여기에 글리세린을 넣고...... 앗 뜨거ㅆ...

금속을 녹이는 간단한 준비물

산화철(FeO)분말 300그램... 알루미늄 분말 100그램... 과망간산칼륨 10밀리... 그리고 글리세린...

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짜란!

테르밋 반응이 일어나는 모습

위의 재료 몇 가지만으로도 섭씨 2000도를 웃도는 고온의 열을 발생시킬 수 있습니다. ‘테르밋 반응’이라는 이름이 붙어있는 이 반응은 주요반응물인 테르밋 금속 분말이 고온의 열을 방출하며 진행되는 산화 환원 반응입니다.


그래서 테르밋...?이 뭔데요
테르밋 분말

그럼 테르밋은 뭘까요? 테르밋은 1803년 독일의 화학자 한스 골트슈미트에 의해 발견된 화학 혼합물입니다. 앞서 설명한 것과 같이 산화 환원 반응을 통한 고온의 열 방출에 주로 사용되는데, 단순히 설명하자면 산화제인 산화철과 금속 연료로 사용될 마그네슘 금속의 혼합물이었습니다. 최초에 골트슈미트는 앞의 두 재료만 이용해 실험을 전개하였지만, 20세기를 거치며 다양한 금속 파우더 배합을 많은 화학자들이 시도하였고, 산화철과 알루미늄 외에 다양한 배합들을 찾아내었죠. 잠시 짚어보자면, 연료로는 알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 아연, 규소, 붕소 등 다양한 물질이 사용 가능했지만, 가장 값 싸고, 고온에서 연소되어 알루미늄이 가장 널리 사용됩니다. 산화제로는 산화철, 산화구리, 산화납부터 삼산화붕소, 산화비스무트까지 다양한 물질들이 사용됩니다. 이처럼 다양한 배합들이 발견되었기에, 현재는 고온의 발열 반응이 가능한 금속 산화제 가루와 연료로 사용될 금속 파우더의 혼합물을 전부 통틀어 테르밋이라는 이름으로 부르고 있습니다.


불붙이는 거랑... 뭐가 다르죠...?

테르밋이라는 이름은 ‘열’이라는 뜻을 가진 고대 그리스어 Thermo에서 유래합니다. 고온의 열을 방출할 수 있으니 어찌 보면 아주 직관적인 명명이라고 할 수 있겠네요! 그럼 테르밋 반응은 일반적으로 점화를 하는 것과 뭐가 다를까요? 고온의 열을 내긴 하지만, 온도도 2000도라고 하면 일반적으로 용접할 때 나는 열보다도 낮아서 제 눈에는 별로 쓸모가 없어 보여요.

테르밋 반응을 이용한 철로의 용접

테르밋 용접의 모식도


놀랍게도 마냥 그렇지만은 않답니다! 신기하다는 것 이외에도 이 반응은 매우 쓸모가 많아요! 테르밋 반응의 가장 특징적인 점은 금속 분말을 이용해 반응시킨다는 점입니다. 다시 말해, 표면에 우둘투둘한 용접 자국이 남는 가스 용접 등과는 달리, 주형을 이용해 정밀하게 용접을 할 수 있다는 점이에요. 위의 그림과 같이 주형을 만들어놓고 내부에서 테르밋 반응을 진행시키면, 철도의 경계면까지 같이 반응이 진행되며 깔끔한 용접을 할 수 있다고 해요.


이런 철로 용접은 KTX나 SRT와 같은 고속열차가 달리기 위한 선로를 용접할 때 매우! 매우 중요합니다. 일반적으로 지하철과 같은 통상적인 기차의 선로는 25m 간격으로 이음새가 있는 구조를 가집니다. 열팽창에 대비하기 위한 장치죠. 하지만 고속열차가 되면 이야기가 달라집니다. 빠르게 주행하는 고속열차의 선로에 틈새가 생긴다면 승차감도 떨어질뿐더러, 흔들리는 차체에 의해 자칫 큰 사고로 이어질 확률이 높기 때문이죠. 따라서 놀랍게도 고속열차의 선로는 전부가 일체형으로 되어있습니다. 그러니까... 서울역에서 출발해 부산역에서 도착하는 KTX 경부선은 수백 킬로미터짜리의 일체형 쇳덩어리 위를 달리고 있는 셈이에요. 이런 선로는 300m짜리 기본 선로 유닛을 계속해서 용접해 만드는데, 하부 프레임에 단단히 고정시키기도 하지만, 만일의 상황에 대비해 최대한 매끈한 용접면을 만들어야 할 필요가 있습니다. 그래서 테르밋 반응이 필요한거죠!


