불꽃 반응

개요

겉불꽃 속에 넣은 금속 원소가 고유의 빛을 발하는 반응이다. 이를 이용해 화합물에 어떤 금속 양이온이 포함돼 있는지 확인할 수 있다. 불꽃의 열 때문에 원자의 전자들이 들뜬상태로 전이됐다가 돌아오면서 에너지를 방출하는데, 원자마다 에너지 준위가 다르므로 다른 색이 나타나는 원리를 이용하는 것이다.

일상생활에서는 별 의미가 없을 것 같지만, 불꽃놀이의 불꽃 색상을 내는 데 불꽃 반응을 사용한다.

불꽃색

안티모니(Sb)의 불꽃 반응

구리(Cu)의 불꽃 반응

나트륨(소듐, Na)의 불꽃 반응

칼륨(포타슘, Ka)의 불꽃 반응

리튬(Li)의 불꽃 반응

원소별 불꽃색은 다음과 같다.

Li: 빨간색 Na: 노란색 K: 분홍색 Ca: 주황색 Sr: 빨간색 As: 파란색 Ba: 황록색 Cu: 청록색 B: 연두색 Cs: 연보라색 In: 파란색 Mo: 황록색 P: 옅은 청록색 Pb: 연두색 Rb: 연보라색 Sb: 연두색 Se: 하늘색 Te: 연두색 Ti: 초록색 Zn: 비취색 Al: 은백색

위에서 보듯, 비슷한 색을 내는 것이 많아서 맨눈으로 확인하는 데에는 한계가 있다. 따라서 정확히 파악하려면 선 스펙트럼을 비교해야 한다.

선 스펙트럼

빛은 파장에 따라 굴절률이 다르므로 분광기로 분해하면 파장 순서대로 나열된다. 이 스펙트럼의 생김새는 빛의 종류에 따라 달라지므로, 불꽃색의 스펙트럼을 분석하면 정확한 성분을 알아낼 수 있다. 햇빛이 연속적인 스펙트럼으로 나타나는 데 반해, 이들은 듬성듬성 떨어진 선 스펙트럼으로 나타나는 이유는 다음과 같다.

보어의 원자 모형에 따른 설명

보어의 원자 모형에서 전자는 원자핵 주위 전자껍질을 따라 원운동을 하며, 같은 전자껍질에서 움직이는 동안은 에너지 준위가 'n의 제곱 분의 -1312 kJ/㏖ (단, n=주양자수)'로 일정하다. 다른 전자껍질로 전이할 때만 두 전자껍질의 에너지 준위 차이만큼 에너지를 흡수하거나 방출하는데, 전자는 전자껍질과 전자껍질 사이에 존재할 수 없으므로 불연속적인 선 스펙트럼이 나타난다.

예를 들어 수소 원자는 전자를 하나만 가지므로, 수소 원자의 선 스펙트럼은 그 전자가 들뜬상태가 되었다가 어느 껍질로 돌아오는지를 나타낸다. 이중 K 껍질로 돌아오면서 나타나는 것들은 라이먼 계열, L 껍질로 돌아오면서 나타나는 것들은 발머 계열, M 껍질로 돌아오면서 나타나는 것들은 파셴 계열이라 분류한다.

위 식에서 확인할 수 있듯이, 전자껍질 사이 에너지 차이는 K와 L 사이에서 가장 크고 그 뒤로는 점차 줄어든다. 그리고 빛의 에너지와 파장은 반비례 관계이므로, 가장 큰 에너지 차이를 이동하는 라이먼 계열의 파장이 가장 짧고, 같은 계열 안에서도 멀리서 오는 것일수록 파장이 짧다. 따라서 라이먼 계열은 자외선, 발머 계열은 가시광선, 파셴 계열은 적외선으로 나타난다. 이를 앞글자만 따서 “자라가 가발 쓰고 파전(적)을 먹는다.”라고 외울 수도 있다.

현대적 원자 모형에 따른 설명

그러나 보어의 원자 모형은 애당초 수소 원자의 스펙트럼만을 설명하기 위해 나온 것으로, 다른 원자에는 정확히 적용되지 않았다. 다른 원자의 선 스펙트럼에서는 전자껍질 둘 사이를 이동할 때 방출하는 빛이 하나가 아니라 미세한 선 여러 개인 것으로 갈라져서 나오는데, 보어의 원자 모형으로는 이를 설명할 방법이 없었다. 하지만 현대적 원자 모형이 나오면서 주양자수가 같더라도 s오비탈과 p오비탈, d오비탈 등의 에너지 준위가 서로 달라서 그런 현상이 생기는 것임을 알 수 있게 되었다.