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1.탐구주제
-드라이 아이스는 왜 아이스크림을 녹지 않게 해주며, 거기서 나는 하얀 연기는 무엇인가.
2.탐구동기
-아이스크림을 사올 때 드라이 아이스를 넣은 상자에 보관해서 가져오면 아이스크림은 녹지 않는다. 어째서! 왜! 어떻게! 드라이 아이스는 아이스크림은 녹지 않게 해주는 것이며, 거기서는 하얀 연기가 나는 것일까...
3.탐구방법
-인터넷 및 여러 서적들을 통하여 드라이 아이스에 대한 여러 가지 자료를 찾아본다.
4.탐구내용
(1)드라이 아이스란
드라이 아이스는 이산화탄소를 압축 냉각해서 만든것이다. 이산화탄소는 기체이다. 이산화탄소 속에 들어 있는 수분과 기름 등을 분리시킨 다음 낮은 온도에서 냉각시켜 만든 것이다.
(2)드라이 아이스에서 연기가 나는 이유
물은 대기압에서 0℃일 때 얼음이 되고, 100℃로 끓이면 수증기가 된다. 추운 겨울날 마당 빨랫줄에서 동태처럼 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 적으면, 다시 말해 습도가 매우 낮으면 얼음도 물이 되지 않고 직접 기화할 수 있음을 보여주는 것이다.
어쨌든 물을 얼린 얼음과 달리 드라이아이스는 밖에 두면 액체가 되지는 않으면서, 다시 말해 주변을 적시지 않고 녹아 없어지면서 훌륭한 냉동제 노릇을 한다. 그렇기 때문에 적시는 성질을 가진 보통의 얼음과 구별하기 위하여 드라이아이스(마른얼음)라고 부른다.
이 드라이아이스는 탄산가스(이산화탄소) 덩어리에 불과하다. 대기압 하에서 탄산가스를 -79℃로 냉각시키면 드라이 아이스가 되고, 이것을 -78℃이상으로 데우면 바로 탄산가스가 된다. 액체 이산화탄소를 얻으려면 기체 이산화탄소에 압력을 가해야 한다. 압력을 73기압으로 가하면 31℃에서 액체가 된다. 이 온도를 흔히 임계온도라 부른다. 왜냐하면 이보다 높은 온도에서는 아무리 높은 압력을 가해도 액체 이산화탄소를 얻을 수 없기 때문이다…(생략)
. 실험실에서는 종종 100℃ , 300기압에서 이산화탄소를 사용한다. 이런 조건에서 이산화탄소는 액체도, 기체도 아닌 상태에 있어 이를 초임계 유체상태라 부른다.
이산화탄소는 냄새와 맛이 없고 불에 타지 않으며 공기보다 무거워 불을 끄는 소화제로 쓰인다. 액체 이산화탄소는 기화해도 나쁜 잔유물이 없는데다 값이 싸고 화학반응에 별로 참여하지 않으며 점성도가 매우 낮고 기름, 지방, 카페인, 향료 및 기타 식물성분을 잘 용해시킨다. 따라서 이들을 용출하는 데 많이 사용하고 있다. 또 초임계 유체상태 이산화탄소는 약용식물, 꽃, 양념 등에서 유용성분을 추출하는 데 널리 사용되고 있다. 이 유체 이산화탄소와 액체 이산화탄소는 커피에서 카페인을 추출해 무카페인 커피를 만드는 데도 사용한다. 또 포테이토 칩 표면에 있는 기름을 액체 이산화탄소로 닦으면 표면의 지방 함량이 크게 줄어든다.
그런데 쇼 무대에서 볼 수 있는 안개는 이산화탄소가 아니라는 것이다. 드라이 아이스를 기화시키거나 액체 이산화탄소를 증발시키면 주위 열을 어찌나 많이 빼앗는지 공기 속에 있는 습기가 작은 물방울로 엉기거나 얼어 허옇게 안개를 만든다. 우리는 기체가 된 이산화탄소가 아니라 이런 물방울과 미세한 물얼음을 볼 따름이다.
