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수증기


이산화 탄소(carbon dioxide)
CO2

일반
이름 이산화 탄소(carbon dioxide)
화학식 CO2
물리적 성질
분자량 44.01 g/mol
밀도 1.976X10-3g/ml
상온에서의 상태 기체
상온에서의 색 무색
열화학적 성질
ΔfH0gas −393.52 KJ/mol
S0gas, 1 bar</sup> 213.79 J/K·mol
안전성
흡입 이산화 탄소는 가장 강력한 대뇌 혈관 확장제 중 하나이다. 고농도의 이산화 탄소를 흡입했을 때 순환계에 이상을 일으켜 혼수상태 또는 사망에 이르게 할 수 있다. 다량의 이산화 탄소에 노출되었을 경우 질식이 일어날 수 있다. 낮은 농도의 이산화 탄소는 호흡의 증가와 두통을 일으킬 수 있다. 산소부족으로 인한 숨 가쁨, 정신적 경계심의 감소, 근육 조정의 손상, 판단력 상실, 감각의 무뎌짐, 정신적 불안정, 피로를 일으킬 수 있다. 질식의 과정으로 구역질, 구토, 피로, 의식 상실 등이 일어날 수 있으며 심할 경우 발작, 혼수상태, 사망에까지 이를 수 있다. 임산부에게서의 산소 부족은 태아 발육에 지장을 줄 수 있다.[1]
가능한 한 SI 단위계를 사용했고, 따로 언급되지 않았을 때에는 표준 온도 압력 조건이다.

이산화 탄소(二酸化炭素, 영어: carbon dioxide)는 탄소 원자 하나에 산소 원자 둘이 결합한 화합물이다. 화학식CO2이며, 고체 상태일 때는 드라이아이스(dry ice)라고 부른다. 대기 중에도 존재하며, 화산의 배출 기체에도 포함되어 있다. 유기물연소, 생물호흡, 미생물발효 등으로 만들어진다.[2] 식물광합성 과정에서 이산화 탄소를 이용하여 탄수화물을 만들고 부산물로 대기 중에 산소를 방출한다. 이산화 탄소는 온실 효과를 일으키는 온실 기체이기도 하다.

성질편집

물리적 성질편집

파일:Carbon-dioxide-crystal-3D-vdW.png

상온에서 무색 기체로 존재한다. 약간 신 맛이 있다. 밀도는 0°C, 1atm에서 1.976g/L이다. 삼중점은 -56.6°C/5.11atm으로 상온 상압에서 승화하며, 승화점은 -78.50°C이다. 임계 온도는 31.0°C이며, 임계 압력은 72.80atm이다.

분압이 1atm일 때, 1부피의 물에 녹는 이산화 탄소의 상대적인 부피는 다음과 같다.

온도 0°C 10°C 20°C 50°C
부피 1.713 1.194 0.878 0.436

에탄올에는 물에 비해서 약 2배정도로 녹고, 카복시산 또는 그 무수물에는 물의 약 20배 정도 녹을 수 있다. 에테르, 벤젠 과는 잘 섞이지만 그 외의 많은 유기 화합물과는 잘 섞이지 않는다.

분자의 형태는 직선형이며, 탄소 원자와 산소 원자간의 결합 길이는 1.62Å이다. 고체는 분자성 결정의 형태로 존재한다.[2]

화학적 성질편집

이산화 탄소는 화학적으로 활성이 낮은 기체이다. 이산화 탄소가 관여하는 대표적인 반응은 다음과 같다.[2]

