대기 중 이산화탄소 측정 실험 방법 설계

이산화탄소(CO₂)는 대표적인 온실가스로, 대기 중 농도 증가는 지구 온난화와 밀접한 관련이 있습니다. 대기 중 CO₂의 농도를 직접 측정하거나 시각적으로 관찰할 수 있는 간단한 실험을 통해 학생들이 기체의 존재를 확인하고 환경 변화에 대한 과학적 탐구를 할 수 있습니다. 본문에서는 석회수, 지시약, 센서 등을 활용한 다양한 CO₂ 측정 방법을 설계합니다.

실험 목표

대기 중 또는 호흡 중에 포함된 이산화탄소의 존재를 시각적으로 확인하고, 그 농도를 간단한 방법으로 비교 측정하여 CO₂의 양이 환경에 따라 어떻게 달라지는지 분석한다.

이산화탄소 측정 원리

CO₂는 물에 녹으면 탄산(H₂CO₃)을 형성하고, 이는 다시 수소이온(H⁺)을 내놓아 용액을 산성으로 만듭니다.

$$\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{CO}_3 \rightarrow \text{H}^+ + \text{HCO}_3^-$$

이를 이용해 다음과 같은 방법으로 CO₂ 존재를 확인할 수 있습니다:

• 석회수(Ca(OH)₂) 혼탁화 반응
• BTB 용액 색 변화
• 디지털 CO₂ 센서를 이용한 정량 측정

실험 준비물

• 석회수(Ca(OH)₂ 용액)
• BTB 지시약(브로모티몰블루)
• 투명 페트병, 비커, 빨대
• 기체 포집용 플라스틱 튜브
• 디지털 CO₂ 센서 (선택)
• 식물 화분, 양초, 입김 등 CO₂ 생성원

실험 1: 석회수 혼탁화 반응

실험 방법

1. 석회수를 투명한 비커에 50mL 정도 넣습니다.
2. 빨대를 이용해 입김을 1~2분 불어 넣습니다.
3. 석회수가 점차 하얗게 흐려지는지 관찰합니다.

반응식

$$\text{Ca(OH)}_2 + \text{CO}_2 \rightarrow \text{CaCO}_3↓ + \text{H}_2\text{O}$$

관찰 결과

• 입김 속 CO₂와 반응하여 석회수가 혼탁해지면 CO₂ 존재를 확인

실험 2: BTB 용액을 이용한 산성도 변화 관찰

실험 방법

1. BTB 용액(노란색: 산성, 초록: 중성, 파랑: 염기성)을 증류수와 혼합하여 준비합니다.
2. 3개의 컵에 각각 BTB 용액을 넣고 다음 조건을 설정합니다:
   • A: 대기 중 방치 (대조군)
   • B: 입김 불기 (호흡 CO₂)
   • C: 양초를 컵 안에 태운 후 BTB 추가
3. 10~15분 후 색 변화 비교

예상 색 변화

• 입김 또는 양초 연소 후: BTB가 노란색으로 변함 → CO₂에 의해 산성화
• 대조군: 초록색 또는 파란색 유지 → CO₂ 농도 낮음

실험 3: 디지털 CO₂ 센서를 이용한 정량 비교 (선택)

실험 환경 설정

• CO₂ 센서를 교실, 창가, 식물 옆, 호흡기 근처 등 다양한 위치에서 측정
• 측정 단위: ppm (parts per million)

예상 비교 결과

측정 위치	CO₂ 농도(ppm)	해석
실내 일반	400~600ppm	정상 대기 수준
사람 입김 근처	1000~2000ppm	호흡으로 인한 CO₂ 증가
양초 연소 후 컵 내부	2000ppm 이상	연소로 인한 CO₂ 급증
식물 옆 (광합성 시)	350ppm 이하	광합성으로 CO₂ 흡수

실험 확장 아이디어

• 식물 유무에 따른 CO₂ 농도 변화 측정
• 밀폐 공간 내에서 시간에 따른 CO₂ 농도 증가 분석
• 석회수 탁도 정량화(비색법) 실험 도입
• BTB 색 변화 영상 분석으로 농도 정량화 시도

주의사항

• 석회수는 알칼리성이므로 눈에 튀지 않도록 주의
• 양초 실험은 불꽃 주의 및 환기 필수
• 디지털 센서는 충전 및 보정 상태 확인 후 사용

결론

이산화탄소는 대기 중에 존재하며 호흡, 연소, 생물학적 작용 등으로 생성됩니다. 본 실험에서는 석회수 혼탁화, BTB 색 변화, 디지털 센서 측정을 통해 CO₂의 존재와 양을 다양한 방식으로 확인할 수 있었습니다.

이러한 활동을 통해 기체의 화학 반응성, 지시약의 활용, 대기 조성에 대한 과학적 탐구 능력을 기를 수 있으며, 기후 변화 및 환경 과학과도 연결되는 유익한 실험입니다.