대기 화학

세상에는 많은 기체가 존재한다. 여러 가지의 기체가 존재하겠지만 그중에서도 가장 중요한 건 지구 표면을 감싸고 있는 대기의 기체이다. 대기의 주성분은 질소와 산소로 90%가 구성되어 있지만 물과 이산화탄소같이 또 다른 기체들을 포함하고 있다. 해수면 근처에서의 건조한 공기의 구성은 이와 비슷하다. 기체가 아무리 가볍다 해도 지구의 중력 영향은 피할 수 없다. 왜냐하면 기체 또한 분자로 구성되어 있기 때문에 가벼운 분자는 높은 곳에 있게 되고 무거운 분자는 낮은 곳에 있게 된다. 이러한 중력의 영향에 의해 대기의 조성은 일정하게 이루어지지 않는다. 물론 여러 가지의 기체가 존재하기에 대기는 매우 복잡한 조성을 구성하고 있으나 간편하게 나눠보자면 외기권, 열권, 증간권, 성층권, 대류권의 다섯 가지로 나눌 수 있다. 대기 위의 공간에서 일어나는 화학작용이 있다. 이 말이 생소할 수도 있지만 최근에 많이 화제가 되기도 한 오존층이다. 오존층은 태양과 우주에서 오는 높은 에너지의 복사선과 입자의 영향을 흡수해 지구의 생명체를 유해한 영향으로부터 보호해 주는 역할을 한다. 우리가 사는 지구에서 가장 가까운 구역은 대류권이라고 할 수 있다. 가장 가까운 만큼 대류권은 인간의 활동에 매우 큰 영향을 받고 있다. 우리는 지금까지 살면서 여러 산업 혁명 및 엄청난 대기오염을 저질러 왔다. 따라서 수백만 톤의 기체 및 오염물질들이 대기에 방출되었을 것이다. 사실 이러한 활동에서도 대기가 이러한 많은 물질을 흡수했음에도 불구하고 엄청난 변화가 없다는 것이 다행일 따름이다. 하지만 최근 들어 이러한 변화가 급속도로 진행되고 있다. 특히 오염물질이 대량으로 유출되는 대도시의 경우 이 변화가 매우 크게 작용한다. 이러한 오염물질이 발생하는 경로는 주로 우리가 사용하는 교통수단과 전기이다. 자동차를 주로 사용해 보았으면 배기가스가 발생하는 것을 심심찮게 보았을 것이다. 이렇게 자동차 연료가 연소할 때 다른 여러 물질과 함께 환경에 해가 되는 일산화탄소, 이산화탄소, 일산화질소, 이산화질소 등이 생성되게 된다. 이러한 물질들이 지표 주변에 정체하게 되어 생태계에 해를 끼치게 된다. 자동차와 같은 교통수단의 경우 내연 기관에서 질소 분자와 산소 분자가 서로 반응해 질소 일산화질소를 만들게 되며, 일산화질소는 배기가스와 함께 공기 중으로 배출되게 된다. 그러면 일산화질소는 산소와 함께 결합하여 이산화질소가 되고, 이러한 이산화질소는 햇빛에 의해 또다시 일산화질소와 유리 산소 원자로 분해된다. 여기서 유리산소 원자란 화합물에서 떨어져 나온 산소를 뜻한다. 이렇게 분해된 산소 원자는 높은 반응성을 가지고 있어 산소 분자와 결합해 오존이 생성된다. 여기서 오존이 쭉 유지된다면 좋겠지만, 오존은 반응성이 높아 다른 오염물질과 직접적으로 반응할 수 있다. 여기서 오존은 빛을 흡수해 산소 분자와 산소 원자로 다시 분리되게 된다. 빛을 흡수해 들뜬 상태의 산소 원자는 물과 반응해 OH를 생성한다. 화학식을 써보자면 O(들뜬 상태) + H*2O -> 2OH 가 이루어진다. 이때 생성되는 OH를 하이드록실 라디칼이라고 부르며 매우 반응성이 높기에 다른 물질과 쉽게 결합해 우리에게 해가 되는 물질들을 생성한다. 이러한 앞의 과정들을 살펴보면 빛이 필요하다는 것을 알 수 있다. 따라서 이와 비슷한 과정을 가진 것들을 모두 합해서 ‘광화학적 스모그‘라는 명칭을 붙인다. 여기서 이산화질소는 오존의 생성을 돕는 일명 촉매 역할을 한다. 위에서 설명했듯이 이렇게 생성된 오존은 OH와 결합해 오염물질이 생성된다. 아침에 사람들이 출근하게 되는 시간인 오전 6시부터 오후 8시까지 배기가스의 배출량이 많아지면서 NO*2와 NO의 양이 증가하게 된다. 그 이후 NO*2가 분해되며 오존과 함께 오염물질의 농도가 높아진다. 따라서 요즘은 이러한 오염물질을 줄이기 위해 현재는 자동차 배기가스에서 배출되는 일산화탄소의 양을 줄이려고 하는 연구가 진행 중이다. 두 번째 오염원인은 전기의 생산이다. 전기의 경우 화석연료를 사용하여 전기를 생산하는데, 주로 석탄의 연소를 통해 전기를 생산한다. 미국의 경우 석탄에는 연소 시 이산화 황을 발생시키는 황이 함유되어 있다. 따라서 석탄을 연소 시 황과 산소 분자가 결합해 이산화황이 생성되며, 이러한 이산화황 두 개와 산소 분자가 다시 결합해 삼산화황이 생성된다. 이러한 삼산화황은 물과 다시 결합해 황산을 만들기에 이는 매우 심각한 문제를 일으킨다. 황산의 경우 부식하는 성질이 매우 강하기에 건축물들을 부식시키는 데 매우 큰 문제를 일으킨다. 미국의 경우 이러한 황산에 의해 산성비가 내려 호수의 물이 산성화되는 치명적인 환경문제를 일으키기도 한다. 이러한 문제는 에너지 위기와도 밀접하게 관련되어 있다. 석탄의 의존도가 높아질 때 황 함량이 낮은 석탄은 이미 소진되고 황 함량이 높은 석탄이 남아있을 것이다. 이에 대한 해결책은 석탄을 연소시킬 때 석회석 가루를 연소실에 불어넣는 것이다. 이때 석회석(CaCO*3) 은 생석회(CaO)와 이산화탄소로 분해된다. 이렇게 분리된 석회석은 생석회와 이산화황과 결합하여 아황산 칼슘이 된다. 황산이 되기 이전에 생석회와의 결합을 통해 제거할 수 있는 것이다. 하지만 이러한 방법은 비용이 많이 들고 방법이 복잡하기에 잘 쓰이지 않을뿐더러 오염 물질을 폐기하도록 하는 데에도 많은 힘이 들어간다. 이에 대한 뚜렷한 해결책을 아직 찾지 못해 여전히 심각한 문제로 남아있다.