[일반화학실험]유리세공(Techniques of Glassblowing) 1부

실험 목적

화학 실험을 하다보면 여러 가지 실험 장치를 꾸며야 하는 경우가 생긴다. 즉, 화학 실험에 쓰이는 간단한 장치들은 스스로 만들어서 사용한다. 본 실험에서는 유리관을 자르고 구부리고 가늘게 뽑는 일과 같이 간단한 기구를 만드는 법을 실습하게 된다.

화학 약품들 중 많은 종류가 유독성을 띠고 있기 때문에 이러한 약품에 잘 반응하지 않는 유리를 사용하는 경우가 많다. 따라서 유리를 가공하는 것은 화학 실험 장치를 꾸미는데 필수적으로 필요한 과정이라 하겠다. 본 실험을 통하여 유리의 성질 및 특성을 이해하고, 유리를 직접 가공하여 봄으로써 자신이 하고자 하는 화학 실험의 장치를 꾸미는 학습을 한다.

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

유리란 일반적으로 규사, 소다회, 탄산석회 등의 혼합물을 고온에서 녹인 후 냉각하는 과정에서 결정화가 일어나지 않은 채 고체화되면서 생기는 투명도가 높은 물질을 유리라고 한다.

유리는 연질과 경질이 있는데, 유리세공에 사용되는 것은 보통 연질이다. 연질유리(soft glass)는 200℃ 정도면 연화되어 세공에 적합하다. 경질유리(hard glass)는 내수, 내산, 내알카리, 내열성이 있고 기계적 충격에도 강하므로 실험기구로 많이 쓰이나 가공이 어렵고 값이 비싼 것이 결점이다.

본 실험에서 사용할 유리관이나 병유리 또는 판유리는 소다-석회 유리로 만들어진다. 소다-석회유리라는 이름은 소다(Na2O)와 석회(CaO)가 들어갔기 때문이다.

2. 유리의 성질

유리란 고체처럼 보이는 물질을 말한다. 그러나 사실은 과냉각된 액체이다. 즉 유리는 정상적인 어는점에서 고체상이 석출되지 않고 더욱 냉각된 액체이다. 점성이 매우 높기 때문에 유리는 고체에 해당하는 몇가지 성질을 갖고 있다. 예를 들면, 딱딱하고 특정한 모양을 가지며 깨지는 성질을 가진다. 그러나 유리와 진짜 고체사이에는 중요한 차이가 있다.

또한, 유리를 가열하면 점성이 낮아져 액체의 성질을 가진 물질이 되지만, 고체에서 액체로 되는 명확한 변화점이 없다. 그 이유는 유리가“플라스틱의 성질을 가지며 원하는 모양으로 성형하고 부풀리거나 또는 구부 릴 수 있는 온도의 범위가 있기 때문이다. 현재 상용되는 유리에는 표에서 와같이 세가지 부류가 있다.

	소다 유리	보로실리카유리	용융실리카유리
조성(주성분)	이산화규소(SiO2)	SiO2, B2O3(산화붕소)	SiO2
	산화나트륨(Na2O)
	산화칼슘(CaO)
연화점	낮다(600℃)	높다(800℃)	매우높다(1200℃)
가열, 냉각시 실리카와 비교한 팽창	높다 (실리카의 14배)	낮다 (실리카의 5배)	매우낮다
화학물질에 대한 내구성	낮다	높다	매우 높다
용도	용기, 창유리	가열용 그릇, 실험용유리기구	특수실험용 유리기구
상품명		Pyrex	Vycor
		Kimax
		Hysil
상대적 가격	낮다	중간	높다

 

유리를 급히 가열 또는 냉각시키면 팽창이나 수축을 쉽게 할 수 없을 때는 산산이 깨진다. 그러나 용융실리카는 다른 물질보다 열 충격에 강하다. 보로실리카 유리를 연화할 만큼 뜨거운 불꽃을 얻으려변 기체-산소 혼합물을 연소하는 토치가 있어야 한다. 순수한 실리카유리를 사용할 때에는 산소-수소 혼합 기체의 연소에서 얻는 매우 뜨거운 불꽃이 필요하다. 이 실험에서는 소다-석회 유리로 만든 유리관을 사용한다. 소다-석회 유리를 쓰면 분젠 버너의 불꽃으로 간단한 조작을 실시할 수 있다

 

3. 유리의 제조과정

유리는 녹여서 만들기 때문에 여러가지 형태의 유리제품이 가능합니다. 물론 이때 완전히 녹은상태에서는 형상을 이루는 것이 힘들겠지요. 이를테면 엿을 한번 생각해보세요. 엿이 녹아서 막 굳어지려고 하는 물렁물렁한 상태…… 그 상태를 생각하시면 됩니다. 그 상태에서 여러가지 형상의 유리제품을 만들수 있답니다.

유리를 만들기 위해서는 일단 원료들이 필요합니다. 우리가 사용하는 병유리나 판유리는 거의 다 소다석회유리로 만들어진답니다. 왜 소다석회유리라는 이름이 붙었을까요? 그것은 바로 소다(Na2O)와 석회(CaO)가 들어갔기 때문입니다.

원래 SiO2는 뛰어난 성질을 가지고 있답니다. 높은 내열성(높은 온도에서 잘 견딜수 있다는 뜻)과 높은 내열충격성(높은 온도에서의 충격에 강하다는 뜻)을 가지고 있지요. 하지만 이 SiO2의 단점은 녹는점이 매우 높다는 것입니다.(약 2,000℃ 이상입니다.) 녹는점이 높으면 연료비가 엄청나게 올라가겠지요. 1℃에서 100℃까지 온도를 올리는 것은 쉽지만 1600℃에서 1700℃까지 온도를 올리는 것은 막대한 열이 필요하답니다. 그러면 자연적으로 유리의 단가가 높아지게 되겠지요. 

