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1. 콜라와 멘토스의 폭발 실험을 통한 표면장력 탐구
1.1. 탐구 주제 및 배경
본 연구는 콜라와 멘토스를 사용한 폭발 실험을 통해 표면장력의 역할을 알아보고자 한다. 과학재량 시간을 통해 평소에 직접 실험해 보고 싶었던 자주적 탐구를 해보고자 하였으며, 특히 콜라와 멘토스의 폭발 현상에 흥미를 느껴 이를 주제로 선정하였다.
우연히 올림피아드 공통과학 분야에 참가하게 되면서 멘토스를 다이어트 콜라에 넣으면 폭발하게 된다는 문제를 접하게 되었다. 이에 흥미를 느껴 인터넷을 찾아본 결과, 유튜브 동영상에서 콜라와 멘토스의 폭발하는 장면을 볼 수 있었다. 이러한 배경에서 우리는 이 탐구를 통해 표면장력이라는 이해하기 어려울 수 있는 과학 개념에 대해 좀 더 친근감 있게 다가갈 수 있게 하고자 하였다.
1.2. 선행 연구 및 관련 이론
선행 연구 및 관련 이론은 다음과 같다.
먼저 표면장력에 대한 사전 조사 결과, 액체의 자유표면에서 표면을 작게 하려고 작용하는 장력을 말하며 계면장력이라고도 한다. 액면 부근의 분자가 액체 속의 분자보다 위치에너지가 크기 때문에 액체는 표면적에 비례하는 표면 에너지를 가지고, 이로 인해 표면장력이 생긴다. 물 분자들끼리는 서로 당기는 힘 때문에 물은 표면을 가장 작게 유지하려고 하는 힘이 생기는데 이 힘을 표면장력이라고 한다. 표면장력의 세기에 영향을 주는 요소에는 표면적, 용매와 용질, 온도, 가라않는 물질의 구성 등이 있다. 이와 관련된 수식도 제시되어 있다. 표면장력은 고체상태와 기체상태에서는 작용하지 않고 액체 상태에서 작용한다.""
다음으로 멘토스의 성분에 대해 살펴본 결과, 멘토스의 주성분 중 하나인 아라비아 고무와 콜라의 탄산염이 결합하여 다량의 이산화탄소를 발생시킨다. 또한 멘토스 표면에 나있는 수많은 미세한 구멍이 이 반응을 더욱 가속시킨다. 표면에 미세한 구멍이 많다는 것은 구멍난 만큼 콜라와 멘토스의 접촉면적이 넓어지는 것을 의미한다.""
마지막으로 과학적인 원인을 조사한 결과, 멘토스가 콜라의 표면장력을 약화시켜 이산화탄소가 급격히 분출되기 때문에 콜라가 폭발하게 된다는 것이 확인되었다. 즉, 멘토스 표면에 있는 아라비아 고무가 물의 표면장력을 약화시키는 데 기여하며, 멘토스 표면에 있는 수많은 홈에 이산화탄소 분자들이 달라붙어 거품이 되는 '표면 촉매' 현상이 일어난다고 볼 수 있다.""
1.3. 탐구 방법 및 내용
'1.3. 탐구 방법 및 내용'은 다음과 같다.
준비물로는 콜라, 다이어트 콜라, 이온음료, 사탕, 멘토스(민트향), 바닐라 아이스크림 등이 사용되었다. 실험은 운동장으로 나가 진행되었다. 각각의 음료병에 뚜껑을 열고 종이로 빨대를 만들어 고정하였다. 그 후 멘토스, 사탕, 바닐라 아이스크림을 각각 다른 음료에 넣었으며, 그 후의 상황을 관찰하고 기록하였다.
실험을 통해 예상되는 결과는 첫째, 콜라와 다이어트 콜라에서 폭발이 있을 것이나 다이어트 콜라가 더 잘 폭발할 것이라는 점, 둘째, 사탕과 멘토스, 바닐라 아이스크림의 반응이 같을 것이라는 점, 셋째, 이온음료에서는 반응이 없을 것이라는 점이었다.
1.4. 1차 실험 결과와 고찰
이번 실험에서 조사했던 과학이론과 가설과는 다른 결과가 나왔다. 그 이유로 몇 가지를 생각해 보았다.
첫 번째로는 사탕을 제대로 사용하지 못해서일 것이다. 우리는 박하맛 멘토스를 구할 수가 없어서 과일맛 멘토스를 사용하였다. 하지만 조사한 과학적 이론에 의하면 박하성분에 의한 화학적 반응의 영향을 무시할 수 없었다.
두 번째로는 다이어트 콜라보다 일반 콜라가 더 폭발이 자 일어났는데, 이것은 우리가 구매에서 실험장소까지 운반하는 과정에서 흔들리는 정도의 차이에 의해서 뚜껑을 여는 순간 날아간 기체의 양이 달라서인 듯 하다.
세 번째로는 보통 유튜브에서 나온 영상과는 다른 회사의 다이어트 콜라를 사용함으로써 유튜브 속 콜라에 비해 우리가 사용한 콜라에는 아스파탐 말고도 반응을 억제하는 다른 물질이 들어 갔다고 생각 할 수도 있다.
네 번째로는 멘토스등의 물질을 넣을 때는 한 번에, 그리고 동시에 넣어야 하는데 투여 과정에서 지체가 있었다.
마지막 오차의 원인은 부끄럽지만 우리가 제대로 계획을 체계적으로 세우지 못하였다.
이상 5가지를 ...
