거품이 나는 풍선 – CO2

목적

이 활동은 실험을 통해서 학생들에게 이산화탄소(CO2)를 소개한다. 학생들은 이산화탄소(CO2)의 작용에 대한 몇 가지 특징을 배운다.

학습 목표

• 학생들이 석회수에 CO2가 존재함을 보일 수 있다.
• 학생들은 특정 반응을 통해 발생한 이산화탄소가 석회수와 화학 반응으로 탄산을 형성하는 것을 설명할 수 있다.
• 학생들은 이산화탄소가 공기보다 무겁다는 것을 보일 수 있고 이러한 특성을 이용해서 일상의 상황을 묘사할 수 있다.
• 학생들은 실험을 수행하고 해석할 수 있다(개별적으로 혹은 작은 그룹으로).

평가

• 학생들에게 각 실험의 단계와 관찰한 것을 적으라고 한다.
• 각 실험이 끝난 후에 칠판에 학생들의 가설을 적으라고 한다. 가설들이 타당한지 확인하며 활동을 끝낸다.
• 티라이트 캔들이 이산화탄소가 들어 있는 비커 안에 들어있을 때 무슨 일이 생기는지 학생들에게 설명하라고 한다. 실험을 통해서 확인한다.
• 이산화탄소가 공기보다 가볍다면 티라이트 캔들에 무슨 일이 생길지 학생들에게 그려보라고 한다.
• 일상생활에서 이산화탄소가 공기보다 더 무거운 것을 활용한 예시를 학생들에게 묘사하게한다.

준비물

• 풍선
• 깔때기
• 발포정(예: 발포 비타민) 혹은 베이킹파우더
• 투명한 500ml 병
• 물
• 비커
• 티라이트 캔들
• 성냥
• 젓가락 한 쌍(혹은 나무 꼬챙이)
• 석회수: 한 숟가락 가득 분량의 시멘트 혹은 모르타르를 물 250ml와 섞는다. 부유액이 안정되도록 둔 다음 두 개의 커피필터를 이용하여 여과한다. 이 여과액이 석회수이다.
• 두꺼운 빨대

배경지식

이산화탄소

이산화탄소(CO2)는 가장 중요한 온실기체 중 하나일 뿐만 아니라 우리 주변 어디에서나 발견된다: 우리가 마시는 공기(0.0388vol%), 우리가 뱉는 공기 (4vol%). 이산화탄소는 탄산 음료에서도 발견된다. 케이크는 베이킹파우더에 의해 발생된 CO2에 의해 부풀어 오른다. 파라핀, 종이, 나무 또는 석유와 같은 유기화합물들이 탈 때도 생성된다. 간헐온천은 수증기와 함께 CO2에 의해 형성될 수 있다. 액체 상태로는 소화기와 식품 산업의 냉매로 사용된다. (예를 들면, 아이스크림을 저장하고 옮길 때 사용한다.)

사진 : 칠레의 San Pedro de Atacama에 있는 간헐 온천중 하나인 ‘El Tatio’의 근접 사진. Credit: Andres Gottlieb

높은 농도의 CO2는 인간이나 다른 동물들에게 굉장히 위험할 수 있으나 이것은 생명의 근원이기도 하다: 광합성을 하는 동안 식물들은 이산화탄소와 빛을 이용해서 당, 녹말, 지방, 단백질과 우리가 살기위해 필요한 산소를 생산한다. *백분률 농도 혹은 1vol%는 용액(예시 피) 100ml에 포함된 용질(대부분 산소 혹은 이산화탄소)의 입방 센티미터 당 개수이다.

주석 : 이 활동에서 만들어지는 이산화탄소의 양은 인체에 유해할 만큼 많지 않다.

CO2의 특성

이산화탄소는 색이 없다. 낮은 농도에서 CO2는 무취이다. 높은 농도에서는 선명한 산의 냄새가 난다. 표준 온도와 압력에서 이산화탄소의 농도는 1.98kg/m3정도이며, 공기밀도의 1.67배이다. CO2는 공기 중에 아주 작은 양으로 존재하기 때문에 한 층으로 모으는 것이 어렵다. 기체는 가만히 있지 않고 공중에서 움직인다. 따라서 CO2가 공기보다 무겁지만 대기의 아래쪽에만 머물러 있지 않는다.

석회수를 이용하여 CO2 찾기

CO2를 검출하기 위한 석회수 검사는 화학자 Joseph Black(1728-1799)에 의해서 개발되었다. 석회수는 수산화칼슘(소석회) 용액이다. 이산화탄소가 석회수를 통해 거품이 일면 수산화칼슘 고체 침전물이 형성된다. 분필이나 석회암은 탄산칼슘으로 되어있고 이것들이 석회수를 흐리게 만든다.

수산화칼슘 + 이산화탄소 -> 탄산칼슘 + 물

Ca(OH)2(액체) + CO2(기체) -> CaCO3(고체) + H2O(액체)

전체 활동 설명

처음 여섯 개의 단계는 활동 A와 B에 모두 공통이다. 그 이후에는 두 가지 선택지가 있다.

단계 1 :

풍선을 불고 공기를 빼서 고무를 더 탄력 있게 만든다.

단계 2 :

깔때기를 이용해서 풍선에 베이킹파우더 20g 혹은 발포정 다섯 개를 넣는다.

