양초의 화학사 1

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양초 한 자루에 담긴 화학 이야기

1. 한 자루의 양초 - 그 불꽃, 원료, 구조, 운동, 밝기

 

 

[예제 1] <보기> 중 패러데이가 강의 주제로 양초를 선택한 이유로 적절한 것은?

 

<보기> 

(가) 양초의 이야기를 통해 자연 현상을 지배하는 법칙들을 이끌어 낼 수 있다. (나) 양초에 관한 문제를 진지하게 다루는 것은 누구나 이해할 수 있다. (다) 양초의 성질을 연구하는 것은 과학 중 가장 근본적인 물리학을 공부하는 데 필수적이다. (라) 양초 연구를 통해서 자연 법칙들을 알 수 있기 때문에, 양초를 아는 것만으로도 과학이 무엇인지를 알 수 있다.

 

① (가), (나)   ② (가), (다)   ③ (나), (다)   ④ (나), (라)   ⑤ (다), (라)

 

 

[예제 2] [예제 1]의 답을 가지고 패러데이가 양초를 강의 주제로 선택한 이유를 써본다면?

 

 

[예제 3] 담금 양초를 만들 때 필요 없는 것은?

 

① 목면실   ② 우지   ③ 쇠기름   ④ 원형 바퀴   ⑤ 파라핀

 

 

[예제 4] 옛날에 광부들이 가는 양초를 사용한 이유는 무엇인가?

 

 

[예제 5] 다음은 스테아린 양초를 만드는 과정을 그림으로 나타낸 것입니다. 빈 칸에 들어가야 하는 것은?

 

 

 

         (A)                                 (B)                            (C)              

①  석회 제거                             압력                        기름 제거

②     압력                                석회수                      기름 제거

③  글리세린                              압력                        기름 제거

④  석회 제거                             압력                     글리세린 제거

⑤  글리세린                                불                          석회 제거

 

 

[예제 6] 스테아르산 양초를 만드는 과정을 통해 알 수 있는 것에 대해서는 ‘O’, 알 수 없거나 거짓인 것에 대해서는 ‘X’를 표기하라.

 

(1) 양초를 만들 때 불에 잘 타는 기름이 항상 필요하군. (   )

(2) 스테아르산은 우지로부터 추출한 물질이군. (   )

(3) 비누는 쇠기름과 생선을 섞은 것을 끓여 만드는군. (   )

(4) 석회를 제거하는 과정에서 스테아르산뿐만 아니라 글리세린도 함께 생성되는군. (   )

(5) 스테아르산은 우지보다는 덜 끈적거리고 깨끗한 물질이군. (   )

 

 

[예제 7] 양초 조제법과 관련하여 패러데이가 설명한 양초들의 종류는?

 

 

[예제 8] 주형으로 낫이나 곡괭이를 만드는 방법을 설명해 본다면?

 

 

[예제 9] 다음 중 주형 제조법으로 만들 수 없는 양초는?

 

① 담금 양초   ② 스테아르산 양초   ③ 경유 양초   ④ 우지 양초   ⑤ 왁스 양초

 

 

[예제 10] 모든 양초를 주형 제조법으로 만들 수는 없습니다. 이에 대한 이유를 설명해 본다면?

 

 

[예제 11] 생일날 케이크를 먹을 때 사용하는 양초 등을 장식용 양초라고 합니다. 어두운 창고 등을 밝힐 때 장식용 양초를 잘 사용하지 않는 이유는 무엇인가?

 

 

모든 물체는 뜨거운 불로 가열하면 타면서 불을 낸다. 물체 중에는 쉽게 타는 것이 있고, 쉽게 타지 않은 것이 있다. 쉽게 타는 물체를 ‘가연성 물체’라고 하며, 쉽게 타지 않는 물체를 ‘불연성 물체’라고 한다. 불로 인해 물체가 타는 것을 ‘연소’라고 한다. 연소가 일어나며 생긴 불은 보통 위로 향한다.

