헬륨 풍선

헬륨 풍선

헬륨 풍선은 공기를 채운 일반 풍선보다 가벼워 파티 장식품이나 어린 아이들의 장난감으로 많이 사용돕니다. 공기로 채워진 일반 라텍스 풍선은 몇 주 동안 원래의 모양을 유지할 수 있지만 헬륨을 채운 풍선은 불과 며칠만에 수축하여 원래의 모양을 잃고 더 이상 떠오르지 않습니다. 헬륨 풍선의 지속시간은 왜 짧은 것일까요? 이러한 현상은 풍선의 재료와 헬륨의 특성 때문에 일어납니다.

 

헬륨 풍선이 뜨는 이유

 

헬륨은 대표적인 비활성 기체 중 하나입니다. 즉, 각 헬륨 원자가 완전히 채워진 원자가 전자 껍질을 가지고 있음을 의미합니다. 헬륨 원자는 그 자체로 안정하기 때문에 다른 원자와 화학 결합을 형성하지 않고 단원자 상태로 존재합니다. 그렇기 때문에 헬륨 풍선의 내부는 수많은 헬륨 원자로 채워져 있게 됩니다. 이에 반해 공기 풍선은 대부분 질소(N) 또는 산소(O) 원자가 두개씩 결합하여 형성된 질소(N₂) 또는 산소(O₂) 분자로 채워져 있습니다. 질소와 산소 원자는 이미 헬륨 원자보다 무거운데 이 원자가 두개씩 결합되어 이루어진 분자 상태로 존재하기 때문에 헬륨 풍선보다 공기를 채운 풍선은 더 무겁습니다. 이러한 이유로 밀도 차이가 발생하게 되고 밀도가 낮은 헬륨 풍선은 공기 중에서 떠오르게 되는 것입니다.

 

 

비활성기체

 

헬륨 풍선이 수축하는 이유

 

그렇다면 왜 헬륨 풍선이 더 빨리 수축하게 되는 것일까요? 헬륨 원자는 매우 작습니다. 이 헬륨 원자는 확산이라고 하는 과정을 통해 풍선의 틈이나 매듭을 통해 빠져나갈 수 있습니다. 이런 과정을 거쳐 풍선 내부의 헬륨 압력과 풍선 외부 공기의 압력이 평형 상태에 도달하게 되면 풍선 내부에 나가는 기체와 풍선 외부에서 들어오는 기체의 양이 같아지며 더 이상 수축하지 않게 됩니다.

 

헬륨 풍선의 재질

 

공기를 주입한 라텍스 풍선의 경우도 위와 마찬가지로 확산 과정을 통해 공기가 빠져나가며 크기가 줄어듭니다. 다만 일반적으로 사용되는 라텍스 고무 분자 사이의 틈은 공기가 빠져나가기에는 충분히 크지 않기 때문에 공기를 넣은 풍선은 천천히 줄어듭니다.

 

하지만 헬륨을 라텍스 풍선에 주입하면 공기를 주입한 풍선보다 훨씬 더 빨리 줄어듭니다. 이는 헬륨 원자의 크기가 라텍스 분자 사이를 빠져나갈 수 있을 정도로 작기 때문입니다. 또한, 라텍스 풍선을 동그란 모양으로 부풀리기 위해서는 많은 양의 기체 분자를 주입해야 하는데, 이는 결국 큰 풍선 내부의 압력을 필요로 하게 됩니다. 약 12 cm 지름의 풍선의 경우 표면에 400 kg 이상의 힘이 가해집니다. 내부의 압력은 라텍스 풍선 내부의 기체를 상대적으로 압력이 낮은 외부로 밀어내는 힘으로 작용해 풍선을 수축하게 만듭니다.

 

금속 호일로 만들어진 풍선

 

이러한 이유로 대부분의 헬륨 풍선은 얇은 금속 호일로 만듭니다. 금속 호일의 틈은 라텍스 분자의 틈보다 훨씬 작아 헬륨 원자가 빠져나가기 쉽지 않으며 작은 압력으로도 모양을 유지할 수 있어 풍선이 빨리 수축되는 것을 방지할 수 있습니다.

 

헬륨보다 빨리 수축하는 풍선은?

 

헬륨풍선보다 빨리 수축하는 풍선도 존재합니다. 바로 수소 기체를 주입한 수소 풍선입니다. 수소 원자가 서로 공유 결합을 형성하여 수소 기체 분자인 H₂를 형성하더라도 그 크기는 단일 헬륨 원자보다 여전히 작습니다. 이는 각 헬륨 원자에는 두개의 중성자가 있지만 수소 원자에는 중성자가 없기 때문에 이원자로 결합된 상태에서도 크기가 작을 수 있습니다.

 

헬륨 풍선이 수축하는 속도

 

풍선을 이루는 재료가 어떤 재료인지에 따라 헬륨 풍선의 수축 속도가 다르다는 것을 앞에서 설명드렸습니다. 주로 일반 라텍스 또는 종이와 같은 다공성 물질보다는 마일라(Mylar, 폴리에스터 필름)와 같은 저투과성 필름이나 금속 호일과 같은 재료를 이용하면 헬륨 풍선의 수축속도를 낮출 수 있습니다. 그 이외에도 아래와 같은 요인들이 영향을 미칩니다.

 

Mylar로 만들어진 헬륨 풍선

 

풍선 내부의 코팅 여부가 풍선의 지속 시간에 영향을 미칩니다. 일부 헬륨 풍선은 풍선 내부의 헬륨을 더 오래 유지하기 위해 특수한 젤을 코팅하기도 합니다.

 

풍선의 온도도 풍선의 지속 시간에 영향을 미칩니다. 더 높은 온도에서는 분자의 운동이 증가하여 압력이 높아지고 확산 속도(또는 수축 속도)가 증가합니다.