이산화탄소 기체의 성질

[朴鉉求]

1. 이산화탄소 기체의 성질

이산화탄소 기체는 탄소원자 1개에 산소원자 2개가 결합해있는 분자이다. 이러한 이산화탄소 기체는 다음과 같은 성질이 있다.

(1) 공기보다 무겁다.

(2) 냄새, 맛, 색깔이 없다.

(3) 물에 조금 녹고, 물에 녹으면 약한 산성을 띠는 탄산이 된다.

(4) 공기보다 무거운 기체이다.

(5) 불에 타지 않는다 : 이산화탄소는 이미 산소원자를 갖고 있어서 어 이상의 산소와 결합할 수 없다.

(6) 불을 꺼지게 한다.

(7) 섭씨 영하 78.5도에서 고체의 드라이아이스로 승화한다.

(8) 맑은 석회수에 이산화탄소를 통과시키면 석회수가 뿌옇게 흐려진다.

2. 이산화탄소의 이용

위에서 말한 이산화탄소의 성질 때문에 이산화탄소는 매우 다양하게 이용되고 있다.

(1) 탄산음료의 제조

(2) 소화기의 원리

(3) 드라이아이스 : 음식물의 냉동보관, 무대 위의 안개효과

(4) 녹색식물은 이산화탄소로 광합성을 한다.

(5) 베이킹파우더 : 탄산수소나트륨과 타르타르산의 혼합물, 가열하면 이산화탄소가 발생하여 빵을 부풀게 한다.

3. 이산화탄소와 연소

물질이 불에 탄다는 것은 과학적으로는 물질 속의 탄소와 주변의 산소들이 결합한다는 것을 말한다. 즉 주변으로부터 물질로 산소가 계속 공급된다는 것이다.

이산화탄소는 탄소 원자 한 개에 산소원자 두개가 단단히 결합해 있는 안정한 분자이다. 이산화탄소가 더 이상의 산소와 결합하기는 불가능하다. 그래서 이산화탄소는 불에 타지 않는다.

이산화탄소는 산소보다 훨씬 무거운 기체이다. 불타는 물질 주변에 이산화탄소가 많이 모이면 이산화탄소의 막이 두껍게 만들어져서 주위로부터 산소공급도 차단된다. 그래서 타던 불도 꺼지게 된다.

4. 우리의 호흡과 이산화탄소

(1) 폐에서 혈액 속으로 산소의 확산 : 우리는 호흡을 해야 활동하면서 살 수 있다. 우리는 들숨을 통하여 산소를 우리 폐로 끌어들이고 폐에서는 산소가 혈액 속으로 녹아들어온다. 그 이유는 혈액 속에는 산소가 부족하고 혈관 주변의 폐에는 산소가 많기 때문이다. 이렇게 기체가 많은 곳에서 적은 곳으로 퍼져나가는 것을 기체의 확산이라고 한다.

(2) 세포에서 영양소의 산화 : 그 산소는 혈액에 의하여 우리 온 몸의 세포로 운반된다. 세포에서는 미토콘드리아들이 산소를 기다리고 있기 때문이다. 영양분과 산소가 바로 미토콘드리아에서 결합하게 되고, 그러면 그 영양소 안에 있던 화학에너지들이 우리가 사용할수 있는 ATP 에너지로 변환된다. 그 에너지로 우리가 살 수 있다. 이 에너지 변환 과정에서도 이산화탄소가 생긴다. 살아있는 우리 몸은 거대한 이산화탄소 공장과도 같다. 이러한 에너지 변환과정을 과학에서는 호흡(내호흡, 세포호흡)이라고 부른다.

(3) 혈액에서 폐로 이산화탄소의 확산 : 이 이산화탄소는 다시 혈액에 의하여 폐로 운반되어온다. 폐에서 이산화탄소는 혈액 밖으로 빠져나와 폐로 나오고, 날숨으로 몸 밖으로 나온다. 폐에서 이산화탄소가 혈액을 빠져나올 수 있는 이유도 바로 확산이다. 혈액 속에는 이산화탄소들이 많지만, 폐에는 이산화탄소들이 매우 적기 때문에, 많은 혈액에서 적은 폐로 이산화탄소들이 나올 수 있는 것이다.

