맛있는 김치찌개가 보글보글 끓고 있습니다. 군침이 입안에 살짝 도는데요, 맛있는 두부도 보이고 맛있게 익은 김치도 찌개에서 잘 자리를 잡고 있네요. 또 잘 살펴보니 숨어있는 고기들도 살짝살짝 얼굴을 들어내면서 얼른 젓가락질 하라고 유혹을 하고 있네요. 그런데 잘 살펴보니 고기에서 나온 기름이 둥둥 떠다니는데요, 기름을 싫어하시는 분들은 꼭 먹기 전에 기름을 덜어내고 음식을 드시기도 합니다. 그래서
한편으로는 기름이 물과 섞이지 않는 것이 다행이지만 가끔은 안 섞이는 이유가 궁금하기도 합니다.
맛있는 김치찌개가 보글보글 끓고 있습니다. 군침이 입안에 살짝 도는데요, 맛있는 두부도 보이고 맛있게 익은 김치도 찌개에서 잘 자리를 잡고 있네요. 또 잘 살펴보니 숨어있는 고기들도 살짝살짝 얼굴을 들어내면서 얼른 젓가락질 하라고 유혹을 하고 있네요. 그런데 잘 살펴보니 고기에서 나온 기름이 둥둥 떠다니는데요, 기름을 싫어하시는 분들은 꼭 먹기 전에 기름을 덜어내고 음식을 드시기도 합니다.
(자료 출처 - http://www.flickr.com/photos/avlxyz/2449061372/, avlxyz)
기름과 물이 섞이지 않는 이유는 기름이 물 사이로 쏙쏙 들어갈 수가 없어서 입니다. 물에 경우 다른 액체들과는 다르게 수소 결합이라고 하는 강한 힘을 통해서 서로를 당기고 있습니다. 그러나 기름은 물의 수소결합을 끊고 들어갈 힘이 없어서 결국은 물과 기름은 서로 섞이지 않고 따로따로 분리되어서 있습니다. 그런데 한 가지 더 재미 있는 것은 이렇게 안 섞이는 물과 기름에도 위 아래가 정해져 있습니다. 대부분 물은 기름보다 아래 있게 되는 데요, 이 때문에 기름이 물보다 형이라는 소문도 있습니다 ^^;;
아무튼 이런 서로 섞이지 않는 두 물질이 항상 위 아래가 정해져 있는 이유는 무엇일까요? 바로 밀도가 다르기 때문에 생기는 현상입니다. 밀도는 물을 1로 기준으로 삼아서 같은 부피의 물질이 있을 때 누가 더 무거운지 알려주는 과학용어입니다. 기름에 경우 물보다 같은 부피일 때 무게가 적게 나가서 밀도가 작고 물은 아래로 기름은 위로 가게 됩니다.
그래서 바다에서 기름이 유출되는 사고에 경우 밀도차이에 의해 기름이 물위에 뜨는 성질을 이용해 제거를 하고 있습니다. 또 기름과 관련된 화재에 경우 물에 의해서 불이 진화가 안되기 때문에 다른 물질을 이용해 불을 끄고 있습니다. 이처럼 밀도는 단순히 위아래를 알려주는 수치가 아니라 다양한 현상을 이해하는 데 많은 도움이 되고 있는데요, 오늘은 이러한 밀도에 대해서 자세히 알아보도록 하겠습니다.
(자료 출처 - http://www.flickr.com/photos/redwoodphotography/3671267978/,redwood)
지난 여름, 뜨거운 날씨 때문에 음식점을 가면 항상 많은 사람들이 찾는 것이 있습니다. 바로 시원한 얼음물인데요, 차가운 유리잔에 물이 가득가득 차 있고 그 위에 얼음이 떠 있으면 보는 것만으로도 얼마나 시원한지 모르겠네요. 그런데 물과 기름과 달리 물과 얼음은 결국 같은 물질로 되어 있는데 여기서는 물이 아래고 얼음이 위에 있네요. 같은 물질인데 밀도가 다르다니 이상하지 않으세요?
