공기를 이루는 기체의 비율 - gong-gileul iluneun giche-ui biyul

공기의 중요성은 모르는 사람이 없을 것이다. 사람이 호흡하는데 없어서는 안 되는 것이다. 정확하게 말하면 공기 중의 산소를 통해서 호흡을 하는 것이지만.

공기에 대해 한번 자세하게 알아보자.

공기란?

지구를 둘러싸고 있는 대기의 하층을 구성하는 무색 투명한 기체이다. 지구와 역사를 함께 만들어진 것으로 누구나 다 알고 있겠지만 지구 상 생물이 살아가는데 반드시 필요한 역할을 한다. 공기가 없다면 탄소동화작용, 질소 고정 작용, 호흡이 이루어지지 않아 생물이 살지 못한다. 그리고 소리가 간간에서 전파되지 않고, 물체의 연소도 불가능하며, 날씨라는 개념이 없어질 것이다.

공기를 이루는 성분

공기가 무색투명한 기체인 이유는 공기를 이루는 성분들 대부분이 색깔과 냄새가 없기 때문이다.

공기는 질소, 산소, 아르곤, 이산화탄소 등으로 이루어진 기체 혼합물이다. 그밖에 네온, 헬륨, 크립톤, 크세논 등의 비활성 기체가 미세한 양이 포함되어있다. 공기 중에 들어 있는 수증기의 양은 약 3~4%이다. 지역이나 날씨에 따라 다르지만, 수를 제외한 건조 공의 구성 비율은 지역이나 날씨에 관계없이 거의 일정하다. 우리가 접할 수 있는 공기를 이루는 성분 비율 등은 건조 공기를 기준으로 한다.

지구의 역사와 함께 공기가 있었다고는 하지만 공기는 처음부터 오늘날과 같은 성분은 아니었다.

어떻게 지금과 같은 공기가 되었을까?

공기의 역사

약 46억 년 전 지구가 탄생했을 때 공기의 대부분의 성분은 수소와 헬륨이었다. 하지만 이 대기는 시간이 흐르면서 태양풍에 의해 흩어지고, 지구는 화산 활동 등에 의해 지구 내부에서 나오는 기체로 가득 차게 되었다. 이때 방출된 기체는 수증기, 이산화탄소, 질소, 이산화황, 염화화수소 등이었다. 그 후 지구는 냉각되면서 수증기는 응결되어 비나 눈이 되었고, 이어서 원시 바다가 만들어졌다. 이때의 바닷물은 산성이었기 때문에 이산화탄소는 녹지 않았다. 그래서 이 시기의 대기는 주로 이산화탄소와 질소로 이루어져 있었다. 그리고 원시바다가 중성으로 변해감으로써 이산화탄소가 바다에 녹게 되면서 대기 중에서 이산화탄소가 차지하는 비율이 현재와 같이 줄어들었다. 또한 질소 성분은 오랫동안 대기 중에 머무르면서 현재와 같이 대기의 78%를 차지하게 되었다.

산소는 처음에 원시 바닷속의 녹색 식물인 남조류의 광합성으로 만들어졌다. 그 산소의 일부는 성층권에서 강한 자외선을 받아 두 개개의 산소 원자로 분리되고, 산소 원자가 다른 산소 분자와 결합하여 오존을 만들어서 오존층이 생성되었다. 그리고 오존층이 생물에게 유해한 자외선을 차단해 주었기 때문에 녹색 식물의 광합성은 점점 더 활발해졌고, 대기 중 산소의 양도 더욱 많아져서 지금과 같이 대기의 21%를 차지하게 되었다.

대기를 구성하고 있는 공기는 수증기를 제외한 건조 공기의 구성 비율은 지구상 모든 곳에서 거의 일정하다. 건조 공기의 성분비는 질소 N2가 78.03%, 산소 O2가 20.99%, 아르곤 Ar은 0.93%, 이산화탄소 CO2는 0.03%이며 기타 0.02%가 존재한다. 공기는 끓는점 차이를 이용한 분별 증류로 분리한다. (

분별증류 Link)

[그림 1. 공기의 분별증류]

먼저 공기를 여과지를 통해 먼지를 제거한다. 그 후 냉각장치를 통해서 녹는점 0℃의 물과 승화점 -78.5℃의 이산화탄소를 제거한다. 그 후, 공기를 압축한 후에 급격하게 팽창시키면 기체는 온도가 낮아지면서 액화된다. 그 후 분별증류관으로 옮긴 후, 끓는점이 낮은 것부터 끓어서 위로 올라가게 된다. 질소 N2는 -195.79℃(77.36K), 아르곤 Ar은 -185.37℃ (87.80K), 산소 O2는 -182.95℃ (90.20K), 크립톤 Kr은 -153.22℃ (119.93K), 크세논(제논) Xe은 -108.12℃ (165.03K) 이다.

