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| 고폭약인 트라이나이트로톨루엔(TNT) 막대. |
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1. 개요
폭발물(爆發物, explosive)이란 열, 전기, 충격 따위의 가벼운 자극에 의하여 순간적으로 연소 또는 분해 반응을 일으키고 높은 온도의 열과 압력을 가진 가스를 발생(= 폭발)시켜 파괴, 추진 따위의 작용을 행하는 화합물이나 혼합물을 가리킨다.2. 폭발의 조건과 원리
일반적으로 연소에 필수적인 세 조건은 가연성 물질과 산화제(정확히는 산소), 발화점 이상의 온도로 알려져 있는데, 대부분의 폭발성 물질은 혼자서 이 세 조건 중 둘 이상을 만족시킬 수 있는 물질이다. 쉽게 말해 그 자체가 가연성이면서, 연소과정에서 산화제나 고열, 혹은 셋 모두를 스스로 내놓는 물질은 대부분 폭발성을 가지고 있으며, 폭발물로 쓸 수 있다.다수의 니트로기(─NO2)를 가진 유기물류나 질산에스테르(*NO3)류가 대표적인데, 이들 화합물에서 질소의 산화수가 크다 보니[1] 강한 산화제로 작용하게 되어 산화-환원 반응이 폭발적으로 일어난다. 때문에 대부분의 재래식 화약 제조에는 질산이 필수요소급으로 들어간다. 이런 니트로기를 가진 폭발물은 연소과정에서 산화제를 스스로 공급할 수 있기 때문에 질식소화가 불가능하다. 반대로 말하면 물 속이나 진공에서도 잘 작동한다. 로켓의 산화제로 질산이 자주 쓰이는 것도 우연이 아닌 것이다.
3. 역사
최초로 등장한 폭발물인 화약은 중국의 기록상 의사 손사막이 발명했다고 한다. 수양제 시절 폭죽을 사용했다는 기록이 있는 것을 보면 이 즈음에 화약이 만들어졌을 가능성이 높다. 손사막 이전에도 화약으로 추정되는 기록들이 있다고 하나, 정확하지는 않다.송대 편찬된 구국지에 904년 당이 예장을 공격할 때 비화를 썼다는 기록이 있는 것으로 보아, 처음 군사적으로 쓰이기 시작한 것은 당나라 말기로 보이며, 이후 오대십국시대에도 몇몇 화기들에 대한 기록이 남아있지만[2], 본격적인 군사적 사용은 북송대로 추측된다.
송사에 의하면 서기 1000년 당복(唐福)이라는 장수가 화전, 화질려, 초기 폭약의 일종인 화구 등의 무기를 발명했다는 기록이 있고, 1040년에는 수도 카이펑에 화약 공장이 세워졌다고 한다. 이후 1044년에 편찬된 무경총요에 초기 형태의 화기인 화창이나 화전, 맹화유궤, 화구 등이 등장하며, 12세기 경에야 비로소 사천에서 발견된 조각상에서 최초의 화포가 등장한다. 이렇게 중국에서 발명된 화약 무기가 중동과 유럽을 비롯한 세계 각지로 퍼져나간 이유는, 당시 영토 확장을 하며 세계 각지에서 전쟁하던 몽골 제국이 적극적으로 화약 무기를 활용했기 때문이다.
이후 유럽에서 전장식 화포나 머스킷 등이 개발되어 널리 사용되었고, 19세기 말에 무연화약[3]과 강선등이 개선된 소총, 화포가 등장했다.
