드라이아이스로 할 수 있는 초등 과학 6가지 실험

초등학교 수준에 맞춰서 어려운 물리를 어떻게 하면 재미있게 가르칠 수 있을까요? 오늘은 드라이아이스 한 덩어리를 가지고 할 수 있는 여러 가지 실험을 하나씩 살펴보도록 하겠습니다. 서울교육대학교의 박일우 교수님께서 지도해 주신 내용입니다.

 

1. 드라이아이스에 글자 새기기

상대 온도로 치면, 드라이아이스는 이산화탄소를 고체로 만든 것이기 때문에, 굉장히 빠르게 승화하면서 주위의 열을 빼앗아 갑니다. 그래서 상대적으로 우리 일상 실온에서의 물건들은 드라이아이스에 갖다 대면, 드라이아이스에게는 이 물건들이 굉장히 뜨거운 물체가 되는 것입니다. 빠르게 이산화탄소가 승화하면서 그 물질을 댄 공간은 움푹 파이게 됩니다. 특히 열 전도율이 굉장히 높은 알루미늄과 구리가 효과적입니다.

드라이아이스에 글자 새기기

알루미늄과 구리 조각의 모양에 맞추어서 드라이아이스 블록에 여러 가지 홈을 내고, 여기에 식용색소 등을 섞은 물을 올려놓으면, 그 물방울들이 움직이는 모습도 관찰할 수가 있습니다. 너무나 신기하게도, 물의 표면 장력 때문에 물방울들이 뚜르르 또르르 굴러가기도 하고, 응결대면서 얼어가면서 키세스 모양으로 볼록하게 올라오는 모습도 볼 수 있습니다. 정말 신기하죠? 연기가 나면서 물의 상대적인 온도차로 인해서 만들어지는 극적인 효과도 아주 놀랍습니다.

 

2. 이산화탄소로 하얀 비눗방울 만들기

아이들이 정말 좋아하는 비눗방울! 드라이아이스로 하면 더 재밌습니다!

제일 먼저 할 일은 페트병에 드라이아이스 조각과 뜨거운 물을 넣는 것이었는데요. 그렇기 때문에 보글보글 이산화탄소 기체가 나오면서 수증기와 함께 좀 더 뿌연 기체가 만들어집니다. 그런데 이것을 그냥 날려버리지 않고 비눗방울을 만들어주면, 그 비눗방울 속에 있는 투명한 공기 대신에 수증기와 함께 이산화탄소가 응결되어 하얀 비눗방울이 만들어지게 되는 것이죠. 

아이들도 이 비눗방울을 보면서, 이 공기가 우리 주변에 있는 공기가 일정한 부피를 가지고 있다는 것을 확인할 수 있겠죠 또한 비눗방울을 만들어서 그 안에 이산화탄소라는 기체가 담겨 있는걸 눈으로 직접 관찰할 수 있습니다. 그리고 이 이산탄소가 들어가 있는 공기방울은 그냥 공기보다 무겁기 때문에 바닥으로 떨어지는데요. 수건이나 면 장갑을 가지고 터뜨리지 않고 굴릴 수도 있었습니다.

이산화탄소로 하얀 비눗방울 만들기

3. 드라이아이스 수조에 양초 탑 세우기

이산화탄소는 일반 공기보다 무겁기 때문에 유체로 바닥에 가라앉겠죠? 이렇게 생긴 양초 탑을 드라이아이스를 바닥에 깐 아크릴 수조에 넣어둡니다. 그러면 드라이아이스가 승화된 이산화탄소 기체가 점점 아랫부분부터 차오르겠죠? 그러면 양초불이 밑에서부터 꺼지는 것을 볼 수가 있었습니다.