산소

산소의 비율 측정 방법

[그림 2. 인을 이용한 산소 비율 측정 방법]

유리종을 거꾸로 하여, 그 속에서 인(P)을 연소시켜 줄어든 공기의 양이 산소량이다.

1) 유리종을 물이 담긴 수조에 넣고 수면의 높이(V1)를 표시한다.
2) 물 표면에 붉은인을 띄우는 방법 또는, 연소장치를 뒤집힌 유리종안에 넣은 후, 불을 붙인다.
3) 불이 꺼지면 물을 더 부어 유리종내부와 바깥의 수면의 높이를 맞추고, 상승한 수면의 높이(V2)를 표시한다.
두 수면에 높이차에 해당하는 부피가 바로 산소의 양이다.

2. 구리를 이용한 방법

[그림 3. 구리를 이용한 산소 비율 측정 방법]

1) 주사기 A에 건조공기를 넣고 부피를 측정한 다음, 공기를 뺀 주사기 B를 위 그림처럼 구리선이 담긴 유리관으로 연결한다.
2) 유리관을 가열하면서 A에서 B로, B에서 A로 몇 차례 공기를 순환시킨다.
3) 남은 기체를 처음 온도로 식혀 줄어든 부피를 측정한다.
줄어든 부피가 바로 산소의 양이다.

이때 구리와 산소가 반응을 하게 되는데, 반응식은 다음과 같다.

2Cu(s) + O2(g) → 2CuO(s)

산소의 제법
H2O2(과산화수소)나 KClO3(염소산칼륨)을 MnO2(이산화망간)으로 분해하여 얻는다. 이 때 MnO2는 촉매로 반응에 참가하지 않는다.

2H2O2 2H2O + O2↑
2KClO3  KCl + O2↑

산소는 물에 잘 녹지 않으므로 수상치환으로 포집한다.

[그림 4. 물에 녹지 않는 기체는 수상치환으로 포집한다.]

산소는 물질을 산화를 시킬 수 있으며, 연소반응에 참여하고, 금속들을 부식시키는 성질을 가지고 있으며, 동식물이 호흡할 때 필요한 기체이다.

산소는 C2H2(아세틸렌)과 섞어서 불을 붙이면 온도가 매우 높아 용접에 이용하며, 잠수부의 산소통에 쓰인다.

질소

질소분자는 질소원자끼리 삼중결합으로 결합되어 매우 안정하다. 하지만 자동차 엔진과 같이 고온, 고압에서는 산소와 반응을 해서 일산화질소(NO)를 만든다.

일산화 질소는 반응성이 커서, 산소와 반응해 이산화질소(NO2)를 생성한다.

이산화질소(NO2)는 물과 만나 질산을 형성하고 산성비를 내리는 주범이 된다.

3NO2(g) + H2O(l) → 2HNO3(aq) + NO(g)

또, 질소산화물(NOx)은 광화학 스모그를 일으킨다.

질소는 안정하여 전구, 과자, 분유통의 충전제로 이용되며, 액체 질소는 온도가 매우 낮아(-195.79℃) 냉각제로 쓰이며, 공업적으로는 암모니아, 잘산, 질소 비료등의 원료로 쓰인다.

암모니아를 만드는 방법은 독일의 화학자인 Fritz Haber가 고안한 하버법이라는 방법을 통해 합성한다. 촉매와 200기압, 400~500℃의 조건에서 수소와 질소를 반응시키면 암모니아가 생성된다.

이산화탄소

이산화탄소는 식물의 광합성에 이용되는 기체이며, 호기때 배출되는 기체이다.

이산화탄소의 제법은 다음과 같다.

CaCO3(s) + 2HCl(aq) → CaCl2(aq) + H2O(l) + CO2(g)

CaCO3(s) CaO(s) +  CO2(g)

위의 반응식에서 삼각형(Δ)은 열을 가한다는 뜻이다.

이산화탄소를 석회수에 통과시키면 뿌옇게되는데, 다음의 반응이 일어나기 때문이다.

Ca(OH)2(aq) + CO2(g) → CaCO3(s) + H2O(l)

하지만, 이산화탄소를 계속 불어넣어 pH가 높아지면 탄산칼슘이 녹아 뿌옇게 되었던 것이 사라지게 된다.

이산화탄소는 공기보다 무거우며, 무색 무취의 기체이다. 드라이아이스는 이산화탄소의 고체상태이며, 소화기 베이킹파우더, 탄산음료에 쓰인다.

공기는 어떤 기체로 이루어졌나요?

공기는 어떻게 만들어졌을까?

지구에는 공기가 있나요?