이번호에서는 초등학생들이 과학시간에 배운 원리를 환경교육에 적용할 수 있는 방안에 대해 살펴보고자 한다. 본론으로 들어가기에 앞서 아래 문제를 한 번 살펴보자.

문제 : 일본의 원숭이들은 흙 속에 떨어진 낱알을 주워 먹기 위해 어떻게 할까요? 원숭이들이 흙에 떨어진 낱알을 그대로 주워 먹으면 흙까지 함께 먹게 될 텐데, 여러분이 일본의 원숭이라면 어떻게 낱알만 골라서 먹겠나요?
정답 : 원숭이들은 얕은 물웅덩이에 흙과 함께 주운 낱알들을 떨어뜨린 뒤, 낱알이 물웅덩이 바닥에 가라앉기 전에 빨리 다시 주워 먹는다. 이것은 흙보다 가벼운 낱알들이 물속에서 흙보다 천천히 가라앉는 성질을 이용해 낱알과 흙을 분리하는 것이다.

이 과정에서 배울 수 있는 과학 원리가 바로 다음과 같은 혼합물의 원리이다.

- 혼합물이란?
자연계에 존재하는 물질이나, 인공적으로 만들어진 물질 가운데에는 두 종류 이상의 순수한 물질이 본래의 성질을 잃지 않고 단지 섞여만 있는 물질들이 있다. 이와 같은 물질을 혼합물이라고 한다.
-  혼합물의 분리
1. 밀도 차에 의한 혼합물의 분리
서로 섞이지 않는 두 액체의 밀도가 다른 경우에는 그 차를 이용하여 액체 혼합물을 분리할 수 있다. (예 : 물과 식용유, 물과 벤젠)
2. 용해도 차에 의한 혼합물의 분리
(가) 거름 : 어떤 용매에 잘 녹는 물질과 녹지 않는 물질이 섞인 혼합물을 용매에 녹인 후 거름종이를 통과시켜 분리하는 방법 (예 : 소금과 모래)
(나) 분별 결정 : 온도에 따른 용해도 차이가 큰 두 고체 혼합물을 높은 온도의 물에 녹인 다음 냉각시킬 때 석출되어 나오는 결정을 걸러서 분리하는 방법 (예 : 염화나트륨과 질산칼륨)
(다) 용해도 차이가 큰 기체 혼합물의 분리 : 물에 잘 녹는 기체와 잘 녹지 않는 기체가 섞여 있을 때 이 혼합 기체를 물에 통과시켜 물에 녹는 기체와 녹지 않는 기체로 분리한다.
(예 : 암모니아와 공기 혼합물)
(라) 추출 : 고체나 액체 혼합물에서 특정한 한 성분만 녹이는 용매를 사용하여 물질을 분리하는 방법 (예 : 덜 익은 감을 소금물에 담가 놓으면 떫은맛이 없어짐)
3. 끓는점 차에 의한 혼합물의 분리
(가) 증류: 고체가 녹아 있는 용액을 가열할 때 그 액체의 끓는점에서 나오는 기체를 냉각시켜 순수한 액체를 얻는 방법. (예 : 바닷물로 식수를 만들기)
(나) 분별증류: 서로 잘 섞이는 액체 혼합물을 끓는점 차이에 의해 끓어 나오는 순서대로 나누어 모아서 분리하는 방법. (예 : 물과 메탄올)
(다) 끓는점 차를 이용한 기체 혼합물의 분리: 성분 기체들이 모두 물에 녹지 않는 기체 혼합물을 분리할 때, 끓는점의 차이가 큰 기체 혼합물을 냉각시키면, 끓는점이 높은 쪽의 기체 성분이 먼저 액체가 되어 분리된다. 또, 끓는점의 차이가 작은 기체 혼합물은 전부 냉각시켜 액체로 만들었다가 분별증류하는 방법. (예 : 공기 중의 질소와 산소, 원유를 높은 증류탑을 이용하여 끓는점이 낮은 프로판부터 끓는점이 높은 아스팔트 찌꺼기까지 순차적으로 분리)
4. 크로마토그래피에 의한 혼합물의 분리
혼합물을 용매에 녹였을 때 혼합물을 이루고 있는 여러 가지 성분 물질이 용매를 따라 이동하는 속도 차이를 이용한 방법. (예 : 색소의 분리, 혈액의 성분 검사)
이러한 혼합물에 대한 원리를 다룰 때 그 원리와 내용만을 생각하는 것은 좋지 않다. 이러한 원리를 적용하는 여러 사례, 특히 생활에서 이용하는 다양한 혼합물의 분리 방법을 살펴봄으로써 더 많은 것을 가르칠 수 있다.