4. 구분
폭약은 용도에 따라서 산업용 폭약과 군용 폭약 등으로 나누어지며, 구분은 모호하나 폭속에 따라서 저속 폭약, 고속 폭약으로도 나뉜다. 폭굉의 형성과 폭발 후의 효과에 따라서 1종 폭발물(기폭약), 2종 폭발물(주폭약)으로 구분하기도 한다.4.1. 화약(火藥, gunpowder)
4.2. 1종 폭발물(primary explosive)
1종 폭발물, 즉 1차 폭약들은 보통 화약이나 폭약 등을 기폭시키기 위한 기폭제로 사용한다. TNT나 C4같은 폭약들은 충격과 마찰에 둔감하여 폭발시키기 어려우므로, 기폭약으로 1종 폭발물을 사용하여 기폭한다. 화약의 경우는 열만으로도 기폭시키기 쉬우나 용이한 기폭을 위해 기폭약이 들어있는 뇌관을 사용하기도 한다. 보통 1차 폭약은 열, 충격, 정전기 등에 민감하기 때문에 취급에 각별히 유의해야 한다. 기폭제의 종류에 따라 2종 폭발물의 폭발 특성이 바뀌기도 한다. 대개 반응에너지는 낮고, 폭속은 빠르며 활성화에너지는 낮은 물질을 이용하지만 당연히 뇌관이라고 해서 아무때나 뻥뻥 터져야 하는 것은 아니므로 화약보다는 둔감한 경우가 많다. 폭속은 무조건 빨라야 하는데 그렇지 않으면 2차 폭약이 기폭하지 않는다.4.3. 2종 폭발물(secondary explosive)
2종 폭발물은 고폭약(고폭탄) 또는 고성능 폭약(High Explosive)이라고도 불리는 폭약으로, 매질 내에서 발생한 충격파의 일종인 폭굉에 의해 연소가 일어나는 폭약을 총칭한다.
이름이 '고(high)' 폭약인 이유는 이들 2종 폭발물이 처음 개발될 당시, 효과적인 폭굉을 형성한다는 점에서 전통적인 흑색화약과 위력을 비교하면서 붙여진 것이 현대에까지 이어지고 있는 것이다. 2종 폭발물과 흑색화약과의 가장 큰 차이점은 연소가 전달되는 메커니즘이다. 일반적인 흑색화약의 경우 흑색화약 무더기의 한 부분에 불이 붙으면 그 화염의 열이 순차적으로 옆으로 전파되면서 종래에는 화약 전체를 연소시키게 된다. 즉 연소와 열 전달이 반복되는 연쇄 과정을 통해 폭발이 발생한다.
하지만 2종 폭발물은 폭약의 한 부분에 일정 수준 이상의 충격을 가하게 되면 충격을 받은 폭약의 부분이 급격히 연소를 시작하고, 이로 인해 다른 부분의 급격한 연소가 시작되며 이는 다시 충격파를 생성한다. 즉 충격과 연소가 반복되는 연쇄 과정에 의해 폭발이 일어난다. 흑색화약은 화약 본체 내의 열전달에 의해 연소가 전파되는 반면, 2차 폭약류는 고체인 폭약 내의 압력파, 즉 음파의 전달속도에 준하는 충격파의 전달속도에 따라 연소 속도가 결정되어서 1종 폭발물에 비해 매우 빠른 초당 수천미터급의 폭속으로 연소가 진행된다.[4]
한마디로 폭굉을 형성할 수 있는가 아닌가에 따라 흑색화약과 1, 2종 폭발물의 차이가 결정된다. 다만 2종 폭발물의 경우 초기에 폭굉을 형성할 수 있는 충격 없이 그냥 태우기만 할 경우, 흑색화약과 마찬가지로 점차 타들어가는 양상을 보이는 경우가 많다[5]. 이는 현대의 2종 폭발물은 안전을 위해 강력한 충격이 가해지지 않는 한 폭굉연쇄를 스스로 일으키지 않을 정도의 안정성을 가질 수 있도록 개발되었기 때문이다.
폭발시 발생하는 가스의 팽창속도와 가스의 양, 가스의 온도에 따라 다양한 화약이 만들어져 있다. 예를 들어 도폭선등 절단을 목적으로 하는 폭약은 폭속이 빠른 대신 가스의 양이 많지 않으며 발파 등에 사용하는 ANFO는 폭속이 느린 대신 발생하는 가스의 양이 많아 더 많은 흙더미를 밀어내 흩어놓는다. 모든 경우에 다 들어맞는 폭발물은 없으며, 사용하려는 목적에 알맞은 폭발물을 선택/조합해서 사용한다.
흑색화약과 1종 폭발물도 마찬가지지만 질소 화합물이 반드시 들어간다. 흑색화약의 경우 단순히 산화제 정도로 쓰이지만 2종 폭발물에서는 유기질소가 질산화물 혹은 질소 기체가 되는 반응이 에너지량의 대부분을 차지하는 핵심이다. 따라서 산화제가 따로 들어가지 않는 경우도 많으며[6] 반응식을 썼을때 생성물이 안정하지 않은(즉 산소 평형이 음수인) 것이 특징이다. 당장 익숙한 TNT만 해도 싱글 베이스일 경우 생성물로 탄소와 다량의 일산화탄소가 발생하는 등 생성물의 완전산화가 일어나지 않는다. 나머지는 대기의 산소와 반응하거나 그냥 그대로 반응이 종료된다.