  • 물에 녹아 약한 산성을 띠는 탄산을 생성한다. 1atm의 이산화 탄소에 수용액이 접해있을 경우의 pH는 3.7이다.
  • 고압의 조건에서 포화 수용액을 냉각하면 수화물 CO2·8 H2O가 생성된다.
  • 고온에서는 가역적으로 일산화 탄소와 산소로 분리된다.
  • 수소와 가역적으로 반응하여 일산화 탄소와 물을 생성한다. 적당한 조건과 촉매를 갖추고 있을 경우 메테인, 폼산, 메탄올을 생성하는 경우도 있다.
  • 알칼리 금속이나 알칼리 토금속과 반응하면 환원되어 탄소와 포름산염을 생성할 수 있다. 아연, 과 같은 다른 금속과도 반응하여 일산화 탄소를 생성하는 경우가 많다.
  • 황화 수소와 함께 가열된 금속관을 통과하면 일산화 탄소와 을 생성한다. 사염화 탄소와 통과할 경우 포스젠을 생성한다.
  • 많은 금속 산화물이나 수산화물과 반응하여 탄산염을 생성한다. 특히 수산화 칼슘과 반응하면 다음과 같은 반응이 진행된다.
Ca(OH)2 + CO2CaCO3 + H2O
CaCO3 + H2O + CO2Ca(HCO3)2
탄산 칼슘은 물에 잘 녹지 않지만, 탄산 수소 칼슘은 물에 녹는다. 따라서 이산화 탄소의 분압이 높아지면 위의 두 반응 중 두번째 반응의 평형이 생성물 쪽으로 이동한다. 그 결과 탄산 칼슘이 반응을 일으켜 탄산 수소 칼슘이 되어 물에 녹게 된다. 반대로 이산화 탄소의 분압이 낮아지면 평형은 반응물 쪽으로 이동하고 다시 탄산 칼슘이 석출된다. 이 반응은 석회동굴의 생성과 관련되어 있다.

제법편집

실험적으로 이산화 탄소는 석회암염산을 반응시켜 얻을 수 있다. 공업적으로 이산화 탄소는 주로 다음과 같이 얻을 수 있다.[2][3]

  • 탄소를 포함하는 화합물을 연소시킬 때 얻을 수 있다.
  • 대기 중에 존재하는 분량을 채취하여 얻을 수 있다.
  • 알코올 발효 등 각종 발효 과정에서 발생하는 분량을 채취하여 얻을 수 있다.
  • 석회암을 가열하여 생석회로 만드는 과정에서 부산물로 얻을 수 있다.

정제법편집

공업적으로 이산화 탄소를 정제하는 데에는 주로 다음과 같은 반응을 이용한다.

Na2CO3 + H2O + CO2 ⇄ 2 NaHCO3
K2CO3 + H2O + CO2 ⇄ 2 KHCO3
2HOC2H4NH2 + H2O + CO2 ⇄ (HOC2H4NH3)2CO3

위 반응들은 공통적으로 저온에서는 평형이 왼쪽으로 이동하고, 고온에서는 평형이 오른쪽으로 이동한다. 따라서 위 반응의 반응물이 포함된 수용액과 이산화 탄소를 반응시켜 이산화 탄소를 흡수한 후 이를 가열하면 다시 이산화 탄소가 발생한다. 이 성질을 이용하여 이산화 탄소를 정제할 수 있다.[2]

용도편집

이산화 탄소는 다음과 같은 용도로 사용된다.[2][3]

  • 고체 이산화 탄소인 드라이아이스는 냉각제로 사용된다.
  • 이산화 탄소는 소화기에 사용된다. 특히 물을 사용하기가 곤란한 전기로 인한 화재를 진압할 때 효과적이다.
  • 청량음료의 원료이기도 하다.
  • 원유를 채취할 때 채취양을 늘릴 목적으로 초임계상태의 이산화 탄소를 사용하기도 한다.
  • 다른 화합물 합성의 원료로 사용된다.
  • 액체 상태의 이산화 탄소는 용매로도 사용된다.

