아이스크림 포장 속 드라이아이스에서 하얀 연기가 나는 이유

 더운 여름날 아이스크림 케이크를 포장해 오거나 신선 식품을 택배로 받을 때 상자 안에는 어김없이 하얀색 네모난 블럭이 들어있습니다. 바로 드라이아이스인데요. 포장지를 뜯어 싱크대나 물속에 던져 넣으면 마치 마법의 램프에서 보는 것처럼 보글보글 끓어오르며 하얀 연기를 내뿜어 냅니다. 어린 시절 누구나 이 연기를 손으로 만져보면서 신기했던 기억이 있을 것입니다.

우리는 흔히 이 하얀 연기를 보면서 이산화탄소 가스가 나온다라고 생각할텐데요. 아쉽지만 우리가 눈으로 보는 연기의 정체는 이산화탄소가 아니라고 합니다. 평생동안 진실이라고 믿어왔던 이 현상속에서 대기과학과 화학이 만들어내는 엄청난 착각과 반전이 숨어 있습니다. 드라이아이스가 액체를 거치지 않고 기체가 되는 승화현상의 원리와 흰 연기가 아는 이유를 소개해드리겠습니다.

드라이아이스의 정체

우리가 일상에서 가장 흔하게 보는 얼음은 액체 상태인 물을 0도 이하로 꽁꽁 얼려 만든 고체입니다. 반면 드라이아이스는 기체 상태인 이산화탄소에 엄청난 압력을 가한 뒤 영하 78.5도라는 극저온으로 차갑게 만들어 얼린 고체 덩어리입니다.

일반 얼음보다 온도가 무려 80도 가까이 낮기 때문에 주변의 열을 빼앗아 물건을 차갑게 유지하는 냉각 능력이 일반 얼음의 2배 이상 뛰어납니다. 그래서 아이스크림이 녹지 않게 장시간 보관하는 용도로 쓰이는 것입니다.

액체를 건너뛰는 승화 현상

얼음을 상온에 꺼내두면 어떻게 될까요? 고체였던 얼음이 녹아 액체가 되고 이 물이 증발하여 기체로 날아갑니다. 세상의 거의 모든 물질은 고체 -> 액체 -> 기체의 3단계를 순서대로 거치면서 변화합니다.

하지만 드라이아이스를 상온에 꺼내두면 바닥에 물이나 액체가 남지 않고 흔적도 없이 사라져 버립니다. 드라이아이스 고체가 상온의 열을 받으면 액체라는 중간 단계를 건너뛰고 곧바로 이산화탄소 기체로 날아가 버리기 때문입니다. 이렇게 고체에서 기체로, 또는 반대로 기체에서 고체로 상태가 한번에 바뀌는 것을 승화라고 부릅니다. 

이산화탄소가 1기압 상태에서는 액체로 존재 할 수 없고 5기압 이상의 엄청난 압력에서만 액체가 될 수 있는 화학적 특성을 가지고 있기 때문에 벌어지는 일입니다.

흰 연기의 진짜 정체는 수증기이다

자 이제 오늘의 가장 핵심포인트를 알려드리겠습니다. 드라이아이스가 상온에서 승화하며 이산화탄소 기체를 뿜어내는 것은 맞습니다. 하지만 이산화탄소 기체는 우리가 볼수 없는 완벽한 투명한 색인데요. 그래서 우리가 숨을 내쉴때 뿜어내는 이산화탄소가 눈에 보이지 않는 것과 똑같습니다.

그렇다면 싱크대를 가득 채우는 짙은 흰 연기의 정체는 무엇일까요? 정답은 바로 공기 중에 떠다니는 수증기인 물입니다.

겨울철 입김이 하얗게 뿜어져 나오는 원리

영하 78.5도의 엄청나게 차가운 드라이아이스가 공기 중에 노출되면 그 주변의 공기 온도는 순식간에 떨어지게 됩니다. 공기 중에는 우리 눈에 보이지 않는 수증기가 항상 떠다니고 있는데요. 수증기가 드라이아이스의 차가운 냉기를 만나 아주 작은 물방울들로 뭉쳐지게 됩니다. 이것을 응결이라고 합니다.

쉽게 비유하면 추운 한겨울에 입 밖으로 숨을 호호 내쉬면서 따뜻한 숨을 내뱉어 보실때와 같은 원리입니다. 우리 입에서 나오는 입김을 따뜻하지만 바깥에 온도는 차가운 겨울 공기이기에 미세한 물방울로 뭉쳐지면서 하얗게 보여지는데요. 드라이아이스 주변의 수증기가 얼어붙어 뭉친 작은 구름이자 안개가 바로 우리 눈에 보이는 흰 연기의 진짜 정체입니다. 물속에 드라이아이스를 넣었을 때 연기가 격렬하게 나는 이유도 물이라는 수증기가 직접적으로 제공되는 것이기 때문입니다.

드라이아이스 취급 시 절대 주의사항 두 가지

드라이아이스의 과학적 원리를 알았다면 이러한 물질이 얼마나 무서운 에너지와 극저온을 가지고 있는지도 알고 있어야 합니다. 일상에서 절대 해서는 안되는 두가지 행동을 알려드리겠습니다.

1. 맨손으로 만지지 않기: 영하 78.5도의 드라이아이스를 맨손으로 덥석 잡으면 피부의 수분이 순식간에 얼어붙으면서 세포가 파괴됩니다. 이는 뜨거운 불에 데이는 것과 똑같은 화상을 입힙니다. 반드시 두꺼운 장갑이나 집게를 사용해야 합니다.
2. 밀폐된 페트병이나 병에 넣지 않기: 유튜버나 호기심이 많은 과학꿈나무들이 드라이아이스를 페트병에 넣고 뚜껑을 꽉 닫는 경우가 있습니다. 이때 드라이아이스가 고체에서 기체로 승화될 때 부피가 800배 이상 폭발적으로 팽창합니다. 닫힌 병 안에서 팽창을 견디지 못한 페트병은 결국 압력을 이기지 못하고 폭발하게 되는데요. 이때 파편으로 인해 큰 부상을 입을 수 있는 위험한 행동입니다.

아이스크림 포장 속 드라이아이스에 얽힌 과학적 반전과 진실을 3가지로 요약해 드리겠습니다.

1. 드라이아이스는 영하 78.5도로 얼어붙은 이산화탄소로 상온에서는 액체를 거치지 않고 바로 기체로 날아가는 승화 현상을 겪습니다.
2. 뿜어져 나오는 이산화탄소 기체 자체는 투명하며, 우리 눈에 보이는 하얀 연기는 차가운 냉기에 뭉쳐버린 공기중의 수증기 입니다.
3. 맨손으로 만지면 심각한 동상을 입고 밀폐된 용기에 넣으면 800배 팽창하는 부피 때문에 폭발할 위험이 있으니 취급에 각별한 주의가 필요합니다.

우리가 아무 생각 없이 바라보았던 흰 연기가 이산화탄소가 아니라 수증기 였다는 사실이 놀랍지 않으신가요? 이렇게 당연하게 여겼던 일상 속의 현상들이 사실 과학의 눈으로 보면 전혀 다른 결과를 가져다 줍니다. 여름 철 아이스크림을 드실 때 옆에 있는 드라이아이스를 보시면서 이러한 과학현상을 알려주시면서 이야기를 나누어보세요.