향수를 주제로 한 학생활동 중심 과학탐구실험

2019 대한민국과학교사큰모임 발표자료입니다. 다른 곳에 인용하실 때는 반드시 출처를 밝혀 주시기 바랍니다.

강원 진광고 김재기

증발과 확산 관련 내용
1. 분자의 운동
  1. 물질을 이루고 있는 분자들은 고체 상태에서도 정지해 있지 않고 끊임없이 움직이고 있음
  2. 분자의 운동은 고체 상태에서 가장 느리고, 기체 상태에서 가장 빠름
  3. 질량이 작은 분자일수록 빠르게 운동하고, 질량이 큰 분자일수록 느리게 운동함
  4. 물질의 온도가 높아질수록 분자 운동이 빨라짐
  5. 분자들이 움직이는 방향은 불규칙하고 무질서함
2. 증발과 분자 운동
  1. 액체의 표면에서 물질의 분자가 기체로 되면서 공기 중으로 날아가는 현상
  2. 증발은 분자가 스스로 운동하고 있기 때문에 나타나는 현상임
  3. 증발 속도를 변화시키는 요인
    1. 온도가 높을수록 증발 속도가 빠름
    2. 바람이 많이 불수록 증발 속도가 빠름
    3. 액체 표면의 넓이가 넓을수록 증발 속도가 빠름
    4. 공기 중의 습도가 낮을수록 증발 속도가 빠름
  4. 증발 현상의 예
    1. 방 안에 놓아 둔 물 컵의 물이 조금씩 줄어드는 것
    2. 피부에 바른 에탄올이 곧 마르는 것
    3. 빨랫줄에 널어놓은 젖은 옷이 마르는 것
    4. 풀잎과 거미줄에 맺힌 이슬이 해가 뜨면 사라지는 것
    5. 비가 온 후 운동장에 괸 물이 시간이 지나면 말라 버리는 것
    6. 바닷물을 가두어 놓은 염전에서 물이 증발하여 소금만 남는 것
3. 증발과 끓음 증발은 액체 표면에서 기화하는 현상이지만 끓음은 액체 표면에서뿐만 아니라 액체의 내부에서도 기화하는 현상으로, 끓는점에서 일어남
4. 확산과 분자 운동
  1. 물질을 이루고 있는 분자들이 기체나 액체 속으로 스스로 운동하여 퍼져 나가는 현상
  2. 분자들이 정지해 있지 않고 스스로 운동하고 있기 때문에 확산 현상이 일어남
  3. 확산 속도를 변화시키는 요인
    1. 분자의 질량이 작을수록 확산 속도가 빠름
    2. 물질의 온도가 높을수록 확산 속도가 빠름
    3. 입자들 사이의 충돌로 인한 방해가 적을수록 확산 속도가 빠름(진공 속 > 기체 속 > 액체 속)
    4. 기체 분자의 확산 속도가 고체나 액체 분자보다 빠름
5. 확산 현상의 예
  1. 액체 속에서의 확산의 예:
    1. 물에 떨어뜨린 잉크는 저어 주지 않아도 물 전체로 퍼진다.
    2. 물냉면에 식초를 떨어뜨리면 저어 주지 않아도 냉면 전체에서 신맛이 난다.
    3. 설탕을 물에 넣으면 저어 주지 않아도 물 전체에서 단맛이 난다.
  2. 기체 속에서의 확산의 예
    1. 향수병을 열어 놓으면 향수 냄새가 주위로 퍼져 나간다.
    2. 꽃향기가 멀리까지 퍼져 나간다.
    3. 음식 냄새가 멀리까지 퍼져 나간다.
    4. 굴뚝에서 나온 연기가 사방으로 퍼진다.
교과서 실험
1. 실험1
  1. 크기가 같은 거름 종이를 윗접시 저울의 양쪽 접시에 올려 놓고 저울이 수평이 되도록 조절한다.
