금속에 녹이 스는 까닭은 ?

Ⅰ. 탐구 주제

금속에 녹이 스는 까닭은?

Ⅱ. 탐구를 하게 된 동기

만들기를 하려고 준비물을 모으다 보면, 못과 철사에 녹이 슬어 있다. 그런데 이 녹은 불그스름해서 손에 잘 묻어 녹이 슨 못은 쓰기가 불편했다. 녹에 약간의 관심을 가지고 나서 녹이 있는 것들을 잘 살펴보게 되었다. 그런데 녹슨 것은 주로 화장실에 있었고, 특히 비 온 다음날은 공사장에서 녹슨 못이나 철강에 슬어 있는 붉은 녹을 볼 수 있었는데, 녹은 생활에 불편한데 왜 자꾸 생기는지 불만이 생겼다. 그리고 녹이 왜 물이 있는 곳에 자주 생기는지 궁금했다. 우산을 사용한 다음에 보면, 빨갛게 녹이 슬어 있는 게 너무 싫었다. 좀 깨끗이 쓸 수는 없는지도 궁금했다. 그래서 어머니께 녹이 왜 스는지 여쭈어 보았다. 그랬더니 안 쓰는 은수저가 있다고 하시며 보여주셨다. 은수저에 검은 녹이 있었다. 나는 녹이 왜 생기며, 잘 슬지 않게 하려면 어떻게…(생략)

Ⅲ. 탐구를 통해 알아보고 싶은 점

4. 녹이 스는 것을 방지하는 방법

① 준비물

② 실험순서

① 준비물

② 실험순서

③ 실험조건

① 준비물

② 실험순서

① 준비물

② 실험순서

Ⅴ. 탐구내용과 결과 정리

Ⅵ. 탐구를 통하여 알게 된 점과 느낀 점

Ⅶ. 참고문헌정리

실, 식용유, 탈지면, 고무마개 2개
② 실험순서
㈎ 시험관 4개를 준비하여 실험상 편의를 위해 A, B, C, D라 정한다.
㈏ A시험관에 물에 젖은 솜을 넣고, 실에 묶은 못의 뾰족한 부분이 솜에 닿게 매단다. (단, 고무마개는 막지 않는다.)
㈐ B시험관에 물(증류수면 좋다)을 넣고, 식용유를 넣고, 실에 묶은 못의 뾰족한 부분이 물에는 닿고 식용유 층의 위로 나오지 않게 매단 다음 고무마개로 막는다.
㈑ C시험관에 염화칼슘(공기중의 수분을 제거하는 역할을 한다)을 넣고 그 위에 솜을 깐 후 못을 그 위에 놓은 다음 고무마개로 막는다.
㈒ D시험관을 C시험관과 동일하게 장치한 다음 고무마개로 막지 않는다.
③ 실험조건
㈎ 못의 크기와 종류를 같게 한다.
㈏ 방치해 두는 기간을 같게 한다.
㈐ 시험관의 크기를 같게 한다.
㈑ 각 시험관이 갖는 조건
A시험관의 못 : 물과 공기가 모두 접촉한다.
B시험관의 못 : 물만 접촉한다.
C시험관의 못 : 물과 공기 모두 접촉하지 못하게 한다.
D시험관의 못 : 공기만 접촉한다.
다. 녹이 슬지 않은 금속과 녹이 다른 점을 알아보는 실험
① 준비물
비커 2개, 식초, 녹슬지 않은 새 못, 녹슨 못
② 실험순서
㈎ 두 비커에 식초를 넣는다.
㈏ 녹슬지 않은 새 못, 녹슨 못을 비커 두 개에 각각 넣는다.
㈐ 반응을 기록한다.

라. 녹이 스는 것을 방지하는 방법을 알아보는 실험.
① 준비물
못 2개, 알루미늄선, 구리선
② 실험순서
㈎ 두 개의 못에 각각 알루미늄선, 구리선을 촘촘히 감는다.
㈏ ㈎과정을 거친 못을 물이 담긴 비커에 넣고 2일 동안 기다린다.
㈐ 감았던 선을 풀고 못과, 선을 관찰한다.


Ⅴ. 탐구내용과 결과 정리
1. 가 실험의 결과
물에 젖은 스틸울이 녹슬었으며, 집기병에 넣은 촛불은 바로 꺼졌다.
이 실험은 철이 녹이 스는 도중의 공기의 양의 변화를 알아보는 실험이다. 촛불이 꺼진 것으로 보아 철이 녹스는 동안 밀폐된 집기병 안의 공기가 점점 줄어들었다는 것인데, 그 이유는 철의 산화작용이라 할 수 있다. 남은 공기에 석회수를 넣어도 뿌옇게 변하지 않는 다는 것으로 남은 공기 속에 산소가 남아있지 않다는 것을 알 수 있다.
철이 공기 속의 이산화탄소와 수분에 의해서 먼저 탄산철 FeCo3 가 생기고 이것이 수분 과 산소에 의해서 분해되어 빨간 색의 산화철 수화물과 이산화탄소가 되는 반응을 반복하 면서 녹이 슬게 된다.
철의 녹은 수분과 산소, 철이 결합하여 생긴다.

