탄산음료를 제조할 때 이산화 탄소 기체를 높은 압력에서 용해시키는 이유를 헨리의 법칙과 관련지어 설명해 주세요.

Question

탄산음료를 제조할 때 이산화 탄소 기체를 높은 압력에서 용해시키는 이유를 헨리의 법칙과 관련지어 설명하고, 음료 뚜껑을 열었을 때 기포가 발생하는 현상을 외부 압력 변화와 용해도 평형의 관점에서 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

탄산음료에 이산화탄소를 녹이는 과정은 헨리의 법칙으로 설명할 수 있습니다. 헨리의 법칙은 기체의 용해도가 그 기체가 놓인 압력에 비례한다는 원리입니다. 따라서 제조 과정에서 이산화탄소를 높은 압력으로 가하면, 평소보다 훨씬 많은 양의 이산화탄소가 물이나 음료 속에 녹아들어갑니다. 이 때문에 뚜껑을 열기 전까지는 음료 속에 기체가 안정적으로 용해된 상태로 존재하게 됩니다.

하지만 음료 뚜껑을 열면 상황이 달라집니다. 뚜껑을 열자마자 병 안의 압력이 외부 대기압과 같아지면서, 이산화탄소가 녹아 있을 수 있는 조건(용해도 평형)이 급격히 변합니다. 즉, 높은 압력에서 유지되던 용해도가 낮아지게 되고, 그 결과 음료 속에 과포화 상태로 있던 이산화탄소가 빠져나오면서 기포를 형성합니다. 우리가 보는 탄산음료의 거품은 바로 이 압력 변화와 용해도 평형의 붕괴 때문에 발생하는 현상입니다.

정리하면, 제조 시에는 높은 압력으로 이산화탄소를 많이 녹여두고, 뚜껑을 열면 압력이 낮아져 용해도가 줄어들면서 기체가 빠져나와 기포가 생긴다는 것이 헨리의 법칙과 삼투적 평형 개념으로 설명할 수 있는 원리입니다.

Answer 2

안녕하세요.

탄산음료 제조 시에는 말씀해주신 것처럼 이산화 탄소를 물이나 음료에 높은 압력으로 주입하는데요, 이렇게 하면 기체의 분압이 증가하고, 헨리의 법칙에 따라 평형 상태에서 더 많은 탄산의 형태로 존재하기도 하지만, 대부분은 물리적으로 녹아 있는 상태입니다.

이후 병이나 캔의 뚜껑을 여는 순간, 밀폐된 상태에서는 내부 압력이 높아 기체가 많이 녹아 있는 평형 상태였지만, 뚜껑을 열면 외부와 연결되면서 압력이 갑자기 낮아집니다. 그러면 헨리의 법칙에 의해 새로운 평형에서는 더 적은 양의 기체만 용해될 수 있게 됩니다. 즉 원래 액체 속에 과포화 상태로 존재하던 이산화탄소는 평형을 맞추기 위해 밖으로 빠져나오게 되는데, 이 과정에서 기포가 형성되는 것입니다. 기포는 주로 미세한 먼지, 용기 표면의 흠집, 또는 용존 기체가 모일 수 있는 핵을 중심으로 만들어지며 점점 커지면서 위로 상승합니다. 즉 이 현상은 압력이 감소함에 따라서 기체 용해도가 감소하고 용해 평형이 이동하면서 기체 방출로 인해 기포가 형성되는 연속적인 과정이라고 보시면 되겠습니다. 감사합니다.