0. 목차
- 불꽃을 만드는 성분은 무엇인가?
- 불꽃의 빛의 근원은 무엇인가?
- 불이 붙는 조건
- 양초의 연소
- 가스레인지에서 그을음이 생기지 않는 이유
1. 불꽃을 만드는 성분은 무엇인가?
'물질이 산소와 급속히 반응(산화 반응)'하면서 열과 빛을 내는 현상을 '연소(Combustion)'라고 한다. 그리고 그것이 기체 상태에서 일어나면 '불(Fire)' 또는 '불꽃(Flame)'이라고 한다. 그러면 불꽃을 만드는 기체의 '성분'은 과연 무엇일까?
나무나 종이를 태우는 경우를 생각해 보자. 나무나 종이는 주로 '셀룰로오스(cellulose)' 등의 유기물로 이루어져 있다. 유기물은 주로 '탄소(C)', '수소(H)', '산소(O)', '질소(N)' 등으로 이루어진 물질이다. '유기물을 태우면(산소와 반응시키면)', 최종적으로는 유기물 성분 중에서 탄소는 '이산화탄소(CO2)'나 '일산화탄소(CO)'가 되고, 수소는 '수증기(H2O)'가 된다.
나무나 종이가 고온이 되면, 먼저 셀룰로오스 등이 열 분해되어, '가연성 가스(탄화수소 등)'가 발생한다. 그리고 '가연성 가스'가 산소와 결합해 반응을 일으켜 고온으로 빛나는 불꽃을 만들어 낸다. 불에 포함된 것은 이뿐만이 아니다. 탄화수소 가운데서도 가장 간단한 화학식을 가진 '메탄(CH4)'의 연소 외에도, 실로 100종 이상의 다양한 반응이 일어난다. 학교에서 배우는 'CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O'라는 반응식은 이런 '단일 단계 반응(elementary reaction)'을 생략한 채 반응의 최초와 최후의 전체 모습만을 나타낸 것이다. 이처럼 복잡하고 다양한 반응이 일어난 결과, 불꽃에 포함된 성분도 매우 다양해진다.
2. 불꽃의 빛의 근원은 무엇인가??
우리가 보통 생각하는 불꽃의 특징 중 하나는 빛나는 것이다. 불꽃은 주로 고온의 기체 '연소 가스(Combustion Gas)'에서 생기니까 빛의 근원은 기체라고 할 수 있지 않을까? 분명 불꽃을 만드는 고온의 기체도 빛을 낸다. 그러나 이들 빛은 약한 것이 보통이다. 그렇다면 이 빛의 근원은 무엇일까?
예를 들어, 양초의 불꽃이나 나무나 종이를 태울 때의 불꽃은 샛노란 색으로 밝게 빛난다. 사실 이것은 불꽃에 포함된 미립자, 결국 '고체 입자'가 강한 빛을 내는 것이다. 양초 등의 불꽃 위에는 검은 그을음이 나타나는 경우가 있다. 그을음은 불꽃 속에서 고온이 되어 밝게 빛나던 미립자가 식은 모습이다. 이 미립자는 산소가 부족한 상태에서 반응할 때 불꽃 속에서 성장해 가는 것으로, 탄소가 주성분이다. 전자 현미경으로 확대해 보면, 공 모양의 물질이 염주처럼 연결되어 있는 듯한 형태로 되어 있다. 이런 미립자가 불꽃 속에서 완전히 타지 않으면 까만 연기로서 불꽃 위로 올라오는 것이다. 이러한 탄소를 주성분으로 한 미립자로부터 빛에 의해 밝게 빛나는 불꽃을 가리켜 '휘염(Luminous Flame)'이라고 한다. 그리고 일반적인 연기는 그을음만이 아니라 다양한 고체나 액체의 미립자를 포함한다.
3. 불이 붙는 조건
붙이 붙기 위해서는 다음과 같은 3가지 조건이 갖추어져야 한다.
- 탈 것: 불이 붙는 첫째 조건은 '탈 것이 있어야 한다.'는 것이다. 단, 쓰레기를 분리 수거할 때의 '불에 타는 것'이 탈 수 있는 것의 전부는 아니다. 금속이라도 고온이 되면 기화해서 불이 붙는 것이 있다.
- 산화제: 불이 붙는 둘째 조건은 '산소 또는 산소를 공급하는 물질(산화제)'가 있어야 한다는 것이다. 일반적인 물체가 불에 타기 위해서는 그 주위에 산소가 있어야 하지만, 산화제를 포함한 화약이라면 주위에 산소가 없어도 된다. 그래서 화약은 물속에서도 탈 수 있다. 화약에서 발생한 가스가 물을 밀어내면서 불꽃을 일으켜 타는 경우도 있다.
