일반화학실험 유리세공

안녕하세요? 오늘은 일반화학실험 유리세공에 대하여 공유하겠습니다. 필자가 오래전에 썼던 것인데 노트북에서 그냥 놀고 있어서 이렇게 공유 드립니다. 

1. 제목 

유리세공

2. 실험목적

화학실험에 있어서 필요로 하는 여러 종류의 장치를 서로 연결하거나 만들어 사용하는데 기초적인 기술을 제공한다.

3. 기구 및 시약

유리관 (낮은 온도에서도 가공에 용이한 소다석회유리가 좋다) 

분젠버너, 면장갑, 삼각줄

4. 실험이론

1. 결정성고체와 비결정성고체 

1) 결정성고체 

원자, 분자, 이온 등이 특별한 모양으로 견고하고 넓은 규칙성을 가진 고체이다. 성질파악이 용이(*규칙성이 있기 때문)하고, 일정한 온도와 압력 상의 변화가 가능하다.

   

2) 비결정성고체 

구조가 결정화되어 있지 않은 고체, 무정형 고체라고도 한다. 원자들이 규칙적인 3차원 배열을 하지 않는다. 규칙성이 없어서 성질파악이 힘들고, 일관성이 없다. 비결정성 고체는 일정한 녹는점이 없다. 넓은 온도범위에서 점차 액체로 변하며 비결정성 고체의 예로는 아교,유리,엿,아스팔트,고무,플라스틱 등이 있다. 

2.유리의 성질 

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

1) 균열시 

ㄱ.유리: 여러 방향으로 나타나며 파편모양도 여러 가지이다.

ㄴ.결정성 고체: 일정한 방향으로 깨지며, 깨진 면은 편평하다.

2) 가열시 

ㄱ.유리: 점성이 낮아져 분명히 액체의 성질을 가진 물질이 되지만, 고체에서 액체로 되는 명확한 변화점이 없다.

ㄴ.결정성 고체: 특정 온도에서 녹는다.

3. 유리의 종류

유리는 무정형으로 SiO44-을 구조의 단위로 하여 산소 원자를 공유하면서 불규칙하게 줄을 지은 입체의 강목구조로 되어있고, 그 강목 중에 Na+나 K+등의 금속이온이 들어있는 모양을 하고 있다. 주성분을 SiO2라고 생각하면 금속이온은 Na2O, K2O, B2O3 등의 금속산화물이고, 이 금속 산화물의 종류에 따라 유리의 성질이 결정된다. 

1) 석영유리

순수한 규산으로 이루어진 유리로 불순물이 수백ppm 이하인 고순도의 규산을 약 2,000℃ 이상에서 용융하여 제조한 유리이다. 일반적으로 천연광물 형태로 존재하는 순수한 규산 광물을 석영이라 하고, 이들 중 투명한 결정을 수정이라고 하는데 인위적으로 제조하고 있는 석영유리와 구분된다.

Fused Quartz는 석영유리 중 순도가 아주 좋은 천연석영을 용융하여 유리로 만든 것이며, Fused Silica는 정제공정을 통하여 불순물을 제거한 규사를 용융시켜 제조한 것을 말함. 이외에 사염화규소(SiCl4) 등과 같은 규소를 함유한 기체 혹은 액체상태의 화합물을 고온으로 용해하여 만든 것을 합성 석영유리라고 한다.

석영유리는 연화온도가 1,600℃이상이며, 열팽창계수도 5.5x10-7/℃ 정도로 열충격저항이 우수하여 열선보호관, 이화학기구, 특수 조명용관으로 사용되며 반도체 제조공정에서 Si 웨이퍼를 운반하는 기구로도 사용됨 석영유리는 전기적인 저항도가 1016Ωcm로 일반 소다석회 유리(1012Ωcm) 보다 높고 유전상수도 3.82로 일반 유리의 8에 비해 매우 낮으며, 밀도 약 2.20 g/cm3 정도, 영율 73,900 kg/mm2, 포아슨비 0.17, 압축강도 117,000 kg/cm2, 인장강도 510 kg/cm2, 모오스 경도 5.5 등으로 일반 유리 보다 우수한 강도를 갖고 있음.

