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생일 케이크를 장식하든 정전 시 불을 밝히든 양초는 여전히 우리 생활의 일부입니다. 심지가 달린 파라핀 스틱은 시간이 지남에 따라 불꽃을 유지하기에 더 이상 심지가 남아있지 않거나 왁스가 거의 모두 소모될 때까지 타버리는 특성이 있습니다. 이 간단한 관찰은 몇 가지 의문을 제기합니다:
- 캔들 왁스는 어떻게 되나요?
- 촛불은 왜 아무것도 타지 않나요?
- 캔들 왁스는 어디로 가나요?
이러한 질문에 답하기 위해서는 먼저 양초가 무엇으로 만들어지는지, 즉 양초 왁스가 실제로 무엇인지 이해해야 합니다. 다음으로 양초에 불을 붙이고 태울 때 일어나는 일련의 물리적, 화학적 과정에 대해 설명하겠습니다.
캔들 왁스란 무엇인가요?
양초를 구입해 본 사람이라면 모든 양초가 똑같지 않다는 것을 알았을 것입니다. 일반적으로 염료를 첨가하여 색상이 다른 것이 아니라 물리적, 화학적 특성이 다르기 때문입니다. 어떤 왁스는 다른 왁스보다 더 단단하고, 어떤 왁스는 더 반투명하고 어떤 왁스는 더 불투명하며, 어떤 왁스는 다른 왁스보다 촉감이 더 기름지기도 합니다. 이는 모든 양초가 똑같은 재료로 만들어지는 것은 아니기 때문입니다.
우선, 탤로와 밀랍과 같은 천연 왁스로 만든 양초가 있는가 하면 석유에서 추출한 정제 왁스로 만든 양초도 있습니다. 두 경우 모두 주성분 중 하나는 하나 이상의 고체 파라핀 왁스로 구성되어 있습니다.
파라핀 양초
파라핀이라는 용어는 알칸, 즉 포화 탄화수소 계열의 옛 이름입니다.
양초 왁스에 존재하는 파라핀은 항상 매우 긴 사슬 탄화수소(탄소 원자가 30개 이상)이며, 거의 항상 선형(즉, 분지 형태가 아님)입니다. 예를 들어, 천연 및 석유 유래 왁스 모두에 존재하는 파라핀은 분자식이 C31H64인 헨트리아콘탄이라고 하는 31탄소 알칸입니다.
천연 왁스 캔들
반면 밀랍이나 동물성 수지 같은 천연 왁스에는 파라핀 외에도 지방산 에스테르와 같은 다른 장쇄 유기 화합물, 심지어 20개 이상의 탄소로 이루어진 알코올이 복잡하게 혼합되어 있습니다.
밀랍에 존재하는 이러한 화합물의 한 예로 분자식이 C46H92O2인 트리아콘틸 헥사데카노에이트 에스테르가 있습니다. 이 에스테르는 헥사데카노산(화학식 CH3(CH2)14COOH의지방산)과 트리아콘틸 알코올(화학식 CH3(CH2)29OH의30탄소 선형 알코올)의 축합(또는 에스테르화) 반응에 의해 형성됩니다.
동물성 수지에는 일반적으로 다량의 팔미트산과 스테아르산 에스테르가 함유되어 있습니다. 그러나 왁스의 특정 구성은 동물 종에 따라 크게 다릅니다.
촛불을 켜면 어떻게 되나요?
이제 왁스가 무엇인지 이해했으니 촛불을 켤 때 이 물질에 어떤 일이 일어나는지 더 잘 이해할 수 있게 되었습니다. 우선, 어떤 일이 일어나든 물질 보존의 법칙을 따라야 한다는 사실을 받아들여야 합니다. 즉, 왁스가 소모되는 것을 관찰한다고 해서 왁스를 구성하는 원자와 분자가 사라지는 것이 아니라 육안으로는 볼 수 없는 물질로 변하고 있다는 것을 의미합니다.
일반적으로 심지에 불을 붙일 때 불꽃에 가해지는 불의 열은 다음과 같은 변화를 일으킨다고 말할 수 있습니다:
- 왁스가 고체에서 액체로, 액체에서 기체로 변하면서 상 변화가 일어납니다.
- 왁스의 성분과 연소가 일어나는 조건에 따라 완전 연소 반응과 불완전 연소 반응이 모두 발생합니다.
다음에서는 양초를 태울 때 양초의 왁스나 파라핀이 어디로 가는지 이해하기 위해 이러한 각 과정을 자세히 설명합니다.
위상 변화
양초에 불을 붙이면 가장 먼저 심지 재료가 타기 시작하고 이 열과 함께 불을 붙인 불꽃의 열이 고체 왁스를 녹입니다. 이는 촛불을 켠 직후 양초 상단에 녹은 왁스가 작은 웅덩이를 형성하는 것으로 쉽게 확인할 수 있습니다.
그러면 액체 왁스가 심지를 적시고 모세관 효과에 의해 상승하면서 심지의 연소로 인해 생성된 불꽃에 접근합니다. 상승하여 불꽃에 가까워지면 액체에서 기체 상태로 두 번째 상 변화를 겪을 만큼 충분히 뜨거워집니다.
