탄산음료에 얼음을 넣으면 왜 갑자기 거품이 많아질까?

콜라나 사이다를 컵에 따른 뒤 얼음을 넣어본 적이 있으신가요?

얼음이 음료에 들어가는 순간 주변에서 수많은 작은 기포가 생기면서 거품이 갑자기 위로 올라오는 모습을 쉽게 볼 수 있습니다.

때로는 컵을 가득 채운 탄산음료에 얼음을 넣었다가 거품이 컵 밖으로 넘치기도 합니다.

그런데 조금 이상합니다.

얼음은 음료를 차갑게 만듭니다.

그리고 이산화탄소(CO₂)는 일반적으로 차가운 물에 더 잘 녹습니다.

그렇다면 얼음을 넣었을 때 오히려 탄산이 안정되어야 하는 것 아닐까요?

그럼에도 얼음 주변에서는 왜 갑자기 많은 기포가 생길까요?

그 비밀은 얼음의 온도보다 얼음 표면과 기포의 핵생성(nucleation)​에 있습니다.

탄산음료 속에는 많은 이산화탄소가 녹아 있다

탄산음료에는 압력을 이용해 많은 양의 CO₂를 녹여놓습니다.

밀봉된 상태에서는 용기 내부의 높은 CO₂ 압력 덕분에 상당량의 이산화탄소가 액체에 머무를 수 있습니다.

하지만 뚜껑을 열면 내부 압력이 대기압 방향으로 낮아집니다.

새로운 압력 조건에서는 기존만큼 많은 CO₂가 액체에 녹아 있기 어렵습니다.

따라서 이산화탄소가 액체에서 빠져나오려는 상태가 됩니다.

그렇다고 모든 CO₂가 순간적으로 한꺼번에 기포가 되는 것은 아닙니다.

여기서 기포가 처음 만들어지는 과정이 중요해집니다.

기포 하나를 처음 만드는 것은 생각보다 어렵다

탄산음료 속에 CO₂가 많이 녹아 있다고 해서 액체 내부의 아무 곳에서나 기포가 쉽게 만들어지는 것은 아닙니다.

아주 작은 기포를 처음부터 새롭게 만들려면 액체와 기체 사이에 새로운 경계면이 만들어져야 합니다.

여기에는 표면장력이 관여합니다.

특히 완전히 균일한 액체 내부에서 기포가 저절로 만들어지는 균일 핵생성은 상당한 에너지 장벽을 넘어야 합니다.

하지만 현실의 탄산음료에는 기포 형성을 훨씬 쉽게 만들어주는 장소들이 있습니다.

이를 핵생성 지점(nucleation site)​이라고 합니다.

핵생성 지점이란 무엇일까?

핵생성 지점은 기포가 처음 자리 잡고 성장하기 쉬운 장소라고 생각하면 됩니다.

대표적으로

• 용기 표면의 미세한 흠집
• 작은 먼지나 입자
• 섬유
• 표면의 작은 틈
• 미세하게 갇혀 있는 기체

등이 핵생성에 관여할 수 있습니다.

이런 곳에는 아주 작은 기체 공간이 존재할 수 있습니다.

액체 속에 녹아 있던 CO₂는 이 작은 기체 공간으로 이동하면서 기포를 성장시킬 수 있습니다.

그래서 컵을 자세히 보면 특정 위치에서 계속 작은 기포가 생기는 모습을 볼 수 있습니다.

얼음 표면은 실제로 완벽하게 매끄럽지 않다

냉동실에서 꺼낸 얼음을 눈으로 보면 매끄러워 보일 수 있습니다.

하지만 미세한 수준에서는 이야기가 달라집니다.

얼음 표면에는 작은 균열이나 홈, 불규칙한 구조가 존재할 수 있습니다.

또한 얼음을 만드는 과정에서 미세한 기포가 얼음 내부에 갇힐 수도 있습니다.

이러한 표면 구조와 갇힌 기체는 탄산음료에 들어갔을 때 기포 형성에 영향을 줄 수 있습니다.

즉, 얼음 하나를 탄산음료에 넣는 것은 단순히 차가운 물체를 넣는 것만이 아닙니다.