2)소다석회유리

생산되는 유리 중에 가장 일반적인 형태의 유리이다. 70％의 실리카, 15％의 소다, 9％의 석회와 소량의 여러 가지 화합물로 이루어져 있다. 소다는 실리카의 녹는점을 낮추며, 석회는 실리카의 안정제로 작용한다. 소다석회 유리는 값이 싸고, 화학적으로 안정하며, 적당히 단단하면서도, 작품을 끝마무리할 때 필요하면 언제든지 다시 녹일 수 있기 때문에 세공이 쉽다. 이와 같은 성질 때문에 백열전구, 창유리, 병, 공예품 제조에 널리 사용된다. 소다석회 유리는 몇 백 년 동안 대부분의 유럽 지역에서 생산되었다. 모래 형태의 실리카와 석회석은 거의 어느 지역에서나 풍부하다. 베니스 유리 제조업자들은 해초를 태워서 생긴 칼리를 선호하지만, 소다회는 경엽수림에서 쉽게 얻어진다.

3)붕규산유리

규산 대신에 붕산을 주체로 하는 유리. 붕산을 적어도 5% 이상 함유하며, 붕소를 첨가함으로써 팽창계수가 저하하여 화학적 내성, 특히 내산성 ·내후성이 증대하고, 내열충격성이 풍부한 점이 특징이다. 파이렉스는 그 대표적인 것이다. 이화학용 ·내열용기용 유리로 쓰이며, 경년변화가 적은 한난계용 유리에도 이 계통의 것이 사용된다. 

일반적으로 붕산을 함유하는 유리에는 다른 것에서는 볼 수 없는 특이성이 있는데, 그 중에서도 어떤 특정한 조성을 가진 유리에 적당한 열처리를 가하면 그 성분이 규산질 함량이 많은 것과 산에 잘 녹는 붕규산질로 분리되는 이른바 분상성을 가지는 사실이 알려져 있다. 이 성질을 이용하여 고규산유리를 얻는다.

4. 유리전이온도(Tg)

상태의 변화를 전이라고 하며, 결정상, 액체상 및 기체상으로 되어있는 결정성 저분자 물질의 경우 용융과 비등의 두 가지 전이가 존재한다. 이외에 한 결정구조로부터 다른 결정구조로 변하는 결정-결정 전이가 존재한다. 고분자 물질은 저분자 물질과 달리 높은 분자량으로 인하여 기체 상태로 되지 못한다. 결정성 고분자 물질은 결정이 녹는 용융현상이 나타나나 비결정성 고분자 물질은 낮은 온도에서 비결정성 유리와 같은 상태로 있으며 온도가 올라가면 점성의 유체로 변한다.

이와 같이 유리상태에서 점성의 유체를 변하는 전이를 유리-고무전이 또는 유리전이라 한다. 결정성 고분자의 경우 결정을 이루고 있기 때문에 결정격자가 깨어지는 용융이 일어날 뿐 온도가 올라가도 비결정성 고분자와 같이 유리-고무 전이현상은 나타나지 않는다. 일반적인 결정성 고분자는 완전한 결정성이 아닌 반결정성이므로 유리전이 및 용융이 함께 나타난다. 

유리전이온도(Tg)는 어떤 고분자를 실제 사용하고자 할 때 고려해야 할 중요한 요소 중 하나이며 비결정성 고분자 또는 결정성 고분자의 비결정성영역에 있어서 segment가 짧은 거리를 이동하는 Micro-Brown motion 이 보이기 시작하는 온도를 말한다. 이 경우 polymer 자체는 움직이지 않는다. polymer는 Tg를 기준으로 이하에서는 glassy한 상태를, 이상에서는 rubbery한 상태를 보인다. 또한 Tg에서 온도에 따른 부피 변화율이 급격히 증가한다.

5. 유리전이온도(Tg)에 영향을 미치는 인자

1) 분자량: 고분자의 분자량 증가에 따라 유리전이온도 상승, 분자량이 증가하면 그 계 내에 연결되어진 반복단위가 많아지고 말단기의 숫자가 감소하므로 자유부피가 감소하여 분자운동을 일으키기 힘들어지므로 Tg가 증가한다.

2) copolymerization: 고분자 성분사이에 다소 효과적인 혼합이 일어나면 Tg가 각상의 Tg사이에서 나타나게 되며, 저분자량 화합물인 가소제가 고분자에 첨가되는 경우 가소제가 낮은 Tg를 갖는 화합물로서 거동하는데 그 영향에 의해 Tg가 저하된다.

3) 결정화도: 결정화도가 증가할수록 결정영역에 의한 분자운동의 방해 때문에 Tg가 증가되며 결정화도가 큰 Polymer에 있어서는 Tg가 감추어지기도 한다. 

