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1조 발표
연막탄 섬광탄 만들기
실험 동기
전쟁 게임이나 특공대영화에 많이 나온는 연막탄과 섬광탄이 어떤 원리로 작용 하는지 궁금했고, 군용으로 사용되는 투척용 연막탄은 '백린' 으로 인하여 그 가스가 유독 하다는 기사를 보고 인체에 무해한 연막탄과 섬광탄을 만들어 보고 싶었다.
실험 동기
실험 목적
질산칼륨과 설탕의 산화-환원 반응을 이용하여 연막탄을 만들고, 반응성이 큰 금속인 마그네슘 원소의 특성을 이용하여 섬광탄을 만들어 보자.
연막탄 만들기
연막탄
만들기
연막탄이란?
충격 및 마찰로 인해 폭발로 연막이 방출되는 모든 발연 화학제 탄약으로 연막 수류탄, 포병 연막탄 및 연막통 등을 총칭한다.
연막 수류탄은 신호용 또는 돌격 및 철수시 소량의 연막을 형성하는데 사용된다.
백린 연막탄이 대표적인데 백린은 성인기준 치사량이 경구섭취 시 15~100mg[4] 수준의 상당한 맹독성을 가진 물질이다.
실험 준비물
실험 준비물
비커, 가열 플레이트, 저울, 약수저, 점화기, 질산칼륨, 설탕, 베이킹파우더(베이킹 소다), 상단을 제거한 음료수 캔, 스파클라, 거즈, 알코올, 절연 테이프, 나무젓가락, 유리 막대
질산칼륨
비커
설탕
가열 플레이트
스파클라
베이킹파우더
실험 재료 기본 지식
질산칼륨 (산화제 역활)
설탕과 혼합된 후 연소시키면 다량의 연기(수증기)를 방출하며 빠르게 연소하는 강 산화제 이며 주로 로켓 연료의 산화제, 발색제 비료 등으로 쓰인다.
재료 기본지식
설탕-탄수화물(환원제 역활)
탄수화물이며 연소시 탄소를 태우며 이산화탄소 를 발생시킨다. 불완전 연소하며 탄소를 약간 남긴다. 녹인 설탕에서 약간 쓴 맛이 나는 것에서 확인할 수 있다. 질산 칼(산화제)와 섞은 후 가열하면 산화-환원 반응을 일으키며 질산칼륨이 연소 하기 위한 산소를 공급하는 역활을 한다.
실험방법
실험 방법
1. 질산칼슘과 설탕을 저울을 이용하여 총 질량 300g에 맞추어 6:4 / 5:3의 비율로 2종류를 준비한다.
2. 질산칼륨과 설탕을 비커에 넣고 가열 플레이트에 가열하며 유리 막대로 저어주며 녹인다.
3. 질산칼륨과 설탕이 늘러 붙지 않도록 계속 저어주며 땅콩 버터 처럼 녹을 때 까지 녹인다.
4. 땅콩버터처럼 변하면 베이킹 소다(베이킹 파우더) 세 스푼을 넣고 계속 저어준다.
5. 젓다가 어느 정도 부풀어 오르면 혼합물을 음료수 캔에 넣은 후 나무젓가락을 꽂고 1시간 정도 굳힌다.
6. 1시간 후 나무젓가락을 빼고 거즈에 알코올을 묻혀 나무젓가락을 뽑은 구멍에 넣은
다음 위에 스파클라를 구멍에 꽂는다.
7. 절연 테이프로 음료수 캔 입구를 막는다.
8. 스파클라에 점화기로 불을 붙이고 관찰한다.
산화 환원
산화 환원 반응
물질마다 전자를 잃고 얻는 성질의 세기가 다르기 때문에 산화, 환원 반응이 일어난다
산화(Oxidation)는 분자, 원자 또는 이온이 산소를 얻거나 수소 또는 전자를 '잃는' 것을 말한다.
환원(Reduction)은 분자, 원자 또는 이온이 산소를 잃거나 수소 또는 전자를 '얻는' 것을 말한다
산화제란 다른 물질을 산화시키면서 자신은 환원되는 물질을 말한다
(상대에게 산소를 준가나 전자를 빼앗는다)
환원제란 다른 물질을 환원시키면서 자신은 산화되는 물질을 말한다.
실험 원리
실험 원리
연막탄 실험의 원리는 산화-환원 반응으로 이 실험에서 질산칼륨은 (강)산화제이고, 설탕은 환원제 역활을 한다.
설탕은 탄수화물로 불이 붙으면 탄소가 타면서 수증기가 발생하고, 약간 불완전 연소하며 검은 탄소가 섞여 나오는데 이 현상은 가열한 설탕이 검게 변하는 것과, 쓴맛을 내는 것으로 관찰 할 수 있다.
또한 앞서 말한대로 질산칼륨은 산화제로 환원제가 섞이면 산화가 촉진되어 공기가 공급되지 않아도 계속 탈 수 있다. 따라서 탄소가 연소되는데 필요한 산소가 적정 비율을 유지하며 공급되면 계속 연기를 낼 수 있다.
C12H22O11 + 12KNO3 + 2NaHCO3 → 6K2CO3 + Na2CO3 + 6N2O + 7CO2 + 12H2O
(설탕)+(질산칼륨)+(베이킹소다) →(탄산칼륨)+(탄산나트륨)+(아산화질소)+(이산화탄소)+(수증기)
KNO3+C6H12O6+NaHCO3 →CO2+H
결국 질산칼륨+설탕+베이킹소다의 반응식의 결과물은 이산화탄소와 수소이다.
