기체는 항상 우리 주변에 존재하고 있으며, 여러 분야에 활용되고 있다. 눈에 보이지 않기 때문에 학생들의 관심이 크지 않고 이해도 쉽지 않지만, 실제 활용되고 있는 사례를 통해 가르친다면 충분한 관심을 불러일으킬 수 있을 것이다. 우선 대표적인 기체들의 성질과 그 이용 범위를 간단히 정리해보자.
◆ 기체의 성질과 이용
1. 산소의 성질 무색, 무미, 무취로 물에 녹으며 생물의 호흡에 필요하다. 반응성이 커서 모든 원소와 반응해 산화물을 생성한다.
2. 이산화탄소의 성질 무색, 무취이며 식물의 광합성에 필요하고 상온에서 쉽게 액화된다. 이산화탄소는 위와 같이 유용하게 사용되는 반면, 지구의 대기 온도를 높이는 온실효과로 인해 극지방의 빙산이 녹아 해수면이 상승하고 저지대의 도시와 섬들을 침수시키는 등 피해를 주기도 한다.
3. 수소의 성질 무색, 무미, 무취이며 지구상에서 가장 가벼운 물질로 온도가 높으면 반응성이 커진다.
4. 질소의 성질 무색, 무미, 무취의 기체로 액체나 고체 상태에서도 무색이다. 상온에서 비활성이며 연소나 호흡에는 영향을 미치지 않고, 유독성도 없다.
5. 헬륨의 성질 수소 다음으로 가볍고, 비활성이며 다른 원소와 거의 반응하지 않는다. 액체헬륨은 -267.9℃의 저온이어서 냉각제로 널리 이용된다.
6. 연료로 사용되는 기체
7. 그 밖의 기체가 우리 생활에 이용되는 예
주요 기체들의 성질과 이용에 대해 간략히 알아보았다. 기체 중 일부에 해당하는 내용이지만, 학생들에게 주변에서 볼 수 있는 여러 물건에 기체가 다양한 방법으로 활용되고 있음을 이해시킬 수 있을 것이다. 학생들은 이러한 기체의 활용을 보면서 물질의 이용에 대한 호기심과 다양한 이용 방법에 대해 관심을 갖게 되었을 것이다. 그렇다면 기체가 활용되고 있는 좀 더 구체적인 사례와 학생들이 고안해 낸 발명품에 대해 살펴보자.
생활 속 활용 사례
사례 1 사용하던 석유탱크의 분해 석유 제품을 보관하고 있던 탱크를 분해하기 위해 용접기를 사용해야 하는 상황을 가정해보자. 용접기를 사용하면 불꽃이 발생한다. 물론, 작업에 앞서 탱크 안의 석유 제품을 비우겠지만, 탱크 내부의 공기 중에는 휘발성 성분이 다량 남아 있기 때문에 용접작업을 할 경우 화재 · 폭발의 위험이 있다. 따라서 추가적인 안전조치가 필요하다. 이때 활용할 수 있는 것이 드라이아이스다. 드라이아이스는 불활성 기체인 이산화탄소를 발생시키므로, 탱크의 밑바닥에 계속적으로 떨어뜨리면 용접작업을 하더라도 폭발이 일어나지 않는다.
사례 2 가스 센서 가스 센서는 접촉 연소식과 반도체식의 두 가지가 있다. 접촉 연소식은 가연성 가스가 백금 상의 촉매와 작용해 연소하고 온도 상승을 일으켜 백금선의 전기 저항이 증가하는 것을 측정하는 방식이다. 반도체식은 반도체에 가스가 접촉하면 전기 저항이 감소하는 성질을 이용한 것이다. 가스 센서는 음주 측정 센서, 자동차의 공연비 측정을 위한 산소 센서, 가정이나 공장 내의 가스누설 경보기, 화재 직후의 건축 재료로부터 나오는 유독가스 감지 센서, 항구 내의 메탄가스 경보기 등에도 사용된다.
학생 발명 사례 학생들은 이러한 기체의 이용에 대하여 어떤 신선한 생각을 해냈을까?
사례 1 공기압을 이용한 업소용 마늘 까는 기계 충남 장항중앙초 강위로 학생이 제26회 전국학생과학발명품경진대회에 출품해 은상을 받은 업소용 마늘 까는 기계는 공기압을 이용한 사례다. 건조된 마늘을 원형으로 된 통에 넣고 컴프레서에서 나오는 센 공기를 하단 부분의 세 방향에서 쏘아 준다. 보조 탱크를 추가 설치해 여유분의 공기를 저장하도록 하고 중간에 원터치 레버를 설치해 벗겨진 마늘을 순차적으로 작업할 수 있도록 했으며, 원통의 상단 부분에는 마늘껍질을 수합할 수 있는 천으로 된 주머니를 탈 · 부착할 수 있는 형태로 만들었다.
사례 2 액체 질소를 이용한 초전도현상 실험 세트 제26회 전국학생과학발명품경진대회에 진주중 오영국 학생이 출품한 이 실험 세트는 극저온 세계에서의 초전도현상을 관찰할 수 있도록 고안된 작품이다. 액체 질소를 이용해 극저온 세계에서 물질의 특성을 알아보거나 산화물 고온 초전도체를 액체 질소로 임계 온도 이하로 냉각시켜 초전도체의 대표적인 성질인 마이스너 현상과 자기부상열차의 원리를 탐구할 수 있도록 한 아이디어이다.
