금속 원소 불꽃반응 원리

불꽃반응이란 (Flame Test)

철, 리튬, 나트륨, 알루미늄 등의 금속 원소 또는 금속 원소를 포함하는 물질을 불꽃에 넣으면 금속 원소의 종류에 따라 고유의 불꽃반응 색이 나타나는 것을 불꽃반응이라고 합니다. 영어로는 Flame test라고 합니다.

 

여러 원소의 불꽃반응 색은 아래와 같습니다.

 

여러 원소의 불꽃 반응 색, 이미지 출처: www.geeksforgeeks.org

 

불꽃 반응 색과 관련하여 자주 등장하는 원소들의 불꽃 반응 색을 테이블로 정리하면 아래와 같습니다.

 

원소 구분	불꽃 반응 색
리튬	빨간색
스트론튬	빨간색
나트륨 (소듐)	노란색
칼륨 (포타슘)	보라색
구리	청록색
칼슘	주황색
바륨	황록색

 

실험 방법이 아주 간단하고, 물질의 양이 적어도 가능하기 때문에 쉽게 원소를 확인할 수 있는 방법으로 물질의 종류가 다르더라도 동일한 금속 원소가 포함이 되어 있으면 같은 불꽃 반응 색을 확인할 수가 있습니다. 예를 들어 염화나트륨과 질산나트륨은 모두 불꽃 반응 색이 노란색이 나타나며, 염화구리와 질산구리는 모두 불꽃 반응 색이 청록색이 나타나게 됩니다. 염화칼슘과 질산칼슘은 모두 주황색이 나타나게 되고, 염화스트론튬과 질산스트론튬은 불꽃 반응 색이 모두 빨간색이 나타나죠.

 

불꽃반응색 실험 방법

불꽃반응색을 관찰하기 위한 실험은 원소를 불꽃에 넣는다는 개념만 이해하면 쉽게 진행할 수가 있습니다. 예를 들자면, 우선 도가니나 알루미늄 접시, 솜, 그리고 염화나트륨을 녹인 에탄올 수용액을 준비합니다. 도가니나 알루미늄 접시에 솜을 넣은 다음에 염화나트륨을 녹인 에탄올 수용액을 솜에 떨어뜨려 적시고 점화기를 이용하여 솜에 불을 붙이면 노란색의 불꽃을 관찰할 수가 있죠. 여기서 시료를 염화나트륨을 녹인 에탄올 수용액이 아니라 염화칼슘, 질산구리, 질산리튬 등 다양하게 시험에 사용해 보면 다양한 불꽃색을 볼 수가 있습니다.

 

또 하나의 방법은 백금선이나 니크롬선을 묽은 염산과 증류수로 씻어 불순물을 제거한 다음에 염화나트륨이나 질산나트륨 등이 수용액을 묻혀 노치나 알코올 램프의 겉불꽃에 넣어서 관찰해도 됩니다. 여기서 겉불꽃에 넣는 이유는 겉불꽃이 속불꽃보다 온도가 높고 완전연소가 일어나기 때문에 불꽃반응 색을 관찰하기 용이하기 때문입니다.

 

불꽃 반응 색 실험 방법, 이미지 출처: psiberg.com

 

불꽃 반응 원리

불꽃반응이 나타나는 원리는 원소가 연소할 때 금속 원자가 가진 전자들이 에너지를 흡수하여 높은 에너지 준위의 들뜬상태가 되었다가 다시 낮은 에너지 준위의 바닥상태로 돌아가면서 에너지를 방출하게 되기 때문입니다. 이때 에너지가 빛의 형태로 방출이 되는데, 특정 파장의 빛이 방출되면서 우리 눈에 보이는 가시광선 영역에 해당이 되면 불꽃반응 색으로 보이게 되는 것이죠.

 

전자가 바닥 상태로 돌아가면서 에너지를 방출하고, 이 때 방출된 빛이 색을 낸다.

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물질에 포함된 원소의 종류의 확인할 수 있는 방법으로 스펙트럼 관찰 외에 불꽃반응에 대해 정리하였습니다. 스펙트럼에 대한 내용은 아래의 링크를 참고하시면 도움이 될 수 있습니다.

 

2023.12.08 - [과학] - 스펙트럼의 종류 (연속, 방출, 흡수 스펙트럼)

스펙트럼의 종류 (연속, 방출, 흡수 스펙트럼)