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빨간 액체가 들어있는 유리병 속에서 타오르는 초록색 불꽃과 노랑색 불꽃. 불꽃에 색깔을 불어넣는 여러 금속들의 성질을 불꽃반응으로 알아본다.

■ 준비물
 

알코올램프 3개, 염화나트륨, 염화스트론튬, 염화구리, 연료용 알코올 3백mL, 1백mL 비커 3개, 물, 라이터, 세가지 색깔의 식용색소, 약수저.

■ 실험방법
 

1. 세개의 비터에 약 10mL의 물을 넣는다.
 

2. 염화나트륨(소금). 염화스트론튬, 염화구리 각각 반숟가락(0.5g)을 3개의 비커에 넣고 녹인다. 녹인 후 용액을 알코올램프 안에 넣는다.

3. 연료용 알코올 1백mL를 각각의 알코올램프에 넣고 용액과 섞이도록 흔들어 준다.
 

4. 염화나트륨이 들어있는 알코올에는 노란색, 염화스트론튬에는 초록색, 염화구리에는 붉은색의 색소를 탄다.
 

5. 심지를 끼우고 잠시 기다린 후 불을 붙인다.

■ 왜 그럴까?

알코올램프에서 색소와는 다른 색의 불꽃을 볼 수 있다. 이는 알코올램프 속에 녹아있는 물질 때문이다. 즉 염화나트륨, 염화스트론튬, 염화구리가 타면서 고유의 불꽃색을 나타낸다. 좀더 자세히 말하면 물질 속에 포함된 금속원소 때문에 불꽃색이 다르게 나타난다.

모든 금속이 이렇듯 고유의 불꽃색을 나타내는 것은 아니다. 금속 중에서도 리튬, 나트륜, 칼륨, 칼슘, 스트론튬, 바륨과 같은 알칼리금속과 구리가 고유의 불꽃색을 나타낸다. 이러한 불꽃색은 물질에 포함된 원소를 알아내는 1차적인 방법으로 사용되기도 한다.

화합물을 구분하는데는 녹는점이나 끓는점, 밀도를 이용한다. 하지만 이런 방법으로 그 화합물 속에 포함된 원소까지를 알아내기는 어렵다.

모든 알칼리금속과 몇몇의 금속들은 원자상태나 이온상태에서 가열될 경우 에너지를 흡수하면서 전자배치가 들뜬상태로 된다. 얼마 후 들뜬상태의 전자들은 에너지를 방출하면서 원래의 상태로 돌아간다. 이런 과정이 반복되면서 원소에 따라 특정한 파장의 빛을 방출하게 되는데, 이 때 가시광선 영역의 빛을 방출할 경우 우리 눈에 특정한 색의 불꽃으로 보이게 된다.

모든 원소가 불꽃색을 나타내지는 않으므로 물질을 구성하고 있는 원소를 보다 정확히 파악하기 위해서는 스펙트럼 분석을 사용한다. 각 원소의 스펙트럼은 사람의 지문과 같아 원소마다 고유하고 어떤 형태의 화합물에도 변하지 않는 특성이 있어 물질의 구성 성분을 분석해내는데 이용한다.

신과림 박사의 실험파일

1. 실험에 사용한 금속화합물은 연료용 알코올에는 녹지 않으나 물에는 잘 녹는 성질이 있으므로 물에 녹여 사용한다. 다만 물을 많이 사용하면 불꽃이 작게 생기므로 화합물을 녹일 정도만 사용한다.

2. 색소 대신 물감을 사용하면 물감의 색소에 포함돼 있는 금속화합물이 불꽃색을 바꿀 수 있다.

3. 실험에 사용했던 심지는 계속 불꽃색이 나타나므로 물질을 바꿔 실험할 때는 바꿔 끼워 사용해야 한다.

4. 금속화합물 중 구리, 스트론튬, 나트륨을 포함하고 있는 것이 가장 뚜렷한 색을 보인다.

5. 집에서는 소금인 염화나트륨을 물에 녹여 수저에 담아 가스렌지 불꽃에 대보면 노란색의 불꽃을 볼 수 있다. 같은 맥락으로 구리선을 가스렌지 불에 대보면 초록색의 불꽃반응색이 나타날 것으로 생각되지만 그렇지 않다. 구리선만으로 불꽃반응을 보이지 않는 이유는 구리가 이온상태로 되지 않았기 때문이다. 이때 피복이 씌워진 구리선을 불꽃에 대면 피복 속에 포함된 물질들과 구리가 반응을 일으켜 이온상태로 바뀌면서 초록색의 불꽃을 나타낸다.