물질의 밀도와 크기의 차이를 이용한 석발기, 키, 체
우선 물질의 밀도 차와 크기에 따른 분리가 있다. 곡물에서 돌과 모래를 걸러내는 기구를 살펴보자. 송풍기로 바람을 일으켜 곡물에 섞여 있는 돌멩이를 걸러내는 석발기, 곡식을 담아 흔들어 무게가 무거운 돌멩이만 뒤에 남게 하는 키, 크기 차이를 이용해 큰 콩은 남기고 작은 모래만 걸러내는 체 등은 밀도와 크기 차이를 이용해 혼합물을 분리해내는 도구이다.

도핑테스트와 기름제거에도 활용
도핑테스트와 바다에 유출된 기름 제거에도 이러한 혼합물의 분리 방법이 활용된다.
올림픽과 같은 운동 경기에서 선수들이 일시적으로 강한 힘을 발휘하여 좋은 기록을 내기 위해 경기를 시작하기 전에 금지된 약물을 복용하는 일이 있어 문제가 되는 경우가 있다. 이런 일을 방지하기 위해 도핑컨트롤센터를 운영한다. 도핑컨트롤센터는 경기를 마친 선수들의 혈액이나 소변을 채취한 후 크로마토그래피 등의 여러 가지 분리의 원리를 이용한 특수한 약품과 장치로 약물을 분석해낸다.
이러한 도핑테스트는 주어진 양의 약 10억 분의 1정도에 해당하는 미량의 성분까지 알아낼 수 있으며, 금지된 약물 복용이 밝혀질 경우 경기의 기록이나 우승이 취소된다. 우리나라는 1987년 IOC의 공인을 받아 세계에서 15번째로 한국과학기술원에 도핑컨트롤센터가 설치되었으며, 1988년 서울올림픽을 통해 그 우수성을 인정받았다.
바다에 유출되어 심각한 환경오염을 일으키는 기름을 제거할 때도 이러한 방법이 활용된다. 바다에 유출된 기름을 제거하는 데 많이 사용되는 방법은 유화제를 뿌리는 것이다. 손이나 그릇에 묻은 기름을 제거할 때 비누나 세제를 사용하듯이 유화제도 이들과 비슷한 성분으로 기름을 잘게 부수어 녹이는 작용을 한다. 잘게 부수어진 기름 알갱이들은 물 속에서 기름을 분해하는 박테리아에 의해 소멸된다.
또, 기름의 오염 확산을 막기 위해 오일펜스를 친 뒤, 스키머를 이용해 기름을 제거한다. 유화제를 뿌리는 방법 대신 기름을 흡수하여 제거할 수도 있는데, 이 경우에는 흡수된 기름을 다시 회수해 사용할 수 있다는 장점이 있다. 특히, 닭털이나 오리털의 경우 자기 무게 10배 정도의 기름을 흡수한다.

사례 1 우리 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있는 여러 사례들
이러한 사례뿐만 아니라 우리의 아주 가까운 주변에서도 혼합물의 분리가 이용되는 장치가 많이 있다. 싱크대 거름망, 차 거름망, 방충망, 정수기, 한약 짜는 보자기 등 생활 도구가 그러하며, 염전이나 암염광산에서 소금을 얻을 때, 강에서 사금을 채취할 때도 혼합물 분리의 원리가 활용된다.
이러한 원리를 응용한 재밌는 발명품도 있다. 그 중 하나로 분리의 원리를 이용한 국자가 있다.
우선 ‘물과 기름 분리용 국자’는 탕(湯)류 음식을 조리할 때 국물과 기름을 분리시킬 수 있도록 한 것이다. 내용물을 담을 수 있는 국자용기에 기다란 손잡이가 달려 있는 보통 국자의 측면 하단부에 국물을 배출할 수 있도록 적당한 길이의 배출관을 만든 것이다. 국자를 측면으로 기울여 배출관으로 탕국물을 분리· 배출하고 마지막에 남은 기름은 별도로 제거할 수 있도록 하는 간단한 구성으로 제작이 간편함에도, 국자의 기울기를 조절해 탕국물에서 기름만을 분리시켜 음식의 맛과 향을 증대시킬 수 있는 유용한 발명품이다.
‘라면과 국물을 따로 분리하는 국자’도 유용하다. 라면을 그릇에 덜어 먹을 때, 보통 국자를 이용하면 국물은 잘 덜어지지만 면발은 잘 덜어지지 않는다. 그래서 라면을 뜨기 위해 몇 번이고 반복하는 경우가 종종 있다. 그래서 이런 불편함을 없애기 위해 국자 아래쪽에 구멍을 만들어 국물이 빠져나가게 함으로써, 면발만 떠서 먹을 수 있다