 

왜 불은 위로 향할까? 불 자체가 위로 올라가는 것은 아니다. 불이 일어나면, 주변 공기는 데워진다. 따라서 공기를 구성하고 있는 분자들이 열을 받아 위로 올라간다. 공기와 함께 연소 물질도 위로 올라간다. 이 때문에, 연소 물질이 타면서 생긴 불도 위로 올라가는 것이다. 그렇다고 불이 마냥 높이 올라갈 수는 없다. 불이 마냥 높이 올라가려면, 연소 물질이 공기와 함께 마냥 높이 올라갈 수 있어야 한다. 이것은 불가능하다. 왜냐하면 연소에 필요한 물질이 타서 없어지게 되기 때문이다.

 

 

[예제 12] 다음 그림은 불이 위로 올라가는 이유를 나타낸 것이다. 다음 그림의 빈 칸에 들어갈 것으로 가장 적절한 것은?

 

                   (A)                                                  (B)                    

①  데워진 주변 공기가 올라감                        연소 물질도 올라감

②  데워진 주변 공기가 올라감                            불이 올라감

③  데워진 주변 공기가 내려감                        연소 물질도 올라감

④ 차가워진 주변 공기가 내려감                          불이 올라감

⑤ 차가워진 주변 공기가 내려감                        심지가 올라감

 

 

[예제 13] 불이 마냥 계속 높이 올라갈 수 없는 이유는?

 

 

옛날에는 갑자기 전기가 나가는 ‘정전 사태’가 자주 발생했다. 이 때문에, 집마다 여러 개의 초를 마련해 두었다. 갑자기 전기가 나가면, 초에 불을 붙여 전기를 대신했다. 그리고 아이들은 촛불 앞에서 그림자놀이를 하곤 했다.

 

초를 만드는 쉬운 방법은 무엇일까? 가는 실로 꼬아 만든 긴 심지 주변을 우지(牛脂), 즉 소기름을 굳힌 것으로 둘러싸는 것이다. 우지는 쉽게 타는 성질을 갖고 있다. 이렇게 만들어진 초의 심지에 불을 붙여 보자.

 

심지가 타면, 그 열로 인해 초 끝 부분이 녹아 액체가 된다. 그 액체는 심지를 타고 올라가게 된다. 그래서 촛불은 꺼지지 않고 계속 타게 되는 것이다.

 

촛불 주변 공기가 데워지기 때문에, 촛불은 위로 향한다. 이때, 심지에 묻은 액체들이 타면서 그 공기의 흐름과 함께 퍼진다. 그 액체들이 퍼지는 모습을 그려보면, 다음과 같다.

 

 

 

[예제 14] 위 그림의 빈 칸 (A)와 (B)에 들어가야 하는 것은?

 

(A)                                                       

(B)                                                       

 

 

[예제 15] 위 글의 그림을 바탕으로 촛불의 모양을 그려 본다면?

 

 

 

[예제 16] 위 글에서 말하는 ‘액체’는 무엇인가?

 

 

[예제 17] <보기> 중 위 글에 근거한 판단으로 적절하지 않은 것은?

 

<보기> 

(가) 촛불이 위로 향하는 것을 가지고, 촛불 스스로 높이 올라간다고 말할 수는 없겠군. (나) 초는 스스로 불을 만들 수 있는 능력을 가지고 있군. (다) 좋은 초란 초 끝이 녹아 생긴 액체를 잘 빨아들일 수 있는 심지를 갖고 있어야 하는군.

 

① (가)   ② (나)   ③ (다)   ④ (가), (나)   ⑤ (나), (다)

 

 

[예제 18] 촛불을 등피로 에워싸고 양초를 관찰하는 이유는?

 

① 양초가 타는 모습을 더 잘 관찰하기 위해서이다.

② 주변 온도를 따뜻하기 위해서이다.

③ 바람을 막아 양초를 완전히 연소시키기 위해서이다.

④ 촛불을 아름답게 장식하기 위해서이다.

⑤ 주변을 아름답게 보이도록 하기 위해서이다.

 

 

[예제 19] 양초의 연소가 석유램프의 연소보다 더 불가사의한 이유를 설명해 본다면?

 

 

[예제 20] 연소하고 있는 양초를 자세히 관찰하면 꼭대기에 컵 모양을 이룬 것이 생겨나는 것을 볼 수 있다. 다음 중 이에 대한 원인으로 적절하지 않은 것을 모두 고른다면?