일반적으로 우리 주변의 물질들은 기체, 액체, 고체 중 한 가지 상태로 존재하게 됩니다. 기체에 경우 우리에게 꼭 필요하지 잘 인식하지 못하는 바로 공기가 그와 같은 상태로 존재하고 있습니다. 액체는 주변에서 무궁무진한데요, 물이 대표적 입니다. 고체는 우리가 사용하는 딱딱한 물질에 경우 다 해당됩니다. 자에 사용되는 금속도 고체이고 플라스틱 물질도 고체입니다. 이런 물질의 상태는 변할 수가 있는데요, 고체에서 액체로, 액체에서 기체로 혹은 고체에서 기체로 변하는 경우도 있습니다.
(자료 출처 - http://en.wikipedia.org/wiki/File:3D_model_hydrogen_bonds_in_water.svg)
물에 경우 액체인 물에서 고체인 얼음으로 변할 때 상당히 재미있는 현상이 나타납니다. 바로 부피가 커지는 것인데요, 플라스틱 생수통에 물을 넣고 냉장고에서 얼리면 물이 꽝꽝 얼면서 플라스틱 용기가 떠질 것같이 부풀어 오른 것을 자주 보셨을 겁니다.
물에서 얼음으로 변하게 되면 물 분자 사이에 작용하는 강한 힘인 수소결합 때문에 6각형을 만들려고 합니다. 이 때문에 액체인 상태와 다르게 빈 공간이 많이 생기게 되어서 부피가 커지게 됩니다. 따라서 같은 부피로 보면 물에 비해 분자가 적게 되어 가볍고 밀도도 작게 됩니다. 그래서 물 위로 얼음이 둥둥떠다니게 되는 것입니다. 그렇지만 일반적으로는 액체인 물질이 고체로 될 경우 대부분 부피가 작아지는 현상을 겪게 됩니다. 그래서 고체인 물질의 밀도가 더 커서 액체보다 더 아래에 있게 됩니다. 어째든 이러한 점에서 물은 우리가 쉽게 접할 수 있는 물질이라서 그렇지 과학적으로 보면 정말 특별한 물질입니다.
(자료 출처 - http://www.flickr.com/photos/gozalewis/3430070591/,timlewisnm)
여름이면 시원하게 해주는 에어컨! 지금은 날씨가 많이 추워지면서 사용을 안 하고 난로를 이용해 따뜻하게 해주고 있는데요, 에어컨의 위치를 보면 항상 방 위쪽에 설치를 합니다. 반면에 난로는 방 아래쪽에 위치해서 사용을 하고 있습니다. 그냥 보기에는 원래 이렇게 사용해서 특별함을 못 느끼셨겠지만 위치를 이렇게 놓는 것도 과학적인 원리가 숨어 있습니다.
따뜻한 공기에 경우 차가운 공기보다 밀도가 작습니다. 그래서 아래쪽 공기는 차갑고 위쪽 공기는 상대적으로 따뜻합니다. 이때 에어컨이 위에서 공기를 차갑게 해주면 위쪽 공기는 차갑게 변하면서 다시 밀도가 커지게 되고 다시 아래로 내려가게 됩니다. 반면에 아래 쪽에 있던 공기는 에어컨에 의해 차가워진 공기에 비해 가벼워서 올라가는 현상이 일어납니다. 이와 같이 반복이 되면 전체적으로 공기는 같은 온도로 차가워지게 됩니다. 난로에 경우 반대로 아래쪽에 차가운 공기를 따뜻하게 해서 위로 올려 보내주고 위에 공기는 내려와 다시 난로에 의해 따뜻해지는 과정을 거치게 됩니다. 이렇게 가열이나 냉각을 통해서 전체적으로 온도가 일정해 지는 것을 대류현상이라고 하는데요, 그런데 만약 반대로 설치하게 되면 어떻게 될까요?
에어컨이 아래쪽에 있으면 아래쪽 공기는 계속 차가워져서 밀도가 작은 위쪽의 따뜻한 공기가 아래쪽의 차가운 공기로 내려올 수 없게 됩니다. 결국 방 전체가 시원할 수가 없습니다. 난로가 방 위에 있는 경우도 차가운 공기는 여전히 아래 쪽에 있어서 바닥은 차고 위쪽 공기만 따뜻한 현상이 일어나게 되어서 방 전체적으로 따뜻해 지기 어렵게 됩니다. 그래서 대류 현상이 일어나기 힘들게 됩니다.
