탄산음료 속 기포는 어디에서 만들어질까? 이산화탄소의 원리

투명한 컵에 탄산수를 따라놓고 자세히 관찰해보면 재미있는 모습을 볼 수 있습니다.

컵 전체에서 무작위로 기포가 생기는 것 같지만 자세히 보면 그렇지 않습니다.

컵 바닥이나 벽의 특정한 지점에서 아주 작은 기포가 만들어지고, 점점 커진 뒤 위로 올라갑니다.

기포 하나가 떠난 자리에서는 잠시 후 또 다른 기포가 만들어집니다.

마치 컵의 특정 지점에 작은 ‘기포 공장’이라도 있는 것처럼 보입니다.

그렇다면 탄산음료의 기포는 도대체 어디에서 만들어지는 걸까요?

액체 속에 녹아 있던 이산화탄소가 갑자기 둥근 공 모양으로 변하는 것일까요?

이 현상을 제대로 이해하려면 이산화탄소의 용해, 압력, 과포화, 핵생성, 기포 성장 그리고 부력​을 차례대로 살펴봐야 합니다.

탄산음료 속 CO₂는 처음부터 기포로 들어 있는 것이 아니다

먼저 가장 중요한 사실부터 알아보겠습니다.

탄산음료에 들어 있는 이산화탄소(CO₂)의 대부분은 밀봉 상태에서 우리가 보는 큰 기포 형태로 들어 있는 것이 아닙니다.

상당량이 액체에 용해된 상태로 존재합니다.

탄산음료를 제조할 때는 압력을 이용해 CO₂를 음료에 녹입니다.

밀봉된 병이나 캔 내부에서는 CO₂의 높은 부분압력이 유지되기 때문에 많은 이산화탄소가 액체 속에 머무를 수 있습니다.

따라서 아직 개봉하지 않은 투명한 탄산음료 병을 가만히 보면 음료 내부에 기포가 거의 보이지 않을 수 있습니다.

그렇다고 탄산이 없는 것은 아닙니다.

CO₂가 눈에 보이지 않는 용존 상태로 존재하고 있는 것입니다.

뚜껑을 열면 무엇이 달라질까?

탄산음료의 뚜껑을 여는 순간 중요한 변화가 일어납니다.

밀폐된 용기 내부의 압력이 외부 대기압 방향으로 빠르게 낮아집니다.

기체의 액체에 대한 용해도를 설명하는 대표적인 관계가 헨리의 법칙(Henry’s law)​입니다.

일정한 온도에서 액체와 접촉하는 특정 기체의 부분압력이 높을수록 그 기체는 액체에 더 많이 녹아 있을 수 있습니다.

반대로 CO₂ 부분압력이 낮아지면 평형 상태에서 액체가 유지할 수 있는 CO₂ 농도 역시 낮아집니다.

따라서 병을 열어 압력을 낮추면 음료에 녹아 있던 CO₂ 중 일부가 새로운 조건에서는 액체에 계속 머물기 어려워집니다.

과포화 상태란 무엇일까?

개봉 직후의 탄산음료에는 새로운 압력 조건에서 평형적으로 유지할 수 있는 양보다 많은 CO₂가 녹아 있을 수 있습니다.

이러한 상태를 이해할 때 과포화(supersaturation)​라는 개념이 중요합니다.

쉽게 표현하면 액체가 현재의 압력 조건에서 안정적으로 유지할 수 있는 수준보다 더 많은 기체를 품고 있는 상태입니다.

따라서 CO₂는 액체에서 기체 상태로 이동하려는 경향을 갖게 됩니다.

하지만 여기서 흥미로운 문제가 생깁니다.

CO₂가 빠져나가고 싶다고 해서 액체 내부 아무 곳에서나 즉시 수많은 기포가 만들어지는 것은 아닙니다.

기포가 처음 만들어지는 과정에도 장벽이 있기 때문입니다.