단계 3 :

병에 물을 넣어 물의 높이가 2 ~ 3cm 정도 되도록 한다.

단계 4 :

병의 목을 풍선으로 씌우고 베이킹소다/알약을 병에 넣는다. 풍선이 병목에서 빠지지 않도록 잘 잡아주어야 한다.

단계 5 :

병을 가볍게 흔든다. 거품이 나면서 발생하는 가스로 풍선이 채워진다.

단계 6 :

풍선이 팽창하기를 멈추면 풍선을 비틀어 닫아서 가스가 나가지 못하도록 하고 병목에서 꺼낸다.

학생들에게 무슨 일이 일어난 것인지 설명해보라고 한다. 무엇이 풍선이 부풀어지게 했는지 자신만의 가설을 서로 이야기해 보라고 한다. 활동 A로 넘어가기 전에 가설에 대해서 토의한다.

A) 이 가스는 어떤 가스인가?

단계 7 :

비커에 석회수를 넣는다.

단계 8 :

풍선의 입구에 빨대를 넣고 천천히 조심스럽게 풍선에서 석회수로 가스를 빼낸다. 석회수가 탁해질 것이다.

단계 9 :

단계 7을 깨끗한 물로 반복한다.

학생들에게 두 개의 비커의 모습을 그리고 자신의 관찰 결과를 묘사하라고 한다. 왜 물은 깨끗하고 석회수는 탁한가? 무엇이 석회수를 뿌옇게 만드는가?

정답에 대해서 학생들과 토의한다. 우리는 어떤 결론에 도달할 수 있는가? 이것이 활동의 첫 번째 부분에서 논의된 가설과 어떤 연관이 있는가?

사진 출처: Chemol

안전 노트: 석회수가 눈에 들어갔다면 바로 물로 씻어내야 한다. 표준 안전 참고사항도 참고할 것.

풍선 안의 기체는 CO2이다. CO2는 어디에서 왔는가? 베이킹파우더와 알약 모두 NaHCO3(탄산수소나트륨)과 고체산(구연산결정체 혹은 인산칼슘)을 가지고 있다. 이것이 물과 닿으면 탄산수소나트륨과 산이 서로 반응하여 결과적으로 물과 CO2를 생성한다. 거품이 나는 약이 용해될 때 이 기체가 거품을 만들어 낸다. 일상생활에서 이 기체는 케이크를 부풀어 오르게 만들기도 한다.

B) 이 기체는 무겁다

단계 7 :

풍선의 입구를 비커의 안에 넣고 가스가 나가게 한다. 당신은 아무것도 볼 수 없지만 무슨 일이 일어났는지 아닌지는 볼 것이다. 비커를 한쪽에 치워둔다.

단계 8 :

티라이트 캔들을 밝혀 젓가락 한 쌍을 이용해서 두 번째 빈 비커에 넣는다(대체제로 나무 꼬챙이를 왁스에 꽂고 티라이트 캔들을 비커 안으로 옮길 수도 있다.). 캔들은 계속해서 타야 한다.

단계 9 :

풍선에서 나온 가스를 담고 있는 첫 번째 비커로 티라이트 캔들을 옮긴다. 가스(CO2)가 불꽃을 꺼버리기 때문에 캔들은 타는 것을 멈출 것이다. 아이들에게 실험한 것을 묘사하고 자신들이 관찰한 것을 적어보라고 한다. 그들이 적은 것에 대해서 토의한다. 어떤 이유로 첫 번째 비커에 있는 불꽃이 꺼졌는가?

단계 10 :

비커에 더 많은 CO2를 모으기 위해서 1 ~ 7단계를 반복한다. 이제 이 비커 속의 보이지 않는 물질을 비어있는 다른 비커에 붓는다. 타고 있는 티라이트 캔들을 이 비커에 넣는다. 무슨 일이 일어나는가? 다시 불꽃이 꺼진다. 이를 통해서 우리는 가스를 액체처럼 한 비커에서 다른 비커로 가스를 붓는 것이 가능하다는 것을 볼 수 있다.

학생들에게 실험 내용을 그림으로 나타내고 자신들의 관찰 결과를 기록하라고 한다. 학생들과 결과에 대해서 토의한다. 이 실험으로부터 어떤 결론을 도출할 수 있는가?

이 실험은 이산화탄소가 공기보다 무겁다는 것을 보인다. 만약 이산화탄소가 공기보다 가볍다면 무슨 일이 일어날 것 같은지 학생들에게 물어본다.

학생들에게 이 특징을 일상에 적용하는 것에 대해서 생각해 보라고 한다. 일례로는 이산화탄소를 소화기에 사용하는 것을 들 수 있다. 이런 소화기들은 불길을 잡고, 불을 끄기 위해서 발화지점에 이산화탄소를 뿜는다. 이 소화기들은 활동 B에서 보여줬던 것과 동일하게 작동한다.

커리큘럼

결론

이 활동은 실험을 통해서 초등학생들에게 이산화탄소를 소개한다. 학생들은 이산화탄소는 공기보다 무겁고, 불꽃을 끌 수 있고, 석회수를 뿌옇게 만든다는 것을 알게 될 것이다.

 감사의 글

이 활동의 번역을 검토해주신 송인옥 박사님과 심현진 교수님, 이정애 박사님에게 감사의 인사를 전합니다.