질소 커피(2) 기체 질소, 그리고 기체의 용해도
[ 작성일 : 2021.11. 6 ]
‘얼음 없는 시원하고 부드러운 커피’, ‘기네스 드래프트를 연상시키는 잘고 풍부한 거품’. 질소 커피를 간단하게 묘사할 때 쓸 수 있는 표현입니다. 질소 커피는 기네스 흑맥주를 무척 닮았습니다. 색깔뿐만 아니라 기포와 거품의 모양도 기네스 드래프트와 흡사한데요. 과학적 원리가 궁금하진 않으신가요? 두 번에 걸쳐 원리를 파악해 보겠습니다. 그 첫 번째인 이번 포스팅에서는 질소라는 물질과 함께 중학교 과학시간에 배웠던 기체의 용해도부터 시작합니다.
글의 순서
질소 커피를 만드는 질소에 대해
용해도 : 중학 과학에서 배웠던 …
기체의 용해도
기체의 용해도를 실감할 수 있는 현상
질소 커피를 만드는 질소에 대해
질소는 공기의 구성요소 중 78%를 차지하는 기체입니다. 질소의 원소 기호는 N이고, 녹는점은 -210℃, 끓는점은 –196℃입니다, 질소는 색깔도, 냄새도, 맛도 없습니다. 독성도 없고, 불도 붙지 않습니다.
지구상의 모든 생명체에서 발견되는 원소이기도 한데, 아미노산, 핵산(DNA 그리고 RNA)에서 질소 원소가 발견됩니다. 지구상의 생명체 중 하나인 사람의 몸에도 산소, 탄소, 수소 다음으로 질소가 많이 들어있습니다.
질소 기체는 상온에서 화학적으로 비활성입니다. 식품의 신선도를 유지하는데 질소 기체를 이용하는데, 과자 봉지뿐만 아니라 우리가 좋아하는 인스턴트 커피믹스 봉지에도 질소가 충전되어 있습니다. 질소의 끓는점이 –196℃인 만큼, 액체 상태의 질소는 식품의 냉동이나 식품 건조에 사용하기에 적합한데, 부패하기 쉬운 상품을 수송할 때 냉동제로도 쓰입니다. 액화 질소는 산소나 수소 분자에 비해 안정적이므로 실험실에서 시료를 얼려서 보관하는데 널리 이용되고 있습니다.
용해도 : 중학 과학에서 배웠던 …
질소 커피나 기네스 드래프트의 기포를 이해하기 위해서는 용해도에 대해서 복습해 볼 필요가 있습니다. 잠시 중학교 과학시간으로 가보겠습니다. 먼저 ‘용해’부터 살펴보겠습니다.
용해도에서 용해는 한 물질이 다른 물질에 녹아 고르게 섞이는 현상을 말합니다. 설탕물은 설탕이 물에 용해된 것입니다. 여기서 설탕을 용질, 물을 용매라고 하는데, 용질은 녹는 물질이며, 용매는 다른 물질을 녹이는 물질입니다. 용질인 설탕이 용매인 물에 고르게 섞여있는 설탕물을 용액이라고 합니다. 용액을 부를 때는 설탕물처럼 용질의 이름을 먼저, 용매의 이름을 나중에 부릅니다.
용해도는 어떤 특정한 온도에서 용매 100g에 최대로 녹을 수 있는 용질의 g수를 말합니다. 용해도는 용매와 용질의 종류, 온도에 따라 달라집니다. 용질이 설탕처럼 고체인 경우 일반적으로 온도가 높을수록 증가하며, 압력의 영향을 거의 받지 않습니다. 그렇기 때문에 고체의 용해도를 나타낼 때는 용매의 종류와 온도를 표시해야 합니다.
기체의 용해도
드디어 기체의 용해도에 대해 알아볼 차례입니다. 기체의 용해도는 온도가 낮을수록, 압력이 높을수록 증가합니다. 고체의 용해도가 온도가 높을수록 증가하며, 압력의 영향을 거의 받지 않는 것과 비교됩니다.
이 현상은 콜라가 콜라병에 담겨 있을 때와 콜라 잔으로 부어졌을 때 의 현상을 생각해보면 이해하기 쉽습니다. 톡 쏘는 콜라에는 탄산가스가 들어있습니다.
▶ 콜라가 콜라병에 들어 있을 때
물의 온도를 낮추고 압력을 높여서 탄산가스를 물에 녹일 수 있었습니다. 저온, 고압 상태에서 이산화탄소를 물에 녹인 후 병에 넣고 밀봉하였습니다. 병 안의 용액은 압력이 가해져있는 상태이기 때문에 이산화탄소는 웬 만큼의 온도 변화에서도 그대로 녹아 있습니다. 그래서 콜라병에 담긴 콜라에서는 기포가 잘 보이지 않습니다. 여기서 기포는 바로 이산화탄소가 녹아있지 못하고 물에서 빠져나온 덩어리입니다.
