초4 화학 — 온도에 따라 녹고 어는 변화 (녹다·얼다)

지난 학년에는 모양이 달라져도 같은 물체라면 무게는 그대로라는 것을 봤어요. 얼음이 녹아 물이 돼도 무게는 똑같았지요. 그런데 한 가지가 남았어요. 왜 얼음이 물이 되고, 또 그 물이 다시 얼음이 될까요?

오늘 그 열쇠를 짚어 봐요. 답은 온도예요. 손바닥 위 얼음은 따뜻해져서 녹고, 냉동실 안 물은 차가워져서 얼어요. 따뜻해지면 녹고 차가워지면 어는, 서로 짝을 이룬 한 쌍의 변화지요. 오늘은 따뜻함과 차가움이 모습을 바꾼다는 한 가지에 집중해요.

오늘 도착할 한 문장은 이거예요. 따뜻해지면 녹고, 차가워지면 얼어요.

얼음이 녹아요 — 따뜻해져서#

작은 얼음 한 조각을 접시에 담아 손바닥 위에 올려 봐요. 처음에는 단단하지만, 조금 기다리면 가장자리가 둥글어지고 물방울이 생겨요. 시간이 더 가면 얼음은 작아지고 물은 많아져서, 끝에는 접시에 물이 고여요. 이렇게 고체가 따뜻해져서 액체가 되는 것을 녹다라고 해요.

얼음이 왜 녹을까요? 손바닥도 책상도 얼음보다 따뜻하니까, 손에 쥔 얼음은 점점 따뜻해져요. 햇빛이 닿으면 더 빨라지고요. 반대로 차가운 자리에서는 잘 녹지 않아요. 그러니까 녹는 것과 따뜻해지는 것은 한 짝이에요.

따뜻해지면 녹는 물질은 주변에 많아요. 초콜릿은 손바닥 위에서 끈끈하고 부드러워지고, 아이스크림은 여름 햇빛 아래 한 방울씩 흘러내려요. 냉장고에서 막 꺼낸 단단한 버터도 책상에 한 시간만 두면 무르지요. 셋 다 고체였다가 따뜻해져서 액체가 됐으니, 모두 녹다예요. 다만 녹기 시작하는 따뜻함은 물질마다 조금씩 달라요. 얼음은 시원한 실온에서도 녹지만, 초콜릿은 손바닥 정도까지 따뜻해져야 잘 녹지요.

그늘에 둔 얼음보다 햇빛 닿는 자리나 따뜻한 손바닥 위 얼음이 훨씬 빨리 작아져요. 같은 얼음이라도 더 따뜻한 자리일수록 빨리 녹는 거예요.

컵 안 물이 얼어요 — 차가워져서#

이번엔 반대예요. 녹은 물을 다시 차가운 자리에 두면 어떻게 될까요? 작은 컵에 물을 삼분의 일쯤 담아 냉동실에 넣어 봐요. 물도 한 번에 푹 얼지 않고 점점 얼어요.

처음에는 물 그대로지만, 한 시간쯤 지나면 위쪽이 단단해지고 아래쪽은 아직 액체로 남아요. 이걸 반쯤 얼었다고 해요. 두 시간쯤 뒤에는 위에서 아래까지 다 단단해져서, 컵을 기울여도 흐르지 않아요. 이렇게 아주 단단하게 언 모습을 꽁꽁 얼었다고 해요. 이처럼 액체가 차가워져서 고체가 되는 것을 얼다라고 해요.

물이 왜 얼까요? 냉동실 안이 우리 방보다 훨씬 차갑기 때문이에요. 컵 안 물이 점점 차가워지다가 끝에는 얼음이 되지요. 따뜻한 책상 위 물이 얼지 않는 건 차가워지지 않아서예요. 그러니까 어는 것과 차가워지는 것도 한 짝이에요.