기포를 처음 만드는 것은 생각보다 어렵다

기포 하나가 만들어지려면 액체 속에 새로운 기체-액체 경계면이 형성되어야 합니다.

그런데 액체에는 표면장력이 존재합니다.

아주 작은 기포일수록 표면장력의 영향 때문에 안정적으로 존재하기 어려울 수 있습니다.

완벽하게 균일한 액체 내부에서 아무런 도움 없이 기포가 새롭게 생겨나는 것을 균일 핵생성(homogeneous nucleation)​이라고 합니다.

일상적인 탄산음료에서는 이러한 방식보다 다른 과정이 훨씬 중요합니다.

바로 불균일 핵생성(heterogeneous nucleation)​입니다.

핵생성 지점이란 무엇일까?

불균일 핵생성은 액체 내부의 입자나 용기 표면의 작은 틈 등 기존 구조의 도움을 받아 기포가 형성되는 과정입니다.

이때 기포가 만들어지기 쉬운 장소를 핵생성 지점(nucleation site)​이라고 부릅니다.

예를 들어

• 컵 표면의 미세한 흠집
• 작은 홈이나 틈
• 먼지
• 미세한 입자
• 섬유
• 표면에 붙어 있는 작은 기체 공간

등이 기포 형성에 관여할 수 있습니다.

특히 미세한 틈 안에 작은 기체가 남아 있다면 CO₂가 그곳으로 이동하면서 기포가 성장하기 쉬워집니다.

왜 항상 같은 곳에서 기포가 생길까?

투명한 컵에 탄산수를 따른 뒤 컵 벽을 자세히 관찰해보세요.

어떤 지점에서는 기포가 계속 만들어지지만 바로 옆에서는 거의 만들어지지 않을 수 있습니다.

그 이유는 기포가 계속 생기는 위치에 효과적인 핵생성 지점이 존재할 가능성이 있기 때문입니다.

처음 작은 기포가 만들어집니다.

주변 액체 속의 CO₂가 그 기포로 이동합니다.

기포가 점점 커집니다.

충분히 커지면 부력에 의해 표면에서 떨어져 위로 올라갑니다.

그런데 핵생성 지점 자체는 그대로 남아 있을 수 있습니다.

그러면 같은 위치에서 다시 새로운 기포가 만들어집니다.

이 과정이 반복되면서 한 지점에서 기포가 줄지어 올라오는 모습이 나타납니다.

작은 섬유 하나가 기포 공장이 될 수도 있다

샴페인과 탄산음료의 기포를 연구한 연구자들은 유리잔 내부의 미세한 섬유 등이 기포 생성에 중요한 역할을 할 수 있다는 사실을 관찰해 왔습니다.

작은 셀룰로오스 섬유에는 미세한 기체 공간이 남을 수 있습니다.

이 기체 공간으로 액체에 녹아 있던 CO₂가 이동하면 기포가 성장합니다.

기포가 충분히 커져 떨어져 나간 뒤에도 섬유 안에는 새로운 기포가 시작될 수 있는 조건이 남을 수 있습니다.

그래서 눈에는 거의 보이지 않는 작은 섬유 하나가 반복적으로 기포를 만들어내는 장소가 될 수 있습니다.

컵에 흠집이 많으면 기포도 많아질까?

가능성은 있지만 단순히 흠집의 개수만으로 결정되지는 않습니다.

모든 흠집이 효과적인 핵생성 지점이 되는 것은 아니기 때문입니다.

흠집의 모양과 크기, 내부에 기체가 유지될 수 있는지, 표면의 젖음성 등 여러 조건이 영향을 줍니다.

따라서

“컵이 거칠면 무조건 탄산이 몇 배 빨리 빠진다.”

처럼 단정할 수는 없습니다.

하지만 표면의 미세한 구조가 기포 핵생성에 영향을 줄 수 있다는 원리 자체는 탄산음료와 샴페인의 기포 연구에서 잘 알려져 있습니다.