▶ 콜라를 잔에 부었을 때
콜라 마개를 따는 순간 기포가 생기며, 따를 때 더 많은 기포가 발생합니다. 콜라병 속에 들어 있을 때는 고압 상태였었는데, 콜라 병을 빠져나오는 순간 압력이 대기압으로 낮아졌기 때문에 이산화탄소가 녹아있지 못하고 튀어 나온 것입니다. 이는 압력이 낮아졌기 때문에 용해도가 떨어져서 발생한 현상입니다. 여기에 콜라 잔 주위의 온도까지 높다면, 더 빠르게 기포가 만들어집니다. 정리해보면, 우리 눈으로 볼 수 있는 콜라의 기포는 기체의 용해도가 감소하는 것을 보여주는 척도입니다.
기체의 용해도를 실감할 수 있는 현상
기체의 용해도는 온도가 낮을수록, 압력이 높을수록 증가합니다. 온도와 압력의 관점에서 기체의 용해도를 실감할 수 있는 현상을 살펴보겠습니다.
▶ 온도가 높아져서 기체의 용해도가 감소하는 현상
여름철은 기온이 높습니다. 더운 여름철에 물고기가 수면 가까이 올라와서 입을 뻐끔 거리는 것을 보신 적 있으신가요? 이는 온도가 높아져 물속의 산소 용해도가 낮아졌기 때문입니다. 물속의 산소가 기포가 되어 밖으로 빠져나간 것입니다. 그래서 물고기는 산소를 흡수하기 위해서 물의 표면까지 올라온 것입니다.
▶ 압력이 낮아져서 기체의 용해도가 감소하는 현상
위에서 말씀드렸던 콜라를 잔에 따르고 난 후 발생하는 기포가 대표적인 현상입니다. 질소 커피도 똑같은 현상을 보입니다. 다만, 기포의 크기가 콜라보다는 작습니다. 질소가 만드는 기포의 크기가 이산화탄소가 만드는 기포의 크기보다 작기 때문입니다. 질소 커피의 기포에 대해서는 다음 포스팅에서 좀더 심도있게 살펴보도록 하겠습니다.
마치며 …
질소 커피는 시원하고 부드러우며, 기네스 드래프트라는 흑맥주를 연상시키기도 합니다. 나이트로 콜드브루, 니트로 커피 등등 질소 커피는 이미 인기 있는 커피전문점 메뉴 중 하나입니다. 커피 애호가로서 질소 커피에 들어있는 과학적 원리를 파악해 보기 위해, 질소라는 물질 자체와 중학교 과학시간에 배웠던 기체의 용해도를 살펴보았습니다.
질소는 공기의 구성요소 중 78%를 차지하는 기체이며, 질소의 녹는점은 -210℃, 끓는점은 –196℃입니다, 질소는 색깔도, 냄새도, 맛도 없습니다. 독성도 없고, 불도 붙지 않습니다. 식품의 신선도를 유지하는데 질소 기체를 이용하는데, 과자 봉지뿐만 아니라 우리가 좋아하는 인스턴트 커피믹스 봉지에도 질소가 충전되어 있습니다.
용해도에서 용해는 한 물질이 다른 물질에 녹아 고르게 섞이는 현상을 말하며, 용해도는 용해의 정도를 나타낸 것입니다. 설탕물로 고체의 용해도를, 콜라로부터 기체의 용해도를 이해해 보았습니다. 기체의 용해도는 온도가 낮을수록, 압력이 높을수록 증가합니다. 고체의 용해도가 온도가 높을수록 증가하며, 압력의 영향을 거의 받지 않는 것과 비교됩니다.
기체의 용해도는 질소 커피를 따라 놓은 잔에서 볼 수 있는 폭포(cascade) 현상을 통해서 더 자세히 이해해보도록 하겠습니다.
연관 포스팅 :
1. 질소 커피(1) 기네스 드래프트 맥주와 질소 커피
2. 건강을 위한 커피추출방법 콜드브루 커피, 그리고 콜드브루 커피 레시피
참고자료
[1][네이버 지식백과] 질소 [nitrogen, 窒素] (두산백과)
[2][네이버 지식백과] 질소 [nitrogen] (화학백과)
[3][네이버 지식백과] 용해도 (비상학습백과 중학교 과학 ②)
[4] Coca-Cola(2021), Coca-Cola with Coffee – “Bubbles” :15