1. 드라이아이스는 승화하는 성질이 있는 물질임을 알 수 있다.
2. 드라이아이스 주변에서 발생하는 흰 연기의 성분을 알 수 있다.
3. 드라이아이스가 승화할 때 부피가 크게 늘어나는 것을 이해하고, 이를 토대로 늘어나는 부피를 구하는 실험을 설계하여 계산할 수 있다.
4. 드라이아이스로 인해 나타나는 현상을 드라이아이스의 성질과 관련지어 설명할 수 있다.
안개 속에 환상적인 분위기를 연출하는 무대를 보면 누구나 환호성을 지를 것이다. 뿌연 연기가 피어 오르는 듯 하늘거리며 공기 중으로 사라져가는 서늘한 물체는 신비로움조차 느끼게 한다. 흔히 아이스크림 가게에서 포장한 아이스크림이 녹는 것을 막기 위해 사용하는 것이나 무대에서 멋진 분위기를 연출하는 데 쓰이는 물질이 드라이 아이스라고 하는 것을 잘 알고 있다. 드라이 아이스는 액체 상태를 거치지 않고 직접 기체로 승화되는 성질을 가지고 있는 데 이 기체가 바로 이산화탄소이다. 그렇다면 노래 부르는 가수들 뒤에 보이는 안개는 이산화탄소 기체일까?
드라이아이스의 상태 변화
물은 대기압에서 0℃일 때 얼음이 되고, 100℃로 끓이면 수증기가 된다. 추운 겨울날 마당 빨랫줄에 빳빳하게 얼어 있던 빨래가 며칠 후엔 잘 말라 있는 것을 볼 수 있는데, 이는 얼어 있던 수분이 녹지 않고 바로 기체가 되기 때문이다. 이런 현상은 공기 중에 수분이 적어 습도가 매우 낮으면 얼음도 물이 되지 않고 직접 기화할 수 있음을 보여주는 것이다.
물을 얼린 얼음과 달리 드라이아이스는 밖에 두면 액체로 되지 않기 때문에 주변을 적시지 않고 녹아 없어지면서 훌륭한 냉동제 노릇을 한다. 따라서 적시는 성질을 가진 보통의 얼음과 구별하기 위해서 드라이아이스(마른 얼음)라고 부른다.
드라이아이스는 탄산가스(이산화탄소)가 승화된 덩어리에 불과하다. 대기압 하에서 탄산가스를 -78.5℃(승화점)로 냉각시키면 드라이아이스가 되고, 가열하면 바로 탄산가스가 된다. 액체 이산화탄소를 얻으려면 기체 이산화탄소에 압력을 가해야 하는데 압력이 73기압일 때 31℃에서 액체가 되며 이 온도를 임계온도라고 부른다.
임계온도보다 높은 온도에서는 아무리 높은 압력을 가해도 액체 이산화탄소를 얻을 수 없다. 실험실에서는 종종 100℃, 300기압에서 이산화탄소를 사용한다. 이런 조건에서 이산화탄소는 액체도, 기체도 아닌 상태에 있어 이를 초임계 유체상태라 부른다.
이산화탄소의 특성
이산화탄소는 냄새와 맛이 없고 불에 타지 않으며 공기보다 무거워 불을 끄는 소화제로 쓰인다. 액체 이산화탄소는 기화해도 나쁜 잔유물이 없는데다 값이 사고 화학 반응에 참여하지 않으며 점성도가 매우 낮고 기름, 지방, 카페인, 향료 및 기타 식물 성분을 잘 용해시킨다.
따라서 이들을 용출하는 데 많이 사용하고 있다. 또한 초임계 유체상태의 이산화탄소는 약용식물, 꽃, 양념 등에서 유용성분을 추출하는 데 널리 사용되고 있다. 이 유체 이산화탄소와 액체 이산화탄소는 커피에서 카페인을 추출해 무카페인 커피를 만드는 데도 사용한다. 그리고 포테이토 칩 표면에 기름을 액체 이산화탄소로 닦으면 표면의 지방 함량이 크게 줄일 수 있다.
실험 기구 및 시약
1. 실험 재료
① 드라이아이스(개인당 1kg 정도 제공, 미리 여러 조각으로 나누어 둠), 풍선, 면장갑, 온도계, 수조
② 비커 2개(500㎖), 가지달린 삼각 플라스크(50㎖), 고무관, 유리판, 망치, 송곳, 전열기(또는 알코올 램프)
③ 염화코발트 종이, 쇠숟가락, 나무 숟가락, 플라스틱 숟가락, 종이컵, 저울, 눈금 실린더(250㎖)
④ 저울(최소 0.01g까지 측정할 수 있는 전자저울), 침핀 2개, 모눈종이 2장
⑤ 비누방울 놀이기구, 약포지, 스카치 테이프
주의 사항
1. 드라이아이스는 미리 가져가지 않고 필요할 때 요구한다. 드라이아이스를 직접 입에 대거나 피부에 닿지 않도록 하며, 드라이아이스를 만질 때는 반드시 면장갑을 착용한다.
2. 밀폐된 장소에서 취급하면 호흡 장애 또는 질식 우려가 있으므로 환기가 잘 되는 곳에서 실험한다.
3. 드라이아이스는 승화시 기체를 발생하므로 밀폐된 용기에 보관할 때는 배출구를 낸다.
4. 주어진 실험 기구를 활용하되, 모든 실험 기구를 사용하지 않아도 된다.
5. 고체 드라이아이스가 승화하여 기체 이산화탄소가 될 때의 부피 변화율을 결정할 수 있는 실험을 설계할 때 실험 과제를 수행할 수 있는 다양한 방법을 생각해 보고, 그 중 가장 타당한 방법으로 실험을 수행한다.
실험 결과
1. 드라이아이스는 승화하는 성질이 있는 물질임을 알 수 있다.
2. 드라이아이스 주변에서 발생하는 흰 연기의 성분을 알 수 있다.
3. 드라이아이스가 승화할 때 부피가 크게 늘어나는 것을 이해하고, 이를 토대로 늘어나는 부피를 구하는 실험을 설계하여 계산할 수 있다.
4. 드라이아이스로 인해 나타나는 현상을 드라이아이스의 성질과 관련지어 설명할 수 있다.
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