이산화탄소로 촛불 끄는 마술하기

From lsaaby's blog

앞서 식초에 베이킹소다를 넣으면 이산화탄소가 발생한다는 것에 대해 알아보았다.

이 실험을 응용해서 촛불을 끄는 마술을 할 수 있다. 방법은 간단하다. 컵에 식초를 약간 붓고, 여기에 베이킹소다를 한 스푼 넣으면 이산화탄소가 발생하면서 거품이 생긴다.

컵을 가만히 들어 미리 준비해둔 촛불에 살짝 기울이면 마술처럼 촛불이 꺼진다. 이것을 통해 무엇을 알 수 있을까?

전체 실험 과정은 아래 동영상을 보기 바란다.

이산화탄소는 공기보다 무겁다

이 실험을 통해 눈으로 볼 수는 없지만 이산화탄소가 무거워 컵에 가라앉아 있다는 걸 알 수 있다. 그렇다면 이를 어떻게 설명할 수 있을까?

먼저 공기의 주 성분을 알아야 한다. 우리가 숨쉬는 공기는 78%의 질소(N₂), 21%의 산소(O₂), 0.9%의 아르곤(Ar), 0.03%의 이산화탄소(CO₂)로 구성되어 있다. 아이들은 공기 중에 산소가 21% 정도밖에 안되는 걸 알고는 놀라워한다.

대충 80%의 질소와 20%의 산소가 있다고 가정하고 공기의 분자량을 계산해보자. 분자량은 탄소의 원자량을 12로 잡고 계산하는 분자의 상대적 질량을 뜻한다. 어려운 말인데, 그냥 간단하게 생각하면 원자의 핵을 이루는 양성자와 중성자를 각각 1로 놓고 계산하면 얼추 비슷하다.

분자량을 알려면 분자를 구성하는 원자를 알아야 하고, 그 원자의 원자량을 알아야 한다. 이를 위해 주기율표(periodic table)를 봐야 한다. 주기율표 중에 원자량까지 포함된 것을 찾는 것이 좋다.

From Carnegie Mellon

주기율표의 각 원소는 사각형에 표시되어 있는데, 오른쪽 위의 숫자는 양성자의 수를 의미하며 원자의 정체성을 나타낸다. 왼쪽 위의 숫자가 원자량이다. 원자량이 딱 떨어지는 정수가 아니라 소숫점이 있는 이유는 자연에 존재하는 미량의 동위원소 때문인데, 이에 대해서는 다음에 알아보자.

질소는 N₂이므로 분자량은 14*2 = 28이 된다. 산소는 O₂이므로 분자량은 16*2 = 32가 된다. 이 둘이 4:1의 비율로 섞여 있으므로 공기의 평균 분자량은 (28*4 + 32) / 5 = 28.8이 된다.

반면 이산화탄소는 CO₂이므로 분자량은 12 + 16*2 = 44가 된다. 공기 중에 이산화탄소가 놓인다면 분자 단위로 따졌을 때 더 무겁기 때문에 가라앉아 있는 것이다.

이산화탄소가 가라앉아 있으면 질식사하지 않을까?

이렇게 설명하면 아이가 "이산화탄소가 가라앉아 있으면 숨을 못 쉬어서 죽는거 아냐?"라고 의문을 갖는다. 다행히 그럴 일은 없다.

기체는 운동에너지가 가장 높은 상태이다. 이산화탄소도 일시적으로는 무거워 가라앉아 있지만 활발한 운동으로 결국에는 공기와 섞이게 된다. 또한 대기에서 발생하는 거대한 대류현상과 바람으로 인해 이산화탄소가 가라앉아 생명을 죽일 일은 없다. 아래 애니메이션이 활발한 운동으로 두 기체가 섞이는 것을 보여준다.