불꽃놀이 산화환원 반응식 - bulkkochnol-i sanhwahwan-won ban-eungsig

일상생활 곳곳의 산화 환원 반응

불꽃놀이, 고려청자, 파마, 광합성… 이것들의 공통점은 모두 산화와 환원 반응으로 설명할 수 있다는 점입니다.

산화 환원 반응은 보통 전자의 이동으로 정의합니다. 물질이 전자를 잃는 반응을 산화, 전자를 얻는 반응을 환원이라고 합니다. 산화와 한원은 항상 동시에 일어납니다.

산화 환원 반응을 이해하면 생명 현상이나, 일상에서 경험하는 다양한 변화를 명쾌하게 설명할 수 있습니다. 우리 삶의 곳곳을 채우고 있는 중요한 산화 환원 사례를 동영상으로 만나보세요.

세상에 존재하는 모든 물질은 작은 원자로 이뤄져 있습니다. 원자는 다시 원자핵과 전자로 이뤄져 있는데요.

어떤 원자들은 서로 만나면 전자를 주고받습니다. 바로 산화 환원 반응입니다. 전자를 잃는 것을 산화, 얻는 것을 환원이라고 합니다.

산화가 잘 일어나는 원자도 있고, 환원이 잘 일어나는 원자도 있습니다. 칼륨이나 나트륨은 산화가 매우 잘 되는 원자이고, 금은 환원이 잘 되는 대표적인 원자입니다.

산화 환원 반응은 우리가 숨을 쉬는 지금 이 순간에도 일어나고 있습니다. 바로 우리 몸속에서요.

우리가 섭취한 음식은 포도당으로 분해되는데요. 이산화탄소, 물, 그리고 에너지를 만들어냅니다.

이 과정에서 포도당은 전자를 잃고 산화가 되며 산소는 전자를 얻어 환원됩니다. 세포의 산화 환원 반응으로 에너지를 얻게 되는 겁니다.

구불구불한 머리카락 역시 산화 환원 반응을 이용한 결과입니다. 우리의 머리카락은 케라틴이라는 단백질로 이뤄져 있는데요.

평소에는 단백질에 붙어있는 황 원자 간의 공유결합, 일명 시스틴 결합으로 곧게 뻗은 머리카락을 유지합니다.

여기에 환원 반응을 일으키는 파마약이 들어가면 황 원자가 수소에게 전자를 받는 환원 반응이 일어납니다.

이 상태에서 원하는 모양으로 머리카락을 구부린 뒤, 산화 반응을 일으키는 두 번째 파마약을 뿌리면 황 원자가 다시 전자를 잃으면서 처음처럼 시스틴 결합을 하게 됩니다.

두 번의 산화 환원 반응을 통해 구불구불한 머리카락이 만들어지는 것이죠.

이밖에도 여름 밤하늘을 아름답게 수놓는 불꽃놀이, 고려청자의 아름다운 푸른색, 이런 모든 사례들이 산화 환원 반응에 의한 것입니다.

산화 환원 반응이 우리 주변 어디에서나 볼 수 있는 아주 흔하지만, 중요한 화학 반응으로 꼽히는 이유입니다.

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기초공감 과학에세이

불꽃놀이의 원리, 궁금하지 않니?

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지난 10월 여의도에서 열린 서울세계불꽃축제, 다들 재미있게 관람하셨나요? 이번 연도에는 한국, 스웨덴, 중국 3개 국가에서 참여해 다양하고 특색있는 불꽃 쇼를 즐길 수 있었습니다.

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여러분들도 다채로운 불꽃을 바라보면서 그 원리가 궁금하셨던 경험 한 번쯤 있지 않으신가요? 저는 불꽃이 어떻게 작은 점에서 시작해 특정한 색과 모양이 되는지 항상 신기했었는데요. 펑~하는 소리와 함께 하늘을 아름답게 수놓는 불꽃들, 그 색깔과 모양의 원리에 대해 같이 알아보면 어떨까요?

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불꽃놀이의 원리를 알아보기 전에 불꽃놀이가 무엇인지 알아보기 위해 정의를 찾아보았습니다. 표준국어대사전에 의하면 ‘경축이나 기념행사 때에 화약류를 공중으로 쏘아 올려 불꽃이 일어나게 하는 일’인데요, 그렇다면 불꽃놀이에 쓰이는 화약류, 더 나아가 화약류를 연소, 폭발시켜 빛 소리, 형태, 연기를 정교하게 조합하여 발생시키는 화공품인 ‘연화’에 대해서 알아볼까요?