4) 화학적 구조: Polymer chain 내에 stiff한 group이 존재하거나 수소 결합 같은 intermolecular force가 존재하면 분자운동의 시작에 필요한 에너지를 증가시키게 되므로 Tg가 증가하고, 반대로 flexible한 group으로 작용할 수 있는 기능기가 존재하면 Tg는 감소된다. 치환기의 단위가 증가함에 따라 Tg는 저하되나 지방족 곁치환기가 너무 길어지면 곁치환기의 결정화가 일어나서 사슬운동을 방해하게 되어 Tg가 상승하게 된다. 

5) 압력: 압력이 증가되면 전체부피가 감소되어 자유부피(free volume)가 감소하므로 Tg가 증가된다. 

6.분젠버너 

1855년 독일의 R.W.분젠에 의해 발명된 이래 각종 버너의 기본이 되었으며, 분젠등(燈) 또는 간단히 버너라고도 한다. 고무관(管)으로 유도한 가스를 높이가 10 cm인 금속제 원통의 작은 구멍에서 분출시켜, 그 부근의 압력이 내려가는 것을 이용해 공기구멍에서 공기를 빨아들여 가스를 혼합하게 한다. 

상단에 점화하면 가스는 계속해서 타고, 불꽃은 가스의 양 및 공기구멍의 크기를 변화시켜 조절할 수 있다. 도시가스의 경우, 공기를 빨아들이면 불꽃은 빛나는 청록색 원뿔형을 중심으로 바깥쪽에 암청색, 또 그 바깥쪽에 담청색의 세 부분이 생긴다. 

불꽃의 안쪽은 공기와 혼합된 가스가 연소해서 일산화탄소 ·수소 ·이산화탄소 ·수증기 등의 혼합물이 되며, 환원성이 있으므로 환원성불꽃 또는 속불꽃이라고 한다. 환원성불꽃의 온도는 아래쪽에서 300 ℃, 앞 끝 쪽에서 1,500 ℃이다. 불꽃의 바깥쪽은 수소나 일산화탄소가 주위의 공기와 반응하고 연소하여 이산화탄소와 수증기가 될 때 산화작용을 나타내기 때문에 산화성불꽃 또는 겉불꽃이라고 하며, 온도가 높아 앞 끝 쪽 가까운 곳에서는 1,900∼2,400 ℃에 이른다. 

적절하게 이 버너를 사용하기 위하여 그것의 구조와 조작을 이해해야만 한다. 버너를 사용하기전에 우선 그 구조를 세심히 조사한 다음 gas line에 연결시켜 점화한다. 밝은 불꽃이 나도록 하기 위해 공기 흡입구를 닫도록 한다. 기체가 완전연소를 일으킬 수 있는 충분한 공기와 혼합되지 못했기 때문에 형성된 탄소입자들은 백열광을 내는 것이다. 밝지 않은 뜨거운 불꽃은 공기가 주입되어 기체와 혼합되도록 버너의 아랫부분의 collar를 열어 줌으로서 발생시킬 수 있다. 

기체의 공급은 불꽃의 높이가 약 10cm 정도 되도록 조절되어야 하며 기체-공기 혼합물의 조성은 불꽃에 두 부분의 빛이 나타나도록 조절되어야 한다. 과량의 공기는 불꽃의 온도를 강화시키거나 또는 불꽃을 꺼져 버리게 한다. 적당히 가온된 불꽃을 사용하도록 한다. 불꽃 분사기로 버너의 끝을 바꾸어 줌으로서 유리각의 가열범위가 잔의 세로방향으로 넓은 부분에 충분히 불꽃이 퍼지도록 한다. 

그것은 유리판이 접혀짐이 없이 잘 휘어질 수 있도록 해준다. 공기의 공급을 증가시키는 일은이 불꽃의 광도를 감소시키며 불꽃을 두 개의 부분으로 분리시키는데 상단의 불꽃이 더 온도가 높다. 효과적인 가온을 위해 유리관을 세로 방향으로 하여 불꽃 상단의 넓은 부분 가까이에 접근시킨다. 불꽃분사기를 버너에서 제거할 때에는 매우 뜨겁게 가열되었으므로 타올로 분사기를 다룬다. 

5. 실험과정

1.유리관 자르기

1)실험대 위에 유리관을 놓고 삼각 줄로 모서리를 적신 다음 유리관을 아주 깊게 긁는다. 

2)양손에 유리관을 잡고 유리관의 반대쪽에 양손의 두 엄지손가락으로 밀착시킨다. 

