산소(酸素, 영어:Oxygen)
산소는 화학 원소의 하나로 원소 기호는 O(라틴어: Oxygenium)은 고 원자 번호는 8이다. 일반적으로 산소 원자 두 개가 결합하여 무색, 무미, 무취인 기체 상태로 존재한다. 공기의 주성분 중 하나로 지구뿐 아니라 우주 전체에 걸쳐 다른 원소와 공유 결합된 상태로 널리 퍼져 있다. 유리 산소(산소 분자, O2)가 처음으로 지구 대기에 나타난 것은 고 원생대로, 혐기성 생물(세균과 고균)의 물질대사 과정의 부산물로 만들어졌다. 유리 산소의 증가는 그 당시 대부분 생물을 죽음으로 몰아갔으나, 반대로 산소를 이용하는 새로운 생물이 등장하는 계기가 되었다. 또한 오존층의 형성으로 육상생물이 등장하는 계기도 마련해주었다. 산소는 대부분 광합성작용으로 만들어지는데, 약 4분의 3은 대양의 식물성 플랑크톤과 조류가, 나머지 4분의 1은 육상 식물이 만든다. 사람에게도 생명 활동에 꼭 필요한 물질로써, 산소가 결핍되면 5분이 지나 뇌사상태에 빠지고 8분 뒤면 사망한다. 사람을 비롯한 동물군의 체내에서 산소를 운반하는 것은 적혈구의 주요 역할이다. 역사 산소는 1774년 영국의 조지프 프리스틀리가 발견한 원소이다. 프리스틀리는 산화수은(II)을 가열하는 도중 발생하는 기체가 촛불이 훨씬 더 잘 타도록 하는 성질이 있음을 발견하였다. 또한 프리스틀리는 이 기체가 호흡과 관련되어 있다는 것을 발견하였다. 그는 이 기체의 이름을 ‘탈 플로지스톤 공기’라 불렀다. 한편 스웨덴의 칼 빌헬름 셸레는 산소를 독자적으로 발견하였으나, 산소의 발견을 먼저 발표한 것은 프리스틀리였다. 그 뒤 앙투안 라부아지에는 이 기체의 이름을 ‘산소’로 정하였다. 한자어 산소(酸素)는 독일어 낱말 Sauerstoff에서 유래하였다. 플로지스톤설은 1667년 독일의 화학자 J. J. 베허가 처음 주장했다. 주요 내용은 모든 가연성 물질에는 플로지스톤이라는 입자가 있어 연소과정에서 플로지스톤이 소모되고, 플로지스톤이 모두 소모되면 연소과정이 끝난다는 옛 학설이다. 1783년에 라부아지에가 플로지스톤이 존재하지 않음을 확인하였다. 자연에서의 존재 산소는 질량 백분율로 대기와 해양을 포함한 지각의 49.5%를 차지한다. 건조한 공기에서 산소는 부피 백분율로 20.946%를 차지한다. 지각에 존재하는 산소는 대부분이 규산염이나 산화물, 물의 형태로도 존재한다. 산소는 바다의 질량 면에서 88.81%를 차지하여, 지구 대양을 구성하는 주요 성분이다. 우주에는 수소, 헬륨 다음으로 많이 존재하는 원소지만 그 존재 비율은 낮다. 많은 양의 산소가 호흡, 연소 등으로 사용되지만 대기 중의 산소의 비율은 거의 일정한데, 이는 광합성 때문이다. 광합성이 진행되면서 이산화탄소와 물이 소비되고 포도당과 산소가 생성된다. 동위 원소 대기 중의 산소는 세 종류의 동위 원소로 이루어져 있는데, 16O가 99.759%, 17O가 0.037%, 18O가 0.204%를 차지한다. 대기 중의 산소는 대부분이 원자 분자 상태로 존재한다. 물에 존재하는 산소의 경우 지역에 따라 동위 원소의 비율이 다르게 나타난다. 14O, 15O, 19O는 인공적으로 합성되는 방사성 동위 원소이다. 이들은 반감기가 매우 짧은데, 이 중 가장 긴 반감기를 가진 동위 원소는 반감기가 약 120초인 15O이다.