CO₂ 기포가 만들어질 수 있는 새로운 표면을 음료 속에 집어넣는 것이기도 합니다.

얼음을 넣는 순간 무슨 일이 일어날까?

얼음이 탄산음료에 들어가면 얼음 표면 전체가 음료와 접촉합니다.

얼음 표면의 미세한 틈이나 기체가 자리 잡은 부분에서 CO₂ 기포가 만들어질 수 있습니다.

이미 존재하는 작은 기포가 있다면 주변 액체에 녹아 있던 CO₂가 그 기포로 이동합니다.

기포는 점점 커집니다.

충분히 커진 기포는 부력에 의해 얼음 표면에서 떨어져 위로 올라갑니다.

그런데 기포 하나가 떨어진 뒤 같은 자리에서 또 다른 기포가 만들어질 수 있습니다.

그래서 얼음 주변을 보면

작은 기포 생성 → 성장 → 떨어져 상승 → 새로운 기포 생성

과정이 빠르게 반복되는 모습을 볼 수 있습니다.

우리가 보는 수많은 거품은 이 과정의 결과입니다.

얼음에서 기포가 줄줄이 올라오는 이유

탄산음료 속 얼음을 자세히 보면 특정 지점에서 기포가 줄을 이루며 계속 올라오는 경우가 있습니다.

이것은 그 위치가 효과적인 핵생성 지점으로 작용하고 있다는 신호일 수 있습니다.

한 번 기포가 형성되기 좋은 구조가 만들어지면 같은 위치에서 반복적으로 기포가 생성될 수 있습니다.

기포는 생성된 뒤 부력에 의해 위로 올라갑니다.

그래서 마치 얼음에서 계속 기포가 생산되는 것처럼 보이는 것입니다.

하지만 얼음이 CO₂를 새로 만들어내는 것은 아닙니다.

원래 음료에 녹아 있던 CO₂가 기체로 빠져나오는 것입니다.

얼음이 탄산과 화학반응을 일으키는 것일까?

일반적인 물 얼음을 넣었을 때 발생하는 거품을 특별한 화학반응으로 설명할 필요는 없습니다.

얼음이 탄산음료와 반응해 새로운 CO₂를 만들어내는 것이 아닙니다.

탄산음료에는 이미 많은 CO₂가 녹아 있습니다.

얼음은 이 CO₂가 기포를 만들고 성장할 수 있는 표면을 제공할 수 있습니다.

따라서 핵심은 새로운 기체의 생성이 아니라 이미 존재하는 용존 CO₂의 방출입니다.

그런데 얼음은 음료를 차갑게 하지 않나?

맞습니다.

여기서 흥미로운 두 가지 효과가 동시에 발생합니다.

첫 번째는 핵생성 효과입니다.

얼음을 넣는 순간 새로운 표면과 핵생성 지점이 생기면서 CO₂ 기포 형성이 활발해질 수 있습니다.

두 번째는 냉각 효과입니다.

시간이 지나면서 얼음이 음료의 열을 흡수해 음료 온도를 낮춥니다.

이산화탄소는 일반적으로 낮은 온도의 물에 더 잘 녹기 때문에 음료가 차가워지는 것은 CO₂를 액체에 유지하는 데 유리하게 작용합니다.

따라서 얼음에는 서로 다른 방향으로 작용하는 두 효과가 있는 셈입니다.

처음에는 표면 때문에 기포 생성이 활발해질 수 있고, 시간이 지나 음료가 차가워지면 CO₂ 유지에는 유리해질 수 있습니다.

그러면 얼음을 넣으면 결국 탄산이 빨리 빠질까, 오래갈까?

단순하게 하나로 답하기는 어렵습니다.

얼음을 넣는 순간 기포가 많이 발생한다면 그 과정에서 일부 CO₂가 대기로 빠져나갈 수 있습니다.

하지만 동시에 음료가 냉각되면 남아 있는 CO₂의 용해에는 유리한 조건이 됩니다.

여기에 얼음이 녹으면서 물이 추가되면 음료 자체도 희석됩니다.

따라서 실제 결과는

• 얼음의 양
• 얼음 표면 상태
• 음료의 초기 온도
• 컵의 형태
• 음료를 얼마나 세게 따랐는지
• 얼마나 오래 두었는지

등 여러 조건에 따라 달라질 수 있습니다.

