탄산음료를 흔들면 왜 거품이 폭발할까? 과학적으로 알아보기

콜라나 사이다를 들고 이동하다가 실수로 떨어뜨린 경험이 있으신가요?

이럴 때 바로 뚜껑을 열면 ‘칙’ 하는 소리와 함께 거품이 순식간에 올라오고, 심한 경우 음료가 용기 밖으로 넘쳐버립니다.

그런데 가만히 있던 탄산음료는 뚜껑을 열어도 이렇게까지 심하게 넘치지 않습니다.

도대체 탄산음료를 흔들면 내부에서 무슨 일이 일어나는 걸까요?

단순히 흔들어서 압력이 크게 높아졌기 때문이라고 생각하기 쉽지만, 핵심은 조금 다릅니다. 그 비밀은 탄산음료 속 이산화탄소와 작은 기포에 있습니다.

탄산음료의 탄산은 무엇일까?

탄산음료에는 이산화탄소(CO₂)가 녹아 있습니다.

음료를 제조할 때 높은 압력의 이산화탄소를 액체에 접촉시키면 많은 양의 이산화탄소가 음료 속에 녹아 있을 수 있습니다.

밀봉된 병이나 캔 내부에서는 이산화탄소가 액체에 녹아 있는 상태와 액체 위 공간에 기체로 존재하는 상태 사이에서 균형을 이루게 됩니다.

이때 중요한 것이 압력입니다.

일반적으로 일정한 온도에서 액체 위 이산화탄소의 압력이 높을수록 더 많은 이산화탄소가 액체에 녹아 있을 수 있습니다. 이를 설명할 때 흔히 헨리의 법칙(Henry’s law)을 사용합니다.

그래서 탄산음료는 뚜껑을 열기 전까지 탄산을 비교적 잘 유지할 수 있습니다.

뚜껑을 열면 왜 ‘칙’ 소리가 날까?

밀봉되어 있던 탄산음료의 뚜껑을 열면 병 내부의 높은 압력이 낮아집니다.

병 위쪽 공간에 있던 기체가 빠르게 밖으로 빠져나오면서 우리가 익숙하게 듣는 ‘칙’ 소리가 발생합니다.

동시에 새로운 환경에서는 액체 속에 녹아 있던 이산화탄소도 기존 상태 그대로 머물기 어려워집니다.

이산화탄소가 액체 밖으로 빠져나오기 시작하는 것입니다.

우리가 탄산음료에서 보는 수많은 기포가 바로 이 과정에서 만들어집니다.

그렇다면 흔들었을 때는 무엇이 달라질까?

여기가 핵심입니다.

탄산음료를 흔들면 액체가 격렬하게 움직이면서 내부에 많은 작은 기포가 만들어지고 분산될 수 있습니다.

이 작은 기포들이 매우 중요한 역할을 합니다.

아무것도 없는 액체 속에서 새로운 기포가 처음 만들어지는 것은 생각보다 쉽지 않습니다. 액체의 표면장력 때문에 아주 작은 기포를 새롭게 만드는 데에는 에너지가 필요하기 때문입니다.

하지만 이미 작은 기포가 존재한다면 상황이 달라집니다.

액체에 녹아 있던 이산화탄소가 기존 기포로 이동하면서 기포가 성장하기 훨씬 쉬워집니다.

즉,

탄산음료를 흔든다 → 작은 기포들이 많이 생긴다 → 이산화탄소가 빠져나갈 수 있는 통로가 많아진다

라고 이해하면 쉽습니다.

흔든 탄산음료를 열면 왜 갑자기 넘칠까?

흔든 직후에도 용기가 밀봉되어 있는 동안에는 내부 압력이 유지되고 있습니다.

문제는 뚜껑을 여는 순간입니다.

뚜껑을 열면서 내부 압력이 빠르게 낮아지면 음료에 녹아 있던 이산화탄소가 액체에서 빠져나오려 합니다.

그런데 흔들지 않은 음료와 달리 흔든 음료에는 이미 수많은 작은 기포가 존재할 수 있습니다.

이 기포를 중심으로 이산화탄소가 빠르게 모이면서 기포가 성장하고, 많은 기포가 동시에 위로 올라갑니다.

이 과정에서 기포가 액체까지 함께 밀어 올립니다.

결국 병 입구까지 올라온 액체와 거품이 밖으로 넘치면서 우리가 흔히 말하는 ‘탄산 폭발’​이 발생하는 것입니다.

병 안의 압력이 단순히 높아져서 폭발하는 것일까?

흔든 탄산음료가 넘치는 현상을 단순히 “흔들어서 압력이 높아졌기 때문”이라고 설명하는 것은 충분하지 않습니다.

중요한 것은 흔드는 과정에서 만들어지고 분산된 작은 기포입니다.

Scientific American에 소개된 화학적 설명에서도 흔들면서 생긴 작은 기포가 용해된 이산화탄소가 빠져나갈 수 있는 쉬운 경로를 제공한다고 설명합니다.