오염편집

파일:Mauna Loa Carbon Dioxide.png

이산화 탄소는 온실기체로 작용하여, 지구복사를 통하여 우주공간으로 나가는 에너지 중 일부를 다시 지구로 되돌린다. 이러한 이산화 탄소의 성질은 지구의 에너지 평형을 깨트려서, 지구온난화의 원인으로 작용한다. 이산화 탄소는 화석연료와 같은 탄소를 포함한 물질을 완전 연소시킬 경우 생성되는데, 최근 화석연료의 사용이 크게 늘면서 이산화 탄소의 배출량도 증가하여 대기중의 이산화 탄소 농도가 증가하였고 이는 지구온난화를 더욱 심화시키는 요인으로 작용하고 있다.[3]

생체 내에서의 작용편집

순환편집

이산화 탄소는 세포호흡의 부산물이기도 하다. 발생한 이산화 탄소는 순환계를 통하여 로 이동하여 체외로 방출된다. 이산화 탄소가 순환계를 통하여 세포로부터 폐로 이동하는 방법은 다음과 같이 세 가지 방법이 있다.

  • 혈장에 녹아서 이동한다. 약 7%의 이산화 탄소가 이 방법을 사용하여 이동된다.
  • 적혈구헤모글로빈에 결합하여 이동한다. 약 23%의 이산화 탄소가 이 방법을 통해 이동된다.
  • 탄산 수소 이온의 형태로 이동한다. 약 70%의 이산화 탄소가 이 경로로 이동된다.

탄산 수소 이온의 형태로 이동할 경우. 조직 근처의 혈관에서 이산화 탄소 분자는 적혈구 내의 탄산탈수효소에 의해서 물 분자와 반응하여 탄산을 형성한다. 탄산은 곧 탄산 수소 이온과 수소 이온으로 해리되여 수소 이온은 헤모글로빈에 결합하고 탄산 수소 이온은 혈장으로 방출된다. 폐 주위의 혈관에서 탄산 수소 이온은 반대 과정을 거쳐 이산화 탄소가 되고, 이것은 폐를 통하여 체외로 방출된다.

적혈구의 헤모글로빈은 혈액의 pH가 떨어지면 산소와의 친화력 역시 감소하는데, 이를 보어 효과라 한다. 물질대사가 활발한 조직에서는 이산화 탄소의 생성량이 증가하며, 그 결과 주위 혈액의 이산화 탄소 분압은 증가한다. 이산화 탄소는 물과 결합하여 탄산을 생성하므로, 이는 혈액의 pH를 떨어트린다. 따라서 헤모글로빈에서 산소가 방출되고, 방출된 산소는 세포호흡에 사용된다.[4]

광합성편집

식물광합성 과정에서 이산화 탄소를 흡수하여 이를 탄수화물의 형태로 만든다. 식물에 의해 흡수된 이산화 탄소는 캘빈회로로 들어가고, 루비스코에 의해 리불로오스-1,5-이인산(RuBP)에 결합한다. 이는 여러 반응을 거쳐 글리세르알데하이드-3-인산(G3P)이 되고, 이것이 이후 포도당 또는 다른 탄수화물의 형태로 바뀌게 된다. 한 분자의 G3P를 만들기 위해서는 세 분자의 이산화 탄소가 필요하다.[5]

독성편집

고농도의 이산화 탄소는 신체에 치명적일 수 있다. 부피 백분율로 0.1~1%의 이산화 탄소는 나른함과 두통을 일으킨다. 농도가 8~10%일 경우 질식에 의한 사망에 까지 이를 수 있다.[3]

바다와 이산화 탄소편집

지구 대기 중의 이산화탄소의 양은 대기, 암석, 바다, 및 각종 생물들에 의한 탄소의 흡수 및 방출 작용으로 조절되고 있다. 예를 들어, 식물의 경우 호흡하거나 죽어서 부패하게 되면 이산화탄소를 대기 중으로 방출한다. 지금 육상의 식물들은 공기중의 이산화탄소와 뿌리로부터 끌어올린 물, 글리고 태양 에너지를 이용해서 광합성을 한다.

