불길은 왜 뜨거울까

물건이 뜨겁다는 건 가연성 물질이 산소와 반응해 발생하는 격렬한 산화반응 수를 말한다. 불꽃이 인간의 사회적 진화에 급격한 영향을 줬다는 설이 제기될 만큼 화염은 인류에 있어 중요한 의미를 갖고 있다. 어른부터 아이까지 불길이 열을 방출한다는 건 상식이지만 원래 왜 불길이 열을 방출할지에 대해선 교과서나 기술 문헌에도 설명이 없다.

불꽃이 발생하는 열을 알 수 있는 방법 가운데 하나는 생성열에서 연소 반응 에너지를 산출하는 것이다. 하지만 생성열은 실제 연소 반응에서 측정된 연소열로부터 산출되는 수치이기 때문에 생성열에서 연소 반응 에너지를 산출하려는 시도는 순환 논법에 있어서 아무런 설명도 되어 있지 않다.

불길이 열을 방출하는 이유는 산소분자 O2의 이중 결합이 비정상일 정도로 결합 강도가 약하기 때문. 사실 O2 이중결합 해리 에너지(dissociation energy)는 498kJ/mol인 반면 단일 결합인 HH결합 해리 에너지는 436kJ/mol, C-H 결합은 410kJ/mol, CC 결합은 350kJ/mol이다. O2의 이중 결합임에도 불구하고 결합 해리 에너지가 단일 결합보다 조금 웃도는 정도라는 것. 500종 이상 유기 화합물 연소를 비교해 연소에 사용되는 유기 화합물에 관계없이 O2가 1mol 반응할 때마다 418kJ 열량이 방출되는 것으로 산정할 수 있다.

이와 같이 연료 등 유기물 분자 구조를 몰라도 원소 조성만 알면 해당 연소열을 추정할 수 있기 때문에 탄화수소나 에탄올, 수소, 포도당 등 연료는 종종 에너지 도발 요인으로 알려져 있지만 실제로는 산소 분자야말로 에너지가 풍부한 분자라고 말할 수 있다.

불꽃이 왜 뜨거운지에 대한 답변은 O2 이중 결합이 다른 이중 결합에 비해 비정상적으로 약하기 때문에 더 강한 결합을 가진 물 H2O와 이산화탄소 CO2 등 분자가 연소에서 발생하면 해당 분자 포텐셜 에너지가 감소한다. 이게 열 방출과 기체 분자 열운동 증가 그러니까 불꽃이 뜨거워지는 데 도움이 된다고 설명하고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.