  2. 왼쪽 접시의 거름종이에 에탄올을 몇 방울 떨어뜨린 후 저울의 움직임을 관찰한다.
  3. 결과 – 왼쪽으로 기울어졌다가 수평으로 된다. ⇒ 에탄올 분자가 운동하여 공기 중으로 튀어 나가므로 (증발)
2. 실험2
  1. 유리관의 양쪽 끝에 진한 염산 (염화수소)과 진한 암모니아수를 묻힌 솜을 동시에 넣고 고무마개로 막아둔다.
  2. 결과
    1. 흰 역기 띠가 생김 ⇒ 염화암모늄 (염화수소와 암모니아의 반응)
    2. 연기가 염산 쪽에 가까움 ⇒ 암모니아 분자가 더 가볍다. ⇒암모니아의 확산 속도가 더 빠르다. (염화수소가 무거우므로 조금 확산 됨)
    3. 분자 운동에 의해서 나타나는 현상
한지
1. 한지의 이해
  종이를 발견하기 전, 인간은 죽간이나 목간을 주로 사용하였다. 종이의 기원에 대한 연대와 장소는 분명하지 않으나 기원전 2,500년경 고대 이집트인들이 파피루스(Papyrus)라는 식물 내피를 가공하여 종이로 만들었다고 한다. 그러나 이것은 식물성 섬유를 종이의 단계로 만드는 초보적인 단계로 종이의 기원으로는 엄밀히 보기 어렵다. 이집트에서 파피루스를 사용하는 동안 동양에서는 문자를 표기하기 위하여 다양한 형태의 소재들, 예를 들어 소나 돼지의 뼈, 거북의 등껍질, 청동 그릇, 나무판자, 얇은 대나무판, 판석 등을 사용했다. 중국에서는 상고시대 때 거북이의 껍질이나 죽간, 목간, 비단 위에 글씨를 쓰고 기록하였으나 서한시대(B.C.206~224)에 이르러 마포(식물인 마)의 원료로 식물성 섬유종이를 만들어 사용했다. 『후한서』의 「채륜전」에 “··· 和帝 원년(A.D.105)에 채륜이 인피 섬유와 마 등의 식물섬유를 원료로 하여 종이를 만들었다”라고 기록되어 있었으나 최근 전한시대 고분이 발굴되면서 이보다 150~200년 앞서 종이가 발견되었다는 주장이 나오고 있다. 중국에서는 채륜이 황제에게 종이의 제조 과정을 보고한 이후 종이를 문서 표기의 대중적인 소재로 사용하도록 결정했다는데 큰 의미를 둔다. 이후 당, 송 시대에 와서 종이 제조기술이 향상되어 품종과 품질이 다양해지고 명대에 이르러 선덕 연간에 ‘선지’가 제조되기에 이른다. 그 후 청대에는 종이의 종류가 더욱 다양해지고 좋은 질의 종이가 만들어져 오늘에 이르고 있다. 채륜이 종이를 만들었던 서기 105년경은 한반도에 낙랑군을 비롯한 4군이 설치된 시기로 이후 고구려, 백제, 신라, 가야가 성립되면서 제지술이 전래되었을 것으로 보인다. 6세기 경에는 고구려 승려 담징이 먹, 붓과 함께 일본에 전하였다고 전해진다. 이와 같이 기록에 사용된 재료인 종이는 2세기부터 현재까지 사용되는 가장 오래된 기록재료이다. 한지는 닥나무 껍질로 만든 순수한 한국 종이를 일본의 화지(和紙), 중국의 당지(唐紙), 서양의 양지(洋紙)와 구분하여 칭하는 말이며, 저피(楮皮, 닥나무 껍질)→조비→조회→종이로 어원이 변천하였다. 우리나라의 한지는 일본의 화지(和紙), 중국의 선지(宣紙)와 구별된다. 세 나라 간의 종이는 사용 원료도 구별된다. 