산소와 이산화탄소의 성질

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산소와 이산화탄소는 대기중의 주요 기체이면서, 다른 구성 요소인 질소와 아르곤과 달리 그 반응을 직접 관찰하기 쉽다. 산소와 이산화탄소는 생명체의 대사 작용에서 중요한 역할을 할 뿐 아니라 물질의 연소에도 큰 영향을 미친다. 몇 가지 실험관찰을 통해 산소와 이산화탄소의 성질에 대해서 알아본다.

산소의 발생과 그 성질[+/-]

묽은 과산화수소와 이산화망간으로 산소를 만들 수 있다. 산소는 물질을 잘 타게 해 주지만 그 자체가 타지는 않는다. 이산화망간 대신 감자를 사용할 수 있다. 이산화망간은 폐건전지를 분해하여 얻을수 있다. 산소를 만드는 방법과 산소 속에서 물질은 어떻게 타는지 알아본다.

준비물
묽은 과산화수소, 이산화망간, 수조, 연소 숟가락, 철사, 숯, 양초, 소독저, 성냥, 집기병, 시험관, 콕이 달린 깔때기, 수조, 삼각 플라스크, 고무 마개, 고무관, 유리판, 클램프 등

실험관찰[+/-]

① 삼각 플라스크에 이산화망간을 넣은 다음 물을 조금 부은 후 산소 발생 장치의 깔때기에 묽은 과산화수소를 붓는다. 클램프를 열어 묽은 과산화수소를 조금씩 떨어뜨리면 수조 속으로 연결된 유리관에서 기체가 발생하는지 살펴보자. 집기병에 물을 가득 넣고 유리판으로 덮은 다음 그것을 수조 속의 물속에 거꾸로 세운 뒤 유리판을 뺀 다음 삼각 플라스크와 연결된 유리관을 수조 속의 집기병 안으로 연결시키고 반응을 살펴보자.② 산소 속에서 양초, 소독저, 숯, 철사 등을 태워 보자. ③ 유리관에서 나오는 산소에 성냥불을 가까이 대 보자.

결과[+/-]

① 집기병 안에 기포가 생기면서 물은 점점 줄어든다. 물이 줄어드는 만큼 집기병 안에 산소가 모아지는 것을 알 수 있다.② 집기병 안의 물이 다 빠져 나갔을 때 수조 안의 유리판으로 집기병 입구를 막은 다음 꺼내서 그 안에 양초, 소독저, 숯, 철사 등에 불을 붙여 넣어 보면 모두 잘 탄다. 특히 공기 중에서는 잘 타지 않는 철사도 불꽃을 내며 타는 것을 볼 수 있다.③ 산소가 나오는 유리관에 성냥불을 대도 산소는 타지 않으며 대신 성냥불은 불꽃이 커지면서 더 잘 타는 것을 볼 수 있다.

촛불의 구조와 연소[+/-]

촛불은 여러 층의 불꽃으로 이루어져 있으며 각 층의 불꽃의 세기와 밝기는 다르다. 또 가연성 기체는 심지 부분에 모여 있다. 촛불의 불꽃의 구조와 각 부분별 불꽃이 갖는 특성을 알아본다.

준비물
초, 금속 그물, 2㎜ 굵기의 철사, 0.5㎜의 철사 코일, 가는 유리 대롱, 나무젓가락, 장갑 등

실험관찰[+/-]

① 2㎜ 굵기의 철사를 가로로 뉘여서 촛불의 여러 부분에 넣고 태워 보자. 금속 그물로도 같은 실험을 해보자.② 0.5㎜ 굵기의 철사 코일을 가로로 뉘어 촛불의 여러 부분에 넣고 태워 보자.③ 가는 유리 대롱에 철사를 묶고 유리 대롱 한쪽 끝을 촛불 심지 가까운 곳에 넣어 보자.

결과[+/-]

① 바깥쪽의 밝은 부분에 넣으면 그을음이 생기나 심지 근처에서는 생기지 않는다. 금속 그물을 대어 보면 불꽃의 끝부분에서는 그물이 원형으로 빨갛게 되고 중간 부분에서는 고리 모양으로 달궈진다.② 철사 코일은 촛불의 제일 바깥쪽에 대었을 때 가장 빨갛게 달궈지는 것으로 보아 이곳이 제일 뜨거운 곳임을 알 수 있다.③ 유리 대롱을 촛불의 심지 근처에 넣으면 하얀 연기가 대롱을 통해서 나오는 것을 볼 수 있는데 이 연기에 성냥불을 대면 불꽃을 내며 타는 것으로 보아 심지 근처에 가연성 기체가 모여 있음을 알 수 있다.

심화학습[+/-]

촛불은 크게 불꽃심, 속불꽃, 겉불꽃으로 나눌 수 있는데, 불꽃심의 색깔은 백색에 가까우며 온도는 1000-1100℃이다. 속불꽃은 파란색을 띠며 온도는 1100-1200℃이고, 겉불꽃은 오레지색을 띠며 온도는 1200-1400℃이다.

초가 연소한 후에 생기는 물질[+/-]

초의 성분 중에는 수소와 탄소가 있다. 양초는 보통 고급 탄화수소인 파라핀으로 만든다. 촛불의 불꽃은 초가 녹은 기체가 타는 것인데, 이 기체가 타면 무엇이 되는지 알아보자.