기포는 만들어진 뒤 어떻게 커질까?

아주 작은 기포가 핵생성 지점에서 만들어졌다고 가정해보겠습니다.

개봉된 탄산음료에는 아직 많은 CO₂가 용해되어 있습니다.

주변 액체의 CO₂가 기포 내부로 이동하면서 기포가 성장할 수 있습니다.

이를 이해하려면 확산(diffusion)​이라는 개념이 중요합니다.

액체 속 CO₂ 분자는 농도와 화학 퍼텐셜 차이에 따라 기포 쪽으로 이동할 수 있습니다.

그 결과 처음에는 아주 작았던 기포가 점점 커집니다.

기포는 왜 동그랗게 생겼을까?

탄산음료 속 작은 기포는 대체로 둥근 형태를 보입니다.

이것은 표면장력과 관련이 있습니다.

액체와 기체 사이에는 경계면이 존재합니다.

표면장력은 가능한 한 이 경계면의 면적을 줄이는 방향으로 작용합니다.

같은 부피를 가진 형태 가운데 구형은 표면적을 최소화할 수 있기 때문에 자유로운 작은 기포는 대체로 구형에 가까운 모습을 갖게 됩니다.

다만 기포가 컵 표면에 붙어 있거나 주변 유동이 강하면 완벽한 구형에서 벗어날 수 있습니다.

기포는 왜 위로 올라갈까?

기포가 충분히 성장하면 컵 벽이나 핵생성 지점에서 떨어져 나옵니다.

그 후에는 위로 올라갑니다.

핵심은 부력입니다.

CO₂가 들어 있는 기포는 주변 액체보다 밀도가 훨씬 낮습니다.

따라서 중력장 안의 액체에서는 기포에 위쪽 방향의 부력이 작용합니다.

기포가 표면에 붙어 있게 만드는 힘보다 떠오르게 하는 힘이 충분히 커지면 기포가 떨어져 상승합니다.

올라가면서 기포가 더 커지는 이유

탄산음료의 기포를 자세히 보면 아래쪽에서 작았던 기포가 위로 올라가면서 커지는 경우가 있습니다.

여기에는 여러 현상이 관여합니다.

기포가 상승하는 동안에도 주변 액체에는 CO₂가 녹아 있습니다.

따라서 CO₂가 계속 기포 안으로 확산될 수 있습니다.

또한 액체 속 깊이에 있을 때보다 표면에 가까워질수록 기포에 작용하는 정수압도 감소합니다.

이런 조건들이 기포 크기의 변화에 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 기포는 단순히 처음 만들어진 크기를 그대로 유지하면서 올라가는 것이 아닙니다.

기포가 표면에 도착하면 어떻게 될까?

기포가 액체 표면에 도착하면 얇은 액막을 가진 구조를 형성한 뒤 결국 터질 수 있습니다.

이 과정에서 기포 안의 CO₂가 대기로 방출됩니다.

즉,

액체 속 CO₂ → 기포 → 상승 → 표면 → 대기

라는 경로를 통해 이산화탄소가 음료 밖으로 빠져나가는 것입니다.

이 과정이 계속되면 음료에 남아 있는 용존 CO₂의 양이 점차 줄어듭니다.

결국 우리가 말하는 ‘김 빠진 탄산음료’가 됩니다.

거품과 기포는 같은 것일까?

일상에서는 두 단어를 비슷하게 사용하지만 물리적으로는 조금 구분해서 생각할 수 있습니다.

액체 내부를 하나씩 올라오는 것은 개별 기포(bubble)​입니다.

반면 많은 기포가 액체 표면에 모여 얇은 액막으로 분리된 구조를 형성하면 거품(foam)​이라고 할 수 있습니다.

음료의 성분에 따라 거품의 안정성도 달라집니다.

예를 들어 맥주는 단백질 등 거품을 안정화하는 성분의 영향을 받기 때문에 거품층이 비교적 오래 유지될 수 있습니다.

