탄산음료를 흔들었다가 곧바로 뚜껑을 열면 거품이 급격히 넘치는 이유는?

Question

안녕하세요. 탄산음료를 흔들었다가 곧바로 뚜껑을 열면 거품이 급격히 넘쳐나는 것을 볼 수 있는데요 이산화탄소의 용해 평형과 연관지어서 어떻게 설명할 수 있을까요?

Answer 1

안녕하세요.

탄산음료를 흔든 뒤 곧바로 뚜껑을 열었을 때 거품이 폭발적으로 넘쳐나는 현상은 음료 속에 녹아 있던 이산화탄소가 유지하고 있던 용해 평형이 갑작스럽게 붕괴되었기 때문입니다.

밀폐된 탄산음료 병 안에서는 높은 압력이 유지되고 있으며, 이 압력 덕분에 많은 양의 CO₂가 액체 속에 녹아 평형 상태를 이루고 있는데요 이때 병을 흔들면 액체 내부에 미세한 기포가 다수 생성되고, 병 벽과 액체 곳곳에 기체가 빠져나갈 공간이 급격히 늘어납니다. 이로써 흔들기 전보다 CO₂가 기체 상태로 빠져나오기 쉬운 조건이 만들어지는 것입니다.

그 상태에서 뚜껑을 열면 병 내부 압력이 외부 대기압으로 급격히 떨어지는데요 헨리의 법칙에 따르면 기체의 용해도는 압력에 비례하므로, 압력이 낮아지는 순간 액체 속에 녹아 있을 수 있는 CO₂의 양도 급격히 줄어들게 됩니다. 그 결과, 더 이상 액체 속에 머무를 수 없게 된 CO₂가 한꺼번에 기체로 빠져나오게 되는 것입니다. 감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

탄산음료를 흔들었다가 바로 뚜껑을 열면 거품이 급격히 넘치는 이유는 이산화탄소의 용해도 평형이 갑작스럽게 깨지기 때문입니다.

탄산음료는 제조 과정에서 높은 압력 하에 이산화탄소를 물에 녹여 둡니다. 헨리의 법칙에 따르면 기체의 용해도는 압력에 비례하기 때문에, 병이 밀폐되어 있을 때는 높은 압력 덕분에 이산화탄소가 안정적으로 용액 속에 녹아 있습니다.

하지만 병을 흔들면 액체 내부에 작은 기포핵이 많이 생기고, 이산화탄소가 그곳에 모여 기포로 성장할 준비를 합니다. 이 상태에서 뚜껑을 열면 내부 압력이 갑자기 대기압으로 떨어지면서, 용액 속에 녹아 있던 이산화탄소가 더 이상 높은 압력에 의해 용해될 수 없게 됩니다. 즉, 평형이 깨지고 용액은 과포화 상태가 되어 기체가 빠르게 방출됩니다.

이때 이산화탄소가 기포 형태로 급격히 형성되며 액체를 밀어 올리고, 표면에서는 거품을 만들어내어 음료가 넘쳐 흐르게 됩니다. 따라서 이 현상은 압력 감소 → 용해도 급격히 감소 → 과포화된 이산화탄소의 방출 → 기포와 거품의 폭발적 생성이라는 연쇄 과정으로 설명할 수 있습니다.