현대 우리의 생활은 눈에 보이지 않는 화학 반응들의 연속이라고 할 수 있다.

 

음식물을 섭취하고 소화하는 과정이나 호흡하면서 산소가 혈액 속 헤모글로빈과 결합해 온몸으로 운반되고 세포 에너지 대사 후 생성된 이산화탄소를 다시 배출하는 과정, 욕실이나 주방에서 세정의 원리, 심지어 샤워나 세안 후 화장품을 바르는 모든 순간이 화학물질 반응의 결과물이다. 

 

이렇듯 화학 반응은 거창한 게 아니라 평소 가볍게 지나치거나 아무 생각 없이 당연하게 생각한 것들이고 우리 일상생활 속에 밀접하게 연관돼 있다.

 

필자는 18년 차 소방관이다. 그러니 당연히 화재를 진압하고 인명을 구조하는 현장에 많이 노출돼 있다. 새내기 소방관일 땐 화재현장에서 배운 대로 개인보호장비를 완벽하게 착용하고 현장의 많은 위험을 인지하면서 화재 진압 활동이나 인명구조 활동을 하는 데 집중했다. 

 

하지만 연차가 지날수록 혹은 화재나 구조에 관한 여러 전문교육을 받고 때로는 교육을 하기도 하면서 그동안 중요하게 생각하지 않았던 관점에서 화재를 다시 보게 됐다. 

 

화재현장은 단순히 ‘불이 난 곳’을 넘어 복잡한 화학 반응이 동시다발적으로 발생하는 거대한 화학 공장과도 같다고 표현하고 싶다.

 

화재를 단순히 ‘뜨거운 열기’ 혹은 ‘매캐한 검은 연기’로만 이해한다면 화재의 절반만을 보는 것이라고 생각한다. 화재의 발생과 확산, 소멸의 전 과정은 화학적 원리에 의해 지배되기 때문이다. 

 

소방관이라면 쉽게 접하는 단어가 연소다. 연소(Combustion)는 가연물이 산소와 결합해 빛과 열에너지를 내는 급격한 산화 반응이다. 이는 우리가 소방관이 되기 전부터 책으로부터 얻어온 당연한 지식이다. 

 

화재현장에서 가연물이 타고, 불꽃을 동반한 검은색 연기가 나고, 내부는 뜨겁고, 불꽃이나 연기층에 물을 뿌리면 수증기 때문에 시야가 제한되는 등 이 모든 과정이 화학 반응이라고 생각하고 접근하면 흥미로워진다. 

 

우리가 대부분 일상생활에서 만날 수 있는 가연물은 탄소를 골격으로 수소와 결합한 유기 가연물이다.

 

 

화재현장에서 이 가연물들은 고분자 물질이 열분해 과정을 거쳐 분자 구조가 깨지면서 여러 종류의 가스로 변한다. 이 가스는 산소와 만나 에너지를 방출하는 과정을 거친다. 

 

여기서 우린 연소에 필요한 요소들, 즉 가연물, 산소, 점화원과 이들을 지속시키는 연쇄반응까지 설명할 수 있을 것이다.

 

화재현장에서 일어나는 화학 반응을 여기에 일일이 나열하는 데에는 한계가 있다. 따라서 현장에서 우리가 놓칠 수 있는 부분 위주로 말해보려고 한다. 

 

연소 과정 중 열분해와 산화 반응을 통해 다양한 라디칼(Radical)이 생성된다. 보통의 원자나 분자는 전자가 쌍을 이뤄 안정된 상태를 유지하려고 한다. 하지만 라디칼은 쌍을 이루지 못한 전자를 하나 이상 갖고 있어 매우 불안정하다. 

 

바꿔 말하면 주변의 다른 물질과 결합해 전자를 뺏어오려는 성질, 즉 반응성이 극도로 강하다. 불안정하다는 이야기는 에너지가 매우 높은 상태라고 표현된다.

 

아주 짧은 시간 동안 가연성 가스에 포함되면서 순식간에 주변 물질과 반응하는 강한 반응성을 띤다. 이 과정에서 라디칼이 다른 원자와 결합하기 위해 다른 분자를 공격하면 공격받은 분자가 다시 라디칼이 되는 ‘도미노 현상’이 일어나 연쇄반응을 촉진한다.

 

정리하자면 화재현장에서 눈에 보이지 않는 라디칼은 불꽃을 유지시키는 ‘연소의 엔진’ 역할을 한다. 

