과학 이야기

하루 3분 과학 · 22화 · 5-8세 · 4분

물보다 무거운 쇠 클립이 가라앉지 않는 이유

그릇에 물을 가득 채우고 클립 하나를 준비하자. 손가락으로 바로 밀어 넣지 말자. 작은 휴지 조각 위에 클립을 살며시 얹어 물 위에 띄우자. 이쑤시개 끝으로 휴지 밑을 콕 찔러 보자. 물속으로 가라앉는 건 휴지뿐이다. 클립은 그대로 물 위에 남는다.

쇠로 된 클립은 물보다 훨씬 무겁다. 그런데도 가라앉지 않고 물 위에 얹혀 있다. 물 표면을 가까이 들여다보면 클립 무게 때문에 살짝 움푹 파여 있다. 이 현상의 이름은 표면장력이다. 물 분자끼리는 서로 잡아당기는 힘이 있다. 표면에 있는 분자들은 옆과 아래 이웃을 더 세게 끌어당긴다. 그래서 얇은 막처럼 뭉친다.

물이 이렇게 강하게 서로 잡아당기는 까닭은 분자의 생김새 때문이다. 물 분자는 산소 하나에 수소 둘이 붙어 있다. 산소 쪽은 살짝 (−)를, 수소 쪽은 살짝 (+)를 띤다. 이웃한 물 분자끼리 (+)와 (−)가 서로 끌어당긴다. 이렇게 촘촘히 달라붙는 결합을 수소결합이라고 부른다.

연못 위를 사뿐사뿐 걸어 다니는 소금쟁이도 같은 원리를 이용한다. 다리가 가늘고 털로 덮여 있어 무게가 넓게 퍼지기 때문이다. 클립 대신 바느질용 바늘로 실험해도 똑같이 뜬다. 바늘도 가늘고 길어서 무게가 넓게 퍼지기 때문이다.

사람 손가락은 클립보다 훨씬 무겁고 좁다. 그래서 손가락을 물에 대면 표면장력의 막이 바로 뚫린다. 클립처럼 가볍고 표면이 넓적한 물건만 이 막 위에 살며시 얹힐 수 있다.

같은 실험을 물 대신 식용유로 해 보면 결과가 다르다. 클립을 조심스럽게 올려도 금방 가라앉아 버린다. 식용유는 분자끼리 끌어당기는 힘이 물보다 약해서 표면장력도 낮다. 반대로 수은은 표면장력이 물보다 훨씬 세다고 알려져 있다. 작은 동전도 수은 위에서는 가라앉지 않는다고 한다. 다만 수은은 독성이 있어 집에서 함부로 만지면 안 된다.

이번엔 물에 주방세제를 딱 한 방울만 떨어뜨려 보자. 조금 전까지 떠 있던 클립이 순식간에 물속으로 가라앉는다. 세제 성분이 물 분자끼리 끌어당기는 힘을 약하게 만들기 때문이다. 표면을 감싸던 막이 힘을 잃으면서 클립의 무게를 더 이상 버티지 못한다.

풀잎 위에 이슬방울이 동그랗게 맺히는 것도 같은 원리다. 물뿌리개로 뿌린 물이 알알이 방울지는 것도 마찬가지다. 물방울이 넓게 퍼지지 않고 둥근 덩어리로 뭉치는 까닭은 표면장력 때문이다. 얇은 물 막이 사방에서 균등하게 잡아당겨 가장 작은 모양인 공 모양을 만든다. 그렇다면 클립 대신 훨씬 무거운 쇠구슬을 살며시 올려도 물 위에 뜰 수 있을까?

※ 이 글은 위 자료를 바탕으로 생성형 AI가 초안을 쓰고 사람이 확인해 다듬었습니다. 삽화도 AI로 만들었습니다.