핫팩은 어떻게 열 낼까? [우리가 몰랐던 과학 이야기] (275)

겨울 외출 때 아무리 껴입어도 춥기만 한데요. 특히 영하의 기온에서는 단 1분도 견디기가 힘들게 느껴집니다. 이럴 땐 밖에 나가지 않는 것이 정답인 것 같은데, 집안에만 있을 수는 없잖아요?

내복, 장갑에 목도리, 패딩으로 ‘중무장’을 해도 춥다면, 핫팩으로 몸의 온도를 올려주세요. 단 몇초 만에 후끈해지는 핫팩은 추운 겨울 우리의 몸을 따뜻하게 해 줄 최고의 아이템이랍니다.

그런데 손바닥만한 작은 핫팩이 어떻게 이런 열을 내는지 궁금하지 않으셨나요?

핫팩은 가루형과 액체형으로 나뉘는데요. 이 두가지 핫팩 속에 들어 있는 따끈따끈한 화학 이야기를 알아보겠습니다.

◆가루형 핫팩의 원리

다양한 종류의 핫팩.

가루형 핫팩은 흔들거나 주무르면 따뜻해지는데요.

이는 바로 철의 산화 반응 덕분입니다. 철은 시간이 지나면 녹이 습니다. 철이 산소와 결합하여 산화철인 녹을 만들기 때문입니다. 이러한 산화 반응이 일어날 때 열이 발생하는데요. 이러한 원리를 이용한 것이 바로 가루형 핫팩입니다.

가루형 핫팩 안에는 쇳가루와 활성탄, 소금, 톱밥, 질석, 소량의 물이 들어 있습니다. 소금과 활성탄은 쇳가루가 산화되는 속도를 빠르게 해주는 촉매제입니다. 질석과 톱밥은 단열재 역할을 합니다. 일반적으로 철의 산화 반응은 매우 천천히 일어나기 때문에 발생하는 열을 잘 느끼지 못합니다. 하지만 촉매 역할을 하는 활성탄과 소금을 섞어주면 쇳가루는 빠르게 산화 반응을 일으켜 열을 발생시킵니다. 그렇기 때문에 몇분 안에 30도에서 70도까지 온도가 올라가게 됩니다.

철의 산화 반응식. 출처=study.zum.com/book/14627

가루형 핫팩의 겉포장지는 비닐로 되어 있고 이를 뜯으면 부직포로 되어 있는 핫팩을 볼 수 있습니다.

핫팩을 잘 흔들면 안에 있는 쇳가루들이 촉매제, 단열재와 고르게 섞이면서 부직포의 구멍을 통해서 산소와 만나게 됩니다. 

가루형 핫팩은 산화 반응이 일어난 뒤에는 재활용할 수 없는 일회용입니다.

산화 반응의 지속시간은 짧으면 8시간 길면 12시간까지 가는 제품도 있습니다.

◆액체형 ‘똑딱이’ 손난로의 원리

‘똑딱이’ 손난로(사진)는 요즘 거의 찾아보기 힘든 제품입니다. 어렸을 때는 많이 사용했는데 추억이 새록새록 떠오르네요. 

장점은 딱딱하게 굳은 손난로를 뜨거운 물에 넣으면 원래 상태로 돌아와 다시 쓸 수 있다는 점입니다.

원리는 액체에서 고체로 바뀌는 과정에서 발생하는 열을 이용한 것입니다.

이 투명한 액체는 바로 아세트산 나트륨 과포화용액입니다. 아세트산 나트륨은 아세트산의 나트륨염으로, 무색의 가루 또는 덩어리입니다. 과포화용액이란 용액이 어떤 온도에서 녹을 수 있는 양 이상으로 물질을 함유하고 있어 물질이 완전히 녹아 있지 않은 용액을 가리킵니다.

이러한 용액은 매우 불안정한 상태인데요. 과포화 상태의 용액은 작은 충격에도 쉽게 그 상태가 깨지면서 고체로 변합니다. 액체에서 고체로 바뀌는 과정에서 에너지가 방출되면서 열이 발생합니다. 

그래서 똑딱이 손난로에 들어 있는 버튼을 똑딱 누르게 되면 하얗게 굳으면서 열이 발생합니다.

똑딱이 손난로는 재사용할 수 있는데요. 모든 열을 방출하고 고체가 된 아세트산나트륨을 뜨거운 물에 넣고 가열하면 다시 과포화용액으로 바뀌면서 처음처럼 투명한 액체로 변합니다.

우리의 겨울을 더욱 따뜻하게 해주는 핫팩 속에 이런 화학 원리가 숨겨져 있었습니다.

참고로 핫팩은 장시간 몸에 붙이고 있으면 저온 화상을 입을 수 있다고 하니 주의해서 쓰면 더욱 좋을 것 같아요. 이제 한파가 와도 외출 걱정은 없겠죠?

한화솔루션 블로거