드라이아이스 수조 만들기

또한 이산화탄소가 밑에 가라앉아 있기 때문에 아크릴 수조에서 재미있는 현상을 또 관찰할 수 있어요. 우리 입에서 나온 비눗방울은 이산화탄소보다는 가볍기 때문에 이산화탄소 기체 위에 떠 있는 것을 볼 수가 있었어요. 비눗방울이 보통은 바닥으로 바로 떨어지는데, 이경우에는 한참 동안 수조 가운데에서 두둥실 떠 있는 거죠!

 

4. 피스톤 폭탄 만들기

이 실험은 다소 아이들에게 위험할 수도 있었는데요. 주사기 피스톤 안에다가 드라이아이스 조각을 잘게 부숴 넣는 것입니다. 그전에 피스톤 손잡이 부분이 잘 미끄러질 수 있도록 비눗방울액을 칠해주고요. 그리고 주사기를 밀봉시킵니다. 원래는 주사기 바늘 부분에서 이산화탄소가 나와야 할 텐데, 그 바늘 부분을 손가락으로 막습니다. 그러면 피스톤이 아래로 내려오면서 어느 순간에 도달하면, 피스톤이 이산화탄소가 만들어내는 내부 압력을 이기지 못하고 팡하며 터져나가는 모습을 볼 수가 있습니다.

드라이아이스 폭탄 실험

실제로 어느 미국의 마라톤 대회에서는 전기밥솥 안에다가 드라이아이스를 넣고 폭탄으로 사용한 사례가 있었다고도 해요. 그래서 실제 미국 어느 주는 드라이아이스를 밀폐된 공간에 놓는 것을 법적으로 금지하고 있다고도 합니다. 아이들하고 하기에는 조금 무리가 있을 수 있겠지만, 안전이 보장된다면 기체의 성질을 이해하는데 충분히 의미 있는 실험이라고 생각합니다.

 

5. 풍선에 드라이아이스 채우기

다섯 번째는 드라이아이스를 바로 풍선에 넣는 것이었습니다. 그러면 이산화탄소로 가득 찬 공간을 행성이 운동하는 것처럼 드라이아이스 조각들이 원을 그리며 무중력 상태인 것처럼 돌아가게 됩니다. 물론 결국 중력의 영향을 받아서 드라이아이스 조각들이 아래 방향으로 떨어지긴 하지요. 하지만 그 원에 돌아가는 모습을 충분히 관찰할 수 있었고, 점점 커지는 드라이아이스 부피가 확인이 되는 순간이었습니다.

 

또한 이렇게 이산화탄소만으로 가득 찬 풍선은 일반 공기로 채운 풍선보다 더 빨리 땅으로 떨어졌습니다.

드라이아이스로 채운 풍선

 

6. 이산화탄소가 물에 녹는 성질을 이용하여 풍선의 글자 좌우상하 반전시키기

2 대 1의 비율로 물과 공기를 채운 페트병에다가 이산화탄소를 녹입니다. 드라이아이스가 있기 때문에 빨대로 충분히 옮겨 녹일 수 있지요. 그리고 그 페트병 입구에 풍선을 씌웁니다. 풍선을 씌우고 나서는 공기 중에 있는 이산화탄소를 물과 함께 넣은 페트병을 마구 흔들어줍니다. 그러면  공기 중에 있던 이산화탄소가 물에 녹으면서 기압차가 생기게 되겠죠?

 

좌우상하반전 글자 만들기

그러면 풍선이 페트병 안으로 쑥 하고 빨려 들어가요! 만약 풍선에 글자를 썼다면 이 글자가 좌우상하 반전이 되어서 툭 하고 들어가게 됩니다. 기압차를 이용한 실험이기 때문에 풍선을 아랫방향으로 향해도 절대 그 물이 쏟아지지가 않습니다. 아주 흥미로운 마술 같았어요.

 

이렇게 드라이스 하나를 가지고도 여러 가지 재미있는 실험을 할 수 있었는데요. 과학과 마술을 연계할 수 있는 아주 좋은 방법이라는 생각이 듭니다.