 

① 양초가 연소되면서 생기는 열로 인해 밑에서 위로 향하는 열이 생기기 때문이다.

② 양초가 연소되면서 생기는 열로 인해 양초의 가장자리는 중심부보다 온도가 낮아지기 때문이다.

③ 양초 바깥 부분에는 심지가 없기 때문이다.

④ 중력으로 인해 양초의 녹은 부분은 수평 상태를 유지하기 때문이다.

⑤ 양초의 연소로 인해 생긴 불의 가장자리가 매우 뜨겁기 때문이다.

 

 

[예제 21] 중력이 없는 우주선 안에서 양초에 불을 붙이면 어떤 일이 일어날까? 이에 대해 토론해 보고, 그 결과를 그림으로 그려 보자.

 

 

[예제 22] 자연을 연구하는 연구자가 갖추어야 할 태도로 패러데이가 강조하는 것은 무엇인가?

 

 

[예제 23] 다음은 양초의 연소에 관한 지금까지의 이야기를 그림으로 나타낸 것이다. 빈 칸에 들어가야 하는 것은?

 

• 양초 이야기를 강연 주제로 잡은 이유 → ( A ) → 연소하고 있는 양초의 꼭대기 부분에 생긴 컵 모양

 

(A)                                                       

 

 

[예제 24~27] <보기>를 읽고 물음에 답하시오.

 

<보기> 

양초의 불꽃이 계속하여 연료를 공급받을 수 있는 이유는 ‘모세관 현상’과 ‘표면 장력’ 때문이다. 모세관 현상은 섬유 사이의 공간이나 기체가 통하는 물질의 구멍 등의 작은 관과 같은 통로를 따라 액체가 올라가거나 내려가는 현상을 뜻한다. 모세관 현상은 표면장력 때문에 생긴다. 실례로 물속에 가는 관을 넣었을 때 물이 관을 따라 올라가는 것은 물 분자와 유리 벽면 분자, 또 물 분자 상호 간의 잡아당기는 힘 때문에 생긴다. 서로 잡아당기는 그 힘은 특정한 높이까지 올라간 액체기둥에 작용하는 중력과 균형을 이룬다.

 

 

[예제 24] 다음은 물이 담긴 컵 속에 빨대를 넣은 모양이다. 다음 그림에서 잘못된 곳을 지적하고 그 이유를 설명해 본다면?

 

 

 

[예제 25] 빨대를 양초의 심지로 사용할 수 없는 이유는 무엇인가?

 

 

[예제 26] 양초를 만들기에 적합한 심지는 어떤 것이어야 할까?

 

 

[예제 27] 등나무를 양초처럼 사용할 수 있는 이유는 무엇일까?

 

 

[예제 28] 우지로 만든 양초를 생각해 보자. 우지는 불에 잘 타는 성질을 가지고 있다. 그럼에도 우지를 계속해서 태우려면 일정 양 이상의 불이 있어야 한다. 촛불은 심지를 타고 올라온 아주 소량의 우지만 태울 수 있다. 만약 양초를 거꾸로 하여 녹은 우지가 심지를 따라 흘러내리게 하면, 어떤 일이 발생할까?

 

 

[예제 29] 양초에 불꽃을 붙이는 순간, 증기가 피어오르는 것을 볼 수 있다. 또 양초를 껐을 때 증기의 냄새를 맡을 수 있다. 이로부터 추측해 볼 수 있는 것은?

 

① 양초의 연소는 대부분 기체 상태에서 일어난다.

② 증기는 우지의 덩어리들이 열로 인해 올라가고 있는 상태이다.

③ 우지의 냄새는 고약하다.

④ 증기의 냄새와 우지의 냄새는 같다.

⑤ 증기는 우지가 기체 상태로 변한 것이다.

 

 

‘연소’는 물체가 불을 내면서 타는 과정을 뜻한다. 불은 빛을 낸다. ‘광원’이란 ‘스스로 빛을 내는 것’을 뜻한다. 따라서 연소 중에 있는 모든 물체는 ( A )이라고 할 수 있다. ( B )도 광원이다.