이것을 위해서 Na2O나 CaO, MgO,Al2O3를 넣어주게 되면 원래 석영유리(SiO2로만 이루어진 유리를 석영유리라고 합니다.)의 장점(위에서 얘기한 내열성, 내열충격성)을 최대한 살리면서 녹는점을 많이 낮출수 있답니다. 그래서 조성성분들이 저렇게 되는것 이지요. 왜 양이 저만큼씩 들어가는가에 대한 이유는 여러 실험 결과를 거쳐 위와 같은 최적조성이 나왔기 때문입니다.

1) 배합 - 그 다음에는 이원료들을 잘 섞어야 합니다. 아주 골고루... 조금이라도 잘 섞이지 않은 부분이 있으면 성질이 일정하지 않은 유리가 만들어지기 때문이지요.

 

2) 용해 - 그 다음엔 잘 섞은 분말들을 백금도가니(또는 알루미나 도가니)에 넣은다음, 그 도가니를 로(furnace)에 넣고 1400-1500℃까지 가열시킵니다. 왜 백금도가니를 사용하냐하면요... 백금도가니가 유리랑 접착성이 제일 안좋습니다. 접착성이 안좋아야 나중에 유리를 성형틀에 부을때 도가니랑 녹은 유리가 잘 떨어지거든요..

 

3) 성형 - 펄펄 끓는 녹은 유리물을 성형틀안에 부어 넣습니다. 성형틀은 보통 금속(철)이 많이 쓰이지요. 이 유리를 그냥 로 안에서 그냥 식힐경우(서냉) 유리가 형성되지 않습니다. 유리가 제조되어질때 가장 중요한 점이 바로 급냉(빨리 식히는 것)시키는 것입니다. 서냉(천천히 식히는 것)을 할 경우 녹은 유리안에서 핵이 형성되고 핵주위로 결정들이 성장되어 유리가 투명성을 잃게 된답니다. 결정이란 규칙적인 원자들의 배열이라고 보시면 됩니다.

 

4) 급냉 - 유리는 급냉을 시키기 때문에 그 구조가 매우 불규칙한 규칙성을 갖고 있답니다. 이리저리 얽혀있는 구조라고 생각하시면 됩니다. 이렇게 액체상태에서 제자리를 찾아가지 못하고 그냥 굳어지기 때문에 유리는 열역학적으로 액체에 속합니다. 굳어진 액체라고 보시면 됩니다. 구조가 규칙성을 가지게 되면 안에 빈 공간이 생기기 때문에 빛이 투과할때 그 빈 공간과 부딪혀 산란을 일으켜 불투명하게 보이게 됩니다. 하지만 유리처럼 불규칙적으로 얽혀있는 구조에서는 빈공간이 존재하지 않기때문에 빛이 투과하면서 산란을 일으키지않아 투명하게 보이게 되는 것이지요. 또한 빈공간이 존재하지 않기때문에 물이 통과할수 없답니다. 유리가 식기나 병의 용기로서 사용되고 있는 이유를 잘 아시겠지요?

 

5) 서냉 - 이렇게 차갑게 냉각되어 굳어진 유리는 너무 빨리 차가워졌기때문에 상당히 불안정합니다. 이때 살짝만 건드려도 그냥 깨져버리지요. 그래서 이때는 서냉이라는 과정을 다시 거칩니다. 급냉시킨 유리를 약 700도정도로 유지되어 있는 로(furnace)안에 넣고 아주 천천히 온도를 낮춰가면 유리가 투명성을 잃지 않으면서 꽤 강한 강도를 가지게 됩니다.

이과정까지 거치면 완전한 제품의 유리가 탄생하게 됩니다.

 

4. 분젠 버너의 사용법

1) 버너의 튜브와 고무관을 연결한 뒤 다른 쪽은 가스통의 작은 출구와 연결한다.

2) 버너의 공기구멍을 잠근다.

3) 가스통을 열고 성냥을 켠 다음 버너의 튜브 끝에 갖다 댄다. 위쪽에 서 가까이하면 꺼질 수 도 있다.

4) 공기 구멍을 천천히 연다. 안쪽의 불꽃심이 푸른 두개의 동심원 형태 의 불꽃이 생긴다. 소리가 심하게 날 경우 조절을 한다. 알맞은 불꽃 은 파란 불꽃의 높이가 10̴15㎜ 정도될 때이다.

5) 튜브 아래쪽의 작은 구멍으로 불꽃이 생기면 즉시 가스 꼭지를 잠 가야 한다. 다시 킬 때는 튜브를 차갑게 해야 하며 공기 출입관을 닫 고 불을 켠다. 전보다 공기 출입관을 덜 열어야 한다.

6) 유리를 가열할 때는 불꽃 중앙부의 약간 윗부분(2/3지점)에서 가열하 면 좋다.

 

6. 유리 세공 때의 일반적 주의점.

1) 연질 유리로 쓴다.

2) 급열, 급랭을 피하며 균일하게 가열.

3) 유리관을 연결할 때는 동질 유리를 사용한다.

4) 유리관의 거친 부분은 무디게 한다 (다치거나, 실험 기구에 손상이 올 수 있다.)

5) 실험시 화상주의. (면장갑을 끼고 한다)

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) 유리관 : 낮은 온도에서 쉽게 녹거나 물렁물렁해 질 수 있는 소다-석회 유리관을 사용한다.

2) 분젠버너, 부탄가스, 유리칼, 펜치

3) 집게, 면장갑, 석면쇠그물, 라이타, 날개관

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