18.1 지구의 대기

18. 환경화학 (environmental chemistry)

18.1 지구의 대기

지구 대기의 온도 및 압력의 분포와 화학적 조성 을 살펴보는 것으로 시작한다. 다음으로 태양 복사 선을 대기가 흡수해서 일어나는 반응인 광이온화와 광해리에 대해 알아본다.

18.2 인간의 활동과 지구의 대기

인간이 만든 기체가 반응해서 어떻게 대기권의 오 존이 고갈되는가와 인간 활동으로 만들어진 화합물 이 대기권에서 반응해서 어떻게 산성비와 스모그가 만들어지는가를 논의한다.

18.3 지구의 물

지하수로부터 지표수로, 대기로, 그리고 지상으로 돌아 오는 지구의 물순환에 대해 알아본다. 해수, 담수, 지하 수에 대한 화학적 조성을 비교한다

18.4 인간 활동의 수질

지구의 물이 어떻게 세계 기후와 연계되어 있는지를 고려해 보고 수질을 측정하는 한 방법인 용존 산소 농도 에 대해 알아본다. 음용수와 경작 용수에는 염분과 공해 물질이 없어야 한다.

18.5 녹색화학

녹색화학은 국제적 계획으로 공산품이나 공정, 화학 반 응을 지속적인 성장이 가능한 사회와 환경에 맞도록 하 기 위한 것이다.

목차

 고도에 따라 온도가 얼마나 변하는가를 가지고 지구 대기의 범위를 기술한다.

 해수면에서의 건조 공기의 주요 성분으로 대기의 구성을 설명한다.

 백만 분의 일(ppm) 단위로 기체의 농도를 계산한다.

 광해리와 광이온화 반응 과정과 대기 상층에서 그것들의 역할을 설명한다.

 해리 또는 광이온화 반응을 일으키는 데 필요한 최소 주파수 또는 최대 파장을 결합 에너지 와 이온화 에너지를 사용하여 계산한다.

 클로로플루오로탄소 (CFC)가 어떻게 오존층 고갈에 영향을 주는가를 설명한다.

 공기 오염물로서의 황 산화물들과 질소 산화물들의 발생과 거동을 산성비의 생성과 광화학 스모그를 포함하여 설명한다.

 산성비와 광화학적 스모그의 발생을 포함하여 대기 오염원으로서의 황 산화물들, 일산화 탄 소 및 질소 산화물들의 발생원과 거동을 기술한다.

학습 목표

 지구의 물 순환을 기술한다.

 물의 염도가 무엇을 의미하는지 설명하고, 담수화 방법으로 역삼투법 공정을 기술한다.

 천연의 물에 존재하는 중요한 양이온, 음이온, 기체들을 열거하고, 용해된 산소와 수질 간의 관계를 기술한다.

 가정용으로 사용되는 물을 처리하는 주 단계들을 열거한다.

 프랙킹 과정을 기술하고, 환경에 영향을 주는 잠재적인 역효과를 설명한다.

 녹색화학의 주요 목적을 기술한다.

 반응들을 비교하고, 어떤 공정이 더 환경 친화적인지를 정한다.

학습 목표

18.1 지구의 대기

대기권은 온도 분포에 따라 네 영역으로 분류한다.

대류권 (troposphere) : 고도 10 km

인간활동의 기후 영역 성층권 (stratosphere)

: 고도 10km~50km 중간권 (mesophere) 열권 (thermosphere)

각 대기권의 경계 면에서의 대기의 혼합은 느리다.

대기의 조성

무거운 원자, 분자는 대류권(대기 질량의 75%)에, 가벼운 것은 대기권의 꼭대기에 존재한다.

N₂와 O₂가 대기의 99%를 차지하고, 비활성 기체(18족) 와 CO₂가 나머지의 대부분을 차지한다.

대기의 조성

(ppm = mole fraction x 10⁶) 두 가지 주성분인 N₂와 O₂의 화학적 성질

N₂ 분자가 반응성이 없는 것은 주로 결합이 매우 강하기 (결합 에너지 941 kJ/mol) 때문이다. O₂의 결합 에너지는 단지 495 kJ/mol인데, 따라서 O₂는 N₂보다 훨씬 더 반응성이 크다.

