손난로는 어떻게 스스로 따뜻해질까?

찬바람이 불면 자연스럽게 손이 주머니 안으로 들어가기 마련입니다.이맘때의 필수 아이템으로 떠오르는 것이 있는데요. 바로 주머니 안을 따뜻하게 만들어주는 손난로죠. 손난로에는 크게 두 종류가 있는데요. 흔들어서 발열하는 고체형 손난로와 안쪽에 조그마한 쇳덩이를 꺾으면 발열하는 액체형 손난로가 있어요.

이 두 종류의 손난로는 서로 다른 원리로 발열하는데요. 오늘은 겨울철 우리의 따뜻한 손을 책임지는 손난로의 원리에 대해 이야기해볼게요!

Q. 고체형 손난로의 원리

먼저 고체형 손난로의 원리에 대해 알아볼까요?

고체형 손난로 안에는 철가루, 소금, 활성탄, 톱밥, 질석, 소량의 물 등이 들어있어요. 여러 가지 손난로 내용물 중에 철이 열을 내는데 중요한 역할을 하는데요. 철은 산소와 결합하면 산화철이 되어 녹이 슬게 된답니다. 바로 이 녹이 스는 과정에서 열이 나는 것이죠. 하지만 평범하게 녹이 스는 과정에서 이 열을 느끼기는 매우 어렵습니다. 그래서 반응이 빠르게 일어나도록 손난로 안에는 적당한 크기의 고운 철가루를 넣게 되는 것이죠.

철가루는 손난로 안에서 산화되어 몇 분 내에 30℃~60℃까지 온도를 올릴 수 있게 됩니다. 소금과 활성탄도 반응이 빨리 일어나는 것을 돕기 위해 손난로 안에 넣는 것이랍니다.

그렇다면 손난로를 뜯지도 않았는데 화학 반응이 일어나 발열이 되면 어떡하나 걱정하는 분들 계실텐데요.물과 산소가 없으면 철은 녹이 슬지 않아요. 때문에 손난로의 봉지를 뜯어 산소와 접촉해야 산화가 시작된답니다. 철이 전부 산화되면 반응이 멈추게 되고 손난로는 다시 사용할 수 없습니다. 고체형 손난로가 재활용이 되지 않는 이유에요.

액체형 손난로 / 이미지 출처 : 위키피디아

Q. 액체형 손난로의 원리

고체형 손난로와 달리 액체형 손난로는 재활용이 가능한데요. 바로 *겔 상태의 투명한 물질인 아세트산나트륨 과포화 용액 덕분이랍니다. 과포화 용액은 어떤 온도에서 용매에 녹을 수 있는 것보다 더 많은 용질이 녹아 있는 용액을 말해요. 높은 온도에서 용질을 녹인 후 천천히 식혀서 만드는 것이죠. 이렇게 되면 고체상태는 되지 않으나 투명하고 균일한 *겔 상태가 되는 것이죠. 액체형 손난로를 만졌을 때 끈적한 상태의 용액이라는 느낌이 드는 것은 바로 이 때문이에요.

*겔 : 콜로이드 용액(졸)이 일정한 농도 이상으로 진해져서 튼튼한 그물조직이 형성되어 굳어진 것 [출처 : 두산백과]

액체형 손난로 안에 있는 금속판을 꺾으면 액체가 굳어지며 열이 나기 시작하는 것을 경험 해보셨을텐데요. 이는 금속판이 꺾일 때 발생하는 에너지가 주위의 아세트산 나트륨에 전달되어 이들의 불안정한 상태가 깨지는 것이랍니다. 이 에너지로 인해 아세트산나트륨의 결정화가 연쇄적으로 일어나게 되고 순식간에 용액 전체가 고체로 바뀌게 되는 것이죠. 바로 이 때 열이 방출되며 손난로의 역할을 하는 것이에요.

모든 아세트산나트륨이 고체화되면 열은 서서히 사그라들고 단단해진 손난로가 남게 되는데요.뜨거운 물에 손난로를 넣으면 다시 단단해졌던 아세트산나트륨은 용액으로 돌아가게 되고 봉지가 찢어지지 않는 이상 계속 손난로를 사용할 수 있게 됩니다. 재활용이 가능한 장점이 있지만 지속시간은 고체형 손난로보다 짧다는 단점이 있답니다.

오늘은 일상에서 화학 반응을 가장 잘 이용했다고 평가 받는 손난로에 대해 알아보았는데요. 손난로에 녹아 든 화학 원리에 대해 생각하며 사용하는 것도 재미있지 않을까요? 손난로와 함께 따뜻한 겨울되세요. ^^