 

우린 현장에서 이러한 연쇄반응을 끊기 위해 여러 가지 노력을 한다. 화재 확산방지를 위해 가연성 가스층에 주수를 한다거나 화점을 찾아서 다량의 물로 냉각시키는 등의 노력 말이다. 이렇듯 우리는 배운, 혹은 소방관으로서 본능에 의해 연소의 엔진을 끄기 위해 노력한다.

 

적절한 주수는 냉각 작용을 거치면서 수증기로 부피가 1700배 팽창해 질식 효과, 가연성 가스와 산소의 농도를 연소 범위 이하로 희석하는 희석 효과, 하이드록실기(-OH) 등의 라디칼 반응에 개입해 연쇄반응을 차단하는 부촉매 효과 등 여러 가지 순기능적 역할을 할 수 있다.

 

그렇다면 반응성이 큰 가연성 가스나 불꽃에 다량의 물을 주수하는 게 무조건 옳다고 할 수 있을지 고민해 볼 수 있다. 우리가 잘못된 주수로 인해 다른 피해를 볼 수 있을 거라는 생각을 한 번쯤은 해봐야 하지 않을까 싶다. 

 

가장 흔한 예로 밀폐된 공간에서의 무분별한 주수는 체적 팽창 때문에 급격한 기화가 일어날 수 있다. 이는 뜨거운 수증기가 순식간에 차오르며 나 이외에도 함께 현장에 있는 동료에게 심각한 화상을 입히거나 시야를 가릴 수 있다. 

 

최근 구획실 화재현장에서나 컨테이너에서 할 수 있는 실화재 훈련에서는 3D 주수법을 많이 강조한다.

 

3D 주수법(펄싱, 펜슬링, 페인팅 등)은 구획실 화재에서 화재 가스층의 온도를 낮추고 열분해 가스의 발화를 억제하기 위해 사용되는 핵심 전술이다. 관창을 입체적으로 조작해 미세한 물 분무를 사용하는 게 특징이다. 

 

 

물 분무 시 발생하는 하이드록실기는 단순히 온도를 낮추는 냉각 효과를 넘어 화염의 화학적 연쇄반응을 끊어버리는 부촉매 효과의 핵심이다.

 

화재가 지속되려면 화염 속에서 활성 라디칼(Hㆍ,Oㆍ,ㆍOH)이 끊임없이 생성되면서 에너지를 전달해야 한다.

 

이때 물 분무를 하게 되면 고온의 화염 속에서 기화된 미세한 물분자가 에너지를 흡수하며 하이드록실기를 형성한다. 이들은 연소 반응의 핵심인 수소 라디칼 등과 반응해 안정된 분자 상태로 되돌아간다.

 

 H2O + 열 = ㆍOH + Hㆍ → H20 + ㆍH = ㆍOH + H2

 

물 분무는 하이드록실기의 공급원이 되고 이는 연소를 두 방향으로 동시에 건드린다. 하나는 높은 온도에서 물분자(H2O)가 직접 분해되며 생성되고 나머지 하나는 화염 내에 존재하는 산소 라디칼이나 수소 라디칼이 물분자와 충돌하며 생성된다. 

 

이 과정에서 에너지를 소비하는 흡열반응이 일어나기 때문에 화염의 온도를 낮추는 역할을 한다.

 

하지만 적절하지 못한 물 분무는 불완전연소의 산물인 알데하이드 같은 독성물질을 일으킨다. 탄화수소(CnHn) 기반인 연료가 산소(O2)와 결합해 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)로 완전히 변하지 못할 때 중간 생성물로 알데하이드가 형성되기 때문이다. 

 

이는 자극성과 독성이 강하기 때문에 화재현장에서 충분한 물로 씻는 등 데콘(Decontamination, 제독)절차를 무시할 경우 우리 몸에 쌓여 호흡기 등의 손상을 일으킬 수 있다. 암을 발생시킬 수 있는 원인이 되기도 한다.

 

알데하이드 자체도 가연성 가스기 때문에 산소와 결합해 현장에서 재발화할 수 있다는 걸 인지하고 있어야 한다. 

 

지금까지 화재가 발생하는 연소 과정과 화재를 진압하기 위해 주수를 하는 과정에 대해 화학적으로 접근해 봤다. 

 

화재현장에서의 연소 현상은 단순한 물리적 파괴가 아닌 물질의 다양한 결합과 분해가 일어나는 역동적인 화학적 과정이라는 생각에 이 글을 써본다. 

 

우리가 화재와 화학적 상관관계를 깊이 이해할 때 비로소 화재라는 거대한 에너지를 더 효과적으로 통제하고 대비할 수 있지 않을까.

 

인천 공단소방서_ 목민수 : devils0479@korea.kr

 

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2026년 5월 호에서도 만나볼 수 있습니다.>

 

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