대기의조성은~~(공기의성분과성질)

[(세원.박희성)]

대기의 조성

[1] 대기의 변화

원시 대기에는 산소가 존재하지 않았으나 원시 해양 생물의 광합성과 작용을 산소가 배출되면서 대기 중에 산소가 나타나게 되었다.

과학자들은 45억 년 전 지구가 처음 생성되었을 때 대기가 없었을 것으로 추정하고 있다. 그 후 행성들의 충돌이나 화산 활동 등으로 대기 중에 기체가 방출되고, 방출된 기체들 간의 반응으로 질소(N2), 수소(H2), 수증기(H2O), 메탄(CH4)등으로 구성된 원시 대기가 형성되었다. 이러한 대기의 조성이 20억 년 전까지 지속되다가 원시 해양 생물들이 출현하면서 광합성에 의해 산소가 대기 중에 나타나기 시작했다. 산소의 양이 증가하자 성층권에 오존층이 생성되었고, 이러한 오존층이 유해 자외선을 막아줌으로써 많은 생물들이 출현하고 생물들의 생존이 가능하게 되었다.

[2] 대기권의 구조

지구를 둘러싸고 있는 대기는 지상에서 약 1000km 높이까지 존재하며, 지구를 덮고 있는 공기의 99%는 고도 약 32km 이내에 있다.

대기권은 높이에 따른 온도 분포를 기준으로 대류권, 성층권, 중간권, 열권으로 구분하는데 지구 전체 공기의 70～80%가 대류권 안에 있다.

[3] 대기의 조성

1. 공기의 조성

시간과 지역에 따라 공기 중의 수증기의양은 다르지만 수증기를 제외한 건조한 공기는 부피비로 대략 78%의 질소(N2), 21%의 산소(O2), 그리고 1%의 아르곤(Ar) 기체로 구성되어 있으며, 그 외에 이산화탄소, 네온 드의 성분들이 미량 포함되어 있다.

다음 표는 건조 공기의 부피 백분율을 나타낸 것이다.

공기의 성분	분자식	부피비(%)	끓는점(℃)
질소	N2	78.09	-196
산소	O2	20.95	-183
아르곤	Ar	0.93	-186
이산화탄소	CO2	0.03	-79(승화점)
기타		0.01

2. 습윤 공기의 경우 수증기의 부피비는 평균 3.12%를 차지하며, 시간과 장소에 따라 0～5%의 다양한 값을 나타낸다. 수증기에 의해 기상 현상이 나타난다.

3. 공기 중에는 네온, 헬륨, 크립톤, 크세논 등의 비활성 기체와 메탄, 수소, 오존, 일산화탄소, 이산화질소, 이산화황 등이 있으며 공기의 0.01%를 차지한다.

4. 다른 행성과 달리 지구에는 대기가 존재하며, 대기는 생물의 생존에 필수적이고, 생태계를 유지하고 보호하는 역할을 한다.

(1) 수성 : 대기가 없다.

(2) 금성 : CO2 약 96.5%, N2 약 3.5%

(3) 화성 : CO2 약 95%, N2 약 2.7%, Ar 약 1.6%, O2 약 0.13%

[4] 공기의 성분 분리

공기를 구성하는 성분 기체의 끓는점은 다음 표와 같다.

기체	헬륨	네온	질소	아르곤	산소	크립톤	크세논
끓는점(℃)	-269	-246	-196	-186	-183	-153	-108

따라서 공기를 액체 상태로 만든 후 분별증류하면 각  성분 기체를 분리할 수 있다.

(1) 공기를 거름 장치에 통과시켜 공기 중의 먼지나 다른 입자들을 제거한 후 생각시키면 공기 중의 수증기와 이산화탄소가 얼음과 드라이아이스로 분리된다.

(2) 이산화탄소와 수증기가 제거된 공기를 압축시킨 후, 압축된 공기를 작은 구멍을 통해 팽창시키면 공기의 온도가 낮아진다. 온도가 낮아진 공기를 다시 압축시킨 후 다시 팽창시키면 온도가 더욱더 낮아진다. 이런 과정을 여러 번 되풀이하여 공기의 온도를 -200℃까지 낮추면 헬륨과 네온을 제외한 모든 기체들이 액체 상태로 된다.

(3) 이 액체 공기를 증류탑으로 보내 분별 증류하면 질소, 아르곤, 산소, 등의 순서로 성분 기체들이 분리된다.

2. 공기의 성분과 그 성질

[1] 질소(N2)

공기의 78%의 부피를 차지하고 있는 기체로, 생명체의 근원 물질이라 할 수 있는 단백질의 성분 원소이다.

1. 질소의 성질

(1) 색, 맛, 냄새가 없고 물에 잘 녹지 않는다.

(2) 두개의 질소 원자가 삼중 결합으로 결합된 안정한 분자로서, 반응성이 거의 없다.

(3) 타지 않으며, 다른 물질을 태우지도 않는다.

2. 질소의 이용

(1) 액체 질소(-196℃ 이하)는 초전도체의 극저온 상태를 유지하기 위한 냉동제, 병원의 의료용 냉동제, 식품 냉동제로 이용된다.

(2) 공업적으로 암모니아, 질산, 질소 비료 등의 제조 원료로 이용된다.

(3) 분유통이나 과자 봉지에 질소를 채워 음식물을 저장한다.