세계의 기체 활용 아이디어
사례 1 하늘을 나는 럭셔리 호텔 비행선 전문 업체인 월드와이드 에어로스사가 개발 중인 이 거대한 비행선의 크기는 축구장의 두 배이다. 250명의 승객들은 좌석에 앉아 여행하는 것이 아니라 넓은 창가를 거닐면서 최대 2400m 상공에서 비행 관광을 할 수 있다. 헬륨가스를 채운 비행선은 6개의 터보팬 제트 엔진을 이용해 수직 이착륙을 할 수 있으며, 최대 속도는 시속 281km로 미 대륙을 18시간 내에 돌 수 있다.
사례 2 산소탱크가 필요없는 아가미 잠수 장치 보드너가 물고기 아가미의 원리를 응용해 개발한 잠수장비는 거추장스럽고 무거운 산소탱크 없이 잠수를 즐길 수 있도록 한 발명품이다. 이 아가미 장수 장비는 리튬 전지의 동력을 이용, 물속에 용해되어 있는 산소를 잠수부에게 공급하는 방식이다. 현재 개발된 시제품은 1kg 무게의 리튬 전지로 1시간 잠수가 가능한 수준이라고 한다.
사례 3 포드자동차 팽창형 안전벨트 포드사가 개발한 팽창형 안전벨트는 뒷좌석의 승객을 위한 것으로, 충돌 시 에어백처럼 부풀어 오르는 특성을 갖고 있다. 이 벨트는 가슴 상단과 어깨의 많은 부분을 감싸기 때문에 충돌 시 머리 부분의 흔들림을 제한하여 목과 머리의 부상 위험을 크게 낮출 수 있을 것이라고 한다.
사례 4 공기 펌프로 세우는, 세계 최초의 ‘풍선 술집’ 영국의 한 회사가 개발한 ‘포트라 펍(Potra Pub)’은 공기 펌프 2대를 이용, 한번에 수십 명의 손님을 수용할 수 있는 큰 규모의 술집을 30분 만에 만들어 낼 수 있다. 매상이 신통치 않으면 즉시 술집을 철거, 다른 곳으로 옮길 수 있는 장점이 있다고 한다.
사례 5 신개념 물놀이 기구, ‘입는 튜브’ 파도타기와 수상스키 등의 수상 레저는 물론 보트로도 손색이 없는 신개념 물놀이 튜브가 큰 인기를 얻고 있다. 이 입는 튜브는 스모 선수의 육중한 체형을 떠올리는 디자인으로 양 손을 자유롭게 사용할 수 있는 덕분에, 방향 회전은 물론 점프 수상스키 등 다양한 레포츠를 즐길 수 있다.지금까지 우리 주변의 기체 활용 사례와 전 세계의 발명품 몇 가지에 대해 알아보았다. 끝으로, 학생들의 논리적이고 창의적인 사고를 이끌어내기 위한 문제 한가지로 마무리해 보고자 한다.
문제 : 유전의 화재 진화하기 이라크 전쟁으로 유전에서 화재가 발생했다. 유전에서의 화재는 진화가 매우 어렵다. 물을 뿌려 소화하는 일반적인 방법은 이 경우 효과적이지 않다. 어떻게 하면 유전의 불을 끌 수 있을까?
정답 : 폭탄을 떨어뜨리는 것이다. 실제로 유전지역에 화재가 나면 폭탄을 떨어뜨리는데, 그 이유는 산소 공급을 막기 위해서다. 폭탄이 폭발하기 위해서는 순간적으로 많은 양의 산소를 필요로 하므로, 적당량의 폭탄이 정확한 위치에서 폭발하면 화재 지역 주위의 산소를 흡수해 기름의 연소에 쓰일 산소가 부족해지므로 유전의 불이 꺼지는 것이다. 여기서 중요한 것은 단순히 정답을 맞추게 하는 것이 아니라 이를 기체의 연소와 관련지어 지도하는 것이다. 연소하기 위해서는 산소가 꼭 필요하다는 것을 아이들이 알고 있는지 확인하고, 단계적으로 문제를 해결 할 수 있도록 도와주어야 한다.
위 문제에 대한 단계적 해결 과정
<1단계> 문제의 세계를 정리 ● 문제요소: 불 ● 주변요소: 기름, 공기, 유전
<2단계> 원하지 않는 결과와 행동 ● 원하지 않는 결과: 기름에 불이 붙음 ● 행동 : 불을 끄기
<3단계> 행동을 수행할 구성요소 찾기 ● 행동을 수행할 구성요소 : 불(복제하여 사용)
<4단계> 복제 기법을 사용 ● 주변의 불이 유전의 불을 제압
<5단계> 핵심을 한 개의 문장으로 정리 ● 불을 복제하여 불로 불을 소화
<6단계> 3~5문장으로 구체화 시키기 ● 새로운 불은 산소를 필요로 한다. 따라서 새로운 불은 기존의 불이 사용하고 있는 산소를 빼앗아간다. 이 점에 착안하여 불을 끌 수 있는 방법을 생각해 보게 한다.