격렬한... 불꽃 반응...
이온화 경향성

테르밋 반응은 또한 기본적으로 산화 환원 과정을 통해 발생하는 열을 취하게 됩니다. 똑똑한 KSA 학생들은 이온화 경향성이라는 것을 들어보았을 거예요. 잠깐 짚고 가자면, 금속이 전자를 잃어 금속 양이온이 되는 경향성을 말합니다. 그러니까 산화가 되기 쉽다는 것이죠. 표를 보면, 알루미늄의 이온화 경향성이 철보다 높은 것을 알 수 있습니다. 다시 말해, 이온화된 철(산화제로 작용하는 산화철)과 알루미늄이 만나게 되면, 철은 환원되고 알루미늄은 산화되는 반응이 매우 격렬히 진행된다는 것이죠. 이 반응은 열을 방출하고, 열은 반응을 가속화하는, 일종의 양성 피드백 과정을 밟게 됩니다. 따라서 테르밋 반응은 온도가 무지막지하게 높진 않아도 매우 격렬한 발열을 나타냅니다. 이 또한 일반적인 발화와 다른 테르밋 반응만의 특징이라고 할 수 있겠네요.







테르밋 반응을 통해 철제문을 뚫는 모습
테르밋 반응을 맞닥뜨린 물의 운명...

반응이 매우 격렬하기에 테르밋 반응은 굉장한 파괴력을 가집니다. National Geographic 채널에서 한 실험을 잠깐 가져와 보자면, 테르밋 반응은 철제 자동차 문을 거뜬히 뚫어버리고 남을 정도의 위력을 자랑했습니다. 반응이 진행되는 동안에는 철제문 전체가 불꽃에 휩싸였죠. 비열이 높아 대부분의 발열 반응을 종식시키는 물 또한 테르밋 반응 앞에서는 바람 앞의 등불과도 같습니다. 순식간에 탱크 안의 물이 증발해버리고 맙니다. 그러면 이쯤에서 드는 의문이... 아까 선로 용접을 하고 난 선로의 바닥은 괜찮을까요?


예! 괜찮습니다!

뭐 당연히 괜찮으니 여태 테르밋 반응을 써왔겠지만, 테르밋 용접 후의 선로 바닥에는 아무 문제가 없답니다!

마인크래프트로 유리 만들어 보셨나요?



모래의 유리화



우리는 모두 마인크래프트라는 훌륭한 게임 덕분에 유리는 모래로부터 만들어진다는 사실을 알고 있습니다. 정확히 하자면, 고온을 가해 액상화된 모래를 결정화시키면, 그것이 현재 우리가 아는 유리가 되는 것입니다. 이 반응은 엄청난 양의 열을 흡수하는데, 비슷한 방법이 테르밋 용접의 주형에 적용됩니다.


2Al + 3Fe3O4 -> 3Fe Al2O3


위 반응은 1몰의 알루미늄(약 27그램) 당 60Kcal의 열량을 방출하는데, 이는 쇠를 녹이고 물을 증발시키는 데는 충분한 양일지 몰라도 모래를 전부 유리로 바꾸고 그 유리를 녹이기에 충분한 만큼의 열은 아닌 것 같네요!


참고로 맨 기사 맨 첫 줄에 적힌 글리세린은 반응을 시작시켜주는 물질입니다!


<이미지>

[1] http://blog.daum.net/_blog/BlogTypeView.do?blogid=0O9EF&articleno=16

[2] https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%85%8C%EB%A5%B4%EB%B0%8B

[3] https://thinking1.tistory.com/234

[4]https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=lee58584321&logNo=90119139583&proxyReferer=https%3A%2F%2Fwww.google.com%2F

[5]http://blog.daum.net/_blog/BlogTypeView.do?blogid=0Oabc&articleno=1647&categoryId=146&regdt=20091016111637

[6]https://namu.moe/w/%EC%9D%B4%EC%98%A8%ED%99%94%20%EA%B2%BD%ED%96%A5

[7], [8] https://www.youtube.com/watch?v=p32XJwJP_XY

[9]https://www.ign.com/wikis/minecraft/Glass

[10]https://www.sciencefocus.com/science/can-you-turn-glass-back-into-sand/


Chemistry 학생기자 조찬우

2019년 겨울호

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