4.4. 화공품
화약과 폭약을 제외한 화약류 물질을 말한다. 당연히 화약이나 폭약과 같이 총포 도검 화약류 등 단속법의 규제를 받는다.- 미진동파쇄기
- 연화(불꽃놀이)
4.4.1. 비질소성 화공품
5. 여담
- 중국의 4대 발명품인 종이, 화약, 나침반, 인쇄술의 하나로 꼽히며, 그 위력 덕분에 초기에는 외국으로 기술이 유출되는 것을 엄히 금했었다. 최무선의 경우 이 기술을 얻으려고 상당히 고생했다. 또한 기술이 있어도 재료인 유황이나 염초 같은 것을 얻기가 쉽지 않아서 어지간한 재력을 가진 사람이 아니면 사사로이 만들기도 쉽지 않았다.[7]
- 그 자체가 가연성 물질로 이루어져 있으므로 불에 잘못 닿으면 위험하다. 그러나 후술할 1종 폭발물(뇌관)을 제외한 나머지 폭발물은 꽤나 둔감해서 불에 넣어도 아무 반응이 없거나 활활 타기만 한다. 군대에서 요구하는 폭발물의 성질 중에 안전성(=둔감성)도 있기 때문이다. 물론 잔뜩 쌓아놓고 불을 지르면 내부에 열이 축적돼서 폭발한다.
- 간혹 폭탄과 폭발물을 동의어로 사용하기도 하는데, 이런 식의 용법은 잘못된 표현이 된다. 폭탄은 '폭압과 파편을 이용해 인마살상 효과를 노리는 병기'만을 일컫는 용어이기 때문에 지칭하는 범위가 더 좁다. 한 마디로 폭탄은 폭발물에 포함되는 하위 개념이라 볼 수 있다. 즉, 완벽히 똑같은 물건이라도 건축물 해체나 지하자원 채굴과 같은 산업적 목적으로 사용됐다면 폭탄이라고 할 수 없지만, 인마살상 목적으로 사용됐다면 폭탄이 되는 것이다.
- 반물질이나 핵분열성 물질들도 폭발을 일으키긴 하나 폭발물로 취급하지 않는다.
더욱 위험한 것으로 취급하지하지만 이쪽도 한 입자의 반응에서 나온 열과 에너지가 다른 입자의 반응을 유도하는 연쇄반응을 통해 단기간에 대량의 열에너지를 토해내는 점은 똑같다. 차이점은 폭발물은 화학적 반응을 통해 폭발하지만 핵분열, 핵융합은 핵물리학으로 취급하는 만큼 화학적 반응이라기보다는 물리적 반응으로 취급한다는 것. 반물질도 같은 이유로 폭발물은 아니다.
6. 관련 문서
[1] 최소 -3에서 최대 +5. 질소는 모든 원소 중 전기 음성도가 4번째로 크므로 (전기 음성도는 플루오린이 4로 가장 크고, 산소가 3.5 정도로 2번째, 염소가 3.1로 3번째, 그리고 질소가 3으로 4번째로 크다) 웬만해선 음의 산화수를 갖게 되는데, 예외적으로 자신보다도 전기 음성도가 더 큰, 전체에서 2번째로 큰 산소와 결합하고 있다보니 이렇게 된다. 이런 상태에서는 자신의 산화수를 감소시키는, 즉 다른 물질을 산화시키는 방향으로 반응이 일어나기 매우 쉬워진다.[2] 940년 편찬된 호령경에 화전에 대한 상세한 묘사가 있으며, 돈황에서 발굴된 950년경의 그림에서는 초기의 화기 중 하나인 화창이 나온다.[3] 무연화약 전에는 추진장약에 모두 흑색화약이 사용되었다.[4] 일반적으로 초속 1km의 폭속을 분류 기준으로 한다.[5] 다만 양이 많으면 흑색화약과 마찬가지로 대폭발을 일으킬 수 있다.[6] 오히려 산화제의 질량 때문에 완전연소가 되면 폭발력이 감소하기도 한다.[7] 화약이 발명된 때에는 도가 사상이 유행하고 있었고, 이에 따라 불로장생을 위한 약을 만드는 연단술이 발달했기 때문에 영약을 만드는 과정에서 우연하게 발견했을 거라는 주장이 나오기도 했다.