 

자연에서 발견되는 대부분의 광원은 연소 중에 있는 물체들이다. 즉, 타면서 불 속에 휩싸인 물체들이다. 태양도 연소 중에 있는 거대한 물체라고 할 수 있다. 연소 중에 있는 물체는 뜨겁다. 태양과 달리, 달은 광원이 아니다. 달은 빛을 내는 물체가 아니기 때문이다. 그렇다면 달이 밤에 밝게 빛나는 이유는 무엇일까? 태양 빛이 달에 반사되어 우리 눈에 들어오기 때문이다.

 

 

[예제 30] 위 글의 빈 칸 (A)와 (B)에 들어갈 수 없는 것은?

 

            (A)                                                         (B)      

①        광원                                                         촛불

②        광원                                                         태양

③        광원                                                        모닥불

④ 빛을 내는 물체                                                  항성

⑤ 빛을 내는 물체                                               다이아몬드

 

 

[예제 31] 다음의 빈 칸을 채워 본다면?

 

• 촛불 : 밝게 빛나는 다이아몬드 = 태양 : (     )

 

 

[예제 32] <보기>에 근거한 판단으로 잘못된 것은?

 

<보기> 

우리가 별이라고 부르는 것은 빛을 내는 뜨거운 하늘의 물체들이다. 천문학자들은 별을 ‘항성’이라고 부른다. 항성 주위를 도는 것들이 있다. 그러한 것들을 행성이라고 한다. 또 행성 주의를 도는 것들이 있다. 그러한 것들을 위성이라고 한다. 항성, 행성, 위성들로 구성된 구조를 ‘항성계’라고 한다. 항성계를 구성하는 행성과 위성들은 광원이 아니다.

 

① 태양도 항성에 해당하는군.

② 지구는 태양을 도는 행성이겠군.

③ 달은 지구를 도는 위성이겠군.

④ 태양계의 행성들이 밤에 반짝거리는 이유는 스스로 빛을 내고 있기 때문이군.

 

 

[예제 33] 다음의 빈 칸을 채워 본다면?

 

• 양초의 컵 : (       ) = 석유 그릇 : 석유

 

 

태양처럼 연소 중에 빛을 내는 광원이 있는가하면, 그렇지 않은 광원도 있다. 연소 중에 있는 물체는 뜨겁다. 태양에 손을 댄다고 생각해 보자. 그 손이 어떻게 되겠는가? 생각만 해도 끔찍하다.

 

광원 중에는 뜨겁지 않은 것도 있다. 그 대표적 보기로 반딧불의 꽁무니를 들 수 있다. 반딧불의 꽁무니는 빛을 낸다. 반딧불의 꽁무니를 만져 보면 뜨겁지 않다. 따라서 반딧불의 꽁무니를 만진다고 손을 데는 일은 없다. 반딧불의 보기를 통해, 빛을 내는 광원이 반드시 불을 필요로 하는 것은 아님을 알 수 있다.

 

빛을 얻는 방법은 여러 가지이다. 따라서 광원의 종류도 하나가 아니다. 뜨거운 광원이 있는가 하면, 차가운 광원도 있다. 즉, 연소와 무관하게 빛을 얻는 방법도 있다. 그러나 여기서는 연소 중에 빛을 내는 뜨거운 광원에만 관심을 갖도록 하자.

 

 

[예제 34] 음 중 위 글에 근거한 판단으로 적절하지 않은 것은?

 

① 뜨겁지 않은 광원도 있군.

② 빛은 불에서만 생기는 것은 아니군.

③ 반딧불의 꽁무니 부분이 타면서 빛을 내는군.

④ 빛을 내는 반딧불의 꽁무니 부분은 뜨겁지 않군.

 

 

[예제 35] 광원에서 나온 빛은 어떤 식으로 진행하는 것일까? 하얀 스크린 앞에 전구를 켜 보자. 그리고 두 손을 토끼 모양으로 만들어 전구와 스크린 사이에 위치시켜 보자. 어떤 모양의 그림자가 스크린에 나타날까? 이 물음에 대한 답을 그림으로 그려 보자.