한지는 닥나무 껍질로 만들어 질기고 자연스러운 반면, 화지는 일본산 닥나무 껍질로 만드는데 조직이 치밀하고 매끄러우며, 선지는 중국 닥나무 껍질, 섬유와 볏짚 등으로 만들어 거칠고 약하다. 한지가 우수한 것은 우리나라 닥나무를 비롯한 재료가 다른 나라에 비해 질적으로 나은 데다 종이 제조방식이 껍질을 벗겨 닥섬유질을 그대로 유지하기 때문이다. 2006년 3월 프랑스 파리에서 열린 한지페스티벌에서도 한지의 우수성이 드러났다. 한지로 만들어진 갖가지 등이 파리 볼로뉴 숲을 밝히던 중 갑자기 비가 내렸지만 우리의 전통 한지로 만든 등은 불이 꺼지지 않았다. 한편, 한지는 질기고, 보온성과 통풍성이 아주 우수하다. 바람을 잘 통하게 해주고 습기를 빨아들이고 내뿜는 성질이 있어 건조되었을 때 찢어지지 않고 보관성이 좋아서 수명이 오래 간다. 구텐베르크의 성경은 발간된 지 550년밖에 되지 않았음에도 지질의 보관에 문제가 있어 열람조차 불가능한 암실에 보관되어 있는 반면에 한지는 천 년 세월을 견뎌낸 것은 물론 삭지도 않고 썩지도 않는다. 한지의 우수한 보존성은 우리나라에서 현존하는 가장 오래된 종이인 경주 불국사 석가탑에서 발견된 『무구정광대다라니경』에서도 찾아볼 수 있다. 이는 700년대 초에서 751년 사이 후기신라시대에 제조된 것으로 추정된다. 또 경덕왕 13년(754)에 필서로 쓰였던 묵서사경인 백지 『묵서대방광불화엄경』은 최고(最古)의 필서본으로 이 역시 한지의 우수성을 증명하고 있다. 또한 고려 인종 23년(1145)경에 제지창 지소에서 한지로 발간된 『팔만대장경(八萬大藏經)』의 일부가 850년 동안 보존되고 있다는 사실 역시 한지의 우수성을 잘 보여주고 있다. 한지의 주원료인 닥나무의 인피섬유는 길이가 보통 20~30mm 이상이며, 긴 것은 60~70mm까지 있다. 그런데 서양 종이인 양지의 원료인 목재펄프의 섬유의 길이는 침엽수가 2.5~4.6mm, 활엽수가 0.7~1.6mm 정도로 매우 짧다. 따라서 인피섬유는 목재펄프에 비해 섬유의 결합이 강하고 질기며, 조직의 강도가 뛰어나 훌륭한 종이가 될 수 있다. 또, 한지의 원료인 닥나무 껍질의 섬유는 길이가 균등한 데다 서로 간의 폭도 매우 좁다. 게다가 섬유의 방향도 직각으로 교차하여 그물 같은 구조를 띠고 있어 견고하다. 한지는 다양한 원료와 방식으로 제조될 수 있으나 주로 닥나무의 인피섬유, 맑은 물, 경우에 따라 목회를 사용하여 80여 가지 과정을 거쳐 만들어진다. 한지 제지의 원리는 식물의 섬유소를 물에 푼 후 그것을 떠내어 말리는 것이다. 이때 섬유소들은 접착제 없이 셀룰로오스 분자 사이의 수소결합을 하여 서로 엉키면서 섬유세포를 구성한다. 이렇게 만들어진 한지는 산성도가 7.89로 중성을 띤다. 우리들이 쉽게 접할 수 있는 신문지나 교과서가 세월이 흐르면 누렇게 변색되는 이유는 사용된 펄프지가 산성지이기 때문이다. 양지는 pH 4.0 이하의 산성지로서 수명이 고작 50~100년 정도면 누렇게 황화현상을 일으키며 삭아버리는 데 비해, 한지는 중성지로 화학반응을 쉽게 하지 않고, 세월이 지날수록 결이 고와지고 수명이 오래가는 장점을 가지고 있다. 