헬륨 풍선 - 하늘로 떠오르는 풍선
놀이공원에서 두둥실 떠오르는 풍선을 생각하며 문구점에서 풍선을 사서 입으로 바람을 불어 넣은 풍선은 바닥으로 가라 앉는다. 왜 어떤 풍선은 떠오르고 어떤 풍선은 바닥으로 가라 앉을까?
이 질문에 대답을 하려면 눈에 보이지 않지만 우리 주변에 늘 있는 공기에 대해 먼저 알아야 한다. 허공에 손을 휘두르면 바람이 생겨난다. 이 바람은 우리 주변에 공기가 있다는 증거이다. 손을 휘두르면서 공기가 움직였고, 그 기척을 바람이라는 형태로 느낀거다.
이 세상에 존재하는 모든 물질과 같이 공기 또한 무게를 갖고 있다. 과학자들에 의하면 공기 1l의 무게는 1.25g이다.
일상생활에서 고체, 액체, 기체로 상태 변화하는 물질들은 모두 분자로 구성되어 있다. 분자는 물질을 구성하는 기본 단위이면서 물질의 성질을 결정하는 아주 중요한 입지이다.
연필, 지우개 같은 딱딱한 물건은 고체이고, 컵에 담아 마시는 물은 액체이다. 빵빵한 풍선 안을 채우고 있는 것은 기체다. 기체는 자유롭게 이동할 수 있고, 일정한 모양과 형태가 없다는 점이 특징이다.
공기는 여러 종류의 기체가 섞여 있는 혼합물
공기는 눈에 보이지 않지만, 분자로 이루어진 물질이고 여러 종류의 기체가 섞여 있는 혼합물이다. 공기를 구성하는 질소(N₂), 산소(O₂), 이산화탄소(CO₂) 같은 기체 분자들은 실제로 질량을 가지고 있고, 이는 곧 무게가 있다는 뜻이다. 질소와 산소라는 종류의 기체가 공기의 99%를 차지한다. 그 외에도 이산화탄소, 아르곤 등 다양한 기체가 우리 주변의 공기에 섞여 있다. 그런데 기체마다 무게가 다르다. 예를 들어 공기를 이루는 여러 기체중 이산화탄소와 산소는 무거운 축에 속한다. ( 이산화탄소 CO₂ 44 g/mol , 산소 O₂ 32 g/mol) 질소( N₂ 28 g/mol )는 앞의 두 기체보다 가볍지만 아주 가벼운 기체라고 할 수 없다.
우리가 입으로 분 풍선은 주로 이산화탄소가 들어 있다. 우리의 날숨에는 이산화탄소가 들어있기 때문이다. 그런데 이산화탄소는 우리 주변의 공기보다 더 무거워 아래로 가라 앉는다.
한편, 놀이 공원에서 들고 다니는 풍선은 주로 헬륨( He 4 g/mol)이라는 기체를 채워 만든다. 헬륨은 공기보다 훨씬 가벼운 기체이다. 풍선 안을 채운 기체의 무게가 공기보다 가벼우니 풍선이 자연히 떠오르게 되는 것이다.
왜 떠오르는 풍선에 헬륨을 사용할까?
세상에는 헬륨보다 가벼원 기체도 있다. 그런데 왜 풍선을 떠오르게 하려고 헬륨을 쓰는 걸까? 그건 헬륨이 안전한 기체이기 때문이다. 헬륨은 공기에 존재하는 다른 기체를 만나도 반응을 일으키지 않아 안전하다.
그렇다면 헬륨보다 가벼운 기체는 무엇이 있을까? 바로 수소이다.(수소 H₂ 2 g/mol) 그래서 옛날에는 열기구를 띄우는데 수소를 사용했다. 그런데 수소는 공기중의 열과 산소를 만나면 엄청난 불꽃과 함께 폭발해 버린다. 이러한 위험성 때문에 우리나라에는 풍선에 수소를 넣는 것을 금지하고 있다.
헬륨 풍선의 위험성
헬륨을 마시면 목소리가 웃기게 바뀐다. 이건 장난처럼 보이지만 매우 위험 할 수 있다. 헬륨은 사소가 없는 기체이기 때문에 많이 흡입하면 산소 결핍으로 인해 질식 위험이 있다. 특히 밀폐된 공간에서 흡입하거나 어린아이가 따라하다 실신하거나 산소 결핍으로 인해 뇌 손상을 입을 수도 있다.
풍선안의 압축된 헬륨은 외부 기압이나 온도에 따라 급격히 팽창하여 터질 수 있는데 터질때 갑작스러운 폭발음은 귀에 손상을 주거나 파편이 눈에 들어갈 수 있기 때문에 조심해야 한다.
또한 대량의 헬륨을 넣기 위해 사용하는 고압 가스통은 전문 장비이다. 잘못 다르면 폭발하거나 부상 위험이 있을 수 있다. 그렇기 때문에 꼭 성인이나 전문가가 사용해야 한다.
풍선이 하늘로 올라가는 건은 신기하고 재미있는 것 처럼 보이지만 하늘로 날아간 풍선은 결국 자연에 떨어져 쓰레기가 된다. 이것은 잘 썩지 않을 뿐만 아니라 야생동물이 삼켰을 때 문제가 되고 특히 바다 떨어지면 해양 생물이 먹이로 착각해 삼킬 수 있어 생태계에 피해를 주기 때문에 헬륨 풍선은 손에 꼭 쥐고 놓치지 않도록 해야 한다.
