KISTI의 과학향기

우리가 내쉬는 숨에는 기체인 이산화탄소가 들어 있다. 이산화탄소는 무색, 무취의 기체로 동물이 내쉬는 숨이나 물질을 태울 때 발생하는 기체에 들어있다. 식물이 광합성을 할 때 꼭 필요한 기체이기도 하다. 이렇듯 이산화탄소는 지구상에 꼭 필요한 물질이자 항상 존재하는 물질이다. 여러 물질을 섞어 인위적으로 만들어 낼 수도 있다. 재미있는 화학 실험을 통해 이산화탄소를 만들어 풍선을 저절로 부풀게 해 보자.

[교과과정]
초등 3-2 액체와 기체의 부피
초등 5-2 용해와 용액
초등 6-2 여러 가지 기체

[학습주제]
산과 염기의 반응 알아보기
특정 액체의 반응으로 생기는 기체 알아보기
여러 가지 기체의 특성 알아보기

<실험 방법 및 원리>


<실험 동영상>


* 실험 참고사항 : 풍선을 병에 씌울 때 찢어지지 않도록 주의하세요.
실험에 사용한 약품과 용액을 먹거나 마시지 마세요.

실험에서 풍선이 저절로 부풀어 오르는 이유는 산과 염기가 만나 화학반응이 일어났기 때문이다. 식초에는 아세트산()이 들어 있고, 탄산수소나트륨과 만나면 물과 이산화탄소 기체가 발생한다.

반응은 풍선 속 탄산수소나트륨을 식초가 있는 병에 붓자마자, 순식간에 일어난다. 이때 병 속을 관찰하면 하얀 거품들이 끓어오르는 것을 볼 수 있으며 기포가 터지는 소리를 들을 수 있다. 이렇게 두 물질이 반응하며 생긴 이산화탄소는 병을 가득 채우고도 흘러넘쳐 풍선을 저절로 부풀게 한다.

[반응식]
탄산수소나트륨 + 식초(아세트산) = 초산나트륨 + 이산화탄소 + 물
NaHCO₃(고체)+ CH₃COOH(수용액)=CH₃COONa(수용액)+CO₂(기체)+H₂O(액체)

산은 수용액 상태에서 수소 이온(H?)을 내놓고 염기는 수산화 이온(OH?)을 내놓는다. 이 반응에서는 고체 상태였던 탄산수소나트륨이 액체인 식초와 만나면서 녹아 수산화 이온을 내놓는다. 이것이 식초에서 나온 수소 이온과 만나면 물(H₂O)이 된다.

산과 염기가 만나면 일어나는 중화반응의 또 다른 예를 들자면 묽은 염산과 수산화나트륨 용액의 반응이 있다. 이 두 용액을 섞으면 염산의 수소 이온과 수산화나트륨의 수산화 이온이 만나 물이 만들어지고, 나머지 이온들로 소금이 만들어진다. 이렇듯 중화반응은 산과 염기가 만나 기존 자신들의 성질을 잃고 새로운 물질로 변하는 반응이다.

실험에 사용된 탄산수소나트륨은 베이킹파우더의 주성분으로 빵을 만들 때 많이 사용된다. 밀가루 반죽에 베이킹파우더를 첨가하고 오븐에 넣어 구우면 빵이나 쿠키가 봉긋 부풀어 오른다. 탄산수소나트륨에 가열을 해도 이산화탄소가 발생하기 때문이다.

[반응식]
탄산수소나트륨 (가열) → 탄산나트륨 + 이산화탄소 + 물
2NaHCO₃(고체) → Na₂CO₃ + CO₂(기체) + H₂O(액체)

탄산수소나트륨에 열을 가하면 탄산나트륨으로 변하며 이산화탄소와 물이 생긴다. 그 결과 오븐에 넣고 가열한 빵 반죽에는 이산화탄소가 발생하며 점점 부풀어 오르고, 이 이산화탄소가 빠져 나간 자리에는 구멍이 생겨 스펀지처럼 변하게 된다.

탄산수소나트륨은 빵 외에도 사이다를 만들 때 사용할 수 있다. 물에 탄산수소나트륨과 시트르산을 섞으면 사이다처럼 탄산 기포가 순식간에 올라온다. 단, 이 상태로는 단맛이 전혀 나지 않기 때문에 설탕이나 시럽을 첨가해야 사이다가 완성된다.

하지만 사이다나 콜라 등의 탄산음료는 뚜껑을 열어둔 채 오래 방치하면 톡 쏘는 맛이 사라진다. 그 이유는 무엇일까. 탄산음료 속 이산화탄소는 물에 잘 녹는 성질을 갖는다. 특히 압력이 높고 온도가 낮을수록 물에 잘 녹기 때문에 탄산음료를 컵에 따른 후 실온이나 따뜻한 곳에 놓아두면 이산화탄소가 공기 중으로 날아가기 쉽다. 탄산 특유의 톡 쏘는 맛은 시간이 지날수록 공기 중으로 날아가는 것이다.

글 : 유기현 과학칼럼니스트