근래에 와서 미국, 캐나다, 프랑스, 영국 등지에서 19세기 후반 및 20세기 초반에 만들어진 종이의 산도를 측정해 본 결과 산도가 4이하가 대부분이었으며, 그대로 방치한다면 이 기간에 제조된 종이는 금후 200~300년 사이에 분해되어 없어져 버릴 것으로 예측되고 있다. 이들 수명을 연장시키기 위해 이들 도서를 약품처리하고 중성지를 제조하려는 노력이 행하여졌다. 우리의 한지의 수명이 길고 보존성이 우수하여 선진 각국에서 분석해 본 결과 산성계 첨가제나 이즈제를 전혀 사용하고 있지 않음을 알았으며, 그야말로 ‘중성’에서 초지되었다는 사실이 밝혀지게 되었다. 이후부터 세계가 중성지 제조에 큰 관심을 가지게 되었다. 또한 한지의 질을 향상시킨 또 다른 요인이 있는데, 섬유질을 균등하게 분산시키기 위해서 사용하는 식물성 풀인 닥풀이다. 닥풀은 섬유가 빨리 가라앉지 않고 물속에 고루 퍼지게 하여 종이를 뜰 때 섬유의 접착이 잘 되도록 하며, 얇은 종이를 만드는 데 유리하고 겹쳐진 젖은 종이를 쉽게 떨어지도록 하는 역할을 한다. 또, 한지 제조의 마무리 공정으로 종이 표면이 치밀해지고 광택이 나도록 하기 위해 풀칠한 종이를 여러 장씩 겹쳐 놓고 내리치는데, 이 기술을 ‘도침’이라고 한다.
2. 한지의 화학적 특성
  종이를 구성하는 식물성 섬유는 대부분이 셀룰로오스(Cellulose), 헤미셀룰로오스(Hemicellulose), 리그닌(Lignin) 및 추출물(Extractives)의 화학 성분을 지니고 있다. 특히 식물섬유에서 대부분을 차지하며, 섬유의 특성과 제지 원료로서의 적합 여부를 좌우하는 것은 셀룰로오스이다. 셀룰로오스는 탄소, 수소, 산소로 구성된 탄수화물(Carbonhydrate) 분자가 길게 결합되고, 많은 양의 당 단위로 이루어진 다당류의 일종이다. 셀룰로오스는 아래 그림과 같이 셀로바이오스(Cellobiose)가 측면결합을 하여 직선상의 사슬을 이루며, 셀로바이오스는 물과의 친수성이 높은 자유 수산기(-OH)를 포함하고 있어서 쉽게 수소결합(Hydrogen Bond)을 이룬다. 수소결합은 화학적 결합보다는 약하지만 길고 많은 수소결합을 하게 되어 강한 결합력을 갖는다. 따라서 보존성과 관계된 종이의 강도는 섬유의 강도라기보다는 섬유 사이의 수소결합에 의한 것이라 할 수 있다. 따라서 다른 종이 원료와 달리 펄프를 서로 결합시키기 위하여 별도의 접착제를 사용할 필요가 없다.
  
  종이를 만드는 제지공정 중에서 고해는 섬유의 표면적을 넓혀 더 많은 결합점을 갖도록 교착시키고 물의 표면장력으로 밀착하게 해서 수소결합이 일어나게 해 탄성을 갖는 종이를 만든다. 종이의 성질은 주로 종이를 구성하는 여러 가지 섬유의 구조에 의하여 결정된다. 가장 중요한 두 가지 특성은 섬유 길이와 세포벽 두께이다. 섬유 간의 결합을 위한 최소의 섬유 길이가 필요하며, 실제로 섬유 길이는 인열 강도와 비례한다.
