주머니 속 일회용 난로의 비밀

[거시기]

몹시도 추웠던 예전에는 조금이라도 체온을 높이기 위해 뜨거운 물주머니가 애용품이었으며, 작은 손전등을 켜 주머니 속에 넣고 다니던 사람도 있었다. 이처럼 주머니 속 난로도 여러 형태로 변해왔다. 세월이 지나 핵융합 기술이 극도로 발전해서, 주머니 속에 조그만 핵융합 난로를 넣고 다니면 겨울에도 외투가 필요 없으리라는 허황된 생각도 해본다.

그런데 요즘 사용하는 시커먼 가루가 담긴 일회용 주머니 난로는 무엇일까? 철가루가 주성분이라면 누구나 놀랄 것이다. 철가루가 어떻게 난로 노릇을 할까? 또 겉봉지 안에 들어 있는 속봉지는 무슨 역할을 할까? 답은 아주 간단하다. 주머니의 주성문은 고운 철가루다. 이 철가루가 서서히 공기와 반응해 산화철이 된다. 이처럼 산소와 반응하는 것을 산화반응이라고 하며, 산화반응이 빨리 일어나 불꽃이 생기면 탄다고 말한다. 못이 공기 중에 노출되면 서서히 녹이 슨다. 이 변화도 산화반응이지만 속도가 매우 느려 열을 느끼지 못한다.

그러나 주머니 난로에 사용하는 철가루는 너무나 미세해서 그 표면적이 매우 넓으므로 공기와 쉽게 접촉해 공기와의 산화반응이 빨라지며 이때 열이 난다. 그래도 탈 정도로 열이 나지는 않는다. 주머니 난로 속에 들어 있는 고운 철가루를 순수한 산소 속에 넣으면 매우 빨리 산화되어 급속히 열이 난 뒤 식지만, 시판되고 있는 제품들은 흔히 12시간 정도 계속 열을 내도록 몇 가지 다른 성분을 섞어놓았다. 예를 들면 활성탄 가루, 소금, 수분 등이다.

그런데 왜 플라스틱 봉지 속에 봉지를 하나 더 만들어 그 속에 철가루 혼합물을 넣어 팔까? 철가루와 공기가 미리 섞여 있다면 밀봉하더라도 자기들끼리 반응해 철가루는 산화철로 변할 것이며, 결국 이 철가루 혼합물은 상품가치가 없어질 것이다. 제품을 운반할 때 뜨끈뜨끈해지면서 모두 산화철이 되어버린다면 큰일이 아니겠는가. 그래서 바깥 플라스틱은 공기가 잘 투과되지 않는 재료로 만들어 공기가 속봉지에 접근하는 것을 막아준다. 따라서 사용할 때는 바깥포장 봉투를 열고 속봉지만 주머니에 넣으면 된다. 내용물은 공기가 쉽게 통할 수 있는 재료로 만든다. 그러므로 바깥 플라스틱 포장지를 열어 속봉지를 꺼내면, 공기가 봉지 속으로 투과해 들어가 철가루와 섞이면서 산화반응을 하며 열이 나게 된다.

그런데 왜 이 주머니는 재생하지 않고 1회만 사용할까? 이 주머니 난로가 역할을 끝내도 그 난로 속에는 산화철이 들어 있기 때문에 이를 다시 철가루가 되도록 환원시키면 원래 상태가 되어 다시 사용할 수 있다. 문제는 경제성이다. 이 산화철을 대량으로 수거해 커다란 공장을 만들 수 있다면 얘기는 달라지겠지만 말이다.

출처 : 진정일의 「교실 밖 화학이야기」중 주머니 속 일회용 난로의 비밀