이산화탄소를 고압, 저온상태의 조건으로 만들어 주면 드라이아이스(고체탄산)가 되는 것입니다. 얼음과 비슷하게 생겼지만 온도 및 경도등 물리적 성질은 완전히 다릅니다.
첫 번째로 온도에서 큰 차이를 보입니다. 얼음의 온도 0℃인데 반해, 드라이아이스의 온도는 -78.5℃입니다. 온도가 매우 낮으며, 액체상태를 거치지 않고 바로 기체로 변화하는 승화성을 띠기 때문에 주위의 열을 흡수하여 온도를 급격히 낮춥니다. 그러므로 주변 물질을 차갑게 유지시키기 위한 냉각제(신선식품 보관, 아이스크림 보냉 등)로 널리 쓰입니다.
두 번째로 얼음과는 달리 수분을 포함하고 있지 않습니다. 드라이아이스를 밖에 놓아두면, 물을 남기지 않고 승화되어 없어지는데, 이 것이 수분이 없음을 증명합니다. 이러한 이유로 '건조한 얼음' 이라는 뜻의 Dry-Ice 라고 쓰입니다.
세 번째는 경도가 매우 낮습니다. 온도와 크기에 따라 다소 차이를 보이기는 하지만 드라이아스는 얼음에 비해 쉽게 깨지며 약한 석고 이하 (2mohs)의 경도를 보입니다.
마지막으로 상온, 상압에서의 상태 변화는 매우 차이가 큽니다. 얼음은 서서히 녹으며 물로 변하는데 반해, 드라이아이스는 액체상태를 거치지 않고 바로 부피팽창하며 기체로 변하는 대표적인 승화성 물질입니다.
드라이아이스의 상태
오래 전부터 이산화탄소는 용접, 음료, 의학등 다양한 용도로 여러 곳에서 사용했습니다. 하지만 기체이산화탄소는 부피가 크고 보관이 어려워, 20세기 중반 압축 액화하여 압력용기로 판매되기 시작하였으며 그 과정에서 드라이아이스가 세상에 나오게 되었습니다. 이렇듯 이산화탄소는 액체, 고체, 기체 상태로 존재할 수 있습니다.
좌측의 상평형도는, 압력과 온도에 따른 이산화탄소의 상태를 보여 줍니다.
l = liquid(액체) s = solid(고체) v=vapor(기체)
이 표에서 보는바와 같이 이산화탄소는 1기압에서 -78.5℃의 고체상태(드라이아이스)로 존재하게 됩니다. 액체상태로 존재하기 위해서는 높은 압력이 필요하다는 것을 알수 있습니다. Triple point (삼중점)은 액체,고체,기체가 공존하는 포인트 입니다.
드라이아이스의 활용
우리는 이러한 드라이아이스의 물리적 성질을 세척에 활용하고 있습니다.
직경 2.5mm-3.5mm 의 작은 드라이아이스 알갱이들을 고압 분사하여, 표면을 세척하는 것입니다. 이렇게 수 많은 알갱이(드라이아이스 펠렛)들을 금속 표면에 분사할 경우, 부착이물질 온도가 급격히 떨어지게 되며 균열이 가기 시작합니다. 그런 후 드라이아이스 알갱이는 금속표면의 부착이물질 사이에서 충돌하며 바로 승화하게 되는데, 이 과정에서 800배 이상의 부피팽창을 하게 되어 이물질을 표면으로부터 완벽이 분리시키는 것 입니다.
물론 드라이아이스는 경도가 낮아서 금속표면에 손상을 주지 않으며, 바로 승화하여 없어지기 때문에 2차 부산물도 남기지 않습니다.
