화약은 왜 그렇게 순식간에 큰 폭발을 일으키나요?

Question

화약이 점화되면 순식간에 기체를 만들어내며 폭발한다고 배우는데, 일반적인 연소반응과 비교했을 때 화약의 반응이 왜 이렇게 빠르고 격렬하게 일어나는 건지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

일반적인 연소와 화약의 폭발은 모두 물질이 산소와 결합하여 열과 빛을 내는 산화 반응이라는 점에서 기본 원리가 같습니다. 하지만 화약은 일반 연소와 비교할 수 없을 정도로 짧은 시간에 격렬한 폭발을 일으키는 화학적인 결정적 차이가 있습니다.

일반 연소는 외부 공기 중의 산소가 공급되어야 진행되지만, 화약은 자체적으로 산소를 함유한 산화제를 연료와 분자나 미세 입자 단위로 밀접하게 포함하고 있습니다. 따라서 공기 유입을 기다릴 필요 없이 점화 순간 전 영역에서 동시다발적으로 격렬한 산화 반응이 일어납니다.

화약이 점화되면 고체 물질이 순식간에 기체로 전환되며, 동시에 발생하는 수천 도의 고열로 인해 기체의 부피가 수천 배로 폭발적으로 팽창합니다. 이때 발생하는 고온, 고압의 환경이 다시 남은 화약의 반응 속도를 폭발적으로 가속하면서 찰나의 순간에 강력한 충격파를 동반한 폭발로 이어지게 됩니다.

Answer 2

안녕하세요. 정재경 전문가입니다.

화약은 본래 연료가 되는 물질과, 산소를 공급해 주는 산화제가 매우 밀접하게 섞여 있는 상태입니다. 보통 일반적인 불꽃은 공기 중의 산소와 천천히 반응하면서 타오르지만, 화약은 공기 중의 산소를 기다릴 필요 없이 물질 자체에 산소가 이미 빽빽하게 포함되어 있습니다.

이 상태에서 점화선이나 충격 등으로 작은 불씨나 열이 가해지면, 화약 안에서 연소 반응이 순식간에 일어납니다. 이 반응은 둔하게 타 들어가는 것이 아니라, 불과 몇 천분의 1초라는 짧은 순간에 물질 전체로 급격하게 번져 나갑니다.

이렇게 급격한 화학 반응이 진행되면서 두 가지 커다란 변화가 동시에 발생합니다. 첫째는 엄청난 양의 기체가 순식간에 만들어지는 것이고, 둘째는 격렬한 반응열에 의해 이 기체들의 온도가 순식간에 수천 도까지 치솟는 것입니다.

기체는 온도가 급격히 올라가면 체적이 수천 배 이상 엄청나게 늘어나려는 성질을 가집니다. 좁은 공간 안에 갇혀 있던 물질이 순식간에 방대한 양의 뜨거운 기체로 변하면서 외부에 거대한 압력을 가하게 되고, 이 압력이 사방으로 터져 나가며 강한 충격파와 함께 커다란 폭발음을 만들어 내는 것입니다.

결국 화약의 폭발은 산소를 품은 물질이 찰나의 순간에 전부 타버리면서, 엄청난 열과 기체를 사방으로 밀어내는 현상이라고 볼 수 있습니다.