「알루미늄이 산소를 뺏어와?!」 엄청난 열의 화학 반응, 테르밋 실험!

사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험이죠.

여러분은 “테르밋 반응“이라는 말을 들어보셨나요? 이것은 산화철과 알루미늄 가루를 섞어 불을 붙이면, 격렬한 열과 빛을 내며 철이 생성되는 매우 극적인 화학 반응입니다. 마치 불꽃놀이 같은 빛과 화학의 신비를 가까이서 느낄 수 있는 이 실험은 학생들의 기억에 강하게 남을 것입니다. 우리에게 친숙한 금속인 ‘철’이 만들어진다는 점에서 매우 의미 있는 화학 반응이죠.

이 실험을 성공시키기 위해서는 안전에 대한 몇 가지 주의사항과 철저한 준비가 필수적입니다. 하지만, 그 감동은 준비의 수고를 잊게 할 만큼 클 거예요. 이번에는 과학 동아리 활동에서 직접 진행한 테르밋 반응 실험 모습을 소개합니다. 여러 번의 조정을 거쳐 준비한 정성스러운 실험입니다.

테르밋 반응이란? 화학적 관점에서 풀어보기

테르밋 반응은 알루미늄의 강한 환원력을 이용한 반응입니다. 화학 반응식으로 나타내면 다음과 같습니다.

ceFe2O3+2Al −>2Fe +Al2O3

이 식에서 볼 수 있듯이, 산화철( $Fe2O3$ )과 알루미늄( $Al$ )이 반응하여, 철( $Fe$ )과 산화알루미늄( $Al2O3$ )이 생성됩니다.

조금 더 자세히 살펴볼까요? 알루미늄은 반응성이 매우 높은 금속으로, 산소와 쉽게 결합하는 성질을 가지고 있습니다. 반면에 산화철은 철과 산소가 결합된 화합물입니다. 이 실험에서는 알루미늄이 산화철로부터 산소를 ‘빼앗아’ 오면서, 철이 순수한 형태로 분리되고 알루미늄 자신은 산화알루미늄으로 변하는 거죠.

이 반응은 엄청난 양의 열을 방출하는 발열 반응이며, 그 열에 의해 생성된 철이 녹아 덩어리가 되는 것이 특징입니다. 온도는 무려 2000℃ 이상까지 올라간다고 합니다. 이 고온을 이용하여 기찻길 레일 용접 등에도 응용되고 있습니다.

과학 동아리에서 직접 해봤어요! 준비와 실험 과정

얼마 전, 저희 과학 동아리에서도 이 테르밋 반응 실험을 해봤습니다. 준비부터 실행까지의 과정을 소개해 드릴게요.

필요한 것

산화철: 시약으로 판매됩니다.
알루미늄 가루: 이번에는 알루미늄 포일을 직접 갈아서 만들었습니다.
마그네슘 리본: 불을 붙이는 도화선으로 사용합니다.
비커: 반응물을 받기 위해 사용합니다.
삼각대, 철망, 클램프, 삼각 깔때기:
신문지: 책상 위에 물을 적셔서 깔아둡니다.
라이터: 마그네슘 리본에 불을 붙이는 데 사용합니다.
모루와 망치: 생성된 철을 두드려 금속 광택을 확인하는 데 사용합니다.
자석: 생성물이 철임을 확인하는 데 사용합니다.
보호 장비: 반드시 보호 안경을 착용하고, 방화 대책을 철저히 해주세요.