대기권에서 일어나는 광화학 반응

태양은 광범위한 파장에 걸쳐 복사 에너지를 방출한다.

전자기 복사선은 광자의 흐름으로 볼 수 있다

대기권에서 일어나는 광화학 반응

광해리(photodissociation) :

약 120 km 위의 상층부에서 일어나는 가장 중요한 과정은 산소 분자의 광해리

최소 에너지는 O₂의 결합 에너지[또는 해리 에너지 [dissociation energy, 495 kJ/mol]

에 의해 결정

광이온화(photoionization) :

흡수된 에너지로 인해 분자로부터 전자가 방출될 때 일어난다.

결과로 분자는 양전하를 띤 이온이 된다.

상층부 대기의 오존

상층부 대기의 오존 변화 형태에서 최대 오존 농도가 고도 약 25 km에서 나타남. 이렇게 상대적으로 높은 오존 농도의 띠를“오존층”또는“오존 방패”라고 함.

18.2 인간의 활동과 지구의 대기

자연적 활동이나 인공적 사건이 지구의 대기권에 영향

1991년 6월 필리핀의 Pinatubo 화산의 분출 -약 10km³의 물질 분출

-2년간 태양광 10% 감소 -지표면의 온도 0.5C 감소

:성층권에 도달한 입자는 3년간 체류 -성층권의 온도 상승과 오존 농도 증가

2010년 아이슬랜드 Eyjafjallajökull 화산 폭발 -북반구 지역의 대기에 영향

오존층과 오존층의 감소

오존홀(ozone hall) 성층권에서 오존이 없어지고 있으며, 남극 상공의 성층권에서 소멸 심각

1995년 노벨 화학상: 오존 감시 연구

- F. Sherwood Rowland, Marino Molina, Paul Crutzen:c 1970년 Paul Crutzen :

자연에서 생성된 산화질소가 촉매작용으로 오존층 파괴

1974년 F. Sherwood Rowland, Marino Molina :

클로로플루오로탄소 CFC(chlorofluorocarbon)가 오존층 파괴

오존층과 오존층의 감소

CFC의 광이온화 :

CIO 의 광해리 :

Cl 원자가 촉매로 작용하여 O₃이 분해해서 O₂로 되는 반응.

양쪽을 소거하면,

황 화합물과 산성비

대기에 존재하는 SO₂와 이로부터 생성되는 황산은 산성비(acid rain)라고 부르는 현상 을 초래한다.

 오염되지 않은 빗물은 대략 5.6 정도의 pH → CO₂는 물과 반응하여 탄산(H₂CO₃)

 산성비는 일반적으로 대략 pH 4 부근의 값.

산은 금속이나 탄산염과 반응하므로 산성비는 금속이나 석조 건축물을 부식.

산화 질소와 광화학 스모그

광학 스모그(photochemical smog):

자동차 내연기관: 주생성물 NO

허용치: 4g/mile → 0.07g/mile(2009년)

K

스모그 형성: NO

의 광해리와 오존 생성

304kJ/mol 393nm파장

온실 기체: 수증기, 이산화 탄소, 기후

온실 기체: 수증기, 이산화 탄소, 기후

대기에서 CO₂의 농도 증가가 지구 기후를 교란하고 있으며 평균 지구 기온이 0.3°C~0.6°C로 지난 세기 동안 상승한 것도 이런 증가가 주된 이유이다.

과학자는 흔히 이런 효과를 지칭하기 위해 지구 온난화(global warming) 보다는 기후 변화 (climate change)라는 용어를 사용하는데, 지구의 온도가 상승함에 따라 어떤 지역은 시원 해지고, 다른 지역은 더워지는 방법으로

바람이나 대양의 해류에 영향을 미치기 때문이다.

18.3 지구의 물

 물은 지구 표면의 72%.