완전한 연소 반응
기체 상태가 되면 왁스를 구성하는 다양한 물질이 연소 반응을 통해 공기 중의 산소와 반응합니다. 온도가 충분히 높고 산소 공급량이 충분히 많으면 화합물이 완전히 산화되어 이산화탄소와 물이 생성되는 완전 연소 반응이 일어납니다.
캔들 왁스의 각 성분에는 고유한 연소 반응이 있습니다. 그러나 파라핀은 포화 탄화수소로 구성되어 있으며 모두 동일한 일반식(CnH2n+2)을 가지고 있으므로 파라핀 양초의 다양한 성분의 연소 반응에 대한 일반적인 방정식을 작성할 수 있습니다:
여기서 n은 파라핀 또는 알칸의 탄소 원자 수를 나타냅니다. 다음 화학식은 이러한 완전 연소 반응, 특히 밀랍에 존재하는 주요 파라핀과 많은 정제 파라핀인 헨트리아콘탄의 연소 반응의 한 예를 나타냅니다.
이는 불꽃이 강렬하게 타는 것을 볼 때 파라핀이나 양초 왁스의 여러 성분에 일어나는 화학 반응의 일종으로, 연기가 발생하지 않고 거의 백색의 빛을 만들어냅니다. 특히 정제 파라핀 왁스로 만든 제품에는 쉽게 타지 않는 다른 성분이 포함되어 있지 않기 때문에 이러한 현상이 특히 흔합니다.
불완전 연소 반응
공기 중 산소의 양이 제한되면 파라핀 및 기타 캔들 왁스 성분의 연소가 완료되지 않을 수 있습니다. 한 번 연소하는 완전 연소와 달리 불완전 연소 반응은 산소의 가용성에 따라 달라질 수 있습니다.
탄화수소와 산소화 유기 화합물이 가장 많이 산화되는 산물인 이산화탄소 대신 일산화탄소(CO)가 생성되는 경우도 있습니다. 위와 같은 파라핀에 대한 해당 반응은 다음과 같습니다:
육안으로는 이러한 부분 연소와 완전 연소를 구분할 수 없습니다. 따라서 이산화탄소와 일산화탄소는 모두 무색 기체이고 두 경우 모두 생성되는 물은 기체 상태이므로 우리가 볼 수 없기 때문에 두 가지가 동시에 발생할 수 있지만 우리는 이를 알아차리지 못합니다. 실제로 파라핀은 산소가 매우 풍부한 대기에서 연소되지 않는 한 두 가지 반응이 동시에 일어나는 것이 일반적입니다.
그러나 육안으로 볼 수 있는 또 다른 불완전 연소 반응이 있습니다. 이것은 연기가 발생하는 곳입니다. 무엇보다도 연기에는 흑연 형태의 탄소가 포함되어 있습니다. 연기는 매우 작은 고체 입자로 구성되어 있기 때문에 우리가 볼 수 있습니다. 가스가 전혀 아닙니다. 따라서 불꽃 끝에서 가느다란 검은 연기가 나오는 것이 보이면 불완전 연소가 일어나고 있다는 것을 알 수 있습니다.
연기 흐름이 명확하게 보이지 않는 경우에도 불꽃 위에 놓인 물체의 표면이 검게 변하면 불완전 연소를 명확하게 확인할 수 있습니다.
결론
이 시점에서 양초가 타면 왁스가 어디로 가는지에 대한 질문에 답할 수 있습니다. 연소가 시작되면 파라핀 및 기타 왁스 성분은 공기 중의 산소와 함께 연소하여 이산화탄소, 일산화탄소, 탄소 또는 기타 불완전 연소 생성물과 수증기가 됩니다. 처음 두 제품은 수증기와 마찬가지로 기체이며 대기 중에 분산되어 있습니다.
반면, 불완전 연소로 인해 원소 탄소 또는 기타 고체 생성물로 변하는 양초 왁스 부분은 처음에는 불꽃에서 나오는 뜨거운 기류에 의해 위로 운반되지만, 이러한 모든 생성물은 공기보다 밀도가 훨씬 높기 때문에 냉각되면서 다시 아래로 떨어져 처음 만나는 표면에 가라앉게 됩니다.
파라핀의 일부는 연소 반응을 거치지 않는 증기로 손실될 수도 있으며, 냉각 시 이 증기는 빠르게 응축되어 접촉하는 모든 표면에 침전된다는 점에 유의해야 합니다. 이것은 특히 불꽃이 꺼지는 순간에 두드러집니다.
연소 반응이 멈춘 직후, 연소 반응의 남은 열은 파라핀의 일부를 계속 증발시켜 증기로 상승하고 빠르게 응축되어 육안으로 보이는 희미한 흰색 연무를 생성합니다. 심지 몇 센티미터 위에서 성냥이나 라이터로 이 작은 파라핀에 불을 붙이면 마치 마법처럼 불꽃이 아래로 내려가 다시 촛불에 불을 붙일 수 있습니다.
참조
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Chang, R. (2021). 화학 (11판 ). 맥그로 힐 교육.
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