본문내용
1. 콜라 폭발 실험을 통한 표면장력 탐구
1.1. 탐구 주제 및 동기
과학 탐구 보고서
콜라 폭발 실험을 통해 표면장력을 낮추는 실험을 함으로써 표면장력의 역할 등을 알아보는 것이 이번 탐구의 주제이다. 이 주제를 선택한 동기는 평소 직접 실험해 보고 싶었던 자주적 탐구를 해보고 싶었기 때문이다. 특히 맨토스를 다이어트 콜라에 넣으면 폭발하게 된다는 문제를 보게 되어 이에 대해 흥미를 느껴 인터넷을 찾아보던 중 콜라와 맨토스가 반응하여 하늘높이 2m 이상 치솟는 장면을 보게 되었다. 따라서 이번 탐구를 통해 표면장력이라는 이해하기 어려울 수도 있는 과학에 대해 좀 더 친근감 있게 다가가고자 한다.
1.2. 선행연구 및 관련이론
1.2.1. 사전적 정의
액체의 자유표면에서 표면적을 작게 유지하려는 장력을 말하며, 계면장력이라고도 한다. 액면 부근의 분자가 액체 속의 분자보다 위치에너지가 크기 때문에 액체는 표면적에 비례하는 표면 에너지를 가지고, 이로 인해 표면장력이 생긴다.
1.2.2. 맨토스의 성분
맨토스의 주성분중 하나인 아라비아 고무와 콜라의 탄산염이 결합하여 다량의 이산화탄소를 발생시킨다. 또 멘토스 표면에 나있는 수많은 미세한 구멍이 이 반응을 더욱 가속시킨다. 표면에 미세한 구명이 많다는 것은 구멍난 만큼 콜라와 멘토스의 접촉면적이 넓어지는 것을 의미하기 때문이다."
1.2.3. 과학적 원인
콜라와 멘토스의 반응으로 인한 거품 분출은 멘토스가 콜라의 표면장력을 낮추면서 이산화탄소가 급격하게 분출되기 때문이다.
멘토스의 표면에는 수많은 홈이 나 있어 이산화탄소 분자들이 달라붙어 거품이 된다. 이를 '표면 촉매' 현상이라고 한다. 멘토스에 함유된 아라비아 고무도 물의 표면장력을 약화시켜 이 반응을 가속화시킨다.
아스파탐이 함유된 다이어트 콜라가 일반 콜라보다 더 큰 폭발을 일으키는 이유는, 아스파탐이 녹은 물의 표면장력이 설탕물보다 작기 때문이다. 따라서 아스파탐도 폭발의 한 원인으로 확인되었다.
전자현미경으로 관찰한 결과, 멘토스 표면에는 수많은 홈이 나있어 이산화탄소 분자들이 달라붙어 거품이 된다. 멘토스 가루나 소금도 거품을 만들어내지만 가라앉는 속도가 느리고 홈이 적어 콜라 거품이 30㎝ 높이로만 솟는다.
1.2.4. 반응을 일으키는 다른 물질
아이스크림 - 설탕을 다량함유하고 있는데다가 아이스크림의 특성상 내부에 기포가 많아서 접촉면적이 넓기 때문이다. 아이스크림에는 설탕이 다량 함유되어 있어 설탕이 탄산과 반응하여 이산화탄소를 발생시킨다. 또한 아이스크림의 내부에는 많은 기포가 존재하므로 접촉면적이 넓어 표면장력이 낮아져 폭발이 일어난다.
홍차가루 - 홍차가루 또한 입자가 고운 가루로서 표면적이 크게 넓어져 폭발을 일으키게 된다. 홍차가루 속의 성분들이 탄산과 반응하여 이산화탄소를 발생시키며, 가루 형태로 인해 넓은 표면적을 가지고 있어 이 과정이 더욱 활발히 일어나 폭발을 야기한다.
1.3. 탐구방법 및 내용
실험 준비를 위해 콜라, 다이어트 콜라, 이온음료, 사탕, 멘토스(민트향), 바닐라 아이스크림 등을 준비하였다"" 이후 실험을 위해 운동장으로 나가 각각의 음료병에 뚜껑을 열고 종이로 만든 빨대를 고정하였다"" 그리고 멘토스, 사탕, 바닐라 아이스크림을 각각 다른 음료에 넣어 그 상황을 관찰하고 기록하는 방법으로 실험을 진행하였다""
1.4. 예상결과 및 실험결과
예상결과로는 첫째, 콜라와 다이어트 콜라는 폭발이 있을 것이나, 다이어트 콜라가 더 잘 폭발할 것이다. 둘째, 사탕과 멘토스, 그리고 바닐라 아이스크림의 반응이 같을 것이다. 셋째, 이온 음료에서는 반응이 없을 것이다.
