[2023] I-1-01. 원소 3 (完)

3. 불꽃

반응

어떤 물질 속에 들어 있는 원소가 궁금할 때가 있다. 이러한 경우에는 어떻게 해당 원소가 있음을 검출할 수 있을까? 실제로 다양한 방법들이 존재하지만, 비교적 간단하게, 그리고 가시적으로 구분할 수 있는 방법에 대해서 두 가지를 소개할 수 있겠다.

만일 우리가 검출하고 싶은 원소가 '금속'에 국한된다면, 우리는 불꽃 반응을 이용하여 해당 원소를 검출할 수 있다. 불꽃 반응이란 해당 원소를 불꽃에 넣었을 때 해당 물질의 종류에 따라 불꽃의 색이 달라지는 현상을 뜻한다.

다양한 금속의 불꽃 반응이 존재하지만, 중학교 교육과정에서는 7가지 정도만을 다룬다. 각 7가지의 불꽃 반응색은 아래와 같다.

그런데 눈치가 조금만 빠른 학생이면 다 알수 있듯, 리튬과 스트론튬은 불꽃 반응색이 동일하다. 사실 직접 보면 둘은 약간 다르지만, 문제는 비교 대상이 없는 경우에는 리튬인지, 스트론튬인지를 구분할 수가 없다. 이것이 바로 불꽃 반응의 단점이다. 불꽃 반응은 몇 가지 단점이 있는데, 첫번째로는 오직 금속만을 검출할 수 있다는 것이고(그마저도 전부는 아니다), 다른 하나는 불꽃 반응색이 비슷한 두 원소를 분간하기가 곤란하다는 점이다.

이 문제를 해결하기 위해, 두 번째 방법을 사용할 수 있다. 바로 '선 스펙트럼' 분석이다.

 

4. 선 스펙트럼 분석

분광기는 물질이 방출하거나 흡수하는 빛을 파장에 따라 분리해주는 장치이다(그림 19). 이에 따라 분리된 빛들은 각각의 위치에 마치 선처럼 세로로 구성되는데, 이를 '스펙트럼' 이라고 한다. 스펙트럼은 그 종류에 따라 '연속 스펙트럼'과 '선 스펙트럼'으로 구분할 수 있다. 햇빛을 분광기로 관찰하면 모든 영역이 무지개빛으로 나타나게 되는데, 이를 연속 스펙트럼이라고 한다. 반면 리튬, 나트륨 등 특정 원소를 분광기로 관찰하면 특정 영역에서만 세로선이 발생하는데, 이를 선 스펙트럼이라 한다.

선 스펙트럼은 물질의 고유한 '특성'이기 때문에, 설사 불꽃 반응색이 같더라도, 둘은 다른 선 스펙트럼의 양상을 보인다. 따라서 우리는 이를 통하여 두 가지 다른 원소의 종류를 구분할 수 있게 된다.

스펙트럼에 대하여 조금만 더 이해해 보는 시간을 가져보도록 하자. 스펙트럼이 가장 많이 쓰이는 분야 중 하나는 지구과학 분야이다. 아래 그림 21을 확인하여 보자.

엄밀히는 스펙트럼은 크게 두 종류로 분류할 수 있는데, 하나는 햇빛, 백열 전구와 같이 스펙트럼이 연속적으로 나타나는 연속 스펙트럼이고, 다른 하나는 수소, 태양 및 미지의 별에 나타난 것과 같은 불연속 스펙트럼이다. 불연속 스펙트럼은 띠가 나타나는 방식에 따라 수소, 헬륨에서 나타난 바와 같이 선 스펙트럼이 나타나는데, 이를 방출 스펙트럼이라고 한다. 마지막으로 태양과 미지의 별에서 나타난 바와 같이 선이 검은색, 즉 흡수선으로 나타나는 스펙트럼을 흡수 스펙트럼이라고 한다.

별은 빛을 내는 천체이다. 우리는 별이 만들어내는 빛을 지구에서 바라볼 수 있는데, 이를 분광기에 넣어서 스펙트럼을 얻어낼 수 있다. 그런데 이러한 빛은 지구로 항상 순수하게 들어오지 않는다. 만일 별빛이 고온의 기체를 지나가는 경우, 가열된 기체는 에너지를 방출하며 이것이 검은색 선 위에 색 모양의 선으로 표현되어진다. 이를 방출 스펙트럼이라 하는 것이다. 한편, 별빛이 저온의 기체를 지나가는 경우, 그 물질에 해당하는 특정 파장을 흡수하게 된다. 이에 따라 스펙트럼은 연속 스펙트럼에 흡수된 파장의 빛이 흡수선 즉 검은색 선으로 나타나게 되는데, 이를 흡수 스펙트럼이라 하는 것이다. 마지막으로 고온의 물체에서 발생한 빛이 그대로 분광기를 지나는 경우, 연속 스펙트럼이 나타나게 된다.

원소의 종류에 따라 스펙트럼에 나타나는 선의 위치(파장), 개수, 간격, 굵기 등은 모두 다르다. 그러므로 우리는 이를 통해 원소를 구별할 수 있다. 또한, 별빛의 흡수 스펙트럼의 경우 흡수선의 세기는 원소의 밀도에 비례함을 이용하여 구성 원소의 종류와 질량비를 알 수 있다.

[추가] 물의 전기 분해

다음은 물의 전기 분해 실험을 나타낸 것이다(그림 23). 실험 과정은 다음과 같다.

① 수산화 나트륨을 조금 녹인 물을 실리콘 마개를 씌운 빨대 2개에 가득 채운다.

② 과정 ①의 빨대를 위와 같이 장치하고 전류를 흘려 변화를 관찰한다.

③ (+)극의 마개를 빼면서 불씨만 남은 향불을 대어 본다.

④ (-)극의 마개를 빼면서 성냥불을 대어 본다.

수산화 나트륨을 쓰는 이유는 순수한 물은 전기가 잘 통하지 않기 때문이다. 수산화 나트륨은 물에 녹으면 수산화 이온과 나트륨 이온으로 나누어지며, 물에 녹아 전기가 통하게 만드는 다음과 같은 물질들을 전해질이라고 한다.

실험 결과는 다음과 같다.

① 두 극에서 모두 기체가 발생하며, 기체 발생량은 (+)극 : (-)극 = 1 : 2 이다.

② (+)극에 향불을 대면 불씨만 남았던 향불이 다시 불씨가 커진다.

③ (-)극에 성냥불을 대면 ‘퍽’ 소리를 내며 탄다.

실험의 의의는 다음과 같다.

① (+)극에서는 산소가, (-)극에서는 수소가 발생한다. (실험 결과 ①~③으로부터)

② 물은 두 개의 원소로 분해되므로 물질을 이루는 기본 성분이 아니다. (주철관 실험과 의의가 같다)

Edited 23.11.25
Edited by 푸른삿포로