[출동! 섭섭박사] 살아 움직이는 라바램프

형광 물방울이 퐁퐁퐁~!

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혹시 물과 기름을 하나의 통에 넣어 본적 있나요? 두 액체가 섞이도록 통을 마구 흔들어도 물은 물끼리, 기름은 기름끼리 모여 두 개의 층이 만들어지지요. 그 이유는 두 액체 분자의 화학 구조가 다르기 때문이에요.

물질은 분자가 붙어 있는 구조에 따라 양(+)전하 또는 음(-)전하를 띠는 전기적인 성질을 갖게 돼요. 그런데 구조가 한쪽으로 치우치게 되면 한 가지 전하의 성질이 크게 나타나지요. 이 상태를 ‘극성’이라고 해요. 물은 극성 액체인 반면, 기름은 전기적으로 아무런 성질을 띠지 않는 무극성 액체예요.

‘섞인다’ 혹은 ‘녹는다’는 것은 물질을 이루는 분자가 다른 물질의 분자 사이로 들어가 결합한다는 것을 뜻해요. 그리고 분자의 전기적인 성질이 같을 때에만 결합할 수 있지요. 극성인 물질은 극성끼리, 무극성 물질은 무극성끼리 결합하는 거예요. 따라서 극성이 다른 물과 기름은 섞이지 않고 층을 이루게 되는 거랍니다.

이때 물은 기름층 아래에 놓이게 돼요. 그 이유는 물의 밀도가 기름의 밀도보다 더 크기 때문이에요. 밀도는 물질의 질량을 부피로 나눈 값으로, 물질이 얼마나 빽빽하게 구성되어 있는지를 나타내요. 그래서 밀도가 클수록 같은 부피라도 더 큰 질량을 갖게 되어 가라앉으려고 하지요. 반대로 밀도가 작을수록 위로 뜨려고 하고요.

일반적으로 밀도의 크기는 같은 물질에서 고체 상태일때 가장 커요. 그리고 액체, 기체 순으로 점점 작아지지요. 그러나 물은 예외적으로 수소결합을 하고 있어 액체 상태의 밀도가 고체 상태일 때보다 커요. 물이 얼면 얼음이 물 위에 둥둥 뜨는 이유도 이 때문이랍니다.


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이미지 확대하기램프가 밝게 빛나기 위해서는 빛이 필요해요. 하지만 물이나 기름은 스스로 빛을 낼 수 없는 물질이지요. 그래서 물과 기름을 담은 컵 아래에 LED 막대를 놓을 거예요. LED 막대에서 나온 빛이 컵 내용물에 부딪혀 사방으로 퍼지면 어둠을 밝혀 줄 램프가 되는 거지요.

LED 막대는 전류를 흐르게 하면 빛을 내뿜어요. 그러므로 전지에서 나온 전류가 흘러나와 전지와 LED 전구, 스위치를 모두 통과하도록 하나의 전선으로 연결해야 하지요. 이 과정에서 가장 중요한 것은 양(+)극을 음(-)극과 연결하는 거예요.

전지에서 양극은 전류가 나가는 쪽이고 음극은 전선을 통해 흐른 전류를 다시 받아들이는 쪽이에요. 따라서 LED 막대나 스위치를 전선으로 연결할 때도 양극과 음극이 만나도록 연결해야 전류가 제대로 흐른답니다. 만약 전지와 연결한 LED 막대에 빛이 들어오지 않는다면 서로 같은 극끼리 연결한 부분이 있는지 확인해 보세요.



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LED 막대의 빛만으로는 라바램프를 예쁘고 환하게 보기엔 부족해요. 또 물과 기름이 층으로 나뉘어 있지만, 두 액체 모두 투명한 색이어서 뚜렷하게 구별하기 어렵지요. 이를 해결하기 위해 램프 내용물에 형광색소를 사용하기로 했어요.

형광색소는 빛의 자극에 의해 빛을 내는 물질이에요. 일반색소는 빛을 받으면 원하는 파장의 빛을 흡수하고 나머지는 반사해 색을 내지요. 그런데 형광색소는 흡수했던 빛의 일부를 다시 빛의 형태로 내보내요. 그래서 일반 색소보다 좀 더 눈에 띄는 색을 내게 된답니다.

형광색소는 물에만 녹는 물질이에요. 원하는 색의 형광색소를 물에 녹여 색을 더해 주면 기름층과 정확히 구분할 수 있지요. 또 LED 막대 빛을 대었을 때 훨씬 눈에 띄는 빛을 볼 수 있답니다.

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반짝이는 램프가 움직이기까지 한다면 더 좋겠죠! 그러기 위해서는 발포제가 필요해요. 발포제를 컵에 넣으면 ‘쉬이~’ 하는 소리와 함께 거품을 내며 녹아요. 그럼 라바램프에 몽글몽글한 움직임이 나타나기 시작하지요.

발포제의 주성분은 탄산수소나트륨이에요. 탄산수소나트륨이 물을 만나 반응하면 이산화탄소가 나와 거품을 만들지요. 이산화탄소는 밀도가 낮기 때문에 위로 떠오르려고 해요. 그래서 주머니 모양의 형광 물방울이 만들어지고, 형광 물방울은 기름 위로 떠오르지요. 이후 이산화탄소는 액체 밖으로 빠져나가고, 형광 물방울만 다시 기름 아래로 돌아와요. 이러한 현상이 반복되면서 마치 램프 속은 화산에서 용암이 분출하듯 살아 움직인답니다.

이때 액체가 넘치지 않도록 발포제는 4분의 1 크기로 잘라 넣고, 반응을 보면서 추가로 넣는 것이 좋아요.

 
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이미지 확대하기라바램프를 완성하자 형광 빛을 발하는 물방울들이 퐁퐁퐁솟아올라 마치 액체가 살아 움직이는 듯했어요. 실험실의 불을 끄자 형광 물방울이 더욱 선명하게 보였답니다.

실험에 참가한 친구들 중에는 양극과 음극을 잘못 연결하거나 구리선을 제대로 꼬아 주지 않아 전구의 불이 켜지지 않는 경우가 많았어요. 하지만 모두 포기하지 않고 차근차근 문제점을 찾아 해결해 나갔어요. 그 결과 실험에 참가한 20명의 친구들 모두 예쁜 라바램프를 완성했답니다. 여러분도 라바램프 키트로 나만의 램프를 만들어 보세요.


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글 : 이윤선 기자 petiteyoon@donga.com
도움 : 국립광주과학관
어린이과학동아 2016년 05호


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