아름다운 밤을 수놓는 불꽃놀이의 화학

민족의 명절인 설날 잘 보내셨나요? 음력 1월 1일은 우리나라 외에도 여러 동아시아 국가들이 중요한 명절로 보내고 있는데요. 대표적으로 중국에서는 춘절을 맞아 새해 소원을 빌고, 귀신을 쫓아 액운을 막기 위해 불꽃놀이를 즐기는 풍습이 있습니다. 코로나 이전, 홍콩 등지에서는 춘절 불꽃놀이를 보기 위해 수많은 관광객이 모이기도 했죠.

코로나 이후 다시 모일 날을 상상하면서, 오늘은 까만 밤하늘을 도화지 삼아 형형색색 그림을 그려 내는 불꽃놀이에 숨겨진 재미있는 화학 이야기를 해보려고 합니다.

 

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불꽃놀이의 필수품, 흑색화약

   

 

하늘 높이 올라가 펑펑 소리를 내며 터지는 불꽃들. 이 불꽃을 볼 수 있는 것은 질산칼륨(KNO₃), 황(S), 그리고 숯(C)이 일정한 비율로 혼합되어 있는 흑색화약 때문입니다.

흑색화약의 각 성분들이 각각 어떤 일을 하는지 좀 더 살펴볼까요? 황(S)은 점화 온도를 낮춰주는 역할을 하며, 숯(C)과 함께 연료로 쓰입니다. 질산칼륨(KNO₃)은 산소를 공급하는 산화제로 작용하고요. 여기에 발화점 이상의 온도 조건이 더해지면 흑색화약은 물질이 산소와 결합하여 빛과 열을 내는 현상인 ‘연소반응’이 일어날 수 있는 연료, 산소, 발화점 이상의 온도라는 세 가지 요소를 모두 갖추게 되는 것입니다.

특히 이 화약을 곱게 갈아주면 표면적이 증가해 더욱 빨리 연소할 수 있게 되고, 빠른 속도로 고온의 기체가 발생하며 불꽃이 터지는 폭발 효과가 발생하게 됩니다. 이런 화학 원리를 이용한 결과물이 우리가 여러 축제에서 보게 되는 밤하늘에 피는 꽃, 불꽃놀이입니다.

 

 

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불꽃놀이의 과학 원리, 금속의 불꽃반응

  

 

흑색화약 덕분에 하늘로 올라간 불꽃들이 터질 때, 우리 눈에 보이는 다양한 색깔은 어디서 온 것일까요? 이것은 금속의 ‘불꽃반응’에 의한 것입니다. 화약과 함께 연소하면서 금속 원소가 가진 전자들은 불꽃으로부터 흡수한 에너지에 의해 높은 에너지 상태(들뜬 상태)가 됩니다. 이 상태에서 전자들이 다시 안정한 상태(바닥 상태)로 돌아가면서 받았던 에너지를 방출하게 됩니다. 바로 이 과정에서 방출된 빛의 파장이 가시광선 영역에 해당하면 우리 눈에 보이는 다양한 색을 갖는 불꽃으로 나타내게 됩니다.

 

 

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금속 종류에 따라 색색이 달라지는 불꽃반응

 

 

금속원소의 종류에 따라 불꽃반응 색은 달라지는데요, 이는 각 원소의 전자가 흡수하고 방출하는 에너지양이 다르기 때문입니다. 대표적으로 칼슘은 주황색, 나트륨은 노란색, 스트론튬은 붉은색, 구리는 파란색 등의 불꽃을 만들어 냅니다. 불꽃놀이에 쓰이는 다양한 색깔을 만들기 위해서는 서로 다른 색을 내는 금속을 같이 사용하기도 합니다.

그런데 사실 이 불꽃반응은 불꽃놀이가 아니더라도 일상생활 속에서 쉽게 볼 수 있습니다. 여러분들도 라면이나 찌개를 끓이다 넘쳤을 때 가스레인지 불꽃의 색이 노랗게 변하는 것을 본 경험이 있을 텐데요. 이것은 국물에 들어있는 나트륨이 불꽃반응을 해 노란색을 띠기 때문입니다.

이제 불꽃들을 볼 때 그 색깔을 통해 어떤 금속의 불꽃반응인지 유추해 볼 수도 있겠지요?

 

 

 

오늘은 불꽃놀이 속에 숨어있는 화학 이야기를 살펴보았습니다.

우리나라에서도 가을철엔 불꽃놀이 축제가 대규모로 열리곤 했는데요. 지난해엔 코로나19로 인해 열리지 못해 많은 분들이 아쉬워하기도 했습니다. 곧 모두가 함께 모여 까만 밤하늘의 불꽃을 걱정 없이 즐길 수 있는 날이 오기를 기다려봅니다!  

 

(글 : 한화토탈 선행기술연구팀 양다슬 과장)

 

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