성냥개비에 불을 붙여본 적이 있으실 것입니다. 성냥은 어떤 조건에서 불에 탈까요? 복잡하게 생각할 것도 없이 성냥개비를 성냥갑의 마찰 면에 대고 그으면 됩니다. 성냥개비는 저절로 불이 붙지는 않습니다. 하지만 사실, 오늘날과 같이 안전한 성냥이 나오기 전에는 저절로 불이 붙는 일이 흔했다고 합니다. 성냥에 불을 붙이는 것과 성냥이 타는 것은 서로 다릅니다. 이 두 과정에 대해서 화학적으로 조금 더 자세히 살펴보도록 하겠습니다.
불에 탄 성냥을 관찰하는 것도 화학적으로 관심거리가 될 수 있습니다. 아직 타지 않은 성냥개비와 불에 탄 성냥개비를 비교해 봅시다. 물질의 변화는 성냥의 예에서 충분히 관찰할 수 있습니다. 성냥은 감각적으로 인지할 수 있는 물질의 변화를 다양하게 보여줍니다. 성냥의 색은 대개 빨간색이나 파란색에서 검은색으로 바뀌게 됩니다. 불에 탄 나무의 냄새를 맡을 수 있으며 이미 불에 탄 성냥개비의 머리에는 다시 불을 붙일 수가 없습니다. 하지만 화학적인 성질은 완전히 달라집니다. 불에 탄 성냥개비의 마찰면에 그어 불을 붙여 봅시다. 그러면 마찰 면에는 성냥개비의 머리가 남긴 검은 선만이 나타납니다. 이러한 변화를 유발한 것은 바로 불꽃입니다. 불꽃은 이미 마련되어 있던 화학적 전제들 때문에 발생하게 됩니다.
연소할 때 산소가 결정적인 열학을 한다는 것은 그릴을 사용해본 사람이라면 누구나 알고 있을 것입니다. 숯이 잘 타기 위해서는 공기가 충분히 공급되어야 합니다. 공기를 공급하는 방법은 다양하며 그때그때 여건에 맞는 방법을 선택하면 됩니다. 부채질하거나 팬으로 공기를 주입하거나 입으로 바람을 불어넣을 수도 있습니다. 공기는 여려 기체의 혼합물입니다. 공기의 성분 중에는 산소가 약 21%, 질소가 78%를 차지하고, 나머지는 비활성 기체와 이산화탄소로 구성되어 있습니다. 성냥을 켜서 초에 불을 붙여봅시다. 초는 공기가 충분해야 탄다는 것은 누구나 아는 상식입니다. 그래서 초를 등잔에 넣을 때는 등잔의 바닥이나 옆 벽에 구멍이나 틈새를 만들어 공기가 충분히 공급되도록 해야 합니다. 공기가 충분하지 않으면 초의 불꽃은 작아지다가 결국 꺼지게 됩니다.
산소는 어떤 역할을 할까요? 산소는 왜 연소뿐만 아니라 다른 화학반응에서도 중요한 역할을 할까요? 산비탈에서 썰매나 스노보드를 탄다고 가정해 봅시다. 산 중턱에서 썰매를 타고 내려가기 위해서는 썰매를 밀치는 힘이 필요합니다. 힘을 가하고 나면 그다음은 저절로 썰매를 타고 내려갈 수 있습니다. 화학반응도 이와 똑같이 진행됩니다. 일단 반응이 일어나게 되면 그다음은 저절로 진행이 됩니다. 성냥개비에 불을 붙일 때도 마찬가지입니다. 이 경우에 가하는 힘은 성냥개비를 마찰면에 대고 긋는 것입니다. 그다음에는 저절로 불이 붙습니다. 썰매를 타고 내려온 뒤에는 다시 산 중턱으로 썰매를 끌고 올라가야 합니다. 위로 올라갈 때 썰매에 연결한 밧줄을 놓으면 썰매는 경사면을 따라 아래로 쏜살같이 내려갑니다.
이와 유사한 것이 바로 흡열 반응입니다. 지속적인 에너지의 유입이 없으면 아무 일도 일어나지 않습니다. 흡열 반응의 예로는 휴대전화나 노트북의 배터리 충전을 들 수 있습니다. 이때는 열에너지가 아니라 전기에너지가 충전됩니다. 충전기를 콘센트에서 빼어 충전을 중단하면 배터리는 더 이상 충전되지 않습니다. 충전 중이나 충전 직후에 만져보면 배터리가 따뜻해진 것을 알 수 있는데, 이는 전기에너지가 화학 에너지와 열로 전환되기 때문입니다. 반대로 배터리를 사용할 때, 다시 말해 방전 과정에서는 축적된 화학 에너지가 다시 전기에너지로 전환됩니다. 때문에 배터리를 충전하거나 방전할 때 전류가 흐르게 됩니다. 성냥을 켜는 것, 초에 불을 붙이는 것, 전지를 충전하거나 방전하는 것 등은 기본적으로 일상에서 관찰할 수 있는 화학 현상입니다.
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