[일반화학실험]유리세공(Techniques of Glassblowing) 2부

실험 방법

1. 실험 과정

1) 유리관/유리막대를 자르는 법

① 유리관이나 막대는 세공하기 전에 깨끗이 씻어 완전히 건조시켜야 한다.

② 자르려고 하는 곳에 줄(file)로써 3～4㎜ 정도의 금을 긋는다. 금 을 그을 때는 힘을 주어 단숨에 금을 긋도록 하고, 여러 번 왔다갔 다 반복하면 금이 여러 개가 생겨서 오히려 깨끗이 자를 수 없게 된다.

주의: 줄로서 관의 수직방향으로 자른다는 것을 명심하라.

③ 금을 그은 반대쪽에 양손의 엄지손가락을 대고 양끝을 양손으로 잡아당기듯 하면 깨끗이 자를 수 있다.

 

④ 유리관의 한쪽 끝 1㎝ 정도에서 자르려고 할 때는 끝을 손으로 잡을 수 없으므로 그림과 같이 실험대 위에 뾰족한 연장을 놓고 그 위에 금을 그은 곳을 윗면으로 놓고 망치로써 끝을 살짝 때리면 깨끗이 잘린다.

⑤ 유리관을 자른 곳은 예리한 칼날 같아서 몸에 상처를 내기 쉬우므로, gas burner 의 불꽃으로 가열해서 무디게 되도록 한다.

 

2) 유리관 다듬기

① 눈이 가는 줄칼의 날로 잘라진 곳을 몇 번 문질러 칼날처럼 된 부분을 없앤다.

② 유리관의 잘라진 면을 알콜램프나 석유버너 혹은 가스버너 등의 가장 높은 온도부분에 가까이 하면서 조금씩 돌리고 충분히 가열하면 유리 가 녹아 잘라진 면이 둥그렇게 된다. 동그랗게 된 것을 확인하려면 그 자른 부분이 빨갛게 되었는가를 알아보고, 빨갛게 되었으면 자른 면이 둥그렇게 되었음을 알 수 있으며, 완전히 손질된 것으로 인정한다.

 

3) 유리봉 만들기

① 30㎤정도로 유리관을 자른다

② 가스버너의 불꽃에 넣고 서서히 돌리면 유리관이 녹아 끝이 좁아 끝이 붙고 동그랗게 되면 유리봉이 완성 된다.

 

4) ㄱ자관 만들기

① 유리관 가열하기에서처럼 분젠 버너의 가장 큰 불꽃(겉불꽃)으로 유리 관이 아주 연하게 될때까지 관을 회전하면서 전체를 균일하게 가열한 다.

② 불꽃에서 꺼낸 후 천천히 단번에 구부린다.

③ 유리관을 필요한 각도만큼 구부린후 굳을때 까지 그 각도를 유지한다.

④ 석고판 위에서 식힌다.

 

5) 모세관 만들기

머리카락처럼 가는 관, 즉 모세관(capillary tube)을 만드는 방법은 유리관을 수평으로 들고 천천히 돌리면서 가열하여 유리관이 충분히 연하게 되었을 때 불꽃에서 꺼내어 좌우로 적당하게 힘주어 충분히 늘인다. 이때 너무 힘을 주면 길게 늘어나기 전에 끊어 지거나 갑자기 가느다랗게 되어, 그의 굵기가 일정하지 않은 가는 관이 된다. 그러므로 적당한 힘으로 양쪽으로 늘여 잡아당겨야 한다. 이와같이 하면 길이가 상당히 길며 굵기도 일정한 모세관이 될수 있다.

① 유리관을 굽힐 때와 같은 요령으로 유리관을 수평으로 들고 gas burner 의 불꽃속에 넣고 서서히 돌리면서 빨갛게 될 때까지 충분히 가열한다.

② 충분히 가열되면 불꽃에서 꺼내어 관의 좌우를 양손으로 서서히 잡아당 긴다.

③ 유리관이 고루 가열되지 않고 한쪽만 지나치게 가열되었을 때는 한쪽으 로 휘어져서 좋은 모세관을 만들 수 없다.

④ 관을 불꽃 속에 두고 잡아당기면 중간에서 끊어지고 모세관을 만들 수 없다.

 

6) T자관 만들기

① 50㎠정도로 유리관을 자른다.(너무 짧게 만들면 불 때 사고가 날수도 있 음) 그외 유리관 하나를 더 준비한다.

② 중간 부분에 불꽃을 가늘게 만들어 중간부분 한쪽만 녹인다.

③ 중간 부분에 녹았다 싶으면 반대쪽 끝을 잡고 ‘후’ 불어주면 가열한 분에 구멍이 뚫린다.

④ 다른 유리관 하나를 불에 녹인 다음 구멍이 뚫린 곳에 붙여주면 T자 관이 완성된다.

주의 사항

1. 유리관을 자를 때, 관이 잘라지려면 장력 하에 놓여 있어야 한다. 이렇게 되면 깨끗이 잘라질 뿐 아니라 두 개의 잘린 부분이 잘 갈라져 위험이 줄어든다. 이러한 관 자르기는 직경이 작은 (12mm 이내) 관에 효과가 있다. 직경이 큰 경우에는 다른 방법을 택해야 하며, 숙련가에게 맡기는 것이 가장 좋다.

2. 유리는 차가울 때나 뜨거울 때나 관계없이 색이 똑같다. 유리관을 달굴 때 방심하여 뜨거운 유리를 집어 들어 화상을 입지 않도록 주의한다.

3. 유리관을 굽힐 때 너무 힘을 가하면 구부러지거나 깨지므로 주의한다.

 

실험 결과

1. 결과 분석

1) 유리관 자르기

유리관 끝이 평평하게 잘려 있다. 실험기구를 위해 유리관을 자를 때는 이처럼 단면이 평평한 형태로 자른다.

