[과학] 알록 달록한, '불꽃 반응(flame reaction)'

금속 원소나 금속 원소를 포함한 화합물을 불꽃에 넣었을 때

원소의 종류에 따라 다양한 불꽃색을 나타낸다. 이러한 반응을

 

'불꽃 반응(flame reaction)'이라고 부른다.

 

오늘은 불꽃 반응이 일어나는 것에 대해 알아보자!

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"불꽃 반응이 일어나는 이유는?"

 

▲ 여러가지 원소의 불꽃 반응(출처: 에듀넷)

원자가 가진 전자는 겉불꽃에 의해 공급되는 에너지를 흡수할 수 있고, 흡수한 에너지는 얼마 지나지 않아 다시 방출되는데, 이때 방출되는 에너지는 빛의 형태로 나타난다. 그런데 원소의 종류에 따라 방출되는 에너지의 크기가 다르고, 에너지의 크기에 따라 빛은 다양한 색깔을 나타내게 된다.

 

 

불꽃반응실험과정(Flame Test)

 

즉, 불꽃 반응은 원소의 종류에 따라 흡수했다가 방출하는 에너지의 양이 다르기 때문에 나타나는 현상으로 원소의 종류를 확인할 수 있는 방법이다.

 

@pixabay

불꽃 반응의 원리는 축제에서 밤하늘을 현란하게 장식하는 불꽃놀이에도 이용되어 다양한 물질을 이용하여 다양한 색깔의 빛을 내게 된다.

@국제신문

하지만 일부 원소들은 리튬과 스트론튬이 각각 빨간색을 나타내는 것처럼 같은 색깔의 불꽃 반응을 나타내는 경우도 있다. 그렇다면 이러한 불꽃 반응 색깔이 같은 원소들을 구별하기 위한 방법은 어떤 것이 있을까? 바로 스펙트럼 분석이다.

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"스펙트럼이란?"

 

▲ 여러가지 스펙트럼 (출처: 에듀넷)

스펙트럼이란 빛이 삼각 프리즘과 같은 분광기를 통과할 때 분리되어 파장에 따라 배열된 것이다. 파장이 다른 빛은 눈으로 볼 수 있는 색깔도 다르고, 성질도 조금씩 다르기 때문에 분리할 수 있다.

▲ 삼각 프리즘에 의한 빛의 분해와 무지개를 통해 볼 수 있는 연속 스펙트럼(출처: 에듀넷)

 

햇빛이나 백열전구의 빛이 삼각 프리즘을 통과할 때, 파장에 따라 굴절되는 정도가 다르기 때문에 우리는 마치 무지개와 같은 스펙트럼 현상을 확인할 수 있다.

 

"스펙트럼 종류는?"

@pixabay

더 나아가 비가 갠 하늘에서 볼 수 있는 무지개도 하늘의 물방울에 의해 햇빛이 파장에 따라 분리되어 나타나는 것이다. 백열전구나 햇빛을 프리즘에 통과시켰을 때 나타나는 빛 혹은 하늘에 생기는 무지개는 스펙트럼이 연속적인 색의 띠로 나타나는데

연속 스펙트럼(출처: ZUM 학습백과)

이를 ‘연속 스펙트럼’이라 한다. 연속 스펙트럼은 빛을 분해했을 때 연속적으로 나타나는 무지개색 띠를 말한다. 이러한 연속 스펙트럼은 색의 띠 사이에 끊기는 부분이 없고 연속적으로 이어지는 특징이 있다.

 

방출 스펙트럼, 흡수 스펙트럼 (출처: ZUM 학습백과)

 

또 다른 스펙트럼의 종류에는 ‘방출 스펙트럼’과 ‘흡수 스펙트럼’이 있다.

 

◎ 방출 스펙트럼(= 선 스펙트럼): 검은 배경에 몇 개의 밝은 선으로 나타나는 것

◎ 흡수 스펙트럼: 연속 스펙트럼을 배경으로 몇 개의 어두운 선이 나타나는 것

 

특히, 불꽃 반응을 통해 나타나는 빛은 바로 이 방출 스펙트럼(선 스펙트럼)의 형태로 나타난다. 방출 스펙트럼은 원자가 가진 전자에 에너지를 공급한 후 전자가 방출하는 빛을 분해한 것인데, 원자의 특성에 따라 특정 파장을 갖는 빛을 방출하기 때문에 색의 띠가 전체 영역에서 나타나는 것이 아니라 한정된 부분에서만 나타나는 것이다.

원소에 따라 다른 방출 스펙트럼(출처: OLCreate)

원자의 특성에 따라 각기 다른 선 스펙트럼을 나타내기 때문에 이를 이용해 원자의 종류를 구분해 볼 수 있다. 불꽃 반응을 통해 나타나는 불꽃색이 겉으로 보기에 같은 경우라도 이 선 스펙트럼은 다르다. 따라서 불꽃색이 같은 원소들은 스펙트럼 분석을 통해 구별이 가능하다.

 

 

< 요약 >

• 불꽃 반응이란 원소의 종류에 따라 흡수했다가 방출하는 에너지의 양이 다르기 때문에 나타나는 현상으로 원소의 종류를 확인할 수 있는 방법이다.
• 불꽃놀이는 불꽃 반응을 이용한 것이다.
• 무지개는 연속 스펙트럼에 해당된다.
• 물질에서 방출되는 빛을 분광기를 이용해 관측하면 스펙트럼을 얻을 수 있다.
• 스펙트럼의 모습에 따라 ① 연속 스펙트럼 ② 방출 스펙트럼 ③ 흡수 스펙트럼으로 나뉜다.

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출처

국제신문(https://www.kookje.co.kr/news2011/asp/news_print.asp?code=0800&key=20161021.22019194212)

교육부 (https://if-blog.tistory.com/m/5309)

달빛과학(https://dalvitjeju.tistory.com/51)

 

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