- 고온: 불이 붙는 셋째 조건은 '고온'이다. 일단 불이 붙으면 '산화 반응'에 의해 열이 발생하므로, 열이 빠져나가지 않으면 높은 온도가 유지되어 계속 타게 된다.
3-1. 자연적으로 발화하는 경우도 있다.
외부에서 불을 붙이지 않아도 자연적으로 발화하는 경우도 있다. 예를 들어 요리에 사용하는 기름을 고온인 채 종이나 헝겊에 적셔 열이 빠져나가기 어려운 산소를 포함한 용기 안에 바로 방치했다고 하자. 그러면 용기 속에서도 느리긴 하지만 기름의 '산화 반응'에 의해 열이 계속 발생한다. 열이 빠져나갈 수 없으므로, 기름의 온도는 더욱 올라간다. 그 결과, 불이 붙는 경우가 있다. 최악의 경우에는 화재로 이어질 수 있으므로, 기름을 버릴 때는 반드시 식힌 다음 버려야 한다.
4. 양초의 연소
전자기학의 아버지로 알려진 영국의 '마이클 패러데이(Michael Faraday, 1791~1867)'의 저서 중에는 '양초의 과학(The Chemical History of a Candle)'이라는 책이 있다. '마이클 패러데이'는 그 책에서 '양초는 과학을 배우는 훌륭한 도구'라고 말했다.
현대의 양초는 주로 탄화수소의 일종인 '파라핀(파라핀족 포화 탄화수소를 통틀어 이르는 말)'이라는 물질로 기둥을 만든다. 그리고 '파라핀(Paraffin)'의 중심에 실 등으로 만든 '심지'가 있다. 양초의 몸통에는 불을 붙이려고 해도 잘 붙지 않는다. 그 이유는 파라핀이 녹거나 열이 주위로 빠져나가 불이 붙는 데 필요한 온도까지 올라가지 않아서 '불이 붙는 조건'이 충족되지 않기 때문이다.
양초에 불을 붙이려면, 심지 끝에 불을 붙여야 한다. 심지에 불을 붙였다고 해서 심지만 계속 타는 것이 아니라, 먼저 불의 열에 의해 양초의 상단 부근이 접시 모양으로 녹고 그 속에 액체 파라핀이 고인다. 액체가 된 파라핀은 '모세관 현상(가느다란 관 속을 액체가 타고 올라가는 현상)'에 의해 심지로 전달되어 위쪽으로 올라가고, 불의 열에 의해 기체가 된다. 이 기체가 불꽃 속에서 '산화 반응'을 일으키는 것이다. 결국 고체인 파라핀이 액체, 기체로 변화를 거듭하며 비로소 불꽃을 만든다. 이러한 상태 변화를 일으키는 양초의 연소는 매우 복잡한 현상이다. 우리 주변에서 흔히 쓰는 양초의 연소도 사실 매우 복잡해서, 아직 자세히 밝혀지지 않은 점이 많다고 한다.
5. 가스레인지에서 그을음이 생기지 않는 이유
주방의 '가스레인지(Gas Range)'나 실험실 등에서 사용하는 '가스버너(Gas Burner)'는 '가연성 가스'와 산소가 포함된 '공기'를 미리 균일하게 섞은 것에 불을 붙인다. 이 경우, 연료가 완전히 연소되기 쉬워져 그을음이 나지 않는다. 역으로 말하면, 강하게 빛나는 탄소를 주성분으로 하는 미립자가 불꽃 속에 존재하지 않으므로, 파랗게 타오르는 불꽃이 된다. 파랗게 빛나는 이유는 고온의 가스가 내는 빛 때문이다. 단, 공기의 양이 부족하면 불꽃 속의 미립자가 늘어나 노란색의 밝은 불꽃이 되는 경우도 있다.
불꽃이 위를 향해 뻗는 모양이 되는 이유는, 연소 가스나 데워진 주위의 기체가 가벼워져 상승하는 흐름을 만들어 대류가 일어나기 때문이다. '무중량(흔히 말하는 무중력 상태)' 환경에서는 대류가 일어나지 않기 때문에 불꽃의 모양은 길쭉한 것이 아니라 둥근 모양이 된다. 또 산소가 공급되기 어렵기 때문에 희미한 빛이 된다.