- 질산칼륨·황·목탄으로 화약 제조
- 삼각비 이용 불꽃 안겹치게 발사
- 다양한 모양은 폭죽 연화가 연출

22일 밤 부산 광안리해수욕장 일대에는 8만 발의 불꽃으로 밤하늘을 수놓는 '12회 부산불꽃축제'가 펼쳐진다. 남녀노소가 열광하는 불꽃축제에는 어떤 과학 원리가 숨어있을까.

화려한 불꽃을 만드는 기본 원리는 화학이다. 연소와 불꽃 반응이 결합해 불꽃이 일어난다. 연소는 물질이 산소와 결합하면서 빛, 열, 불꽃을 내며 타는 것을 말한다. 불에 타는 물질은 모두 불꽃과 폭발을 일으킬 수 있다.
■화약=질산칼륨+황+목탄(숯)

불꽃놀이를 할 만한 소리와 함께 폭발이 일어나게 하려면 좀 더 특별한 화학물질이 필요하다. 조금만 잘못해도 금방 터지는 '불안정한 화학 물질'이 있어야 한다는 얘기다. 질산칼륨, 황, 목탄(숯) 등 세 가지는 화약 재료로 사용되는 물질이다. 질산칼륨은 산소를 공급해주고, 숯과 황은 연료 역할을 한다. 이렇게 만든 화약을 로켓으로 쏘아 올려 공중에서 터지게 한 것이 불꽃놀이다.

■불꽃의 비밀, 원소는 알고 있다

하늘 높이 쏘아 올린 불꽃이 터지면서 형형색색의 다양한 색을 나타내는 것은 원소의 불꽃 반응 때문이다. 불꽃 반응은 어떤 물질을 태웠을 때 그 물질 속에 포함된 원소가 타면서 특유의 색을 나타내는 것을 말한다. 불꽃 반응색이 빨간색이면 리튬(Li), 노란색이면 소듐(Na), 보라색이면 칼륨(K), 청록색이면 구리(Cu), 주황색이면 칼슘(Ca), 짙은 빨간색이면 스트론튬(Sr), 황록색이면 바룸(Ba)이 있다는 뜻이다. 이런 불꽃 반응은 금속 원소에서 나타나고 비금속 원소에서는 잘 나타나지 않는다.

■불꽃의 작동원리

불꽃놀이는 발사포에 화약을 넣고 불을 붙여 공중으로 덩어리 폭죽을 쏘아 올리는 형태다. 불꽃놀이에 사용하는 덩어리 폭죽을 연화(煙火)라고 한다. 연화는 둥근 공 모양을 주로 이용하는데 별(star·연화 속 작은 화약 덩어리로 불꽃의 모양과 색을 결정), 할약(割藥·break charge·공중에서 별이 흩어질 때 불이 붙게 하는 물질), 옥피(종이로 만든 그릇으로 성과 할약을 담아 공중으로 이동시켜주는 물체), 도화선, 추진체, 속화선으로 이뤄졌다. 연화 속 구조에 따라 다양한 모양의 불꽃 연출이 가능하다.

■불꽃놀이에도 수학은 필수

어떻게 하면 원하는 시간과 높이에서 불꽃이 터질까. 도화선의 길이를 조절해 터지는 시간을 계산할 수 있다. 특히 연화의 크기에 따라 발사 거리와 불꽃의 크기가 결정되므로 삼각비를 이용해 여러 불꽃을 겹치지 않게 쏘아 올릴 수 있다. 예를 들어 발사 거리가 100m인 불꽃을 30도(sin 30도=1/2) 각도로 쏘아 올리면 50m 높이에서 터진다,

국립부산과학관은 오는 30일까지 1층 중앙홀에서 '부산불꽃축제와 함께하는 불꽃 속 과학 이야기' 기획전을 열고 이런 원리를 알기 쉽게 소개하고 있다.

오상준 기자 letitbe@kookje.co.kr