동소체 산소의 동소체는 이원자 분자 형태의 O2, 오존으로 알려진 삼원자 분자 형태의 O3, 희귀하고 불안정한 O4 등이 있다. O4는 자성을 띠지 않고 옅은 푸른빛을 띤다. O4 분자는 쉽게 해리되어 O2 두 분자를 생성한다. 지구 대기에 존재하는 오존의 90% 이상이 지표로부터 15~40km 고도의 오존층에 있으며 생명체에게 해로운, 우주로부터 오는 단파 자외선을 거의 흡수한다. 그러나 지표 가까이에 존재하는 오존은 강한 산화력을 가지며 건강에 해로워 대기 오염물질로 취급한다. 산소 원자의 성질 산소 원자의 평균 원자량은 15.9994이다. 바닥 상태에서 산소 원자의 전자 배치는 1s22s22px22py12pz1이다. 2p 오비탈에 두 개의 홀전자가 존재한다. 산소 원자가 다른 원자와 부분적이거나 완전한 공유 결합을 할 때의 결합각은 90°가 될 것으로 기대되나, 실제로는 물(H2O)의 결합각이 104.47°인 것과 같이 90°에 비해 더 큰 결합각을 가진다. 이 문제는 산소의 2s와 2p 오비탈이 sp3 혼성 오비탈을 이룬다고 설명함으로써 해결할 수 있다. 산소 분자의 성질 상온에서 산소는 일반적으로 이원자 분자로 존재하며 무색, 무취, 무미의 기체 상태이다. 액체 상태일 때는 옅은 푸른색을 띤다. 기체 상태의 산소는 약간의 상자기성을 가지고 있으며 액체 상태일 때도 상자기성을 가진다. 1atm에서 녹는점은 –218.80°C이고 끓는점은 –182.97°C이다. 0°C105Pa에서의 밀도는 1.4290g/l이다. 쌍극자모멘트는 0이며, 상온에서의 산소 원자 간의 평균 거리는 1.208Å이다. 산소는 무극성 분자이다. 화학적 성질 산소는 화학적으로 매우 활성이 높은 원소이다. 금, 백금, 은 등의 귀금속이나 비활성 기체, 할로젠(플루오린 제외) 등과는 직접 반응하지는 않지만, 그 밖의 원소와는 직접 반응하여 산화물을 만든다. 반응의 예로는 다음과 같은 것이 있다. C+O2⟶CO2 4Al+3O2⟶2Al2O3 S+O2⟶SO2 3Fe+2O2⟶Fe3O4 4P+5O2⟶2P2O5 2Cu+O2⟶2CuO 2F2+O2⟶2OF2 일반적으로 이러한 반응은 발열 반응이고, 때에 따라서 연소를 일으킨다. 실험실에서 산소의 존재를 확인하는 간단한 방법은 산소를 꺼져 가는 불씨에 반응시키는 것이며, 이때 불씨는 다시 타오른다. 산소는 많은 원소와 한가지 이상 산화물을 생성한다. 예를 들어 황은 산소와 이산화 황(SO2)과 삼산화황(SO3)의 두 가지 화합물을 생성한다. 산소가 포함된 이성분 화합물 중 대표적인 것으로는 물(H2O)과 이산화 규소(SiO2)를 들 수 있다. 이 가운데 이산화 규소는 모래의 주성분 중 하나이다. 산소가 포함된 화합물 중 이성분 화합물을 제외하면 규산염이 가장 대표적이다. 규산염은 토양과 바위의 주요 구성 성분이다. 석회암과 대리암을 구성하는 탄산칼슘, 석고의 구성 성분인 황산칼슘, 보크사이트의의 구성 성분인 산화알루미늄에도 산소가 포함되어 있다. 또한 철은 자연에서 산화철 화합물의 상태로 산출된다. 과산화수소는 표백제로 사용된다. |