(4) 이산화탄소의 확산에 장애가 생기면 생명에 위험 : 그러면 우리가 만일 이산화탄소가 0.03%포함된 공기가 아니라, 훨씬 많이 포함되어있는 공기를 마신다면 어떻게 될까? 혈액 속에있는 이산화탄소보다 혈액 밖의 이산화탄소가 훨씬 적어야 이산화탄소가 나올 수 있다. 반대로 혈액 밖이 혈액 안보다 이산화탄소가 많다면 혈액 속의 이산화탄소는 혈액을 빠져나올 수 없다. 이러한 상황이 지속되면 산소부족이 아니라 이산화탄소가 너무 많아서 생명이 위독해진다.

(5) 이산화탄소가 광합성에서 산소로 변환 : 우리 몸을 빠져나온 이산화탄소 중의 일부는 녹색식물이 맡는다. 그들은 이산화탄소를 소비하여 광합성을 하고, 이때 생긴 산소를 공기 중으로 내보낸다. 지구의 모든 녹색식물들은 이산화탄소를 산소로 바꾸어놓는 공장들이다.

5. 이산화탄소와 드라이아이스

이산화탄소는 상온에서 압력을 높여주면 액체로 변한다. 이 액체 이산화탄소를 좁은 구멍으로 내보내서 갑자기 팽창시키면 고체 이산화탄소가 만들어진다. 이 고체 결정들을 압축시켜서 드라이아이스를 만든다. 이 드라이아이스의 온도는 약 영하 78.5℃ 이다. 따라서 드라이 아이스를 만질 때에는 손을 보호하는 장갑을 반드시 사용해야한다.

고체 드라이아이스는 실내온도에서 주변으로부터 열을 흡수하여 쉽게 기체로 승화해서 날아가 버린다. 바로 이 점을 이용하여 음식물을 차게 보관한다. 음식물이 자신의 온도를 승화하는 드라이아이스에게 잃고 차게 되기 때문이다.

또 무대 위에서 공연을 할 때에 안개효과를 내기 위해서 드라이아이스가 사용된다. 이말을 잘못 오해하면 드라이아이스에서 하얀 이산화탄소 기체들이 무럭무럭 나오는 것으로 오해하기 십상이다. 절대로 아니다. 이산화탄소 기체는 색이 없다.

고체에서 승화해서 나오는 이산화탄소의 기체는 온도가 매우 낮아서 그 주변에 (공기 중에) 있던 수증기들이 매우 작은 물방울로 뭉쳐서 안개를 만드는 것이다. 즉 드라이아이스에서 승화해서 나오는 이산화탄소 기체는 눈에 안보이지만, 우리는 그 주변에 생기는 물방울들이 만드는 안개를 보는 것이다. 이 안개도 위로 올라가지 않고 아래쪽에 몰려있음을 볼 수 있다. 이산화탄소가 공기보다 무겁다는 얘기다.

6. 이산화탄소와 산성비

(1) 순수한 빗물은 아직 산성비가 아니다 : 공기 중에 포함된 약 0.03%의 이산화탄소 기체들은 비가 내릴 때에 빗물에 녹아들어간다. 그러면 빗물은 중성 (pH=7)에서 약한 산성(pH=5.6까지)을 띠게 된다. 그렇다고 해서 pH=5.6 정도의 빗물을 산성비라고는 하지 않는다. 대기중의 이산화탄소와 산성비와는 아무런 관계가 없다.

(2) 오염물질들이 빗물의 산성도를 강하게하여 산성비를 만든다 : 그러나 공기 중에는 이산화탄소 말고도 질소산화물이나 황산화물들이 떠있다. 이들은 화력발전소나 공장에서 화석연료가 연소 될 때에나, 또 자동차의 배기가스 등에서 배출되어 질산, 아황산, 황산으로 변한다. 이들이 빗물에 함께 녹으면 빗물의 pH 값은 4에서 4.5 까지 낮아질 수 있고, 심한 경우에는 3까지 낮아진다.