응용실험
1. 향수와 디퓨져 만들기 리드스틱 대신 한지를 이용하여 용매의 전개 역할을 함
2. 관련단어 조향사, 테스터 향수, 향료원액, 고순도 에탄올, 첨가향, 향수 뿌리는 부위
3. 향수의 컨셉 탑 노트는 향수에 대한 최초 이미지를 결정하므로 지속 시간이 매우 짧다. 미들 노트는 향수의 특징을 정확히 표현할 수 있는 부분으로 향수의 이미지가 가장 강하게 표현된다. 베이스 노트는 은은하게 여운을 남기게 된다. 하나의 향수에는 여럿 향료들이 배합되기 때문에 향수의 타입을 정확히 분류하기는 어렵다.
4. 일반적인 향의 종류 일반적으로는 플로럴(floral), 오리엔탈(oriental), 시프레(chypre), 퓨제아(fougere) 노트 네가지로 구분한다.
  1. 플로럴 노트(floral note) 청순하고 우아한 꽃 향취가 특징으로 첨가되는 성분에 따라 그린 플로럴(green floral), 알데히딕 플로럴(aldehydic floral)등으로 세분화된다. 쟈스민(jasmin), 네롤리(neroli), 로즈(rose) 등이 플로럴 노트에 속한다.
  2. 오리엔탈 노트(oriental note) 플로럴 노트와는 달리 관능적인 향취로 농염과 섹시 분위기를 연출한다. 사향 노루에서 얻어지는 무스크(musk), 향유 고래에서 얻어지는 용연향(ambergris) 등의 동물성 향료와 발삼(balsam) 등의 우디 노트가 조화를 이뤄 잔향이 매혹적으로 남는다. 첨가되는 성분에 따라 플로리엔탈(fioriental), 스파이시 오리엔탈(spicy oriental) 등으로 세분화된다.
  3. 시프레 노트(chypre note) 시프레라는 지중해의 키프러스(Cyprus)섬의 이름을 프랑스어로 발음한 것이다. 키프러스 섬의 독특한 인상으로 프랑스 코티사에서 만든 시프레 향수에서 유래되었는데 숲속의 이끼류에서 느껴지는 향취이다. 첨가되는 성분에 따라 플로럴 시프레(floral chypre), 애니멀 시프레(animal chypre) 등으로 세분화된다.
  4. 퓨제아 노트(fougere note) 양치식물 고사리에서 느껴지는 향취가 특징이다. 촉촉하면서 싱그러움과 중후한 느낌이 복함되어 있어 주로 남성용에 사용된다. 첨가되는 성분에 따라 플로럴 퓨제아(floral fougere), 레더(leather fougere) 로 세분화된다.
5. 향수의 종류
  1. 퍼퓸 (perfume) 15~25% 향료 함유. 농도가 가장 진하다. 지속시간 6~7 시간 이상이며 풍부하고 완벽한 향. 향에 아주 익숙할 때 혹은 수집용으로 사용. 향 농도 : 15~30%
  2. 오 드 퍼퓸 (Eau de Perfume) 9~12% 함유. 퍼퓸보다 강도가 조금 낮아 부담이 덜 하다. 지속시간 5시간 전 후 , 향 농도 5~15 %
  3. 오 드 토일렛 , 오 드 뜨왈렛 (Eau de Toilette) 5~7% 향료를 알콜에 부향시킨 제품. 오 데 코롱이 가진 가벼운 느낌과 향수의 지속성 2가지 특성 가짐. 지속시간 4~5 시간, 향 농도 : 5~15 %, 15% 의 증류수와 알콜 혼합물로 이루어져 있음
  4. 오 드 코롱 (Eau de Cologne) 3~7% 향료 함유, 상쾌한 향취가 특징이다. 향수를 처음 접하는 사람에게 적합. 지속시간 1~2 시간. 향의 농도 : 3~5% , 15~20% 증류수와 알콜 혼합물로 이루어져 있음.
  5. 샤워코롱 (Shower Cologne) 2~5 % 의 낮은 함량의 향료 함유. 목욕 후 전신에 사용.