이 동영상의 주요 의문은 역시 왜 나트륨은 물에들어가면 폭발하는가? 인데요 짫게 결론 부터 말하자면 쿨롱 폭발 입니다.
...그게 뭐냐구요? KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』에 따르면 '이온들의 상호 정전기적 반발로 인해 덩어리가 폭발되는 이른바 쿨롱 폭발(Coulomb explosion)' 이라네요.
...그러니까 그게 뭐냐구요? 솔직히 말하자면 저도 정확히는 모르겠습니다 하하 이자식 하하 하지만 영상과 저널에서 유추 해볼수는 있지요.
나트륨이나 칼륨 같은 알칼리 금속들은 가장 바깥쪽 전자 껍질에 1개의 전자만을 가지고 있어서 반응성이 강합니다. 그러니까 알칼리 금속의 바깥족 전자는 다른 원자나 분자들에게 삥뜯기기 딱 좋게 되있다고 생각하시면 됩니다.
위쪽 스크린샷을 보시면 알칼리 금속과 물이 합쳐지면 알칼리성 수산화물과 수소를 생성합니다. 과학자들은 새로 생성된 많은 양의 수소가 폭발을 일으키는게 아닌가 생각하였으나 무산소 공간에서도 폭발이 일어나서 이 설은 반박되었지요.
일단 폭발이 일어나려면 한번에 많은 양의 화학반응이 있어야 하고 그럴려면 이 지수 그래프처럼 화학 반응속도가 제곱으로 늘어나는 연쇄작용이 있어야 합니다.
유투브 있는 많은 나트륨 폭발 동영상을 보면 나트륨 덩어리가 물에 들어가면 폭발할 때까지 대채로 몇 초정도 시간이 걸리는 편입니다. 즉 나트륨이 폭발하려면 반응속도가 어느 한 점을 지나야하고 반응속도가 높아지는데 약간의 시간이 걸린다는 거지요.
이 이름모를 유투버 과학자 양반이 있는 팀이 많은 실험 착오끝에 매끄러운 표면을 가진 구체의 나트륨이 더 빨리 폭발하는 걸 관찰합니다.
이 양반은 이 현상을 실험하기 위해서 '우연히' 거울처럼 매끄러운 표면을 가진 액체의 알칼리 금속 알로이를 만들어 냅니다. 이 유투버 과학자 팀이 알로이를 이용한 실험을 통해서 어느 만큼의 이 알칼리 금속 알로이가 물에 들어가면 즉시 폭발하는지 알아네고 폭발의 강도도 조절 할 수 있게 됩니다. 이제 완전히 폭발을 제어 할 수 있게된거지요.
폭발이 제어되니 종전 까지는 제대로 된 촬영이 불가능했던 물속에서의 알칼리 금속 폭발장면을 초고속 카메라로 찍을 수 있게됩니다. 촬영된 사진에서 조그마한 금속 조각들이 마치 파편수류탄 처럼 어마어마한 가속도로 튀어 나오는게 포착됩니다.
그리고 뉴턴의 2번째 운동 법칙에 따르면 (포스 = 무게 * 가속도) 이 폭발의 무지막지한 힘은 이 금속 조각들의 가속 때문이다라는게 설명되지요.
왜 이 금속 조각들이 가속하게 되는가는 위에서 거론된 쿨롱 폭발 말고는 제대로된 학설이 없다고 이 유투버 과학자 양반이 말합니다.
여기서 부터 제 지식의 한계로 대충 알아 들었는데요.
1. 물 분자들이 나트륨 덩어리 표면에 있는 나트륨 원자에서 전자를 삥뜯어옵니다. 물은 마이너스 차지를 가지게 되고 표면에 있는 나트륨 원자들은 플러스 차지를 가지게 됩니다.
2. 같은 극끼리 밀어내는 자석들 처럼 플러스 차지를 가지고 있는 나트륨은 서로 밀어내고 마이너스 차지를 가지고 있는 물분자도 서로 밀어냅니다.
3. 서로 그렇게 밀어대는 와중에 나트륨 원자들간의 본딩이 약해져서 움직이기 시작하나 아직은 표면장력에 의해서 완전히 흩어지지는 않습니다. 그 와중에 나트륨 덩어리 안쪽에 있는 나트륨 원자들의 전자도 물에 빼앗기면서 나트륨 덩어리는 더욱 불안정 해집니다.
4. 반응 속도가 마치 지수 그래프 처럼 가속화 됩니다. 그리고 표면장력이 더이상 버티지 못할때 폭발이 일어납니다.
유투버 과학자 양반이 표면장력이 마이너스가 되었을때 이런 폭발이 일어날 것 같다고 하는데 저는 그게 뭔소린지 모르겠네요..
그래서 이걸 어따가 쓰라는거냐? 라는 생각을 하는 분들을 위해서 유투브 과학자 양반이 이 연구의 실용성 있는 쓰임세도 내놓았는데요. 물과 알칼리 금속의 폭발은 파운더리에서 종종 일어나는 치명적인 사고인데 물에 약간의 핵사놀을 넣으면 물이 나트륨과 반응하는 걸 어느정도 막을 수 있고 폭발의 세기를 많이 낮출 수 있다는걸 확인 했습니다.
그리고 지구상에서 알칼리 금속만큼 적은양으로 많은 전자이전을 일으킬 수 있는 물질은 없다고 하네요.
제 사견으로는 뭔가 폭탄으로 만들면 효과적일 것 같습니다. 다른 건전한 용도는 생각이 안나네요
비디오 마지막에서 과학자 양반이 말하길 모든 발견은 이것이 왜 일어날까 하는 의문을 가짐으로서 시작된다고 합니다.
저도 지금까지 나트륨은 물에 넣으면 폭발하는 신기한 금속 정도로 생각했지 왜 폭발할까라는 생각은 별로 안하고 또 그걸 알아보자라는 생각은 더더욱 하지 않았네요.. 뭐 이것도 환경이 뒷 받춤되어야 할 수 있는 생각이긴 합니다만 그래도 많은 생각을 해주게 하는 말입니다.