(3) 우리 몸의 위의 산성도가 pH=2 이다 : 참고로 우리 몸의 위 속에서는 음식물을 소화시킬 때에는 위액이 분비된다. 이 위액 속에는 염산이 포함되어있고, 이 때의 pH는 2로 알려져 있다.

(4) 이러한 산성비는 토양을 산성화시킨다 :  심한 경우에는 그 토양 속의 미생물들이 활동하지 못하게 될 것이다. 또한 녹색식물의 엽록소들을 파괴하여 식물의 광합성 능력이 떨어지게 된다. 따라서 생산 능력이 떨어지게 된다. 또 고산지대에서는 나무(침엽수)들이 구름과 직접 접하게 된다면, 그 나무들은 살아남기가 어렵다.

(5) 산성비는 또 강과 호수를 산성화 시킨다 : 또 흐르는 물들이 모이게 되는 강이나 호수들 역시 산성화 된다. 대부분 강이나 호수들은 pH 6 내지는 8 정도의 산성도를 나타내지만, 산성화된 강이나 호수의 물들은 5.0 까지 떨어지게 된다. 그러면 수중 생물들은 어떻게 될까? 물고기들의 등뼈가 휘어져서 기형이 된다든지, 물고기들이 사라지게 된다는 말들을 우리는 알고 있다. 결국은 미생물부터 시작해서 수중생태계 전체가 사라지게 된다.

(6) 산성비는 건축물이나 조각작품들을 부식시킨다 : 탄산칼슘으로 이루어진 석회암, 대리암으로 이루어진 건축물들은 크게 훼손될 것이다. 이들이 녹아내리면서 만들어진 황산칼슘은 탄산칼슘보다는 물에 훨씬 더 잘 녹기 때문에 표면이 빗물에 의해 씻겨내려가면 아직 부식되지 않은 탄산칼슘 부분은 표면에 남게된다. 따라서 산성비에 의한 부식효과는 계속되게 된다.

(7) 산성비의 피해는 확장된다 : 이러한 산성비에 의한 피해는 대기 오염 물질이 발생하는 그 곳에서만 일어나는 것이 아니다. 대류권의 공기들은 대류 현상에 의하여 계속 움직이면서 골고루 섞인다. 또 한 곳에서 만들어지면 멀리까지 이동한다. 따라서 산성비의 효과는 멀리까지 확장된다. 태안반도에서의 기름 유출 사고의 악영향이 가 우리나라 남쪽 아래에까지 나타났던 것과 비슷하다.

7. 이산화탄소와 지구 온난화

(1) 대기 중의 이산화탄소 : 태양에서 출발하여 지구로 들어오는 에너지를 태양복사에너지라고 한다. 이 태양복사에너지의 약 34% 는 다시 반사된다. 약 44% 정도의 에너지만 지구 표면에 도달한다. 지구의 표면은 태양복사에너지에 의하여 따뜻해지고, 이 열은 다시 적외선의 형태로 대기 중으로 내보낸다. 대기 중에 포함되어있는 0.03%의 이산화탄소 기체는 이 적외선을 흡수한다.

(2) 온실효과 : 적외선을 흡수한 이산화탄소 분자의의 탄소원자는 에너지 측면에서 불안정해진다. 그는 다시 안정해지기 위하여 자신이 흡수했던 에너지를 다시 방출한다. 이 때 방출되는 에너지 덕분에 지구가 따뜻하게 되고, 이 효과를 온실효과(greenhouse effect)라고 한다. 그러니까 대기 중에 약 0.03% 포함되어있는 이산화탄소는 지구 표면의 온도를 높이는 역할을 하는 것이다. 지구의 평균기온이 현재와 같이 15℃ 유지할 수 있는 이유는 바로 이 온실효과 때문이다. 달의 표면이 태양이 비추는 쪽은 100℃가 넘고 반대쪽은 영하 200℃ 가까이 되는 이유는 대기와 이산화탄소가 없어서 온실효과 현상이 없기 때문이다. 온실 효과 때문에 생물들이 지구상에서 살 수 있는 셈이다. 이 이산화탄소가 없다면 지표면이 내보내는 적외선은 우주 공간으로 흩어지게 되고 지구는 밤과 낮에 기온 차이가 매우 커서 생명체가 살기에는 부적절하게 될 것이다.