3)두 엄지손가락 바깥쪽으로 압력을 가하면서 손안으로 잡아 뽑으면서 조심스럽게 구부린다. 동시에 두 업지 손가락을 떼어놓으면 유리관이 긁힌 부분에서 잘라질 것이다. 유리관을 잡기 위해 천이나 타올의 사용은 유리관을 자르는데 방해가 될 것이다. 

2.모세관 만들기

1)약 25cm 길이로 유리관을 자른다. 

2)엄지손가락과 다른 손가락 사이로 가볍게 유리관을 잡고 왼손의 마디는 위로하고 오른손의 마디는 아래로 향하게 잡는다. 

3)유리관을 분젠 버너 불꽃의 윗부분에 수평이 되도록 하고 엄지손가락과 그 외의 손가락으로 그것을 앞뒤로 돌려주면서 천천히 일정하게 회전시켜 준다. 

4)유리관이 불꽃 내에서 완전히 가열될 때까지 유리판을 움직여 준다. 그러나 이 동작이 급할 필요는 없다. 

5)유리관을 회전시키는 동안 가열되었으면 유리관의 벽이 다소 얇아지도록 조심스럽게 양손을 서로 반대 방향으로 잡아당긴다. 유리관이 뒤틀리게 되지 않도록 주의한다. 유리관이 연성일 때는 불꽃으로부터 유리관을 멀리한 다음일정하게 돌려주면서 유리관이 굳어질 때까지 조심스럽게 두 끝은 잡아당긴다. 유리관은 직경이 1mm 정도까지 잡아 늘려야 한다. 

3.유리관 구부리기

1)분젠 버너에 불꽃분사기를 장치하고 공기 흡입구를 닫고 불을 붙인다. 

2)불꽃의 높이가 약 5cm 정도의 높이가 되도록 기체의 양을 조절한다.

3)밝은 불꽃이 사라지는 순간 두 개의 푸른 불꽃이 나타나도록 공기 흡입구를 조절한다. 

4)유리관을 불꽃의 상단에 가로방향으로 갖다 대고 가열하는데 이때 일정한 가온이 되도록 천천히 그리고 주의 깊게 돌려준다. 

5)유리관이 쉽게 구부러질 수 있을 만큼 물렁물렁 해졌을 경우 불꽃으로부터 유리관을 멀리하여 원하는 각도만큼 구부린다. asbestor board 위에 구부린 관을 압력을 가해서 서서히 냉각시킨다. 구부린 관을 원하는 길이만큼 자르고 그 끝을 불 다듬질한다. 

6. 결과 및 고찰

예전에 텔레비전에서 유리를 녹이는 장면을 본 적이 있다. 그때 처음으로 유리라는 물질이 불에 달궈지면 흐물흐물해지고, 늘리거나 부풀리기가 가능해진다는 것을 알게 되었는데, 실제로 해보니 느낌이 또 달랐다. 처음에는 많이 쉬울 거라 생각했었지만, 생각만큼 금방 달궈지지도 않았고 불에서 꺼내면 너무 빨리 굳는 바람에 애를 먹기도 했었다. 우리는 선뜻 모세관을 뽑지 못해서 불속에서 유리관을 구부리는 것부터 했었는데, 아래 부분이 더 많이 가열되기 때문에 위쪽으로 구부려야 했다. 아래쪽으로 구부리게 되면 더 많이 팽창된 부분이 접히기 때문에 유리관의 굽혀진 부분이 묻게 되기 때문이다. 

모세관을 뽑을 때는 고생을 많이 했다. 불 속에서 녹았다는 생각이 들어 조금씩 양옆으로 힘을 주면 늘어나는 듯싶어 불에서 빼면 쉽게 굳어버려 늘어나지 않았고, 다시 불에 넣으면 끊어지기 일쑤였다. 지금 생각해보니 너무 천천히 잡아 당겼던 같다. 여러 번 실패 뒤에 불속에서 완전히 녹았다 싶었을 때 꺼내어 속도를 조금 내어 당겼더니 모세관이 뽑아졌다. 우리가 계속 실패했던 이유는, 불에서 완전히 가열하지 못하고 꺼냈던 것, 속도 조정을 잘 못하고 잡아당긴 것 등이 있는 것 같다. 

7. 참고 문헌

 일반화학실험: 대학화학교재 연구회저, 학문사, p31~35

 일반화학실험:신진수외 5명 공편, 신광문화사, p39~44

 무기공업화학: 한국공업학회저, 청문사, p481~483

오늘은 일반화학실험 유리세공에 대해서 공유 드렸습니다. 위의 것을 기반으로 하여 좀 더 나은 학습을 하시기를 기원합니다.