핫팩이 뜨거워지는 원리는 뭘까?
핫팩은 겨울이 되면 주머니에 하나씩 넣고 다니며 추운 날씨를 이겨내도록 도와주는데요. 부직포 주머니에 가루에 들어있는 형태로 밀봉된 핫팩을 뜯으면 열을 발산합니다. 이때 핫팩을 흔들면 더 빨리 뜨거워지는데 이 원리는 뭘까요?
활성탄이란?
활성탄의 주성분은 탄소이며, 표면 흡착을 잘 시키기 위해 비표면적이 크도록 가공된 탄소로 악취 제거, 배출가스나 배출수에서 독성물질 제거 등의 목적으로 사용되는 고성능 흡착제입니다. 또 다른 용도로는 폐수처리 시, 폐수 중에 함유된 용존 유기물질을 제거하거나 자동차의 기화 제어 장치에 사용되고 있습니다. 활성탄 원료의 종류에는 목재, 톱밥, 야자열매껍질, 리그닌, 소의 뼈, 혈액, 이탄, 갈탄, 토탄, 활성화 석탄 등을 들 수 있으며 제법은 원료를 탄화한 후 활성화해 정제합니다. 제품의 형태에서 분말 활성탄과 입자 활성탄으로 구분되어 있는데요. 입자로 된 활성탄을 입자탄이라 부르고 가늘게 부서진 활성탄을 파쇄탄이라 합니다.
활성탄의 흡착은 물리적 흡착과 화학적 흡착으로 구분되며 물리적 흡착은 흡착력이 약하고, 비표면적 크기에 달려있습니다. 이러한 내부 표면적이 흡착이 이루어지는 동안 외부 표면적은 단지 2차적인 역할을 할 뿐입니다. 활성탄의 세공은 복잡한 세공 구조 모식도에 대한 내부 표면적을 이루고 있는 모세관을 가지고 있습니다.
산화•환원 반응이란?
산화·환원 반응은 원자의 산화수가 달라지는 화학 반응입니다. 산화·환원 반응은 화학종 사이의 실제 또는 형식적인 전자 이동을 특징으로 하며, 환원제는 산화(전자 손실)를 겪고 산화제는 환원(전자 획득)을 겪으며 전자가 제거된 화학종은 산화된 화학종이라고 하고 전자가 추가된 화학종은 환원된 화학종이라고 합니다. 쉽게 말하자면 산화는 분자, 원자 또는 이온이 산소를 얻거나 수소 또는 전자를 잃는 것이며 환원은 분자, 원자 또는 이온이 산소를 잃거나 수소 또는 전자를 얻는 것을 말합니다.
많은 유기 화학에서의 반응은 산화 상태의 변화로 인한 산화 환원 반응이지만 뚜렷한 전자 이동이 없습니다. 예를 들어, 산소 분자로 나무를 연소시키는 동안 나무에 있는 탄소 원자의 산화 상태는 증가하고 산소 원자의 산화 상태는 이산화탄소와 물이 형성됨에 따라 감소합니다. 산소 원자는 환원되어 전자를 얻고 탄소 원자는 산화되어 전자를 잃는데 이 반응에서 산소는 산화제이고 탄소는 환원제라고 합니다. 산화·환원 반응은 녹 형성에서와 같이 상대적으로 느리게 또는 연료 연소의 경우에서와 같이 훨씬 더 빠르게 발생할 수 있습니다. 탄소를 산화시켜 이산화탄소를 생성하거나 탄소를 수소에 의해 환원시켜 메탄을 생성하는 것과 같은 간단한 산화·환원 과정과 인체에서 포도당의 산화와 같은 복잡한 과정이 있습니다.
핫팩이 뜨거워지는 원리
핫팩의 부직포 주머니 안에는 철 가루, 활성탄, 소금, 톱밥, 질석 등이 들어있습니다. 이 가운데 철 가루가 공기와 접촉하면 산화 반응을 일으켜 열을 발산합니다. 이 현상은 쇠에 녹이 스는 경우와 같은데요. 다만 녹이 스는 것은 오랜 시간에 걸쳐 천천히 반응하므로 뜨거워지는 것을 느낄 수는 없습니다. 핫팩은 철 가루가 단기간에 녹이 슬도록 한 것입니다. 소금과 활성탄이 반응 촉진 물질로 작용하며 부직포 주머니에 뚫린 미세한 구멍을 통해 철 가루가 공기와 잘 닿을 수 있도록 한 것입니다. 톱밥과 질석 역시 발생한 열을 오랜 시간 유지시켜 주는 단열재 역할을 합니다.
흔드는 핫팩이 나오기 전에는 똑딱이 손난로가 있었는데요. 똑딱이 손난로는 액체형으로 아세트산 나트륨을 사용합니다. 주머니 안에 있는 겔 상태의 투명한 물질이 바로 아세트산 나트륨이며 이 물질은 열을 잡아두는 성질이 강합니다. 상온에서 고체이지만 열을 가하면 액체로 변하고 가열된 에너지를 품고 있는 겔 상태로 유지됩니다. 이 액상의 물질에 충격을 가하면 품고 있던 잠열을 방출하면서 다시 고체 상태로 돌아갑니다. 주머니 안에 같이 들어있는 똑딱이 금속 단추가 이러한 현상을 촉발시킵니다.
이렇게 핫팩이 뜨거워지는 원리에 대해서 알아봤는데요. 뜨거운 핫팩은 맨살에 대서 사용하시지 말고 항상 옷 위로 사용하셔서 화상에도 주의하시길 바랍니다.
출처:네이버 블로그 국가과학기술연구회
