물을 만나면 즉시 폭발하는 금속 - 왜?

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폭발(爆發 explosion)은 물질이 순식간에 대량의 가스와 열을 발생할 때 나타나는 현상이다. 이때 엄청난 폭음도 터지고 파괴된 물체의 입자들이 사방으로 흩어진다. 메탄가스 폭발, 지뢰 폭발, 어뢰폭발, 핵물질 폭발 같은 현상은 전쟁, 테러 같은 두려운 상황을 연상케 한다. 그러나 위성을 쏘아 올리는 로켓 엔진에서 일어나는 폭발, 자동차 등의 동력기관을 움직이는 내연기관 내부의 조절된 폭발, 바위를 깨뜨리는 다이너마이트의 폭발, 불꽃놀이에서 휘황한 섬광을 만드는 불꽃탄의 폭발은 인위적으로 잘 이용하는 폭발 현상이다.

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폭발은 물리적 현상인가 화학적 현상인가?

폭약이 폭발할 때 순간적으로 방출되는 에너지를 생각하면 물리적 현상으로 생각된다. 그러나 폭발이 일어날 때는 어떤 물질이 화학반응을 했거나, 핵물질이 핵분열 또는 융합반응을 하여 에너지가 나오는 것이므로, 이는 화학 반응인 동시에 물리 반응이 함께 일어나는 것이다. 폭발하는 물질은 고체이기도 하고 액체 또는 기체이기도 하다.

 

 

 

 

총알이나 불꽃놀이에 사용되는 화약의 양은 소량이다. 그러나 이들이 폭발하여 생겨나는 급팽창한 기체는 큰 에너지를 가지고 있다. 많은 폭약은 화학반응이 빨리 일어나도록 성분 속에 다양한 촉매를 혼합하여 제조한다.

 

 

폭발 때 방사되는 에너지는 폭발의 중심부에서 고온의 열과 고압의 가스 상태로 나오며, 이때 폭음(爆音)이 발생한다. 폭음은 폭발의 에너지가 주변의 물체를 진동시키는 동시에 공기를 팽창시켜 큰 압력을 가진 충격파를 만들기 때문에 생겨난다. 이런 폭발 현상은 우주의 별에서도 일어난다.

 

 

 

 

마그마 속에 포함된 수증기, 이산화탄소, 황의 가스, 염산가스 등은 고온의 지열 때문에 팽창하려는 압력을 가지고 있다. 지각에 분출할 틈이 생기면 언제나 폭발 가능성이 있다.

 

 

 

 

궁수자리에 있는 M1-67이라 불리는 성운의 모습이다. 이 성운은 중앙에 보이는 별(WR 124)에서 핵반응이 일어나 생겨난 것이다. 1938년에 처음 발견되었으며, 지구로부터 5.87광년 거리에 있고, 약 20,000년 전에 폭발이 일어났다. 천문학자들은 허블우주망원경으로 도플러 현상을 관측하여 이 성운이 확대되는 속도를 측정하기도 한다.

 

 

폭발 때는 어떤 화학반응이 일어나는가?

수소와 산소가 화학반응(연소 또는 폭발)하면 물과 에너지가 생겨난다. 다이너마이트가 터질 때는 폭약을 구성하는 성분이 질소, 이산화탄소, 일산화탄소 등으로 분해되는 화학반응이 일어난다. 다이너마이트 폭발 때 생겨나는 질소와 이산화탄소는 인체에 직접적인 해가 없다. 그러나 폭발 때 나오는 엄청난 에너지는 바위를 깨는 물리현상을 일으킨다.

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전기 스파크는 폭발인가?

전선이 합선되면 순간적으로 밝은 빛과 폭음이 발생한다. 이것은 전기방전이 주변 공기의 온도를 높임에 따라 공기가 팽창하여 발생하는 음파이다. 번개가 칠 때도 고압 전류에 의한 공기의 폭발이 일어난다. 초강력 자기장이 작용할 때도 전기 스파크처럼 폭발(magnetic explotion)이 일어난다.

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터지는 고무풍선은 폭발인가?

고무풍선이 터질 때 나는 폭음은 고무 피막 속에 압축되어 있던 공기가 순간적으로 팽창하여 일어나는 물리적 폭발이다.