(4) 타지 않으므로 기름 탱크의 청소에 이용된다.

(5) 백열 전구의 내부에 질소 기체를 채우면 필라멘트의 수명을 연장할 수 있다.

(6) TNT와 같은 폭발물이나, 웃음 가스라고도 하는 마취제인 아산화질소(N2O)를 제조하는 데 사용된다.

3. 질소의 고정

대기 중의 질소를 직접 이용할 수 있는 미생물은 아조토박터나 뿌리혹박테리아와 같은 일부 미생물 뿐이다. 대기 중의 질소는 이런 미생물에 의해 고정되어 암모늄 이온(NH4+)이나 질산 이온(NO3-)과 같은 무기 질소 화합물을 합성하고, 식물은 이들을 흡수하여 생명의 근원이라 할 수 있는 단백질을 만든다.

4. 질소의 순환

동물은 식물이 합성한 단백질을 흡수하고, 동물 체내의 질소 성분은 배설 과정을 통해 암모니아나 용소의 형태로 다시 배출되며, 동물과 식물의 유해는 미생물에 의해 분해되어 지표나 대기 중으로 되돌려진다. 이와 같이 질소는 자연계에서 순환하고 있는데, 이것을 질소의 순환이라고 한다.

[2] 산소

공기의 21%의 부피비를 차지하고 있는 기체로 탄수화물, 지방, 단백질 등 생물체의 필수적인 영양분을 구성하는 주요 성분 중의 하나이다.

1. 산소의 제법

(1) 공기 중의 대부분의 산소는 해조류나 녹색 식물의 광합성에 의해 얻어진다.

(2) 공업적으로는 액체 공기를 분별 증류해서 얻으며, 실험실에서는 염소산칼륨에 이산화망간을 넣고 가열하거나, 과산화수소에 이산화망간을 가하여 얻는다. 이 때 발생하는 산소 기체는 물에 대한 용해도가 작기 때문에 수상 치환으로 포집한다.

2. 산소의 성질

(1) 색, 맛, 냄새가 없으며 물에 약간 녹는다.

(2) 대기 중의 기체 중 반응성이 가장 큰 기체로, 많은 원소와 반응하여 산화물을 만든다.

(3) 탄수화물, 지방, 단백질 등 생물체의 필수 영양소를 구성하는 주요 성분이다.

(4) 물질의 연소를 도와 준다.(조연성)

(5) 산소는 호흡을 통해 몸 속으로 흡수되어 생명을 유지하는 데 사용된다. 호흡된 산소는 음식물을 산화시켜 에너지를 낸다.

(6) 대기 중 산소는 거의 모두가 산소 분자로 존재하며, 소량만 오존으로 존재한다.

3. 산소의 이용

(1) 잠수부나 조종사, 고산 등반가의 산소 호흡기에 사용된다.

(2) 산소-아세틸렌 불꽃으로 금속의 용접이나 절단 등에 이용된다.

[3] 이산화탄소

공기의 약 0.03%의 부피비를 차지하고 있는 기체로, 녹색 식물의 광합성에 이용되는 지구상의 생물체에 필수적인 기체이다.

1. 이산화탄소의 제법

(1) 탄소화합물이 연소하거나, 생물이 호흡할 때, 그리고 생물이 부패할 때 생성된다.

(2) 실험실에서는 석회석에 염산을 반응시켜 하방치환으로 얻는다.

2. 이산화탄소의 성질

(1) 무색 투명하고 맛이나 냄새가 없으며, 공기보다 무거운 기체로 더 이상 타지 않는다.

(2) 이산화탄소는 물에 약간 녹으며, 그 중 일부가 물과 반응하여 탄산이 된다. 

3. 이산화탄소의 검출

이산화탄소를 석회수에 통과시키면 탄산칼슘의 앙금이 생성되어 뿌옇게 흐려진다. 이 때 계속해서 이산화탄소를 용해시키면 탄산칼슘이 탄산수소칼슘으로 되어 물에 녹으므로 다시 투명한 용액이 된다. 

4. 이산화탄소의 이용

(1) 이산화탄소는 타지 않으므로 소화기에 이용된다.

(2) 사이다나 콜라와 같은 탄산 음료의 제조에 이용되며, 세탁용 소다(탄산나트륨)와 베이킹파우더(탄산수소나트륨)를 제조하는 데에도 이용된다.

(3) 고체 상태의 드라이아이스는 승화열열을 흡수하여 승화하므로 냉동제로 주로 쓰인다.

[4] 비활성 기체

공기 중에는 1% 미만의 소량이지만 아르곤, 헬륨, 네온, 크립톤, 크세논 등의 비활성 기체가 들어 있는데, 비활성 기체는 녹는점과 끓는점이 매우 낮으며, 특히 헬륨은 0K 부근에서도 액체로 존재하는 유일한 원소이다.

1. 헬륨

무색 투명한 기체로 밀도와 반응성이 작아 애드벌룬용 가스로 사용된다. 또 혈액에 대한 용해도가 매우 작기 때문에 잠수용 산소통에 이용되기도 하며, 극저온을 얻는 데에도 이용되지만 값이 비산 단점이 있다.

2. 네온

방전관에서 나오는 붉은빛이 현란하여 네온사인에 많이 이용된다.

3. 아르곤

백열 전구, 형광등, 진공관, 정류기 등의 충전 기체로 많이 이용된다.