(3) 온실효과의 주역들 : 이러한 온실효과는 당연히 이산화탄소 혼자서 하는 것이 아니다. 프레온가스, 메탄, 산화질소, 수증기 등도 한 몫을 한다. 이 중에서 메탄과 산화질소는 자연에 의하여 방출되기 때문에 양을 줄이는 것이 불가능하다. 프레온 가스는 오존층 파괴범으로 알려져 있으며 앞으로는 생산이 중단될 것이다. 따라서 이산화탄소의 역할이 앞으로는 주목되고 있다.

(5) 지구의 온난화 : 이산화탄소는 생물의 호흡이나, 화석연료가 연소 될때에 생긴다. 오늘날 인구증가에 따른 산업화, 에너지 소비량의 급격한 증가는 대기 중의 이산화탄소의 양을 매년 급격하게 증가시키고 있다. 따라서 지구의 평균기온이 계속 상승하고 있다. 우리는 이것을 지구의 온난화(global warming)라고 부른다. 지구의 평균기온은 15℃ 를 유지하여야 하지만, 과거 100년 동안 0.7℃ 정도가 높아진 것으로 밝혀지고 있다. 또 대기 중에 있는 이산화탄소의 양이 지금의 두 배가 되면, 지구의 평균기온은 1.5 - 2.5℃가 높아질 것으로 과학자들은 예측하고 있다.

(6) 지구 온난화의 문제들

- 극지방의 빙설 : 온도가 조금만 올라도 녹아 내리게 되기 때문이다.

- 해수면상승 → 저지대의 침식 → 지면의 면적 감소 → 물의 면적 증가

- 지구반사율 증가→지표흡수태양에너지 감소→지표부근 기온감소

- 열대지방의 생물고사, 아열대의 열대화

- 잦은 기상이변, 엘 니뇨(El nino)현상의 다발 → 재해의 빈도가 높아짐

- 사막화, 사막화로 인한 경작지 축소

- 건조에 의한 식물고사와, 화재

등등 .... 헤아릴 수 없다. 이것들은 분명 어느 한 민족이나 어느 한 나라만의 문제가 아니고 세계적인 문제인 것이다.

또 이들은 어느 한가지만이 문제가 되는 것이 아니고 서로 얽혀있는 커다란 문제사슬의 덩어리가 되어있다.

(6) 지구의 이웃 금성 : 금성을 예로 들어보자. 금성의 대기 중에는 약 90 - 95%가 이산화탄소인 것으로 알려져 있다. 대기압은 약 90기압으로 지구의 약 90배 정도이다. 두꺼운 대기층은 태양 복사에너지의 약 75%를 반사시킨다. 태양계행성 중에서는 가장 밝게 관측된다. 그래서 샛별이라고도 부른다. 금성에는 황산의 구름층이 있어서 때때로 황산비가 내리기도 한다. 또한 이산화탄소의 온실효과 때문에 표면온도가 약 500℃나 된다. 대기의 순환이 엄청난 때문에 일교차도 거의 없다.

(7) 대기 중의 이산화탄소의 양 : 대기 중에 이산화탄소의 양이 너무 많아지면, 위에서 말한 금성에서처럼 온실효과가 지나치게 커지고, 또 위에서 말한 지구 온난화의 문제들을 크게든 작게든 현실로 접하게 될 것이다. 따라서 대기 중으로 방출되는 이산화탄소의 양을 줄여야 한다. 그러기 위해서는 화석연료의 사용을 억제해야한다. 또한 화석연료가 아닌 다른 효과적인 에너지원을 찾아야 한다.

가장 중요하고 시급한 문제는 지금 바로 우리는 이산화탄소의 배출을 줄여야 한다.

바로 이 점이 우리가 이산화탄소에 대해서 공부하고, 이산화탄소의 성질을 이해해야하는 이유가 아닐까?

[rkdwhdgh]

존자료 감사~~~