2) 유리관 구부리기

전체 면적에 골고루 열을 가한뒤에 구부렸더니 매끈한 구부림이 완성되었다. 즉, 유리관을 겉불꽃에서 가열한 뒤 꺼내어 약 90°로 구부려주었다.

3) 유리관 늘리기

유리관을 겉불꽃에서 가열한 뒤 꺼내어 한 방향으로 늘리자 모세관 형태가 되었다.

골고루 열을 가한뒤에 너무 세지도 약하지도 않은 강도로 잡아 당겼더니 적절한 두께의 모세관이 만들어졌다.

 

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험에서는 유리의 열적 특성을 사용하여 실험기구를 제작하기 위한 여러 가지 형태로 유리관을 조작해보았다. 유리는 과냉각 된 액체로, 실제로 실온에서도 매우 천천히 흘러내리지만 점도가 매우 높아 육안으로 그 움직임을 관찰하기는 어렵다. 유리를 가열하면 점점 육안으로 관찰할 수 있을 만큼 빠른 유동성을 갖는데, 이런 변화가 일어나는 온도를 연화점이라고 한다.

 

유리의 연화점은 일정하지 않다. 유리가 비결정성 물질이기 때문이다. 고체의 유리는 불규칙한 분자의 배열의 유리를 냉각시켜 얻어낸 형태이므로 분자의 배열이 무질서하다. 유리가 투명하게 보이는 이유도 유리가 비결정성 액체이기 때문이다. 불투명하게 보이는 다결정체의 경우 빛의 산란이 일어나는 경계면을 갖는다. 반면 유리는 결정을 형성하고 있지 않기 때문에 경계면에서 빛의 산란이 일어나지 않는다. 이러한 이유로 유리는 가시광선에 대해 높은 투과율을 보이는 광학적 특성을 갖는다.

 

실험을 통해 연화점에 이르러 분자의 배열이 점점 불규칙해짐에 따라 유동성이 커진 상태에서 유리에 힘을 가하여 구부리거나 늘리는 등의 조작을 할 수 있음을 확인하였다.

 

먼저, 유리관을 자를 때는 관을 양쪽으로 당기면서 부러뜨려야 했다. 이는 유리관이 장력 아래에 있을 때 잘 잘리기 때문인데, 유리관의 장력은 유리관이 뻗은 가로방향으로 작용하므로 손가락으로 양쪽을 밀어주어야 하는 것이다. 단지 힘만 주어 유리관을 부러뜨린다면 유리관의 끝이 날카롭게 잘릴 수 있다.

 

둘째로 유리관을 구부릴 때는 원통형인 유리관이 고루 물러질 수 있도록 돌리면서 가열했다. 유리관이 일부만 가열되었을 경우 유리관이 찌그러져 직경이 일정하지 못하게 된다. 골고루 물러진 유리관을 불꽃에서 꺼내 한 방향으로 천천히 구부리면 원하는 모양으로 유리관을 구부릴 수 있다.

 

ㄱ자 관을 만들 때 날개판을 버너에 꽂지 않고 만들었더니 중간에 주름도 가고 원하는 모양으로 잘되지 않았다. ㄱ자 관을 만들 때에는 날개판을 이용해서 넑은 면적을 균일하게 가열한 다음 한번에 구부려야 ㄱ자 관을 매끄럽게 만들 수 있었다. 특히, 날개판과 버너사이의 산소량이 일정치 않아서 인지 날개판으로 불이 나오지 않아서 고생을 했었다. 날개판이 버너와 맞물렸을 때 산소량이 일정해야 한다는 것도 알수 있었다. 모세관 만들때에도 서서히 당기면서 만들어야 하는데 너무 급하게 하는 바람에 너무 얇거나 아님 모세관의 길이가 짧은 것이 나오기도 했다.

 

유리관을 가늘게 뽑아 모세관을 만들 때에는 유리관이 구부러지지 않도록 조심해서 가열해야 했는데, 한 번 유리관을 조작하면 아무리 물러져 있는 상태라고 해도 일직선으로 돌아가지 않고 구부러진 형태를 유지하기 때문이다. 이렇게 되면 그 유리관은 실험기구로서 사용하기 적합하지 않다. 또한 유리관을 너무 빠르게 늘리면 늘어진 부분이 너무 얇아지므로 유리관이 일정하게 늘어날 수 있도록 천천히 당겨주어야 한다.

가장 힘든 것은 T자 관 만들기 였다. 불을 뾰족하게 나오게 하는것도 힘들었고 우리가 원하는 부위만 가열하는 것도 쉬운게 아니었다. 공기를 불어 넣어 구멍을 뚫은후 다른 유리관과 연결하는 것도 어려운 실험이었다.

실험을 진행하면서 유리관을 겉불꽃에 가열한 이유는 겉불꽃이 공기와 바로 맞닿는 곳이라 산소 공급이 활발히 일어나 속불꽃보다 온도가 높기 때문이다. 본 실험은 위험 요소가 많으므로 특히 침착함과 안전이 요구되는 실험이었다.

2. 결론

실험실의 간단한 유리기구는 필요에 따라 만들어 사용할 수 있다. 유리세공에서 유리관을 절단하고,ㄱ자로 구부리기, 분사꼭지와 스포이드 만드는 법 등의 간단한 유리 세공법을 익힐수 있었다. 화학 실험을 하다보면 여러 가지 실험 장치를 꾸며야 하는 경우가 생긴다. 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 하고 자 하는 화학 실험의 장치를 꾸미는데 필요한 기초기능을 익힐수 있는 시간이었다.

참고 문헌

1. 분석 화학 실험, 박승로외 2명, 동화기술 p.87~91

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