실험 순서

혼합물 준비:
- 먼저, 산화철 가루와 알루미늄 가루를 질량비로 약 3:1의 비율로 잘 섞습니다. 안전을 고려해 여러 번 시도한 결과, 이번에는 산화철 1.6g에 알루미늄 가루 0.6g으로 했습니다.
- 가루가 고르게 섞이도록 유발 등을 이용해 꼼꼼하게 섞는 것이 중요합니다.
- 알루미늄은 알루미늄 포일을 잘게 부숴서 절구로 가루를 만들었습니다.
거름종이 첫 번째 장은 물에 적시고, 두 번째 장을 겹쳐서 놓습니다.
- 섞은 가루를 거름종이에 담습니다.
- 삼각대와 삼각 깔때기 위에 단단히 고정합니다. 아래에는 생성물이 떨어져도 안전하도록 물을 담은 비커를 놓습니다.
도화선 설치:
- 도가니 중앙에 마그네슘 리본을 도화선으로 사용해 수직으로 꽂아 넣습니다. 마그네슘 리본을 약간 길게 해두면 안전한 거리에서 불을 붙일 수 있습니다.
불 붙이기!:
- 주변에 불에 잘 타는 물질이 없는지 다시 한번 확인하세요.
- 반드시 보호 안경을 착용하고, 학생들은 안전한 거리에서 관찰하도록 합니다.
- 토치 불꽃으로 마그네슘 리본 끝에 불을 붙입니다. 마그네슘 리본은 매우 밝게 타오르면서 혼합물로 불을 옮겨줍니다.
반응 관찰:
- 마그네슘 리본이 다 타고 혼합물에 불이 옮겨붙으면, “쉬이이익!” 하는 격렬한 소리와 함께 불꽃놀이처럼 눈부신 빛과 엄청난 양의 불꽃이 튀어 오릅니다. 학생들 사이에서는 “우와!” 하는 환호성이 터져 나올 거예요.
- 반응이 가라앉으면, 도가니 바닥에 검은 공 같은 덩어리가 톡 하고 떨어집니다. 이것이 바로 방금 만들어진 철입니다. 모양도 특이해서, 동그랗고 구멍이 뚫린 형태를 하고 있습니다. 이 구멍에 마그네슘 리본이 있었나 봅니다.
생성물 확인:
- 충분히 식은 후 (매우 뜨거우니 절대 만지지 마세요!), 만들어진 검은 덩어리를 도가니에서 꺼냅니다.
- 이 검은 덩어리를 모루 위에 놓고 망치로 강하게 두드려 보세요. 그러면 바깥쪽의 산화된 부분이 벗겨지면서 안쪽에서 금속 광택이 나는 은색 물질이 나타납니다.
- 이 은색 부분에 자석을 가져다 대보세요. ‘찰칵’ 소리를 내며 자석에 잘 달라붙는 것을 확인할 수 있습니다. 이러한 특징들로 보아, 생성물이 철임이 분명해집니다.

이 실험에서 무엇을 배울까

테르밋 반응 실험은 단순히 “대단하다!” 하고 끝내기에는 아까울 만큼 깊은 배움의 보물 창고입니다.

환원과 산화: 알루미늄이 산화철에서 산소를 빼앗는 ‘환원’과, 알루미늄이 산소와 결합하는 ‘산화’가 동시에 일어나는 전형적인 산화환원 반응이라는 것을 이해시킬 수 있습니다.
발열 반응: 엄청난 양의 열을 방출하는 발열 반응의 예시로, 그 에너지의 크기를 직접 체감하게 할 수 있습니다.
금속의 제련: 철광석에서 철을 추출하는 (제련) 과정과 원리가 비슷하다는 것을 설명하며, 산업과의 연관성도 언급할 수 있습니다.
물질의 변화: 전혀 다른 성질의 가루에서 자성을 띠는 금속 ‘철’이 생성되는 극적인 물질의 변화를 직접 보며, 화학 반응의 재미와 심오함을 느낄 수 있습니다.

안전 관리를 철저히 한 후, 학생들이 이 감동적인 화학 반응을 직접 체험하게 해주세요. 분명 과학에 대한 그들의 흥미를 더욱 깊게 만드는 계기가 될 것입니다.

문의 및 의뢰에 관하여

과학의 신기함과 재미를 더 가까이! 집에서 할 수 있는 즐거운 과학 실험과 그 노하우를 알기 쉽게 정리했습니다. 여러 가지를 검색해 보세요!
・운영자 쿠와코 켄에 대해서는 여기
・각종 의뢰 (집필・강연・실험 교실・TV 감수・출연 등)는 여기
・기사 업데이트 소식은 X에서 확인하세요!

과학의 소재 채널에서는 실험 영상을 올리고 있습니다!