탄산음료 뒤에 숨은 거품의 화학

마이애미 대학교 화학 및 생화학 교수

Michael W. Crowder는 항생제 내성에 대한 연구를 수행하기 위해 국립 보건원(National Institutes of Health)으로부터 자금을 지원받고 버번의 특성에 대한 연구를 수행하기 위해 Sazerac Corp 및 MineXAI로부터 자금을 받습니다.

마이애미 대학교는 The Conversation US의 회원으로서 자금을 제공합니다.

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많은 사람들이 탄산음료, 샴페인, 맥주 또는 탄산수의 상쾌한 거품을 좋아합니다. 한 모금을 마시면 음료 속의 가스거품이 터지고, 방출된 가스가 코를 간지럽힌다. 그러나 탄산화가 실제로 어떻게 작동하는지 궁금한 적이 있습니까?

저는 화학과 발효 수업을 가르치는 교수이자 탄산음료 매니아이자 홈 브루어입니다. 탄산화의 기본 과정은 상대적으로 간단하지만 온도부터 표면 장력까지 다양한 요소가 음료의 맛과 품질에 영향을 미칠 수 있습니다.

탄산화는 무색, 무취의 이산화탄소(CO2) 가스를 액체에 용해시키는 과정을 포함합니다. 밀봉된 물이 담긴 병이나 캔에 이산화탄소를 추가하면 병이나 캔 안의 압력이 증가하고 이산화탄소가 액체에 용해됩니다.

액체 위의 CO2와 액체에 용해된 CO2는 화학 평형에 도달합니다. 화학 평형은 본질적으로 CO2가 액체에 용해되는 속도가 액체에서 CO2가 방출되는 속도와 동일함을 의미합니다. 이는 공기와 액체의 CO2 양을 기준으로 합니다.

용해된 CO2의 일부는 물과 반응하여 H2CO₃라는 화학식을 갖는 탄산을 형성합니다. 따라서 용해된 CO2의 일부가 H2CO₃로 변환되면 위의 공기에서 더 많은 CO2가 액체에 용해되어 화학적 평형을 다시 설정할 수 있습니다.

병이나 캔을 열면 탄산수 위의 압력이 병이나 캔 외부의 압력과 일치하도록 떨어집니다. 압력이 해제되면 쉭쉭거리는 소리가 나고, H2CO₃가 다시 CO2로 변환되고 해당 가스가 표면으로 빠져나가면서 액체에서 거품이 솟아오르는 것을 볼 수 있습니다. 음료에 들어있는 탄산 때문에 약간 신맛이 납니다.

탄산화에 영향을 미치는 또 다른 중요한 요소는 온도입니다. 이산화탄소를 포함한 대부분의 기체는 액체의 온도가 상승함에 따라 액체에 잘 녹지 않습니다. 이것이 바로 탄산음료를 실온에 놔두면 묽어지는 이유입니다.

반대로, 좋아하는 탄산음료를 냉장고에 넣어 차갑게 식히면 음료가 밀봉된 동안 더 많은 용해된 이산화탄소가 음료에 남게 됩니다. 차가운 병이나 캔을 열면 차가운 음료에 용해된 이산화탄소가 더 많아 액체의 거품이 더 많이 발생합니다.

탄산화의 마지막 중요한 요소 중 하나는 액체의 표면 장력입니다. 액체의 표면 장력은 액체 분자가 서로 얼마나 강하게 상호 작용하는지에 따라 결정됩니다. 대부분의 음료의 경우 이러한 분자는 물 분자이지만 다이어트 청량음료에는 인공 감미료가 용해되어 있습니다. 이러한 감미료는 물 분자 사이의 상호 작용을 약화시켜 표면 장력을 낮출 수 있습니다. 표면 장력이 낮을수록 이산화탄소 기포가 더 빨리 형성되고 더 오래 지속됩니다.

이것이 얼음에 담긴 다이어트 콜라를 제공하는 데 시간이 조금 더 걸리는 이유이며, 이는 비행기에서 느낄 수 있는 문제입니다. 인공 감미료의 표면 장력이 낮기 때문에 다른 청량 음료에 비해 거품이 더 많고 더 오래 지속됩니다. 그러면 승무원은 컵에 다이어트 콜라를 더 채우기 전에 컵 안의 거품이 터질 때까지 기다려야 합니다.

표면 장력은 멘토스 사탕을 2리터짜리 다이어트 콜라 병에 떨어뜨리는 유명한 멘토스 실험에서 다이어트 콜라가 잘 작동하는 이유이기도 합니다. 캔디는 물 분자와 CO2 분자 사이의 상호 작용을 약화시켜 표면 장력을 낮추고 CO2 분자가 더 쉽게 방출되도록 돕습니다. CO2 분자가 사탕 표면에 빠르게 형성되어 다이어트 콜라를 병 밖으로 밀어내면서 다이어트 콜라의 거품이 이는 "간헐천"이 2리터 병 위로 빠르게 올라갑니다.