(자료 출처 - http://www.flickr.com/photos/34022876@N06/3171798807/,kansasphoto)
이렇게 밀도 때문에 일어나는 현상은 방안에서도 볼 수 있지만 철썩철썩 멋진 파도 소리를 들을수 있는 바다를 나가도 쉽게 경험할 수 있습니다. 바다에 경우 육지보다 태양에 의해 온도가 쉽게 변하지 않습니다. 그래서 낮에는 육지가 더 뜨겁게 되고 밤에는 육지의 식는 속도가 빨라서 바다의 온도가 육지보다 높게 되는 현상이 일어나게 됩니다.
이 때문에 낮에는 육지의 공기의 온도가 높고 밀도가 낮아서 위로 향하게 되고 상대적으로 온도가 낮고 밀도가 큰 바다의 공기가 그 자리를 채우려고 합니다. 이러한 원리로 낮에는 바다에서 육지로 바람이 불게 됩니다. 반대로 밤이 되면 바다의 공기가 더 따듯해서 위로 올라가고 차가운 육지의 공기가 그 자리를 채우려고 하면서 육지에서 바다로 바람이 불게 됩니다.
목이 마를 때 마시는 맛있는 음료수나 입이 심심할 때 먹는 껌이 들어있는 플라스틱 통을 보면 재활용 표시가 있습니다. 여기에 잘 보면 사용된 플라스틱에 대해서 꼭 쓰여있는데요, 종류별로 나눠서 분리를 하기 위해 이렇게 표시가 되어 있습니다. 그런데 잘 보시면 HDPE라고 표시가 되어 있는 곳도 LDPE라고 표시된 부분도 있는데요, 이름은 다르지만 왠지 비슷할 것 같은 이 두 물질, 궁금하지 않으세요?
LDPE는 Low density polyethylene의 약자로 저밀도 폴리에틸렌을 말합니다. HDPE는 High Density Polyethylene의 약자로 고밀도 폴리에틸렌입니다. 이름에서 알 수 있듯이 LDPE는 HDPE보다 밀도 낮은 플라스틱인데요, 이렇게 밀도가 낮은 것은 LDPE를 이루고 있는 폴리에틸렌 주변에 탄소가지가 조금 더 많아서 빈공간이 생기고 낮은 밀도를 갖게 됩니다. 이러한 밀도 차이로 나타나는 특성이 있는데요, 바로 단단하기가 다릅니다. HDPE에 경우 LDPE보다 폴리에틸렌이 더 조밀하게 붙어있어서 전체적으로 플라스틱이 강한 특성을 갖고 있습니다.
그래서 큰 압력이나 충격을 받아도 더 잘 견뎌낼 수 있는 장점을 가지고 있습니다. 이 때문에 용기를 만들거나 음료수 뚜껑과 같은 곳에 사용되고 파이프로도 사용되기도 합니다. 또 화학적으로 반응성이 적어서 화학물질을 넣는 통으로도 사용되고 절연성이 좋아서 통신케이블로도 사용되고 있습니다. 반면에 LDPE는 강하지는 않지만 부드러운 장점이 있습니다. 또 가공하기도 쉬워서 다양한 곳에서 사용되고 있는데요, 특히 필름으로 사용이 많이 되고 있습니다. 공업용 혹은 농업용 필름에도 사용되고 있고 큰 압력이 가해지지 않는 경우 뚜껑으로도 사용되어서 쉽게 열수 있도록 되어 있습니다. 또 화학적으로도 안정하여서 화학용품을 저장하는 곳에도 사용되고 있습니다.
이렇게 밀도에 따라서 특성이 달라지는 LDPE와 HDPE가 한화케미칼에서 생산되고 있다는 것을 알고 계신가요? 한화케미칼은 1973년, 국내최초로 LDPE를 생산하면서 우리 손으로 만든 LDPE가 국내에서 사용되도록 하였고 이 뿐만 아니라 연간 80만톤 이상의 Polyethylene제품을 생산하면서 이 분야에서는 아시아 선두 기업으로 뽑히고 있습니다. 한화케미칼에서는 더 좋은 LDPE와 HDPE를 만들기 위해서 많은 연구를 진행하고 있습니다.
지금까지 밀도에 대해서 알아보았는데요, 우리 주변에 많은 현상 밀도로 설명되는 경우가 많습니다. 오늘은 한번 밀도와 관련 현상을 찾아보시는 것은 어떨까요?
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- 참고문헌 –
한화케미칼 http://hcc.hanwha.co.kr
한화케미칼 블로그 http://www.chemidream.com/
General Chemistry, Thomson, Whitten, Davis, Peck, Stanley