반면 일반적인 탄산수에서는 표면의 기포가 상대적으로 빠르게 사라지는 모습을 볼 수 있습니다.

따라서 같은 CO₂ 기포라도 음료의 조성에 따라 최종적으로 보이는 거품은 달라질 수 있습니다.

탄산수와 콜라의 기포도 완전히 같을까?

기포를 만드는 기본적인 CO₂ 원리는 비슷합니다.

하지만 음료의 성분은 다릅니다.

콜라나 사이다에는 당류 또는 감미료, 산, 향료와 기타 성분이 들어 있습니다.

이러한 성분은 액체의 점도, 표면 특성 및 거품 안정성 등에 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 같은 정도로 탄산화되어 있더라도 기포의 크기나 거품의 유지 시간 등이 완전히 같다고 볼 수는 없습니다.

잔을 일부러 가공해 기포를 만들 수도 있다

흥미롭게도 일부 탄산음료나 스파클링 와인용 잔은 바닥에 미세한 패턴이나 흠집을 의도적으로 만들어 놓기도 합니다.

이런 구조는 기포가 형성되는 핵생성 지점 역할을 할 수 있습니다.

그러면 특정 위치에서 기포가 지속적으로 올라오는 시각적 효과를 만들 수 있습니다.

즉, 기포가 생기는 위치는 우연에만 맡겨지는 것이 아니라 잔의 표면을 설계해 조절할 수도 있는 현상입니다.

멘토스를 넣으면 왜 기포가 폭발적으로 만들어질까?

이제 유명한 멘토스와 탄산음료 실험도 이해할 수 있습니다.

멘토스 표면에는 수많은 미세한 구조가 존재합니다.

탄산음료에 멘토스를 넣으면 많은 핵생성 지점이 한꺼번에 음료 속으로 들어갑니다.

그 결과 매우 많은 CO₂ 기포가 짧은 시간에 형성되고 성장할 수 있습니다.

기포가 액체를 위로 밀어 올리면서 유명한 분수 현상이 발생합니다.

이를 흔히 ‘화학반응’이라고 생각하지만 핵심적인 원리 중 하나는 급격한 CO₂ 기포 핵생성과 방출입니다.

얼음을 넣었을 때 기포가 생기는 것도 같은 원리일까?

기본 원리 중 하나는 같습니다.

얼음 표면에도 미세한 균열과 불규칙한 구조, 갇힌 기체 등이 존재할 수 있습니다.

이러한 곳이 핵생성 지점 역할을 하면 얼음 주변에서 CO₂ 기포가 만들어집니다.

그래서 탄산음료에 얼음을 넣었을 때 얼음 표면에서 작은 기포가 줄줄이 올라오는 모습을 볼 수 있습니다.

다만 얼음은 동시에 음료를 냉각하기 때문에 CO₂의 용해도에도 영향을 줍니다.

따라서 얼음과 멘토스에서 나타나는 현상의 강도와 전체 과정은 동일하지 않습니다.

빨대 주변에서 기포가 생기는 이유도 같다

빨대 역시 새로운 표면을 제공합니다.

빨대의 작은 흠집이나 표면 구조에 기체가 자리 잡으면 핵생성 지점 역할을 할 수 있습니다.

그래서 빨대를 탄산음료에 넣으면 특정 위치에서 작은 기포가 만들어지는 모습을 볼 수 있습니다.

컵, 얼음, 빨대, 먼지, 섬유처럼 서로 전혀 다른 물체들이 탄산음료 속에서는 같은 과학 원리로 연결되는 것입니다.

그 공통점이 바로 기포가 시작될 수 있는 장소를 제공한다는 것입니다.

기포가 많으면 탄산이 더 강하다는 뜻일까?

반드시 그렇지는 않습니다.

기포가 많이 보인다는 것은 액체 속 CO₂가 활발하게 기체 상태로 빠져나오고 있다는 의미일 수도 있습니다.

