탄산수소나트륨의 열분해 반응식 (소화기 원리)

분말 소화기 약제

분말로 된 소화기 약제에는 여러 가지 성분이 들어 있습니다만, 그중에 대표적인 것이 탄산수소나트륨(sodium bicarbonate)입니다. 이 물질은 사실 우리에게 상당히 익숙한 물질로, 흔히 말하는 베이킹 소다가 이것이죠. 우리가 그냥 소다라고 부르기도 하는 물질입니다. 참고로, 탄산수소나트륨은 양쪽성 물질이고, 염기로 작용할 수 있기 때문에 김치나 레몬주스의 신 맛을 줄일 수가 있다는 것은 이전의 포스팅에서 정리한 바가 있습니다.

2023.11.15 - [과학] - 김치의 신맛을 줄이기 위해 소다를 넣는 반응

김치의 신맛을 줄이기 위해 소다를 넣는 반응

불을 끄는 소화기에 탄산수소나트륨이 주성분으로 들어가는 이유가 몇 가지 있는데, 그중 하나는 탄산수소나트륨이 열분해가 되는 반응이 흡열반응이기 때문입니다. 화재 현장에 뿌렸을 때 주변의 열을 흡수하면서 냉각효과가 나타나게 되겠지요. 그리고, 분해되면서 이산화탄소와 수분이 발생하는데요, 이 역시 소화기에 사용되기에 알맞은 특징이겠죠. 이 반응에 대해서 자세히 확인해 보겠습니다.

베이킹 소다를 이용하면 소화기 실험을 할 수가 있다. 이미지 출처: sciencenotes.org

 

탄산수소 나트륨의 열분해

화학반응이 일어날 때 열을 흡수하는 반응을 흡열반응이라고 하죠. 이러한 흡열반응의 대표적인 예로 탄산수소 나트륨의 열분해를 들 수가 있는데요, 반응식은 아래와 같습니다.

 

2NaHCO3(s) + 열 → Na2CO3(s) + H2O(l) + CO2(g)

 

그리고, 위의 반응은 850℃ 이상의 고온에서는 아래와 같이 진행되기도 합니다.

 

2NaHCO3(s) + 열 → Na2O(s) + H2O(l) + 2CO2(g)

 

이 반응식을 보면 탄산수소나트륨이 열분해 될 때 열을 흡수하므로, 불에 뿌리게 되면 주변을 냉각시키는 효과가 발생한다는 점, 그리고 물과 이산화탄소가 생성이 되므로 이 역시 불을 끄는데 효과적으로 작용할 수 있다는 점을 알 수 있습니다. 사실 베이킹소다로 빵을 만들 때 빵이 부풀어 오르는 것도 이렇게 생성되는 이산화탄소에 의한 것입니다. 그리고, 우리는 반응식을 알게 되었으므로, 탄산수소나트륨 몇 g을 소화 분말에 사용하였을 때 물(수증기)과 이산화탄소가 얼마나 생성이 될지 알 수가 있고, 온도와 기압을 알면 부피까지 알 수가 있습니다.

 

참고로, 소화기에 탄산수소나트륨을 황산(H2SO4)과 함께 충진한 다음, 화재 현장에서 소화기를 뒤집어서 서로 섞은 후에 방사하는 타입도 있습니다. 이런 경우에 반응식은 아래와 같이 됩니다.

 

2NaHCO3(s) + H2SO4(aq) → NaSO4(s) + 2H2O(l) + 2CO2(g)

 

이러한 유형의 소화기는 산-알칼리 소화기라고도 하는데요, 이렇게 하면 반응의 생성물인 물과 이산화탄소가 소화기로부터 방사되고, 미반응된 탄산수소나트륨이 방사되면 또 열분해가 진행되므로 소화 효과가 나타납니다.