드라이 아이스는 -78℃이하에서만 존재하므로 우리가 보는 드라이 아이스 덩어리나 가루는 상상도 못하게 차가운 얼음이다. 드라이아이스가 날아간 자리가 종종 축축히 젖는데 이는 드라이아이스때문이 아니다. 드라이 아이스가 승화할 때 그 표면에 공기 중의 수분이 엉겨서 얼어붙어 있다가 드라이 아이스가 모두 승화한 뒤 이렇게 생긴 젖은 얼음(물 얼음)이 녹기 때문이다.
연료를 태울 때 생기는 이산화탄소가 온실효과를 일으켜 이 지구에 온난화 현상을 갖고 온다고 하여 항시 공해와 연결시켜 생각하고 있는데, 그 기체가 고체가 되면 드라이아이스가 되니 상태변화란 참으로 재미있는 현상이다.
(3) 아이스크림을 녹지 않게 해주는 드라이 아이스
드라이 아이스는 고체에서 직접 기체로 변한다고 하였다. 이렇게 고체에서 직접 기체로 변화하는 것을 `승화`라고 한다. 이 때의 온도는 무려 -78.5℃나 된다. 따라서 드라이아이스는 상온에서는 바로 기체가 되면서 공기중의 열을 빼앗아 승화하여 주변온도를 낮게 만들어 아이스크림을 녹지 않고 집까지 가져올 수 있게하는 것이다.
(4)나프탈렌
나프탈렌은 드라이 아이스와 비슷한 성질을 가지고 있다고 한다. 나프탈렌은 알코올에는 잘 녹지만, 물에는 녹지 않으며, 80℃라는 비교적 높은 온도에서 액체로 변하는 물질이다. 그러나 보통의 온도에서 고체 상태의 나프탈렌은 액체를 거치지 않고 바로 기체로 변하는 성질이 있다. 나프탈렌은 독특한 냄새 때문에 화장실이나 장롱에 두어, 나쁜 냄새를 없애거나 옷을 상하게 하는 벌레를 막기 위해 사용됩니다.
(5)드라이 아이스 취급시 유의사항
◎ 피부에 직접 접촉할 경우 화상의 위험이 있으므로 반드시 장갑을 끼고 사용하여야 한다.
◎ 드라이아이스는 승화 시 기체를 발생하므로 밀폐된 용기에 보관할 때는 배출구를 낸다.
◎ 밀폐된 좁은 공간에서 취급할 경우 호흡 장애 또는 질식의 우려가 있으므로 환기를 요한다
(6)드라이 아이스를 이용한 실험
▶드라이아이스 권총
◎준비물: 나무젓가락, 필름 통, 고무줄, 칼, 드라이아이스
◎방법:
1) 나무 젓가락 한쪽 끝에 필름 통을 대고 고무줄로 묶어 고정시킨 다음, 다른 쪽에는 반을 자른 나무 젓가락 세 개를 대고 고무줄로 감아 삼각형 모양의 손잡이를 만든다.
2) 필름 통 속에 드라이아이스 조각을 넣고 뚜껑을 닫은 다음 과녁을 겨눈 채 20초 정도를 기다린다.
◎ 왜 그럴까.
드라이 아이스는 상온에서 `승화`하여 이산화탄소가 된다. 승화란 고체에서 곧바로 기체로 상태가 변하는 현상을 말하는 것이다. 필름 통 속에 있는 드라이아이스가 기체인 이산화탄소로 변하면, 부피가 커져서 필름 통 속의 압력도 커지게 된다. 기체가 많아져서 더 이상 필름 통 안에만 머무를 수 없을 정도가 되면 뚜껑을 밖으로 밀어 내게 된다. 그러다 어느 순간에 뚜껑이 "뻥" 소리를 내면 날아가게 되는 것이다. 드라이아이스 권총은 발사되는 순간을 예측할 수 없기 때문에 더욱더 큰 스릴과 매력을 느낄 수 있다. 친구와 함께 결투를 해 봐도 재미 있을 것 같다.
5.결론
-드라이 아이스는 이산화탄소를 냉각시켜 증발하여 만든 것으로 상온에서 주변의 열을 빼앗아 승화되기 때문에 하얀 연기가 보이고, 아이스크림을 녹지 않고 집에 까지 가져올 수 있게 하는 것이다.
6.느낀점
-숙제라는 의무감에 시작 했는데, 평소에 궁금하던 드라이 아이스에 대하여 자세하게 알아 볼 수 있는 좋은 계기가 되었다.
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