 우리 신체는 질량으로 약 65%가 물.

 수소 결합으로 인해 물은 예외적으로 녹는점, 끓는점이 높고 열용량이 크다

 높은 극성 때문에 다양한 이온 화합물과 극성 공유 결합 화합물을 특별히 잘 녹인다.

소금물: 지구의 대양

세계 대양은 거대해서 부피는 1.35 ×109 km³ 이고, 지구 상의 물의 97.2%를 포함.

 대양에 의한 CO₂의 흡수는 지구 기후에 큰 영향을 미친다.

바닷물의 염도(salinity)는 1 kg의 바닷물에 존재하는 건조 소금의 질량.

담수와 지하수

담수(freshwater) :

용해된 염과 고체의 농도가 낮은(500 ppm 미만) 천연수를 가리킬 때 사용하는 용어. 가장 귀중한 천연 자원 중 한 가지.

인구가 증가하고, 배출되는 환경 오염 물질이 늘어날수록 점점 더 많은 비용과 자원 이 담수 공급을 보장하기 위해서 사용되어야 한다.

세계의 담수 중 약 20%는 지하에 지하수(groundwater)의 형태로 존재한

다. 지하수는 지하수를 품고 있는 다공성의 암석층인 대수층(aquifer)에 존

재한다.

18.4 인간 활동과 수질

물에 용해된 O₂의 양은 수질을 판단하는 중요한 지표이다.

호기성 박테리아는 용존 산소를 이용하여 유기 물질을 산화함으로써 필요한 에너지를 얻는다.

박테리아가 산화할 수 있는 유기 물질을 생분해성(biodegradable)이라고 한다.

식물 영양분, 특히 질소와 인은 수중 식물의 과도한 성장 을 촉진함으로써 수질 오염을 일으킨다.

과도한 식물 성장으로 인해 나타나는 가장 눈에 띄는 결 과는 부유 녹조류와 탁한 물이다.

하지만 보다 중요한 것은 식물이 과도하게 성장함에 따라 죽거나 부패한 식물이 빠르게 늘어나는 부영양화

(eutrophication)현상이다.

물의 정화 : 담수화

담수화(desalination) :

바닷물이나 반염수에서 염분을 제거하여 사용할 수 있는 물로 바꾸는 것.

바닷물은 역삼투법(reverse osmosis)을 통해서도 담수화가 가능하다.

삼투는 반투막을 통해 용매 분자가 이동하는 것이 며, 용질 분자가 통과하는 것은 아니다.

물의 정화 : 도시 수돗물의 처리

도시 수돗물 처리는 대강 거르기, 침전, 모래 거름, 공기 통과, 살균의 다섯 단계.

최종 단계는 물을 화학 약품으로 처리하여 박테리아를 확실히 제 거하는 것이다. 오존이 보다 효과적이지만, 염소가 더 저렴하다.

염소의 살균 작용은 아마도 염소 자체 때문이 아니고, 염소와 물 이 반응해서 생성되는 하이포염소산 때문에 일어나는 것으로 사 료된다.

18.5 녹색화학

초임계 용매

초임계 액체를 사용하는 것은 전통적으로 사용되는 용매를 대치할 수 있는 한 방법이다. 초임계 유체는 기체와 액체 두 상태의 성질을 갖는 특이한 물질 상태에 있다.

예를 들어 최근에 개발된 한 가지 산업 공정에서는 폴리테트라플루오로에틸렌

(polytetrafluoroethylene, [CF₂CF₂]n, 테플론Ⓡ) 의 생산 과정에서 클로로플루오로탄소 용매를 액체 또는 초임계 CO₂로 대치하였다.

또 다른 예로, 파라-자일렌(para-xylene)은 산화되어 테레프탈산(terephthalic acid)을 생성하는데, 이것은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET) 플라스틱과 폴리에스터 섬유를 만드는 데 사용한다.

환경 친화적인 시약과 공정

출발 물질의 구성 원자의 많은 부분이 생성물에 들어가게 되는 것을 의미하는

“원자 경제(atom economy)

끝