즉, 눈앞에서는 탄산이 매우 강해 보이지만 동시에 음료가 CO₂를 잃고 있는 중일 수 있습니다.

우리가 입안에서 느끼는 탄산감 역시 단순히 눈에 보이는 기포 개수만으로 결정되지 않습니다.

CO₂의 화학적 자극, 온도, 음료 성분, 입안에서의 흐름 등이 함께 영향을 줍니다.

따라서

기포가 많다 = 탄산 함량이 무조건 높다

라고 해석해서는 안 됩니다.

시간이 지나면 왜 기포가 거의 사라질까?

탄산음료를 컵에 따라 오랫동안 두면 처음에는 활발했던 기포가 점차 줄어듭니다.

액체 속 CO₂가 계속 대기로 빠져나가면서 과포화 정도가 낮아지기 때문입니다.

기포를 성장시키는 데 필요한 CO₂의 구동력이 줄어들면 핵생성 지점이 존재하더라도 기포 성장이 이전만큼 활발하지 않게 됩니다.

충분한 시간이 지나면 음료는 대기 조건과 더 가까운 평형 상태를 향해 갑니다.

우리가 마셨을 때도 탄산 특유의 톡 쏘는 느낌이 크게 줄어듭니다.

기포 하나의 일생을 정리하면?

탄산음료 속 기포 하나가 태어나 사라지는 과정을 간단히 정리해볼 수 있습니다.

먼저 탄산음료의 뚜껑이 열립니다.

압력이 낮아지면서 액체는 CO₂에 대해 과포화된 상태가 될 수 있습니다.

컵의 흠집이나 미세한 섬유 등에 존재하는 기체 공간에서 작은 기포가 시작됩니다.

주변 액체의 CO₂가 기포로 이동하면서 기포가 성장합니다.

기포가 충분히 커지면 부력에 의해 표면에서 떨어져 위로 상승합니다.

상승하는 동안에도 CO₂가 유입되면서 크기가 달라질 수 있습니다.

마침내 액체 표면에 도달한 기포가 터지면 안에 있던 CO₂가 대기로 방출됩니다.

이를 한 줄로 표현하면,

압력 감소 → 과포화 → 핵생성 → CO₂ 확산 → 기포 성장 → 부력에 의한 상승 → 표면에서 파열 → CO₂ 대기 방출

입니다.

핵심 정리

탄산음료의 기포는 아무 곳에서나 갑자기 마법처럼 만들어지는 것이 아닙니다.

밀봉된 탄산음료에는 압력에 의해 많은 이산화탄소가 액체에 녹아 있습니다.

뚜껑을 열면 압력이 낮아지고 새로운 조건에서 음료는 CO₂에 대해 과포화 상태가 될 수 있습니다.

하지만 액체 내부에서 새로운 기포를 처음 만드는 데에는 에너지 장벽이 있습니다.

그래서 실제 탄산음료에서는

컵의 미세한 흠집, 작은 입자, 섬유, 얼음이나 빨대의 표면처럼 기체가 자리 잡을 수 있는 핵생성 지점

이 중요합니다.

그곳에서 작은 기포가 만들어지면 주변 액체 속 CO₂가 기포로 이동합니다.

기포는 성장하고, 충분히 커지면 부력에 의해 위로 올라갑니다.

그리고 표면에서 터지면서 CO₂를 대기로 방출합니다.

따라서 우리가 탄산음료 컵에서 보는 수많은 기포는 단순한 장식이 아닙니다.

그 하나하나는 눈에 보이지 않던 용존 이산화탄소가 액체를 떠나 기체 상태로 돌아가는 과정을 직접 보여주고 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., Modeling the Kinetics of Bubble Nucleation in Champagne and Carbonated Beverages, The Journal of Physical Chemistry B, 2006.
• Liger-Belair G., 탄산음료와 샴페인의 기포 핵생성·성장·CO₂ 방출에 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 용해도와 탄산화 관련 교육 자료.