예비 실험 결과
연막탄 결과
자초지종
10일 (화요일) 학교 끝나고 예비실험 진행
3번의 예비 실험 끝에 한시간 만에 드디어 처음 성공
더 다양하고 효과적인 실험 결과를 얻기 위해 추가 실험 진행
첫 성공했던 실험의 2배양인 400g으로 실험
질산칼륨과 설탕을 가열 플레이트에 녹이는데 플레이트가 엄청 뜨거워서 특수 장갑 끼고 실험할 정도, 혼합물이 잘 안녹고 젓기가 뻑뻑해서 돌아가면서 유리막대로 저었었다.
예비 실험 하다가 비커 한개가 금이가고 유리막대도 하나 부러질만큼 힘든 실험이엿다
두번째 실험 할때는 옆 테이블에서 섬광탄 제작중이였다
자초지종2
돌아가면서 혼합물을 돌리고 있다가 섬광탄을 만들기 위해 옆테이블에서 화약을 만지고 있던 조원 한명이 혼합물을 섞기 위해 역활을 바꿨다.
그 조원이 혼합물을 섞고 있었고 한명이 비커를 잡고 있었는데 갑자기 비커속 혼합물이 부풀어 오르더니 불이 붙어 터져버렸다.
진짜 말 그대로 터져서 불길이 천장까지 올라가고 비커도 깨지고 플레이트 주변이 불길에 휩싸였었다.
다행히도 불길은 빠르게 가라앉았지만 만들고 있던게 연막탄이였어서 연기가 엄청나게 났다.
자초지종3
연기가 과학실 안을 가득 채워서 앞이 거의 안보일 정도였다.
일단 불은 꺼졌는데 더 큰 문제는 연막탄이 터져서 연기가 엄청나게 나서 복도에 나가봤더니 1층부터 3층까지 연기가 차있고 연기 때문에 화제 경보가 울렸다.
화제 경보가 웅지관까지 울려서 웅지관에 있던 학생들도 배드민턴을 그만두고 학교로 왔다.
다행히도 선생님들이 빠르게 와주셔서 환기도 시켜주시고 도와주셔서 사태를 빠르게 해결했다.
선생님들이 사람이 안다쳐서 다행이라고 주눅들지 말라고 말씀해 주셔서 잘 마무리됬다.
그리고 다음날 과학실에 갔더니 교감 선생님께서 찾아오셔서 실험실을 둘러보시고는 이런 실험은 너무 위험하다고 안하는게 좋겠다고 말하셔서 이번 실험은 못하게 됬었다
폭발이 일어난 원인
가설1
너무 많은 양을 한번에 가열해서 반응이 갑자기 크게 일어났다
가설2
플레이트의 온도가 너무 높아서 비커에 금이가서 불이 혼합물에 붙어 터져버렸다
가설3
화약을 묻히고 혼합물을 섞던 조원의 장갑에서 화약이 떨어져 발화점 이상의 온도가 만들어 져서 폭발했다.
섬광탄
기본적으로는 수류탄이지만 폭발 대신 강력한 섬광(Flash)과 폭음(Bang)을 내뿜어 일시적으로 시•청각을 마비시키고, 또 무력 상태가 되게 하는 무기. 강력한 섬광은 마그네슘을 순간적으로 산화시켜 발생시킨다.
마그네슘
실온에서 은백색의 가벼운 금속으로 존재한다. 반응성이 크고 2가 양이온이 되려는 경향이 있으므로 자연에서는 주로 마그네사이트, 백운암, 활석, 석면 등의 화합물의 형태로 발견된다
공기 중에서는 잘 발화하지 않지만 미세한 분말이나 얇은 선으로 만들면 자외선 영역의 빛을 포함하는 밝은 흰색 불꽃을 내며 연소하며, 이 때 불꽃의 온도는 3,100 ℃에 이를 수 있다.[4] 이러한 특성을 이용하여 카메라 조명이나 불꽃놀이, 섬광탄 등에 사용되며, 소이탄에 첨가되기도 하였다
마그네슘은 1s22s22p63s2의 전자 배치를 가지며, 3s 오비탈의 전자 2개를 잃고 양이온이 되려는 성질로 인해 주된 산화수는 +2이다.[3] 공기 중에 노출되면 산소와 반응하여 투과성이 작고 제거하기 어려운 산화 피막을 형성하여 더 이상의 산화를 막는다. 그러나 분말이나 얇은 선으로 만들면 위에서 설명한 바와 같이 빠르게 연소하여 강한 백색광을 내며 산화 마그네슘(MgO)과 질화 마그네슘을 형성한다
실험방법
섬광탄 만들기
1. 스파클라의 폭죽 부분을 비닐장갑을 끼고 종이 위에 긁어낸다.
2. 긁어낸 폭죽을 뭉개서 가루로 만든다.
3. 새로운 스파클라를 꺼내서 손잡이 부분을 자르고 마그네슘선을 중간정도 까지 감는다.
4. 긁어낸 폭죽과 마그네슘 선을 감은 스파클라를 음료수 캔에 넣고 테이프로 입구를 막는다.
5. 점화기로 마그네슘이 감겨져 있지 않은 부분의 스파클라에 불을 붙이고 선글라스를 끼고 관찰한다.
감사합니다