실험 결과, 첫 번째 실험에서는 예상과는 다르게 콜라가 다이어트 콜라보다 더 잘 폭발한 것으로 나타났다. 이는 실험 과정에서 건전지 교체 시 흔들림의 차이로 인해 발생한 것으로 보인다. 두 번째로는 사탕과 멘토스의 반응은 예상대로 폭발이 일어났으나, 바닐라 아이스크림의 경우 예상과 달리 폭발이 일어나지 않았다. 세 번째로 이온 음료에서도 반응이 없었음을 확인하였다.
전반적으로 실험 결과가 예상과 차이가 있었는데, 이는 실험 과정의 정밀성 부족과 함께 사용한 시료의 성분 차이에 기인한 것으로 볼 수 있다. 따라서 실험 계획과 준비를 더 체계적으로 수행할 필요가 있다는 것을 알 수 있었다.
1.5. 고찰 및 재실험
이번 실험에서 조사했던 과학이론과 가설과는 다른 결과가 나왔다. 그 이유로 몇가지를 생각해 보았다.
첫째, 사탕을 제대로 사용하지 못해서 일 것이다. 실험자들은 박하맛 멘토스를 구할 수가 없어서 과일맛 멘토스를 사용하였다. 하지만 조사한 과학적 이론에 의하면 박하성분에 의한 화학적 반응의 영향을 무시할 수 없었다.
둘째, 다이어트 콜라보다 일반 콜라가 더 폭발이 자 일어났는데, 이것은 실험장소까지 운반하는 과정에서 흔들리는 정도의 차이에 의해서 뚜껑을 여는 순간 날아간 기체의 양이 달라서일 것이다.
셋째, 보통 유투브에서 나온 영상과는 다른 회사의 다이어트 콜라를 사용함으로써 유투브속 콜라에 비해 실험자들이 사용한 콜라에는 아스파탐 말고도 반응을 억제하는 다른 물질이 들어 갔을 수 있다고 생각할 수 있다.
넷째, 멘토스등의 물질을 넣을 때는 한번에, 그리고 동시에 넣어야 하는데 투여과정에서 지체가 있었을 것이다.
마지막으로, 오차의 원인은 부끄럽지만 실험자들이 제대로 계획을 체계적으로 세우지 못하였기 때문이었다.
이상 5가지를 실험 실패의 원인으로 간주하고자 한다. 그래서 실험자들은 실험중에 몇가지 고려 하지 못 한 점에 대해 보강하여 다시 한번 실험해 보고자 한다.
보강하고자 하는 것에는 콜라뿐만 아니라 다른 탄산에서도 일어날 수 있는 지를 확인하기 위해 사이다를 추가하고, 표면적이 넓은 홍차가루도 잘 일어 날 수 있다는 사전 조사에 따라 홍차가루도 실험에 포함해 보고자 한다.
또한 그 외에도 촉매제를 늘리고, 이온음료도 기존과 성분표시가 약간 달랐던 포카리도 포함해 보고자 한다.
1.6. 실험결과 및 결론도출
다이어트 콜라가 일반 콜라보다 더 잘 폭발하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 다이어트 콜라에 함유된 아스파탐이 콜라의 표면장력을 낮추는 데 기여했기 때문이다. 아스파탐이 녹은 물은 설탕물보다 표면장력이 작은 것으로 나타나, 아스파탐도 폭발의 한 원인으로 확인되었다.
멘토스가 콜라에 빠지면 멘토스 표면의 아라비아 고무가 물의 표면장력을 약화시켜, 이산화탄소 거품이 쉽게 빠져나오게 된다. 또한 멘토스 표면에 나있는 수많은 홈에 이산화탄소 분자들이 달라붙어 거품이 생성되는 '표면 촉매' 현상이 일어났다. 멘토스 가루나 소금도 거품을 만들어내지만 가라앉는 속도가 느리고 홈이 적어 콜라 거품이 30cm 높이로만 솟았다.
실험 결과 표면적이 넓은 물질일수록 폭발이 더 잘 일어났다. 홍차가루를 넣었을 때도 폭발이 잘 일어났는데, 이는 홍차가루 또한 입자가 고운 가루로서 표면적이 크게 넓어져 폭발을 일으켰기 때문이다.
따라서 이번 실험을 통해 표면장력이 낮아질수록 이산화탄소 기체가 쉽게 발생하여 폭발이 잘 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 또한 표면적이 넓은 물질일수록 액체와의 접촉면적이 증가하여 화학반응이 더 활발하게 일어나는 것도 확인하였다.
1.7. 참고문헌 및 사이트
다음은 참고문헌 및 사이트에 대한 내용이다.
www.naver.com은 인터넷 포털 사이트로, 콜라 폭발 실험과 관련된 정보를 검색하는데 활용되었다. 이 사이트에서는 맨토스와 콜라의 반응 원리 및 화학적 메커니즘에 대한 설명을 확인할 수 있었다.
www.youtube.com은 동영상 공유 사이트로, 콜라 폭발 실험의 직접적인 모습을 관찰할 수 있었다. 이 사이트에서는...
