드라이 아이스 이용하여 페트병(탄산수병) 내부 압력 증가시키기
<반드시 잘 읽어보고 안전에 주의해서 실험하세요. 페트병은 생수병으로 하면 안되고 탄산수병으로 해야 합니다.>
드라이아이스를 페트병에 넣으면 드라이아이스가 기체로 변하면서 페트병 내부압력이 증가하게 된다. 인터넷에 보면 드라이아이스를 넣은 페트병을 뜨거운 물에 넣어 폭발하게 하는 영상도 있다. 상당히 위험하다.
얼마전에 드라이아이스를 물이 가득 든 페트병에 넣었다가 급격한 압력 증가로 위험을 초래한 적이 있었다.
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그래서 이번에는 위험하지 않게 계산을 정확하게 해서 실험해 보았다.
500mL짜리 페트병의 내부기압을 5-6기압 증가시킨다면 페트병이 터지거나 하지는 않는다. 이론상으로 탄산수병의 경우 15기압 정도까지 버티는 것으로 알려져 있다.
이번 실험에서는 5-6기압 정도만 증가시키는 걸로 실험을 설계 했다.
이산화탄소 분자량 44g 이 1mol 이니까. 44g이 모두 이산화탄소 기체로 바뀌면 22.4L로 증가할 것이다.
이산화탄소 0.1mol 을 넣으면 2.24L 정도 증가할테고
0.5L페트병에 들어있던 공기까지 합쳐지면 페트병 내부 압력은 약 5-6기압 정도로 증가할 것이다. 더이상 압력이 증가하지 않으니 위험하지는 않다.
그래서 페트병에 1mL 주사기 끝을 막아서 넣고, 전자저울 0점을 맞춘 다음, 드라이 아이스 약 4.4g 0.1mol 을 집어 넣고 뚜껑을 닫았다.
(주사기는 이전 실험에서도 살펴본 것처럼 내부 압력이 얼마나 증가했는지 확인하는 용도다. 페트병 안에 물이 들어 있으면 남은 공간 부피가 달라진다. 반드시 물이 들어있지 않은 빈 페트병을 사용해야 한다.)
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이론을 정확하게 알면 위험하지 않다.
예상한대로 끝을 막은 주사기 부피가 1/5에서 1/6 정도로 감소했다. 보일의 법칙에 의해 5,6기압 정도 증가했다는 것을 알 수 있었다.
정확한 양을 계산해서 실험하니까, 페트병이 터질까봐 걱정하지 않아도 되서 좋다.
https://www.youtube.com/watch?v=CToU7NLP_bg
<추가실험 - 탄산수 만들기 - 아래 처럼 정확하게 실험하길 추천한다. >
물을 절반(250mL)정도 넣고 실험한다면 페트병의 남은 공간 부피가 250mL 가 되기 때문에 이산화탄소 0.1mol 을 넣었을 때 약 10기압까지 증가할 것이다.
탄산수병에 정수기 찬물을 절반정도 넣고 드라이아이스 3g정도를 넣어 준다.
같은 실험을 몇번(4-5번) 반복하면, 놀랍게도 찬물이 탄산수가 된다. 먹어보면 구매한 탄산수랑 비슷하다. ^^
이론을 정확하게 알면 재미있는 실험이나 현상을 증명하는 것이 가능하다.
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<우연히 만들어진 탄산수> - 탄산수 만들 생각은 아니었는데 압력증가 실험하다 우연하게 탄산수가 만들어 졌다.
(위험한 실험이다. 반드시 안전하게 실험해야 하고, 가능한 페트병 내부 압력을 6기압 이상 올리지 않도록 하자. 내부 압력이 너무 커지면 페트병이 폭발할 수 있다.)
페트병(탄산수병)안에 드라이아이스 넣으면 이산화탄소 발생시키면서 페트병 내부 압력이 급격하게 증가한다. 페트병 안에 끝이 막힌 주사기 넣어 두고 부피 변화를 관찰해 보면 내부 압력을 알 수 있다.
주사기 부피가 1/5 로 줄어들면 내부 압력이 5기압이 된 것이다. 페트병 터질까봐 5기압 이상은 실험해 보지 못했다 부피가 1/5로 줄어 드는 순간 얼른 뚜껑을 열었다. 조금 더 해보고 싶지만 겁나서... ^^ 페트병이 부풀어 오르기 시작하면 답이 없다.
또 한손으로는 촬영하고 한손으로 뚜껑을 열었다 닫았다 하다 보니, 불편해서 5기압 이상은 압력을 올리지 않으려고 노력했다. 6기압 이상 압력은 실험해 보지는 않았지만, 내부 압력이 커지면 어쩌면 뚜껑이 열리지 않을 수도 있다.
그럼 재빨리 대피해야 한다. 그래서 뚜껑을 꽉 닫지 않고, 압력이 빠지지 않을 정도만 닫고 실험했다.
(방법은 있다. 드라이아이스 양을 계산해서 실험하면, 도망칠 필요 없다. )
위험하다고 생각되면 드라이아이스를 조금만 넣고 실험해 보자.
이산화탄소 분자량이 44g/mol 이고 1mol 부피가 22.4L 니까 드라이아이스 1g 이면 이산화탄소 기체를 0.5L 정도 만들어 낼 수 있다.(압력에 따른 기체 용해도는 고려하지 않고 따졌을 때) 탄산수병 물이 들어있고 위에 공기가 든 빈 공간이 100mL라고 가정하면 드라이아이스 1g 에 의해 생겨난 이산화탄소(500mL)와 원래 들어있던 공기의 부피(100mL)를 합쳐서 600mL의 기체가 공간을 차지하게 된다. 그럼 약 6기압이 됨을 알 수 있다.
드라이아이스 양을 잘 조절하거나, 탄산수 병 위쪽 빈공간의 부피를 조절하면서 안전하게 실험을 설계해 보자. 몇번 반복하면 압력에 의해 이산화탄소가 물에 녹아 들어가 찬물인 탄산수가 된다.
실제 만들어진 탄산수를 먹어 봤는데, 판매되는 탄산수와 큰 차이가 없었다.