그래서 “얼음을 넣으면 무조건 탄산이 빨리 빠진다”​고 단정하는 것도 정확하지 않습니다.

서리가 낀 얼음은 차이가 있을까?

냉동실에서 오래 보관한 얼음 표면에는 서리나 거친 결정이 붙어 있을 수 있습니다.

이런 얼음은 매끄러운 얼음보다 표면의 불규칙성이 클 수 있습니다.

미세한 홈이나 거친 표면은 기체가 자리 잡을 수 있는 위치를 늘릴 수 있기 때문에 기포 형성에 영향을 줄 가능성이 있습니다.

또 얼음 표면에 미세한 얼음 조각이나 입자가 붙어 있다면 탄산음료에 넣는 순간 추가적인 핵생성 지점이 생길 수도 있습니다.

그래서 얼음의 모양뿐 아니라 표면 상태도 중요합니다.

얼음을 먼저 넣고 탄산음료를 부으면 왜 거품이 더 많이 날 때가 있을까?

컵에 얼음을 가득 넣은 다음 탄산음료를 빠르게 부으면 많은 거품이 발생할 수 있습니다.

이 경우에는 여러 현상이 동시에 일어납니다.

탄산음료가 얼음에 직접 부딪히면서 강하게 교란됩니다.

동시에 얼음의 넓은 표면과 미세한 구조에서 기포가 만들어질 수 있습니다.

액체가 얼음 사이의 좁은 공간을 통과하면서 흐름도 복잡해집니다.

그 결과 CO₂ 기포가 빠르게 만들어지고 거품이 컵 위로 올라올 수 있습니다.

얼음에 탄산음료를 세게 붓는 것과 천천히 붓는 것은 다를까?

차이가 날 수 있습니다.

높은 위치에서 탄산음료를 얼음 위로 세게 부으면 액체가 강하게 충돌하고 교란됩니다.

그만큼 기포 형성이 활발해질 수 있습니다.

반대로 컵을 기울이고 탄산음료가 벽면을 따라 천천히 흐르게 하면 불필요한 충격과 거품 형성을 줄일 수 있습니다.

탄산을 최대한 유지하고 싶다면 얼음에 음료를 강하게 쏟아붓기보다 컵 벽을 이용해 천천히 따르는 방법이 합리적입니다.

얼음이 많으면 탄산도 더 많이 빠질까?

얼음이 많아지면 음료와 접촉하는 고체 표면도 증가할 수 있습니다.

따라서 핵생성이 가능한 지점이 많아질 가능성이 있습니다.

하지만 동시에 얼음이 많으면 음료가 더 빠르게 냉각될 수 있습니다.

또한 얼음이 녹으면서 음료가 희석됩니다.

따라서 단순히

얼음 두 배 = 탄산 손실 두 배

처럼 계산할 수는 없습니다.

여러 물리적 효과가 동시에 작용하기 때문입니다.

얼음이 녹으면 탄산음료가 밋밋해지는 이유

얼음이 많이 녹은 탄산음료가 밋밋하게 느껴지는 것은 CO₂ 손실만의 문제가 아닙니다.

얼음이 녹으면 물이 음료에 추가됩니다.

그러면 당류, 산미료, 향료 등 음료의 여러 성분 농도가 낮아집니다.

맛과 향이 전체적으로 희석됩니다.

따라서 우리가

“얼음 때문에 탄산이 다 빠졌다.”

라고 느끼더라도 실제로는 CO₂ 변화 + 음료 희석 + 온도 변화가 함께 감각에 영향을 주고 있을 수 있습니다.

얼음 대신 차가운 컵을 사용하면 어떨까?

탄산음료를 희석하지 않으면서 차갑게 마시고 싶다면 음료 자체를 충분히 냉장하고 차가운 컵을 사용하는 방법도 있습니다.

이 경우 얼음이 녹으면서 물이 추가되는 문제를 피할 수 있습니다.

다만 컵 표면 자체에도 미세한 핵생성 지점이 존재할 수 있기 때문에 기포가 전혀 생기지 않는다는 뜻은 아닙니다.

