[과학과 놀자] 금속 원소마다 연소 때 색깔이 달라요

(150) 하늘에서 펼쳐지는 화학축제, 불꽃놀이
얼마 전 서울에서 방탄소년단 데뷔 10주년을 기념하는 불꽃 축제가 열렸다. 음악에 맞춰 연달아 터지는 화려한 불꽃을 보며 많은 사람이 즐거워했다. 하늘에서 다양한 모양과 색깔로 표현되는 불꽃은 어떻게 만들어질까?

다양한 색깔의 금속 원소 불꽃색 출처=서울시관광홈페이지

불꽃놀이에 사용되는 폭죽에는 흑색 화약과 다양한 금속 원소가 혼합된 물질이 들어 있다. 동그란 공 모양의 덩어리 폭죽을 ‘연화(왼쪽 그림)’라고 하는데, 연화는 불꽃의 모양과 색을 결정하는 스타(성·星)와 화약을 감싸는 종이인 옥피, 스타를 연소시키고 발사하는 데 사용되는 화약인 활약, 도화선, 추진제 등으로 구성된다. 연화의 크기가 클수록 불꽃의 크기가 크다. 흑색 화약은 질산칼륨( KNO3 )과 숯( C ), 유황( S )을 섞어 만든다. 세 종류의 고체 물질을 섞고 열이나 충격을 가하면 반응물이 빠르게 반응해 황화칼륨과 질소 기체, 이산화탄소 기체가 생긴다. 이때 고체가 기체로 변하며 순식간에 부피가 엄청나게 증가하고 폭발이 일어난다. 동시에 질산칼륨은 탄소에 지속적으로 산소를 공급하는 산화제 역할을 한다.

폭발과 일반적인 연소를 구분하는 기준은 반응 속도다. 폭발은 반응 시 기체가 급격히 발생하고 연소 속도가 매우 빨라 기체의 압력으로 인한 충격파를 일으킨다. 불꽃 축제에 사용되는 화약이 폭발할 때 충격파의 속도는 음속과 비슷하거나 음속보다 작아서 폭탄이 터질 때처럼 큰 굉음이 발생하진 않는다. 그러나 극적인 연출을 위해 화약이 폭발할 때 다양한 효과음이 나도록 설계한다. 폭죽에 구멍을 내 연소 반응 시 생성된 기체가 빠른 속도로 빠져나가며 ‘휘리릭’ 같은 소리를 내거나, 알루미늄 조각을 넣어 연소할 때 ‘지지직’ 소리를 내도록 한다.

다양한 색깔의 금속 원소 불꽃색 출처=에듀넷

스타는 연화 속 작은 화약 덩어리로 그 안에는 불꽃 반응을 통해 고유의 색을 나타내는 금속 원소가 들어 있다. 원소의 구별 방법으로도 사용되는 불꽃 반응은 금속 시료를 불꽃에 넣었을 때, 금속 원소의 종류에 따라 다양한 색깔의 빛을 방출하는 반응이다. 금속 원소의 전자는 에너지를 얻어 높은 에너지 준위로 이동했다가 낮은 에너지 준위로 내려오면서 특정한 파장의 빛을 방출하는데, 빛의 파장이 가시광선 영역에 해당하면 우리가 색을 볼 수 있다. 불꽃 반응에 의해 나트륨은 노란색, 스트론튬은 붉은색, 구리는 청록색과 같은 불꽃색을 방출한다. 하늘을 수놓았던 방탄소년단을 상징하는 색인 보라색 불꽃은 어떤 금속으로 만들었을까. 보라색 불꽃은 칼륨을 연소시켜 만들기도 하고, 붉은색을 내는 스트론튬과 청록색을 내는 구리를 함께 연소시켜 구현하기도 한다.

폭죽 구조

연화 안에 여러 종류의 스타를 배치하는 방법에 따라 다양한 불꽃 모양을 연출할 수 있다. 구형의 통 안에 스타를 둥글게 배치하면 스타가 360도 방향으로 퍼져나가는 국화 모양이 연출된다. 하트 모양이나 별 모양 등 특별한 모양의 불꽃을 원할 경우는 스타를 원하는 모양으로 배치하면 된다. 스타를 무작위적으로 배치할 경우 하늘에서 점화된 별들이 무질서하게 흩어지는 모양을 만들 수 있다.

국화 모양

스마일 모양

무작위적 모양

하늘을 아름답게 수놓는 불꽃은 환상적이고 아름답지만 화합물의 연소에 따른 위험도 있다. 화약이 폭발할 때 공기 중에서 발암 물질인 오존이 발생하고, 화약 잔해물이 땅이나 사람에게 떨어져 피해를 끼칠 수 있다. 특히 황록색의 불꽃을 내는 금속 바륨의 잔해물은 인체에 흡수돼 천식을 유발하기도 한다. 따라서 화약은 강이나 바다 위에 바지선을 띄워 발사한다.

수많은 폭죽을 동시에 발사해 다양한 모양의 불꽃을 만들려면 도화선을 동시에 점화해야 하는데, 사람이 손으로 일일이 점화하는 것은 불가능하므로 컴퓨터 프로그램을 이용한다.

불꽃놀이는 고대 중국 수나라 시대부터 시작됐으며, 우리나라도 매년 서울과 부산에서 불꽃 축제가 열린다. 밤하늘은 아름답게 수놓는 불꽃놀이는 연소 반응과 금속의 불꽃 반응에 의한 화학 축제임을 기억하자.√ 기억해주세요

유가연 인덕원고 교사

금속 원소의 전자는 에너지를 얻어 높은 에너지 준위로 이동했다가 낮은 에너지 준위로 내려오면서 특정한 파장의 빛을 방출하는데, 빛의 파장이 가시광선 영역에 해당하면 우리가 색을 볼 수 있다. 불꽃 반응에 의해 나트륨은 노란색, 스트론튬은 붉은색, 구리는 청록색과 같은 불꽃색을 방출한다. 하늘을 수놓았던 방탄소년단을 상징하는 보라색 불꽃은 칼륨을 연소시켜 만들기도 하고, 붉은색을 내는 스트론튬과 청록색을 내는 구리를 함께 연소시켜 구현하기도 한다.