오늘은 물이 저절로 올라오는 신기한 실험을 해보겠습니다. 간단한 작업만으로 물이 저절로 올라오는 이 실험은 아이들에게 마술같이 신기한 경험을 하게 해 줄 수 있을 뿐 아니라 온도에 의한 압력 차이를 이해시킬 수 있는 좋은 과학 실험입니다. 집에서도 쉽게 접할 수 있는 간단한 재료로 진행되는 실험이니 다가오는 주말, 아이들과 함께 재미난 과학 실험을 해보세요!
1. 신기한 물 끌어올리기 실험 준비물
- 양초
- 유리병 (양초를 덮을 수 있을 정도 크기의 유리병)
- 얕은 접시
- 성냥 또는 라이터
- 물
- 식용색소 (식용색소는 필수 준비물이 아니지만 물이 올라오는 것을 잘 관찰하기 위해 필요)
2. 신기한 물 끌어올리기 실험 과정
실험을 시작하기 앞서 불을 사용하는 실험이므로 어른이 꼭 작업을 진행해야 한다는 점을 기억해 주세요. 간단하고 쉬운 실험이지만 혹시 모를 화재의 위험에 대비해 근처에 가정용 소화기를 비치해 두는 것이 좋습니다. 안전한 실험 환경을 만들었다면 먼저 준비한 얕은 접시에 물을 채워주세요. 물에 식용 색소를 넣어 예쁜 색깔을 만들어주면 좋습니다. 이후 진행될 실험에서 유리병 안으로 물이 저절로 올라올 텐데 투명한 물보다는 색감이 가미된 물이 훨씬 더 잘 보일 겁니다. 접시에 물이 채워졌다면 작은 양초를 물 중앙에 띄워주세요. 만약 작은 양초를 쉽게 구하기 어렵다면 케이크에 꽂는 초를 점토나 코르크 등에 세워 물에 띄워주셔도 됩니다. 양초에 불을 붙였다면 재빨리 유리병을 뒤집어 불 위에 덮어주시고 병 입구가 물에 닿도록 놓아주세요. 지금부터는 초가 타는 동안 기다려주시면 됩니다. 타고 있는 초 위에 유리병을 덮으면 유리병 안 쪽의 산소가 고갈되어 가면서 점점 초가 꺼져갈 겁니다. 양초가 꺼지면서 물이 점점 위로 올라오는 것이 보이나요? 그렇다면 실험 성공입니다. 굉장히 간단하죠? 양초 이외에는 소진되는 재료도 없기 때문에 반복적으로 실험을 거듭할 수 있습니다. 실험을 반복해 보면서 왜 물이 저절로 올라오는지 생각해 보고 토의해 보는 시간을 가져보세요. 이 실험의 과학적 원리는 아래 설명하겠습니다.
3. 신기한 물 끌어올리기 실험의 과학적 원리
원리를 들여다보지 않으면 어린아이들은 그저 신기하다고만 생각할 수 있습니다. 마치 마술을 보듯이 말이죠. 하지만 우리가 집에서 이렇게 실험을 하는 이유는 단순히 재미를 위해서만 하는 것이 아니죠. 이 현상 안에 숨겨진 과학적인 원리를 들여다보고 과학과 친해지기 위해서라는 것을 기억해 주세요. 이 실험을 화학적으로 접근하자면 [ 불 + 산소 → 물 + 이산화탄소 ]와 같은 식이 성립됩니다. 즉, 양초에 붙인 불은 산소를 만나 계속 타게 되는데 유리병으로 양초를 덮는 순간부터 산소의 공급이 차단되니, 산소는 고갈되고 이산화탄소가 증가하면서 에너지의 총량을 유지하기 위해 물이 투입되며 유리병 안의 물이 상승하는 것이죠. 다른 한 편으로는 물리적으로 접근해 볼 수 있습니다. 양초는 유리병 안에서 타들어가면 내부 공기를 따뜻하게 만들어 공기량을 증가시킵니다. 양초가 다 타면 산소가 모두 소모되기 때문에 온도가 빨리 식습니다. 이러한 온도 감소는 부피도 감소한다는 것을 의미하는데 이로 인해 유리병 내부의 물이 상승하여 해당 공간을 채우게 됩니다. 이것을 우리는 샤를의 법칙이라고 합니다. 이 실험은 이렇게 화학적 작용과 물리적인 작용이 함께 결합된 현상입니다. 온도가 내려가고 산소가 감소하면 유리 내부의 압력도 감소합니다. 내부 압력이 낮아지면서 물이 저절로 올라오게 되는 것이죠. 이러한 온도, 부피, 압력 등의 개념은 어린아이들이 이해하기에 다소 어려울 수 있지만 온도가 변화하는 것을 통해 물이 상승한다는 것 정도만 알게 되어도 큰 수확입니다. 이와 같은 원리를 가진 실험은 매우 다양하므로 반복적인 노출을 통해 과학과 친숙하게 만드는 데 의의가 있으니까요.
4. 물이 올라오는 원리를 아이에게 더 쉽게 이해시키기 위한 TIP
이 실험을 더 쉽게 이해하기 위해서는 '연소'의 개념과 원리를 아는 것이 중요합니다. '연소'란 물질이 빛이나 열 또는 불꽃을 내면서 빠르게 산소와 결합하는 반응을 말합니다. 따라서 이 실험에서 양초가 연소할 때에도 산소는 필수적으로 필요합니다. 물이 없는 상태의 맨바닥에 양초를 놓고 유리병을 덮어보세요. 잠시 후 저절로 양초가 꺼지는 것을 볼 수 있습니다. 양초가 병 속에 들어있는 산소를 이용하여 연소한 것입니다. 이번엔 물을 담은 접시 위에 양초를 올려주고 그 위에 유리병을 덮어보세요. 잠시 후 물이 올라가면서 양초의 불이 꺼지는 것을 볼 수 있죠? 산소가 있던 공간만큼 물이 차오르는 겁니다. 이렇게 물이 있을 때와 없을 때를 비교하여 똑같은 실험을 해보면 좀 더 직관적으로 이해할 수 있겠죠! 과학을 어렵지 않고 재미와 흥미로 이끌어주세요!
오늘은 불과 산소가 결합하여 나타나는 연소 반응과 그에 따른 물 끌어올리기 실험을 해보았습니다. 다음에도 아이와 함께 즐길 수 있는 쉽고 재미있는 실험으로 돌아올게요.
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