사례 2 황사 대비 용품에 적용한 사례
황사에 대비한 용품도 생각해볼 수 있다. 우선 학생이 발명한 황사대비 얼굴보호 마스크를 살펴보자. 모자(썬캡류)의 헤어밴드 안쪽 부분에 시야가 확보될 수 있는 투명한 비닐 천을 덧대고 코와 입부분에 황사 방지용 마스크가 부착된 통기성이 좋고 질감이 부드러운 천으로 만든 얼굴 보호막을 부착시키고 귀에 걸 수 있는 귀걸이를 만들어 필요시에 얼굴에 착용할 수 있도록 하여 눈, 코, 입, 목을 황사로부터 보호할 수 있고 필요 없을 때는 모자창의 안쪽에 집어넣어 보관할 수 있도록 고안된 작품이다.
이 문제에 대한 다른 아이디어로 코필터도 있다. 코에 끼워진 상태에서 코를 통해 체내로 유입된 유해한 먼지를 차단하고 착용을 간편하게 할 수 있도록 했다. 은철망 필터 수용체를 지닌 필터봉으로 방진, 살균, 음이온 방출 기능을 고루 가지고 있다.
이 외에도 보성고등학교 학생이 아이디어를 내고 만든 사례가 있다. ‘책가방 속 방독면’이 그것이다. 방독면을 휴대성이 우수한 가방과 결합해 방독면의 휴대성을 강화한 제품이다. ① 투시창 ② 정화통 ③ 주머니 접착부분을 만들어 방독면을 학생들이 휴대할 수 있게 고안한 발명품이다. 항상 휴대할 수 있어 유사시에 활용하기 좋다. 이 발명품은 학생이 대구지하철참사를 보고 만든 것으로 많은 사람들이 화재시 유독 가스로 인해 사망하는 사례를 보고 만든 아이디어이다.

또한 학생이 만든 ‘초간편 계란분리기’도 있다. 초간편 계란분리기는 계란의 노른자와 흰자를 분리하는 기능을 가졌으며 계란분리기의 틀을 적절히 크게 하고 서랍식 그릇을 장착함으로써 한 번에 많은 양의 계란을 분리할 수 있다. 계란 투입구에 덮개를 설치하고 분리판과 그릇을 탈착이 가능하게 함으로써 위생적으로 사용할 수 있다.
또한 쌀이 흘러내리지 않는 쌀바가지도 있다. 이 발명품은 쌀바가지에 물 빠짐 장치를 부착해 쌀이 흘러내리지도 않고 물만 뺄 수 있도록 해, 쌀을 허비하는 것을 방지하고 쉽게 씻을 수 있다. 또한 사용 방법이 간단하여 손쉽게 사용할 수 있으며 만드는 비용이 적어서 경제적이기도 하다. 바가지 앞쪽이 망사처럼 처리되어 그곳으로 물이 빠지고 쌀은 남는다. 매일매일 귀찮게 여겼던 고민을 한순간에 해결할 수 있다.
이러한 아이디어와 사례를 바탕으로 학생들에게 환경 보호를 위한 문제를 내보자!

문제 : 머리를 감을 때마다 가족들의 수많은 머리카락이 배수관을 막아서 잘 내려가지 않습니다. 세면대를 분리하면서 청소해 보면 머리카락과 더러운 찌꺼기가 엉켜서 배수관을 막고 있으며, 악취가 너무 심해 머리가 아프기도 합니다. 어떻게 하면 배수관이 막히지 않고 누구나 청소하기 쉽게 잘 분리될 수 있을까요? 혼합물을 분리하는 여러 가지 방법을 생각하며 해결책을 제시해 보세요.

이러한 오물을 처리할 수 있는 방법에는 여러 가지가 있을 수 있다. 다음은 필자가 재직중인 보성고의 권민재 학생이 제출한 아이디어다.

청소하기 쉬운 세면기 배수관 (보성고 권민재 학생)
- 큰 배수관으로 이물질이 가지 않고 악취 제거로 아주 위생적이며 수질 오염을 방지할 수 있다. 거름망을 서랍 형식으로 뺐다 꼈다 할 수 있어 간단히 제거, 탈부착이 용이하며 누구나 손쉽게 처리할 수 있다. 배수관 중간에 이물질 거름망이 있어 사전에 차단하여 물 소통이 원활하다.

이 외에도 이 문제를 해결하기 위한 다양한 아이디어가 있을 수 있을 것이다. 이렇듯 사례를 통한 교육은 학생들로 하여금 배운 과학적 지식을 좀 더 체계적으로 정리하도록 도와줄 뿐 아니라, 다양한 아이디어를 만들어내는 과정을 통해 창의성도 길러준다. 환경교육, 멀지 않은 곳에 있다. 우리가 가르치는 과목과 환경을 잘 이용하면 새로운 환경교육으로 태어날 수 있다.