불꽃이 초록색으로 변했다! “이게 정말 구리일까?” 염화구리 전기분해 후 확인 실험
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험!
불꽃을 초록색으로 물들이는 금속이라고 하면 무엇이 떠오르시나요? 여름밤 하늘에 피어나는 불꽃놀이의 청록색, 사실 그 색을 만드는 주인공은 과학실에서 볼 수 있는 구리와 한솥밥을 먹는 친구입니다. 이번에는 한 중학생의 “이게 정말 구리일까?”라는 의문에서 시작된, 불꽃 색깔을 둘러싼 실험 이야기를 들려드릴게요.
전기 분해로 생긴 물질의 정체는?
염화구리 수용액을 전기 분해하는 실험을 했을 때의 일입니다. 음극(마이너스극) 표면에 붉은 갈색 물질이 빼곡하게 달라붙었습니다. 이 붉은 갈색 물질을 거름종이 위에 꺼내 약숟가락으로 문질러 보니 반짝반짝 빛나는 것이 보였습니다(금속 광택일까요?).
그러자 한 학생이 “이게 진짜 구리인지, 제 실험으로 직접 확인해 보고 싶어요”라고 말했습니다.
“교과서에 나와 있으니까”로 끝내지 않고 자기 손으로 직접 확인해 보려는 태도, 정말 과학자다운 모습이죠.
참고로 양극(플러스극)에서는 염소가 발생합니다. 염소는 수영장에서 나는 것 같은 코를 찌르는 냄새가 나는 기체라서, 이 실험은 환기를 하면서 하는 것이 기본입니다.
불꽃 반응으로 확인해 봤어요
그래서 불꽃 반응으로 확인해 보기로 했습니다. 방법은 아주 간단합니다. 약숟가락 위에 석출된 물질을 올리고, 가스버너의 불꽃 속에 넣어 달구는 거예요.
그랬더니 불꽃이 아름다운 초록색으로 변했습니다.
금속 광택이 있다는 것, 그리고 불꽃이 초록색이 되었다는 것. 이 두 가지 관찰 결과를 합치면, 석출된 물질은 구리라고 생각할 수 있습니다. 학생은 결과를 앞에 두고 진지한 표정으로 깊이 생각에 잠겼습니다.
불꽃 색깔은 왜 달라질까요?
불꽃 반응은 금속 원자가 불꽃의 열을 받으면서 일어납니다. 원자 속 전자는 열을 받으면 평소보다 에너지가 높은 상태로 껑충 뛰어오릅니다. 하지만 그 상태는 오래가지 못해요. 전자가 원래 상태로 돌아올 때 남는 에너지를 빛으로 내보냅니다.
이때 나오는 빛의 색은 원소마다 정해져 있습니다. 그래서 불꽃의 색을 보면 어떤 원소가 들어 있는지 추리할 수 있는 거죠. 주요 원소와 불꽃 색은 다음과 같습니다.
・리튬 빨강
・나트륨 노랑
・칼륨 보라빛 빨강
・칼슘 주황빛 빨강
・바륨 황록
・구리 청록
불꽃놀이의 색도 이 원리를 이용한 것입니다. 불꽃놀이의 청록색에는 구리 화합물이 쓰이고 있어요. 과학실 약숟가락 위에서 일어나는 현상이 밤하늘을 수놓는 커다란 불꽃놀이와 같은 원리라고 생각하면, 두근두근하지 않나요?
색깔만으로 “구리다!”라고 단정해도 될까요?
여기서 한 걸음 더 깊이 생각해 봅시다. 불꽃이 초록색이 되었다고 해서, 그것만으로 구리라고 단정해도 될까요?
사실 바륨도 황록색 불꽃을 냅니다. 불꽃 색만으로 판단하면 구별하기 어려운 경우가 있는 거예요. 또 구리의 불꽃 반응은 교과서에는 청록색으로 나와 있지만, 보는 사람이나 조건에 따라 푸르게 보이기도 하고 초록빛으로 보이기도 합니다. 염소를 포함한 구리 화합물을 달구면 푸른빛이 더 강하게 보인다는 것도 알려져 있어요. 이번 물질은 염화구리 수용액에서 나왔으니, 표면에 염소를 포함한 물질이 조금 남아 있었을 가능성도 있습니다.
게다가 불꽃 반응으로 알 수 있는 것은 어디까지나 구리라는 원소가 들어 있다는 사실뿐입니다. “금속 구리다”라는 것까지는 불꽃 색만으로는 단언할 수 없어요.
그래서 이번에 학생이 “금속 광택이 있다는 것”과 “불꽃의 색”을 함께 놓고 생각한 것은 아주 좋은 판단이었습니다. 증거를 여러 개 겹칠수록 결론의 확실성이 높아지니까요. 더 확실하게 확인하고 싶다면 다음과 같은 방법도 생각해 볼 수 있습니다.
・사포 등으로 문질러서 붉은 갈색 광택이 나오는지 확인하기
・전기가 통하는지 확인하기
・두드렸을 때 깨지지 않고 늘어나는지(전성이 있는지) 확인하기
확인하는 방법이 늘어날수록 “구리다”라는 가설은 점점 탄탄해집니다.
하나의 실험에서 다음 궁금증으로
이번 실험은 “전기 분해로 생긴 물질을 다른 실험으로 확인해 본다”는 형태의 탐구가 되었습니다. 하나의 실험 결과를 다른 방법으로 검증하는 것, 이 흐름이야말로 과학이 나아가는 방식 그 자체입니다.
다음에는 다른 금속으로도 불꽃 반응을 조사해서 색을 비교해 보면 재미있을 것 같아요. 우리 주변의 금속이 불꽃 속에서 어떤 색의 빛을 보여줄지, 상상만 해도 기대되지 않나요?
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