중요한 것은 음료를 차갑게 유지하면서 불필요한 충격과 과도한 기포 생성을 줄이는 것입니다.

멘토스를 넣었을 때와 같은 원리일까?

일부 원리는 비슷합니다.

멘토스를 탄산음료에 넣으면 표면의 수많은 미세한 구조가 강력한 핵생성 지점으로 작용할 수 있습니다.

짧은 시간에 엄청난 수의 CO₂ 기포가 만들어지고 성장하면서 음료를 위로 밀어 올립니다.

얼음 역시 표면의 미세한 구조가 핵생성에 관여할 수 있다는 점에서는 비슷합니다.

하지만 일반적인 얼음과 멘토스는 표면 특성, 성분, 젖음성 등 여러 조건이 다르기 때문에 두 현상의 규모가 같지는 않습니다.

즉, 공통된 핵심 원리 중 하나는 기포 핵생성이지만 결과의 강도는 크게 다릅니다.

얼음을 넣을 때 탄산을 최대한 유지하려면?

몇 가지 원칙으로 정리할 수 있습니다.

먼저 탄산음료 자체를 충분히 차갑게 해두는 것이 좋습니다.

그러면 얼음에 의존해 음료 온도를 크게 낮출 필요가 줄어듭니다.

컵과 얼음은 깨끗한 상태로 사용합니다.

음료를 따를 때는 얼음 위로 높은 곳에서 세게 붓기보다 컵을 기울여 벽면을 따라 천천히 따르는 편이 좋습니다.

또한 얼음을 넣은 탄산음료를 오래 방치하면 CO₂가 계속 대기로 이동하고 얼음도 녹기 때문에 가능한 한 적절한 시간 안에 마시는 것이 좋습니다.

핵심 정리

탄산음료에 얼음을 넣었을 때 갑자기 거품이 많아지는 핵심 이유는 얼음이 차갑기 때문이 아닙니다.

탄산음료에는 이미 많은 양의 이산화탄소가 녹아 있습니다.

뚜껑을 연 뒤 압력이 낮아지면 이 CO₂는 액체에서 빠져나갈 수 있는 상태가 됩니다.

그런데 기포가 만들어지기 위해서는 기포가 시작될 수 있는 장소가 중요합니다.

얼음 표면의 미세한 틈, 불규칙한 구조와 갇힌 기체 등은 핵생성 지점으로 작용할 수 있습니다.

그곳에서 작은 CO₂ 기포가 만들어집니다.

주변 액체에 녹아 있던 CO₂가 기포로 이동하면서 기포가 커지고, 부력에 의해 위로 올라갑니다.

같은 위치에서 이 과정이 반복되면 얼음 주변에서 수많은 기포가 끊임없이 올라오는 것처럼 보입니다.

하지만 동시에 얼음은 음료를 냉각합니다.

낮은 온도는 CO₂가 액체에 머무르는 데 유리합니다.

따라서 얼음을 넣었을 때 일어나는 현상은 단순히

“얼음 때문에 탄산이 빠진다.”

가 아니라,

얼음 표면 → 기포 핵생성 촉진

과

얼음의 냉각 → CO₂ 용해에 유리

라는 서로 다른 효과가 동시에 작용하는 과정입니다.

결국 평범한 얼음 한 조각을 탄산음료에 넣었을 때 솟아오르는 작은 기포들 속에도 기체의 용해도, 표면장력, 핵생성, 부력, 열전달​이라는 여러 과학 원리가 숨어 있는 것입니다.

참고 자료

• Liger-Belair G., Carbon Dioxide in Bottled Carbonated Waters and Subsequent Bubble Nucleation under Standard Tasting Condition, Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2019.
• Liger-Belair G. et al., 탄산음료와 샴페인에서의 기포 핵생성 및 성장에 관한 연구.
• Bubbles, Foam Formation, Stability and Consumer Perception of Carbonated Drinks: A Review of Current, New and Emerging Technologies for Rapid Assessment and Control, Foods, 2020.
• Sander R., Compilation of Henry’s law constants (version 4.0) for water as solvent, Atmospheric Chemistry and Physics, 2015.
• American Chemical Society, 기체 용해도 및 탄산화 관련 교육 자료.