불의 마법사! 슈왓 퍼지는 색의 마법, 스프레이로 즐기는 불꽃 반응!

사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험이죠.

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밤하늘을 화려하게 수놓는 불꽃놀이 폭죽이 왜 그렇게 아름답고 다채로운 빛을 내는지 궁금해 본 적 없으신가요? 빨강, 초록, 노랑으로 반짝이는 그 빛은 마치 마법처럼 느껴지지만, 사실은 이것이 바로 ‘불꽃 반응(炎色反応)’이라는 어엿한 과학 현상입니다. 오늘은 이 불꽃 반응의 신비로운 세계와, 스프레이 통을 이용해 더욱 역동적으로 관찰할 수 있는 과학 실험 방법에 대해 자세히 소개해 드립니다! 다음 영상을 참고하세요.

평소에 보던 불꽃이 마법처럼 색깔을 바꾸는 순간을 목격해 보셨나요? ‘금속’이라는 ‘재료’가 ‘불꽃’이라는 ‘에너지’를 만날 때, 그곳에는 아름다운 빛의 드라마가 탄생합니다.

불꽃 반응이란? – 불꽃놀이의 색은 어떻게 결정될까?

금속 원소(를 구성하는 원자)는 평소에는 안정된 상태(낮은 에너지 상태)에 있습니다. 하지만 버너 불꽃 등으로 가열되면, 그 에너지를 흡수하여 흥분 상태(높은 에너지 상태)가 됩니다. 비유하자면, 원자 입자가 에너지를 얻어 평소 머물던 ‘1층’에서 ‘2층이나 3층’으로 힘껏 점프하는 것과 같습니다.

하지만 흥분 상태는 불안정하기 때문에, 원자는 곧 안정된 ‘1층’으로 되돌아가려고 합니다. 이 ‘위층’에서 ‘아래층’으로 돌아올 때, 흡수했던 에너지를 ‘빛’의 형태로 방출하는 것입니다. 그리고 바로 이 부분이 재미있습니다! 금속의 종류에 따라 이 ‘층의 높이(에너지 차이)’가 다릅니다. 따라서 방출되는 빛의 색깔도 금속마다 다르게 결정되는 것이죠.

• 리튬(Li) → 빨간색 불꽃
• 나트륨(Na) → 노란색 불꽃
• 칼륨(K) → 보라색 불꽃
• 구리(Cu) → 초록색 불꽃
• 스트론튬(Sr)→ 새빨간 불꽃 (불꽃놀이의 ‘빨강’은 이것!)
• 바륨(Ba)→ 황록색 불꽃 (불꽃놀이의 ‘초록’은 이것!)

맞습니다. 불꽃놀이 기술자들은 바로 이 불꽃 반응을 교묘하게 활용하여 밤하늘에 가지각색의 꽃을 피우고 있는 것입니다! 불꽃의 색만 보고도 어떤 금속이 포함되어 있는지 알 수 있다니, 마치 과학 수사 같습니다.

스프레이 통으로 시도하는 다이나믹 불꽃 반응 실험!

일반적으로 학교 과학 실험에서는 금속 가루(염(鹽)이라고 부릅니다)를 약숟가락에 올려놓고 버너 불꽃에 갖다 대는 방법을 주로 사용합니다. 이 방법은 안전하지만, 다소 밋밋할 수 있습니다. 그래서 이번에는 더 화려하고, 불꽃색이 아름답게 퍼지는 방법을 소개해 드립니다!

준비물

• 에탄올 (연료용 알코올)
• 금속 염(염화구리, 염화리튬, 염화나트륨 등)
• 스프레이 통 (반드시 알코올에 사용 가능한 것을 선택하세요)
• 라이터 (안전을 위해 손잡이가 긴 토치형 라이터 등을 추천합니다)
• 내화성 작업대 (실험용 트레이나 커다란 금속 접시 등)
• 화재 대책 용품 (젖은 걸레, 소화기 또는 물이 담긴 양동이 등)

실험 방법

1. 스프레이 통에 에탄올을 넣습니다. (너무 많이 넣지 않도록 주의)
2. 에탄올에 색을 보고 싶은 금속 염을 소량(약숟가락 반 정도) 넣고, 잘 흔들어 녹입니다. (예: 염화구리는 초록색, 염화리튬은 빨간색)
3. 안전한 작업대 위에서 라이터 불을 켭니다.
4. 라이터 불을 향해 스프레이를 (조금 떨어진 곳에서) 칙! 하고 분사합니다.
5. 분사하는 순간, 스프레이 안개에 불이 붙어 선택한 금속의 색으로 타오릅니다!

왜 스프레이 통을 사용하면 화려할까?

이 실험이 역동적인 불꽃을 만들어내는 비밀은 두 가지가 있습니다. 하나는 연료인 에탄올이 스프레이에 의해 안개처럼 미세한 입자로 변한다는 것입니다. 입자가 미세해지면 공기(산소)와 접촉하는 면적이 매우 커지기 때문에, 순식간에 불이 확 퍼질 수 있습니다. 다른 하나는 금속 입자가 불꽃 속에 균일하게 퍼진다는 것입니다. 약숟가락으로 태우면 금속이 덩어리져 있지만, 스프레이를 사용하면 미세한 입자가 불꽃 전체에 골고루 퍼지므로, 색이 매우 선명하고 아름답게 보이는 것입니다.

주의사항 (절대적으로 지켜야 할 것!)

이 실험은 매우 아름답고 재미있지만, 불과 알코올을 사용하기 때문에 한 걸음만 잘못하면 매우 위험해질 수 있습니다. 다음 규칙을 절대적으로 지켜주십시오.

🔥 집에서는 절대로 시도하지 마십시오. 반드시 환기가 잘 되고 불을 사용해도 안전한 넓은 공간(과학실 등)에서, 성인의 감독 하에 (가능하다면 과학 선생님과 함께) 진행해야 합니다.

🔥 화재를 예방하기 위해 주변에 불이 붙기 쉬운 물건(종이, 천, 알코올 병 본체 등)을 절대로 두지 마십시오.

🔥 예상보다 큰 불꽃이 발생할 수 있습니다. 스프레이를 뿌릴 때는 얼굴이나 손을 불꽃에 절대로 너무 가까이 대지 마십시오.

🔥 실험 후에는 불이 완전히 꺼졌는지 철저히 확인하십시오.

언뜻 보기에 마법 같은 현상도, 원자 수준에서 무슨 일이 일어나고 있는지 생각하는 것이 바로 과학의 재미입니다. 불꽃의 색이 변하는 것만으로도 평소에 보던 불이 마치 다른 것처럼 보이게 되죠. 여러분도 안전에 최대한 유의하면서, 꼭 과학실에서 선생님과 함께 시도해 보세요!

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