차가워지면 어는 액체도 주변에 많아요. 주스를 컵에 담아 냉동실에 두면 단단하게 얼고, 아이스바는 바로 주스를 얼린 것이지요. 우유도 컵 안에서 단단해져요. 액체마다 어는 모습은 조금씩 달라요. 물은 깔끔한 얼음, 주스는 색이 있는 얼음이 되지요. 그래도 다 차가워져서 단단해진 것, 모두 얼다예요.

같은 양의 물이라도 책상 위 컵은 두 시간이 지나도 그대로 액체지만, 냉동실에 둔 컵은 단단하게 얼어요. 차가운 자리에서만 어는 거예요.

녹다와 얼다는 짝꿍이에요#

이제 두 변화를 나란히 놓아 봐요. 얼음이 따뜻해져서 물이 되는 것이 녹다였고, 물이 차가워져서 얼음이 되는 것이 얼다예요. 두 길은 서로 반대 방향이지요. 같은 온도라는 축을 따라, 위로 올라가면 녹고 아래로 내려가면 얼어요.

좋은 점은, 둘 사이를 왔다 갔다 할 수 있다는 거예요. 얼음 녹은 물을 다시 차가운 자리에 두면 또 얼음이 되고, 그 얼음을 따뜻한 자리에 두면 또 물이 돼요. 이렇게 앞의 모습으로 다시 오게 하는 것을 되돌리다라고 해요.

그리고 녹든 얼든 물질 자체는 그대로 남아요. 얼음이 물이 돼도, 물이 얼음이 돼도 물은 없어지지 않고 모습만 바뀌어요. 지난 학년 약속인 같은 물질, 다른 모습 그대로지요.

낱말 하나만 더 짚어요. 스스로 하는 일과 누가 하게 하는 일은 한 글자 차이로 갈려요. 고체가 스스로 액체가 되면 녹다, 누가 따뜻하게 해서 녹게 하면 녹이다예요. 마찬가지로 액체가 스스로 얼면 얼다, 누가 차갑게 해서 얼게 하면 얼리다예요. 가리는 법은 간단해요. 누가 한 일인지 보면 돼요.

냉장 vs 냉동 — 차가움의 정도가 달라요#

집 냉장고는 보통 두 구역으로 나뉘어 있어요. 위쪽 냉장실은 손을 넣으면 시원해요. 물을 두면 차갑게 되지만 얼지는 않고 그대로 액체예요. 아래쪽 냉동실은 아주 차가워서 얼게 하는 자리, 냉동이라고 해요. 여기에 물을 두면 한참 뒤 꽁꽁 얼어요.

두 자리 다 차가운데 왜 한쪽만 얼까요? 차가움의 정도가 다르기 때문이에요. 냉장실은 그냥 차가운 정도, 냉동실은 아주 많이 차가운 정도지요. 물이 얼려면 아주 많이 차가워져야 해요.

자연에서도 같아요. 가을 저녁은 시원해도 물이 얼지 않고, 한겨울 추운 밤은 아주 차가워서 물이 얼지요. 같은 차갑다라도 정도가 다른 거예요. 그러면 얼마나 차가워야 물이 얼기 시작할까요? 손 감각으로는 차갑다, 아주 차갑다까지만 말할 수 있어요.

안전 — 햇빛부터 냉동실까지만#

오늘은 따뜻함과 차가움을 모두 다뤘으니, 양쪽 한계를 정해 둬요. 따뜻함은 햇빛·실온·따뜻한 손까지, 차가움은 냉동실까지가 한계예요.

오늘 다룬 얼음과 물은 모두 이 범위 안에서 녹고 얼어요. 가스불은 더 빠르지만 화상 위험이 커서 켜지 않고, 차가운 철판이나 얼음에 손가락을 오래 대면 시릴 수 있으니 조심해요. 더 뜨겁거나 더 차가운 일은 보호자와 함께 다뤄요. 따뜻해지면 녹고 차가워지면 어는, 이 안전한 범위 안에서도 한 쌍의 변화를 또렷이 살펴볼 수 있어요.