산업화로 인해서 발생한 가스 중 이산화 탄소가 80-85%를 차지하면서 지구상 주 에너지원인 석유화학 원료 및 재료의 사용 또는 생산에서 발생되는 가스 및 오염원이 온실가스이며 온실효과의 주범이다. 지구온나화는 양 극지방의 해빙으로 해수면의 상승은 태평양 일부 섬들이 바다에 잠기는 해수면 상승이 유발된다. 결과 바다가 대기 중에서 흡수하는 이산화탄소 양이 줄어들게 된다. 사이다가 따뜻해지면 탄산이 다 빠지듯이 말이다. 결국 온실가스 농도가 더 높아지게 되고 해수 온도는 더 오르게 된다.

지구의 표면의 3/4이 바다로 덮여 있다. 바닷물이 이산화 탄소를 용해하고 있기 때문에 바다는 사실 인간이 대기 중에 만들어낸 어마어마한 이산화탄소를 제거하고 있다는 사실이다. 바다는 쉽게 망가질 수있는 복합적인 생태계이다. 바닷물 속에는 염류 이외에도 적은 양이기는 하지만 질소, 산소, 이산화 탄소 등의 기체가 녹아 있으며, 이들 기체는 바다 생물의 생활에 중요한 역할을 하고 있다.

바다에 철을 뿌려 대기중에 이산화 탄소를 줄인다 피나투보 화산 폭발로 철 먼지 4만 톤 정도가 전 세계 바다로 떨어졌다고 한다. 그로 인해 대기중의 이산화 탄소의 양이 하락한다.

지구의 원시 대기는 이산화탄소와 매탄과 같은 유해가스들로 가득차 있었다. 지각운동으로 인해 바다가 생겨나고 많은 양의 이산화 탄소가 바다로 가라 앉았다.

해양 산성화는 대기중의 이산화 탄소가 바다 표면에 녹아들어가면서 탄산이 발생해 바다의 산성도가 높아지는 현상이다. 발생한 탄산은 플랑크톤을 죽여 생태계를 파괴하는 동시에 바다생물의 둥지 역할을 하는 산호도 파괴 시킨다.

이산화 탄소를 압축하여 바다 밑에 저장할수도 있다는것 그러니 지구 전체의 문제는 해결할수 있다는 것이다. 가스 하이드레이트는 자연스러운 메카니즘으로 추정되며 이산화 탄소 배출량이 증가함에 따라 배출업체가 직접 처리하는 것이 바람직해지고 있다. 지구상의 이산화 탄소를 모두 압축하여 바다속으로 저장한다는것도, 그것은 엄청난돈도 들고 전세계 각나라가 모두 돈을 내야한다.


주석편집

  1. 이산화 탄소 MSDS
  2. 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 化學大辭典編集委員會 편, 성용길, 김창홍 역, 〈이산화탄소〉, 《화학대사전》(Vol. 7), 서울: 世和, 2001, 338~339쪽.
  3. 3.0 3.1 3.2 3.3 Considine, G. D. et al., "CARBON DIOXIDE", Van Nostrand's encyclopedia of chemistry, 5th edition, Hoboken : Wiley-Interscience, 2005, pp. 290~291.
  4. Campbell, N. A. et al., Biology, 8th edition, San Francisco : Pearson Benjamin Cummings, 2007, pp. 924~926.
  5. Ibid., pp. 198~199.


참고문헌편집

  • Campbell, N. A. et al., Biology, 8th edition, San Francisco : Pearson Benjamin Cummings, 2007.
  • Considine, G. D. et al., Van Nostrand's encyclopedia of chemistry, 5th edition, Hoboken : Wiley-Interscience, 2005.
  • 化學大辭典編集委員會 편, 성용길, 김창홍 역, 《화학대사전》, 서울: 世和, 2001.
  • http://www.vngas.com/pdf/g8.pdf


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