따라서 현상의 핵심은 단순한 압력 증가보다 기포 형성과 이산화탄소의 빠른 방출에 있다고 보는 것이 더 정확합니다.

기포는 아무 곳에서나 만들어질까?

기포가 만들어지기 쉬운 특정 장소를 핵생성 지점(nucleation site)​이라고 합니다.

예를 들어 컵 표면의 미세한 흠집이나 작은 입자, 섬유처럼 기체가 자리 잡기 쉬운 부분이 기포 형성을 도울 수 있습니다.

겉보기에는 매끄러운 물체도 현미경 수준에서는 완전히 매끄럽지 않을 수 있습니다.

탄산음료에 빨대를 넣었을 때 빨대 표면에서 작은 기포들이 계속 만들어지는 모습을 볼 수 있는 것도 같은 원리로 설명할 수 있습니다.

멘토스를 탄산음료에 넣으면 폭발하는 것도 같은 원리일까?

관련이 있습니다.

멘토스 표면에는 눈으로 보기 어려운 미세한 요철이 많이 존재합니다. 이런 표면은 이산화탄소 기포가 만들어질 수 있는 수많은 핵생성 지점을 제공합니다.

따라서 탄산음료에 멘토스를 넣으면 많은 이산화탄소 기포가 매우 빠르게 만들어지고 성장할 수 있습니다.

많은 기포가 한꺼번에 상승하면서 액체까지 위로 끌어올리기 때문에 유명한 ‘멘토스 탄산 분수’ 현상이 나타납니다.

즉, 탄산음료를 흔들었을 때와 멘토스를 넣었을 때 나타나는 현상은 완전히 동일한 상황은 아니지만, 이산화탄소 기포의 형성과 빠른 성장이라는 중요한 공통점이 있습니다.

흔든 탄산음료는 조금 기다렸다 열면 괜찮을까?

일반적으로 흔든 직후 여는 것보다는 잠시 안정된 상태로 두는 것이 낫습니다.

시간이 지나면서 흔들림으로 액체 전체에 분산되었던 기포들이 위쪽으로 이동하고 액체가 다시 안정될 수 있기 때문입니다.

다만 얼마나 기다려야 하는지를 모든 탄산음료에 동일하게 적용할 수 있는 절대적인 시간으로 정하기는 어렵습니다.

용기의 크기, 음료의 온도, 탄산의 양, 얼마나 강하게 흔들었는지 등 여러 조건이 다르기 때문입니다.

따라서 심하게 흔들린 탄산음료라면 바로 열지 않고 세워 둔 뒤 충분히 안정시키고, 처음에는 천천히 여는 것이 좋습니다.

차가운 탄산음료가 탄산을 유지하기 유리한 이유

온도도 중요한 요소입니다.

일반적으로 물에 녹을 수 있는 이산화탄소의 양은 온도가 올라갈수록 감소합니다.

따라서 같은 조건이라면 차가운 음료가 따뜻한 음료보다 이산화탄소를 액체 속에 유지하는 데 유리합니다.

미지근한 탄산음료를 열었을 때 탄산이 더 활발하게 빠져나오는 것처럼 보이는 것도 이러한 기체 용해도와 관련이 있습니다.

이 내용은 다음 글에서 별도로 자세히 다뤄볼 만한 흥미로운 주제입니다.

핵심 정리

탄산음료를 흔들었을 때 거품이 갑자기 넘치는 이유를 정리하면 다음과 같습니다.

탄산음료에는 높은 압력에서 많은 이산화탄소가 녹아 있습니다.

음료를 흔들면 액체 속에 작은 기포들이 많이 만들어지고 분산될 수 있습니다.

뚜껑을 열어 압력이 낮아지면 녹아 있던 이산화탄소가 이 작은 기포를 통해 빠르게 빠져나오기 시작합니다.

기포가 빠르게 커지고 위로 올라가면서 음료까지 함께 밀어 올리고, 결국 병 밖으로 거품과 음료가 넘치게 됩니다.

따라서 흔든 탄산음료가 넘치는 현상의 중요한 열쇠는 단순히 ‘압력이 높아졌다’가 아니라 이산화탄소가 빠져나가기 쉬운 수많은 기포가 만들어졌다는 것입니다.

평범한 탄산음료 한 병 안에서도 압력, 기체의 용해도, 표면장력, 핵생성이라는 여러 과학 원리가 동시에 작용하고 있는 셈입니다.

참고 자료

• American Chemical Society, Unleashing Carbon Dioxide
• American Chemical Society, Can Gases Dissolve in Water?
• Gérard Liger-Belair, Carbon Dioxide in Bottled Carbonated Waters and Subsequent Bubble Nucleation under Standard Tasting Condition, Journal of Agricultural and Food Chemistry (2019)
• Scientific American, Why does a shaken soda fizz more than an unshaken one?