준비물
알코올 램프, 슬라이드 글라스, 시험관, 철사, 찬물, 석회수, 유리판, 집기병, 손칼, 핀셋, 성냥, 양초

실험관찰[+/-]

① 시험관에 잘게 부순 초를 넣고 기체가 될 때까지 가열하고, 시험관에서 나오는 흰 연기에 슬라이드 글라스를 대어 보자.② 집기병 안에서 초를 태워 병 속의 변화를 살펴보자.③ 집기병에서 초를 꺼낸 다음 석회수를 넣고 흔들어 보자.

결과[+/-]

① 초를 가열하면 액체가 되고 더욱 가열하면 기체가 되어 흰 연기가 나온다. 여기에 찬 유리판을 대면 초가 붙는다.② 집기병 안쪽에 물방울이 생기는 것으로 보아 초에 수소가 들어 있음을 알 수 있다.③ 석회수가 흐려지는 것을 볼 때 집기병 속에 이산화탄소가 들어 있는 것을 알 수 있는데, 이는 초의 성분 속에 탄소가 있음을 뜻한다.

이산화탄소의 발생과 그 성질[+/-]

묽은 염산과 석회석을 섞으면 이산화탄소가 발생한다. 이산화탄소는 색깔이나 맛이 없다. 이산화탄소를 만드는 방법과 또한 어떤 성질을 가지고 있는지 알아본다.

준비물
묽은 염산, 석회수, 석회석, 양초, 연소 숟가락, 종이컵, 비커, 삼각 플라스크, 핀치콕, 고무 마개, 유리판, 수조, 집기병, 유리관

실험관찰[+/-]

① 삼각 플라스크에 석회석을 넣은 다음 이산화탄소 발생 장치의 깔때기에 묽은 염산을 붓는다. 핀치콕을 열어 묽은 염산을 조금씩 떨어뜨리면 수조 속으로 연결된 유리관에서 기체가 발생하는지 살펴보자. 집기병에 물을 가득 넣고 유리판으로 덮은 다음 그것을 수조 속의 물속에 거꾸로 세운 뒤 유리판을 뺀 다음 삼각 플라스크와 연결된 유리관을 수조 속의 집기병 안으로 연결시키고 반응을 살펴보자.② 집기병 속에 기체가 모아지면 유리판으로 뚜껑을 막아 꺼낸 다음 색깔과 냄새를 알아보자. 집기병 속에 석회수를 넣고 유리판으로 뚜껑을 닫은 다음 흔들어 보자.③ 집기병 속에 촛불을 넣고 관찰해 보자.

결과[+/-]

① 석회석에 묽은 염산을 부으면 석회석이 녹아서 기포가 나온다.② 집기 속의 기체는 색깔도 냄새도 없고, 석회수를 넣어 흔들어 본 결과 뿌옇게 흐려지는 것으로 보아 이산화탄소임을 알 수 있다.③ 곧 촛불이 꺼지는 것으로 보아 이산화탄소 속에서는 불이 타지 않는다는 것을 알 수 있다.

나무의 연소[+/-]

나무에는 가열하면 기체가 되는 성분, 액체가 되는 성분, 숯이 되는 성분이 있다. 성냥개비를 태워서 나무는 어떻게 타는지 알아본다.

준비물
성냥개비, 시험관, 고무 마개, 유리관, 알코올 램프, 스탠드, 찬물, 둥근 플라스크, 성냥

실험관찰[+/-]

① 성냥개비에 불을 붙여 나뭇조각이 어떻게 타는지 살펴보자.② 시험관 속에 나뭇조각을 넣고 공기가 들어가지 않게 막은 다음 가열해 보자. 이때 나오는 것과 시험관 안에 남는 것이 무엇인지 살펴보자. 시험관에 유리관을 연결시켜 불을 붙이고 그 불꽃에 찬물이 든 플라스크를 대 보자.

결과[+/-]

① 불꽃을 내면서 타며 연기도 난다. 불꽃의 색깔은 촛불과 비슷하다. 불꽃을 내며 타는 것은 나무에서 기체가 나온다는 것이다. 다 탄 뒤에는 빨갛게 숯처럼 타는 부분이 있는데 이것은 탄소 성분 때문이다.② 시험관 속의 나뭇조각을 가열하면 흰 연기가 나오며, 유리관을 통해 나온 유리관에 불을 붙이면 불꽃을 내면서 탄다. 여기에 찬물이 든 플라스크를 댔을 때 플라스크 겉면에 물방울이 맺히는 것으로 보아 기체에 수소나 수증기가 들어 있음을 알 수 있다. 한편 시험관 입구 부분에는 타르라는 끈적끈적한 액체가 모인다.

자기적 성질[+/-]

상자성은 자석에 붙는 성질, 반자성은 자석에 붙지 않는 성질이다. 이를 통하여 일반적인 물질도 자석에 붙기도 함을 알 수 있다. 고교과정이상에 의하면 이러한 산소의 성질은 반응성이 높은 원인의 하나이다. 물질에 따라 자석에 붙는지 여부는 각각 다르다. 액체 산소가 액체 질소와 다른 점을 알아보자

준비물
액체 산소, 액체 질소, 네오디뮴 자석

실험관찰[+/-]

네오디뮴 자석에 액체 산소와 액체 질소를 흘리고, 달라붙는지 관찰한다.

결과[+/-]

액체 산소는 달라붙지만 액체 질소는 통과한다.