 

 

스크린에 어떤 물체의 그림자가 선명하게 나타나는 이유는 무엇일까? 빛이 그 물체를 통과할 수 없기 때문이다. 그러한 물체에 부딪힌 빛은 대부분 반사된다. 빛의 반사란 빛이 물체에 부딪혔다가 튕겨 나가는 현상을 말한다.

 

가죽으로 만들어진 축구공은 빛을 통과시킬 수 없다. 전구와 스크린 사이에 축구공을 위치시킨 상황을 그림으로 나타내 보면 다음과 같습니다.

 

 

[예제 36] 어두운 방에서 축구공을 바라본다고 하자. 이때 축구공의 가장 밝은 부분은? 그 부분을 위의 그림에 표시해 보자.

 

 

[예제 37] [예제 36]에서 왜 그 부분이 가장 밝게 보이는 것일까?

 

 

[예제 38] 위 그림에서 (E) 영역을 중심으로 위의 (D)와 아래의 (D) 부분이 덜 어둡게 나타나는 이유는? 이에 대해 토론해 보자.

 

 

 

[예제 39] 다음 중 위 글에 근거한 판단으로 적절하지 않은 것은?

 

① 그림자의 가장 어두운 부분의 반대편이 가장 밝겠군.

② 검은 선과 회석 선으로 처리된 (E)와 (D) 부분이 추구공의 그림자야.

③ 짙은 검은 선으로 처리된 (E) 부분만이 축구공의 그림자라고 할 수는 없어.

④ 축구공을 전구 쪽으로 더 가깝게 옮기면, (E) 영역은 줄어들겠군.

⑤ 축구공을 스크린 쪽으로 더 가깝게 옮기면, (E) 영역은 줄어들겠군.

 

 

[예제 40] 다음은 전구와 스크린 사이에 연소 중인 양초를 위치시켰을 때의 그림자 모습을 나타낸 것이다.

 

 

(1) (A)는 무엇을 나타내는가?

 

 

(2) 불꽃의 가장자리는 중심보다 어둡게 보이는가?

 

 

(3) (A)는 무엇에 대한 증거로 여겨질 수 있는가?

 

 

[예제 41] 다음은 불꽃의 색과 모양에 영향을 미치는 것들로 가정된 것이다. 다음 중 잘못된 것은?

 

① 바람

② 공기의 흐름

③ 연소 물질의 종류

④ 연소 물질의 양

⑤ 불꽃 자체의 성질

 

 

[예제 42] 다음 단서들을 바탕으로 하나의 긴 글을 완성해 본다면?

 

<패러데이가 양초를 주제로 강연을 하게 된 동기>

• 양초에 관한 문제를 진지하게 다루는 것은 누구나 이해할 수 있다.

• 양초의 이야기를 통해 자연 현상을 지배하는 법칙들을 이끌어낼 수 있다.

 

<패러데이의 첫 번째 강연의 구성 방식>

• 양초의 제조법과 종류에 대한 설명

• 양초가 탈 때 꼭대기 부분에 컵 모양이 생기는 이유를 밝힘으로써 열과 기류의 관계에 대한 설명

• 양초의 심지가 녹은 연소 물질을 빨아들이는 이유를 밝힘으로써 모세관 현상과 표면장력에 대한 설명

• 연소 중인 양초의 그림자를 근거로 물질의 연소가 기체 상태에서 일어난다는 사실에 대한 설명

• 연소 물질의 종류, 연소 물질의 양, 공기의 흐름과 불꽃의 모양 및 색의 관계에 대한 설명

 

<첫 번째 강연의 교훈>

• 주변에 사소한 사실이라도 주의 깊게 살펴볼 필요가 있다.

• 그러한 사실을 주의 깊게 살펴보다 보면, 궁금증을 불러일으키는 것들이 있게 마련이다.

• 궁금증을 불러일으키는 것들은 설명을 요구하는 사실들이다.

• 그러한 사실들을 설명하는 가운데 자연의 법칙들을 발견할 수 있으며, 또한 그 법칙들에 대해 이해할 수 있다.

 

  * 2010년 12월에 작성한 글