 

 

폭발 에너지는 어느 방향으로 전달되나?

원래 폭발의 각도는 360°이다. 그러나 군사용으로 사용하는 폭발물은 목적한 방향으로 방사되도록 만든다.

 

 

알칼리 금속이 물을 만나면 왜 폭발하는가?

 

물과 접촉하면 즉시 폭발하는 금속은 원소주기율표에서 제1족에 속하는 ‘알칼리 금속’이라 불리는 물질들이다. 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 프랑슘이 바로 그들이다. 이 중에서 일반적인 알칼리 금속은 원자번호 11번인 나트륨(Na)과 원자번호 19번인 칼륨(K)이다.

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나트륨이 물에 녹으면 수산화나트륨(NaOH)이 되고, 칼륨이 물에 녹으면 수산화칼륨(KOH)이 된다. 이것처럼 물과 결합하면 알칼리성 화합물이 되는 금속을 ‘알칼리성 금속’이라 한다. 학교 실험실에서 수산화나트륨이나 수산화칼륨을 만들 때는 폭발하지 않도록 소량씩 천천히 썩어야 한다.

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알칼리 금속의 특징 몇 가지

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1) 모두 은색으로 반짝거리는 금속이다. 공기 중에 두면 산소 및 수증기와 결합(산화)하여 쉽게 변색한다. 따라서 이들을 보관할 때는 공기와 접촉하지 않도록 기름 또는 불활성(화학반응을 좀처럼 하지 않는) 기체 속에 둔다.

2) 칼로 자를 수 있을 정도로 무르다.

3) 상온 상압에서 다른 물질과 맹렬(猛烈)하게 화학반응을 일으킨다. 이런 성질 때문에 이들은 원소 상태로 자연계에 존재하지 못하고 전부 화합물이 되어 있다.

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이 원소들의 화학반응력이 좋은 이유는, 그들의 원자핵 주변을 도는 최외각 전자가 1개이기 때문이다. 외톨이 전자는 다른 물질을 만나면 상대 원소의 전자 속으로 쉽게 끌려가 화학반응이 일어나게 하는 것이다.

 

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알칼리 금속이 물과 만나 폭발하듯이 반응하는 이유와 과정을 구체적으로 설명한 최초의 과학자는 체코 공화국 과학아카데미의 화학자 융비러스(Pavel Jungwirth)였다. 그는 고속도 비디오 카메라를 이용하여 나트륨과 칼륨이 물과 반응하는 현장을 촬영하여, 느린 속도로 영상을 분석했다. 2015년에 그가 사용한 비디오 카메라는 1초에 30,000컷의 영상을 찍는 것이었다.

 

 

 

 

물에 떨어진 알칼리 금속이 폭발하는 모습을 촬영한 융비러스 교수의 비디오 카메라 세트이다.

 

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폭발 과정에 대한 융비러스 교수의 설명이다. “알칼리 금속(예 Na)이 물을 만나면 음전하(-)를 가진 전자를 방출하게 된다. 전자를 잃은 Na 분자는 전부 Na+가 된다. 이온화된 Na+ 입자들은 전기적으로 서로 반발하면서 충돌하게 되어 높은 열이 난다. 동시에 방출된 전자는 물 분자를 분해하여 수소를 발생시킨다. 이 반응이 일어나면 온도가 높아지고, 발생한 수소는 공기 중의 산소와 맹렬히 화합하여 불꽃이 생긴다. 두 기체가 결합하면 수증기가 생기고, 수증기는 고열에 의해 팽창하여 폭발이 일어난다.”

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연소(燃燒 combution)와 폭발(detonation, explotion)은 같은 화학반응이며, 반응속도에 차이가 있을 뿐이다. 과열된 보일러가 터지는 것은 고압의 수증기에 의한 물리적 폭발이다. 폭발 현상은 물리학자나 화학자 모두의 첨단 연구 대상이며, 폭약은 군사용만 아니라 산업적으로 매우 중요하다. 폭발에는 온갖 위험이 따르기 때문에 안전과학의 중요한 대상이기도 하다. - YS

 

 

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