2. 나 실험의 결과
녹이 많이 슨 순서대로 정리하면, A>B>D>C이다. A와 나머지 시험관은 큰 차이가 있었 고, B시험관과 D시험관은 별 차이가 없었으며, C시험관은 약간의 불그스름할 뿐 이였다.
녹이 빨리 슨 순서대로 정리하면, A>B>D>C이다. A시험관의 솜에도 녹의 흔적이 두드러 지게 보여 7시간 이내에 녹이 슬었다고 할 수 있다. C시험관의 경우 녹이 스는데 하루가 걸렸다.
금속에 녹이 슬려면, 수분과 공기가 동시에 필요하다. 특히 공기중에서도 산소이다. 철, 산 소, 물이 결합하면 산화철이 되는 것이다. 그러나 물 속에서는 산화가 일어나지 않는다. 물 과 공기의 경계면에서 가장 반응이 잘 일어난다.
A시험관은 물에 적신 솜과 고무마개를 막지 않아 물과 공기가 모두 접촉되므로 산화철로 변화하는 현상이 쉽게 일어난다.
B시험관은 기름의 아래 있는 물과는 접촉되지만 기름층의 영향으로 기름층의 바깥 공기 와는 단절되어 물 속의 산소만으로 산화를 하므로 조금 느릴 수 있다.
C시험관은 공기 중에 있는 수분을 염화칼슘이 제거하므로 공기만이 접촉하는데, 시험관 안에 있는 산소는 제한적이라 산화철로 바뀌기엔 어렵다.
D시험관은 솜 밑에 넣은 염화칼슘이 시험관으로 들어온 공기 중에 있는 수분을 제거하면 서 시험관에서 못이 수분과 접촉하지 못하게 한다. 산소만으로 산화를 하므로 조금 느릴 수 있다.

3. 다 실험의 결과
이 실험은 철은 산에 작용하여 수소 기체가 발생하여 부글부글 끓는 현상을 이용할 것이 다.
녹슬지 않은 철을 넣은 비커에서는 수소 기체가 발생했고, 산화철을 넣은 비커에서는 아 무런 변화도 일어나지 않았다.
녹이 슨 못은 철로서의 성질을 잃어버려서 산과 반응하지 않은 것이다. 산과의 반응 말고 도 알아보는 방법이 있는데, 그것은 전류를 흘려보내는 것이다.
철은 전기가 통하지만 산화철은 앞서 말했듯이 철의 성질을 잃어버려 전기가 통하지 않게 되는 것이다.

4. 라 실험의 결과
녹이 잘 스는 환경을 장치한 비커에 두 가지의 못을 넣어 두었을 때 알루미늄선으로 감았 던 못은 녹이 거의 슬지 않았다. 구리선으로 감았던 못은 녹슨 정도가 심하였다.
그런데 못을 감았던 알루미늄선은 회백색으로 얇게 녹이 슬어 있었는데 이 회백색의 녹은 공기에 반응성이 큰 알루미늄이 공기에 노출되면 그 표면에 단단하고 투명한 산화알루미늄 이다. 이는 오히려 공기와 물이 스며드는 것을 막아주어 알루미늄 자체의 부식을 막아주는 것이다.
금속의 산화, 환원 반응성을 이용하면, 녹이 스는 것을 방지할 수 있다. 금속의 반응성의 세기는 다음과 같다.
K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Sn > Pb > Cu > Hg > Ag > Au
반응성이 큰 금속일수록 전자를 잃고 산화되기 쉬우며, 반응성이 작은 금속일수록 전자를 얻어 환원되기 쉽다. 이 실험에서는 알루미늄>철>구리 의 순으로 볼 수 있다.
금속의 녹을 방지하려면 알루미늄의 회백색 녹과 비슷한 구조의 치밀한 막, 검은 녹, 페인트 칠, 법랑 또는 다른 금속 도금을 하면 된다.

Ⅵ. 탐구를 통하여 알게 된 점과 느낀 점
녹이란 것도 불편하게만 느껴지지만 나름대로 과학적인 원리로 인해서 생기는 것이고, 알루미늄과 같은 금속은 실생활을 편하게 만들어 주고 있다. 생각해보면, 비행기의 철판도 녹이 없었으면 공기와 반응하여 끓기 때문에 만들 수 없었을 것이다.
무엇보다 도대체 우산과 은수저에는 왜 녹이 생기는 지 알아서 참 기쁘고 자랑스럽다. 좀더 많은 생각을 해서 녹을 방지하는 지혜를 길러야 겠다.
철은 생활에서 없어서는 안 될 정도로 많이 쓰이고 있는데, 철의 가장 큰 단점은 역시 녹이 슬어 오래되면 제 역할을 할 수 없다는 점 일 것이다. 아직 완전한 철의 부식방지 방법은 개발해 내지 못하였지만 언젠가는 철도 알루미늄이나 구리와 같은 조밀한 보호막을 갖게 되리라 생각해본다.

Ⅶ. 참고문헌정리
1. 한국 온라인 브리태니커
http://preview.britannica.co.kr/bol/topic.asp?article_id=b04n0250a
2. 고려대학교 화학과 진정일 교수. 동아일보 96.02.13.
3. 노윤이 http://ns.daejin.or.kr/home/yino/
4. 경상북도교육과학연구원 http://www.ksei.or.kr/