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과학과 놀자

금속 원소마다 연소 때 색깔이 달라요

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. 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 다양