 신선한 달걀을 가려내는 데에도 사용될 수 있습니다. 달걀은 오래될수록 내부에 있는 공기집이 커지고 질량이 감소해 밀도가 작아집니다. 따라서 적당한 농도의 소금물에 달걀을 넣었을 때 달걀이 뜨면 오래된 것이고, 가라앉으면 신선한 것입니다.