엄마랑 함께 시원한 ‘드라이아이스 놀이’

찜통더위를 잊기 위해 아이스크림 가게 출입이 잦아지는 요즘이지만, 포장할 때 아이스크림이 녹지 않도록 넣어주는 드라이아이스에는 눈길 한번 주지 않는다. 하지만 드라이아이스는 지난 1946년 11월13일 미국 뉴욕 상공에 1.5㎏이 뿌려져 인간의 힘으로 비를 내리게 하는 역사를 만들어냈다. 또 황우석 서울대 교수가 김윤범 미국 시카고의대 교수로부터 장기이식용 무균돼지의 체세포를 기증받아 국내로 들여오는 데도 드라이아이스는 요긴하게 쓰였다. 이처럼 거창한 연구성과는 아니지만 약간의 드라이아이스만 있으면 여름을 시원하게 날 수 있는 재미난 과학실험이 무궁무진하다.

1. 드라이아이스 연기가 모락모락

드라이아이스는 기체 상태의 이산화탄소를 압축·냉각시켜 고체로 만든 이른바 ‘이산화탄소 덩어리’다. 드라이아이스를 상온에 두면 하얀 연기가 피어오르는데, 이 연기를 이산화탄소 기체로 생각하기 쉽다.

하지만 이산화탄소는 무색 무취의 기체여서 눈에 보이지 않는다. 연기의 정체는 무엇일까.

적당한 크기의 주방용기와 물, 식용유, 세제를 준비하자.

우선 물이 들어 있는 용기에 드라이아이스를 넣으면 부글부글 소리와 함께 하얀 연기가 발생한다. 여기에 세제 몇 방울을 떨어뜨리면 연기로 가득 찬 비누거품이 솟아올라 점점 커지다가 터지면서 하얀 연기를 내품는다. 반면 식용유가 들어 있는 용기에 드라이아이스를 넣으면 뽀글뽀글 소리와 투명한 기름거품만 생길 뿐 연기는 피어오르지 않는다.

이를 통해 연기는 드라이아이스가 고체에서 기체로 승화하는 과정에서 주변의 열을 흡수, 공기 중의 수증기가 응결돼 만들어지는 작은 물방울 또는 미세한 얼음 입자라는 사실을 확인할 수 있다. 물방울이나 얼음 입자가 주위에서 열을 흡수하면 다시 사라지게 되는 것이다.

2.환상적인 비눗방울이 보글보글

이번에는 김치통처럼 속이 깊은 그릇, 세제, 빨대를 준비해보자.

드라이아이스가 승화하도록 1∼2분 동안 놓아두면 그릇 바닥에 이산화탄소가 모이게 된다. 이 때 빨대에 비눗물을 묻혀 비눗방울을 만든 뒤 그릇 안으로 떨어뜨린다. 떨어진 비눗방울은 드라이아이스 위에서 둥둥 떠다니며 어떤 것은 얼어버리기도 한다. 특히 비눗방울은 그릇 아래로 가라앉으면서 점점 크기가 커지고 색깔도 다양하게 변하는 모습을 관찰할 수 있다.

이산화탄소는 공기보다 밀도가 크다. 때문에 그릇 안의 이산화탄소 층은 공기를 위로 밀어올리고 바닥에 가라앉는다. 여기에 공기가 들어 있는 비눗방울을 넣으면 밀도차에 의해 가라앉지 않고 떠다니는 것이다.

또 비눗방울의 안팎은 이산화탄소의 농도가 달라 이산화탄소는 균형을 이루기 위해 이동하게 된다. 즉 이산화탄소가 농도가 진한 비눗방울 밖에서 농도가 묽은 비눗방울 안으로 확산하면서 비눗방울의 크기가 커진다. 아울러 비눗방울의 색깔은 마치 물 위의 떠있는 기름 막처럼 다양하게 나타난다. 막의 안팎 표면에서 반사된 빛들의 간섭에 의해 일어나는 현상인데 막의 두께가 달라지면서 바뀌게 되는 것이다.

3.페트병 자동차가 부릉부릉

드라이아이스가 승화하면 부피가 750배까지 팽창한다는 사실을 이용한 실험도 해볼 수 있다.

먼저 페트병 중간 부분에 1㎝ 크기로 ‘⊂’자 모양의 칼집을 내 바깥쪽으로 꺾는다. 꺾인 부분에 작은 구멍이 생길 수 있도록 테이프로 붙이고 페트병 입구에 실을 묶는다.

이어 페트병에 잘게 부순 드라이아이스와 약간의 물을 넣고 병뚜껑을 닫은 뒤 실을 잡고 있으면 페트병에서 하얀 연기가 구멍을 통해 뿜어져 나오면서 빙글빙글 돈다.

즉 드라이아이스 기체가 증기기관차의 증기처럼 페트병을 움직이게 만드는 것이다.

이는 바퀴가 달린 의자에 앉아 앞으로 힘껏 공을 던지면 몸은 뒤로 밀려나는 원리와 같다. 때문에 드라이아이스를 밀폐용기에 담아두는 것은 위험할 수 있다.

4.숟가락 알람시계가 따르릉

드라이아이스 조각에 금속 숟가락이나 금속 포크를 올려 놓으면 알람시계처럼 찌르릉거리는 소리가 난다. 그러나 플라스틱 숟가락이나 나무 젓가락을 올려 놓으면 아무 소리도 나지 않는다.

이는 금속과 비금속의 열전도 차이 때문에 빚어지는 현상이다. 드라이아이스의 온도는 영하 78도로 실온에 있던 숟가락과의 온도차가 무려 약 100도나 된다.

금속의 경우 빠른 열전도로 인해 드라이아이스가 승화하면서 순간적으로 금속 숟가락을 들어올리고 드라이아이스와 숟가락의 벌어진 틈으로 기체가 빠져나가게 된다. 드라이아이스와 금속 숟가락은 이같은 움직임을 빠른 속도로 반복하면서 부딪히기 때문에 알람시계와 같은 소리를 내는 것이다.

김연숙 인천 부평고 과학교사