왜 불은 뜨거운가

'물건이 탄다'는 것은 가연성 물질이 산소와 반응하여 발생하는 격렬한 산화반응을 말합니다. 유기분자가 불탈 때 '예외없이 열을 방출한다'는 사실에 대해 브랜다이스대학교의 Klaus Schmidt-Rohr 씨가 설명합니다.

Why Combustions Are Always Exothermic, Yielding About 418 kJ per Mole of O2 | Journal of Chemical Education
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jchemed.5b00333

Why Combustions Are Always Exothermic, Yielding About 418 kJ per Mole of O2

불이 사람의 사회적 진화에 급격한 영향을 주었다는 학설이 제기될 만큼 불은 인류에 있어 중요한 의미를 가지고 있습니다. 누구에게나 '불이 열을 방출한다'는 것은 상식이지만 '왜 불이 열을 방출하는 것인가?'에 대해서는 교과서는 커녕 이를 기술한 문헌에도 설명이 없다고 Schmidt-Rohr 씨는 지적합니다.

불이 발생시키는 열을 알 수 있는 방법 중 하나는 '생성열로 연소반응의 에너지를 산출한다'는 것입니다. 그러나 생성열은 실제 연소반응에서 측정된 연소열로부터 산출되는 수치이기 때문에 Schmidt-Rohr 씨는 "생성열로 연소반응의 에너지를 산출하는 시도는 순환논법에 해당하며, 아무런 설명도 되지 않습니다"라고 말합니다.

Schmidt-Rohr 씨에 따르면, 불이 열을 방출하는 이유는 '산소분자(O2)내의 이중결합이 비정상적일 정도로 결합강도가 약하기 때문'이라고 합니다. O2내의 이중결합의 결합해리 에너지는 498kJ/mol인 반면 단일결합인 H-H결합의 결합해리 에너지는 436kJ/mol, C-H결합은 410kJ/mol, C-C결합은 350kJ/mol인데, O2내의 이중결합임에도 불구하고 결합해리 에너지가 단일결합보다 조금 웃도는 정도입니다. Schmidt-Rohr 씨는 500종 이상의 유기화합물의 연소를 비교하여 연소에 사용되는 유기화합물에 관계없이 O2가 1mol 반응할 때마다 약 418kJ의 열량이 방출되는 것으로 산정했습니다.

이와 같이, 연료 등의 유기물의 분자구조를 몰라도 원소 조성만 알면 그 연소열을 추정할 수 있어서 Schmidt-Rohr 씨는 "탄화수소 또는 에탄올, 수소, 포도당 등의 연료는 '에너지가 풍부하다'고 알려져 있지만, 실제로는 산소분자야말로 에너지가 풍부한 분자라고 말할 수 있습니다"라고 주장합니다.

Schmidt-Rohr 씨는 '왜 불은 뜨거운가?'라는 질문에 "O2의 이중결합이 다른 이중결합에 비해 비정상적으로 약하기 때문에 더 강한 결합을 가진 물(H2O)과 이산화탄소(CO2) 등의 분자가 연소에 의해 발생하면 이런 분자의 포텐셜 에너지가 감소합니다. 이것이 열방출과 기체분자의 열운동의 증가, 즉 불의 뜨거움에 기여하게 됩니다"라고 설명합니다.

Flame of fire. https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Texture_Fire.jpg