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연화는 수많은 화학적 물질이 배합되어 만들어집니다. 산화제, 산소와 반응하는 연료제, 색상 생성제, 접착제, 점화를 빠르게 하는 점화 촉진제 등이 들어가는데, 이 배합의 기초는 산소를 가진 연료체의 열 생성반응인 연소입니다. 연소 반응이란, 물질이 산소와 결합하여 다른 물질로 변하면서 열과 빛을 내는 현상을 말합니다. 연료체는 연소에 의해 가열되어 많은 양의 가스를 만들어내고, 이 가스는 빛을 내거나 빛을 내는 배합체를 가열하게 되어 아름다운 불꽃이 탄생하게 됩니다.

불꽃놀이에 사용되는 연화는 ‘타상연화’로 발사포를 이용해 공중으로 쏘아 올려 최소 40m이상 고도에서 개화되어 내장된 별들이 어둠 속을 반경 15m 이상 퍼져 나가며 여러 가지 빛이나 소리 등의 효과를 내는 불꽃을 말합니다. 타상연화의 추진제를 점화하면, 발사됨과 동시에 내부의 지연도화선이 연소되면서 일정 고도에 도달하면 할약에 불씨가 전달되어 폭발합니다. 폭발하면서 별이 연소되고, 방출되게 되는 것이죠. 이 과정에서 타상연화의 구조적 기본 형식, 즉 내부의 별 배열과정에 의해 불꽃의 모양이 달라집니다.

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왼쪽: 국화/오른쪽:총알모양

먼저, 국화나 모란 모양을 만들 때는 구형의 옥 내부에 별을 순서대로 배열하고 중앙에 할약을 채운 뒤, 외부를 튼튼한 종이로 몇 겹을 발라 두껍게 붙여 만드는데, 외피의 강도와 할약의 폭발력이 균형을 이루게 되어 크고 동그랗게 퍼집니다.

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두 번째로, 별들이 총알처럼 날라가는 모양은 원형체의 옥피가 2개의 반구로 파열되면서 안에 있던 별이 방출되면서 나타나는 불꽃 모양인데, 이 경우 별에 의외성이 있어 경로를 예측하기 힘들다고 합니다. 마지막으로, 스마일이나 하트 등의 특별한 모양 역시 내부의 별의 배열에 따라 나타나는데, 이렇게 모양의 방향이 중요한 경우에는 개화 방향과 감상 방향을 일치시키기 위해 구슬에 꼬리나 긴 파이프를 붙여 방향성을 높이고 있습니다.

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불꽃의 색은 연화 내부 별의 재료에 의해 좌우됩니다.별은 주로 색을 내는 염색제, 산소를 공급하는 산화제, 연소를 촉진하는 가연제로 이루어져 있는데, 산화제와 가연제가 연소 반응을 일으켜 높은 온도를 발생시키고 염색제는 그 고온에 의해 다양한 색을 불길을 내게 됩니다. 염색제로는 주로 금속원소가 사용되는데 이는 금속의 불꽃반응으로 설명됩니다.

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금속 원소 속 전자는 평소 안정된 바닥 상태를 유지하고 있는데, 연소 반응으로부터 나온 에너지는 전자를 들뜨게 하고, 불안정해진 전자들은 빛을 방출하고 다시 안정된 상태로 돌아가고자 합니다. 이때, 방출된 빛의 파장이 가시광선 영역일 경우 화려한 불꽃색으로 나타나게 되며, 금속원소의 경우 다음과 같이 다양한 색의 가시광선을 방출하게 되어 다채로운 불꽃의 염색제로 쓰이게 됩니다.

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지금까지 불꽃놀이의 원리에 대해 알아보았는데요. 핵심은 화약류를 폭발시키는 연소반응과 불꽃의 색을 정하는 불꽃반응이었습니다. 불꽃놀이는 일상에 지친 사람들에게 행복을 주지만 마냥 아름답기만 하지는 않습니다.

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연화가 발사되며 납, 바륨, 크롬 등의 중금속으로 이뤄진 중금속이 배출되어 2주 이상 대기 머물러 환경을 오염시키고, 많은 양의 이산화탄소를 생성해 오존 농도가 증가하기도 합니다. 또한, 황록색 불꽃을 만들 때 이용되는 바륨이 눈와 함께 떨어지면 천식 환자를 증가시킬 수 있다는 연구도 있다고 합니다.

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그러므로, 앞으로는 환경을 오염시키는 폭죽보다는 친환경 폭죽, 발암물질이 발생하지 않는 폭죽을 사용하면 어떨까요? 흥미로운 불꽃놀이의 원리처럼 사람과 환경, 재미까지 생각하는 즐거운 불꽃축제가 되면 좋겠습니다.

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[사진출처 및 참고문헌]

[네이버 지식백과] 과학교사 최원석의 과학은 놀이다 : 밤하늘을 화려하게 수놓은 모든 색의 정체는?

[논문] ‘불꽃놀이의 수행방법과 안정성에 대한 고찰’, 유원상, 2007

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