산소
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액체 산소. 파란색을 띤다.
1. 개요
칼코겐 원소의 일종.
산소는 원소[1] O와 상온에서 가장 안정한 동소체인 이원자 분자 O2를 모두 뜻한다. 그래서 혼동을 피하기 위해 산소 원소와 산소 분자(기체 산소)로 구분하여 사용하기도 한다. 이산소라는 말도 드물게 쓰이지만 뜻을 명확히 해준다. 이것은 O2 기체가 O 원소로 이루어져 있다는 것이 먼저, 그것이 O 원자 2개로 이루어진 분자로 이루어졌다는 것이 나중에 알려졌기 때문이다. 액체 산소는 연푸른 빛을 띠며 자석에 끌려오는 상자성을 띤다.[2]
2. 발견
영국인 조제프 프리스틀리(Joseph Priestley, 1733 ~ 1804, 1774년에 발견)[3]와 스웨덴인 칼 빌헬름 셸레(1773년에 발견) 두 사람이 발견했다. 셸레가 먼저 발견했지만, 프리스틀리가 셸레보다 먼저 산소에 대한 논문을 발표했기 때문에 산소의 발견자가 프리스틀리로 알려진 것이다. 프리스틀리는 플로지스톤설을 따랐기 때문에 자신이 발견한 새로운 공기를 플로지스톤이라고 생각했다. 프리스틀리는 자신이 발견한 새로운 공기를 앙투안 라부아지에에게 알렸고, 라부아지에의 계속된 실험을 통해 새로운 원소로 인정받아 1778년 '산소'라는 이름이 붙여졌다.
문제는 산(oxy)을 만든다(generate)고 해서 산소(oxy+gen)였는데, 일반적으로 산이라고 부르는 물질에 들어가 있는 것들은 '''수소'''이다. 즉 원래대로라면 수소와 산소를 반대로 부르는 것이 오히려 뜻에 맞다.[4] 정작 산소는 알칼리성을 띠는 수산화 이온('''O'''H-)에 있으며, 금속 산화물이 산성 용액과 반응할 때 산화 이온이 브뢴스테드-로우리 정의에 의한 '''염기'''로서 작용하기도 한다.[예시] 당시엔 분자식 같은 체계도 없었고 화학이 이제 막 정립됐을 시기라 몰랐지만. 그래도 명명당시의 라부아지에를 조금 변호해보자면, 원소를 산화시켜서 산소를 덕지덕지 붙인 것이 protonation 되면 산이 되기는 한다. 탄산, 질산, 인산, 황산, 염소산 등등의 구조를 생각해보자. 참고로 말하면 화학에서 '산화'라고 하는 것도 원래는 '산이 된다'는 뜻이었다. 물질이 산소와 결합하는 것을 산화된다고 하는 것이 바로 그런 이유에서다.[5] 그러나 이 역시 당대 화학 지식이 부족했던 탓으로 현재는 화학에서 '산화'와 '산이 된다'의 의미가 맞지 않게 되었는데, 루이스 산염기 정의를 쓰면 어떻게 끼워맞출 수 있기는 하다.
3. 특징
공기 중 78%가량 포함된 질소에 이어 2번째로 많은 21% 가량 포함되어 있다. 산소가 모자라거나 너무 많으면 치명적인 문제를 일으키므로 항상 '''적당한 양이 적절하게 분배된 상태'''여야 이로운 물질이다. 지구에서 5초간 산소가 사라진다면(영상)[6] 지구 지각에서는 46.4%로 가장 흔하며, 지구 전체에서는 30%로 철에 이어 2번째이다.
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화학적으로는 매우 흥미로운 성질을 가진다. O=O 결합 에너지는 494 kJ/mol로 작은 편이 아니지만, 결합 에너지에 비해 미칠 듯한 반응성의 원인은, 원자오비탈 선형조합(LCAO)에 따른 분자오비탈의 상관도표를 그리고 아래부터 전자를 채워보면 알 수 있다. 쌓음 원리, 파울리 배타 원리, 훈트 규칙에 의거해 전자를 채워넣다 보면, 2개의 π-반결합 오비탈에 홑전자 하나씩이 들어가 있는 상태가 바닥 상태가 된다. 즉 산소 분자는 '''바닥 상태가 다이라디칼[7]'''이기에 반응성이 높은 편이다. 그리고 당연하게도, 산소 분자가 높은 반응성을 보여주는 만큼, 대부분의 산화물(oxide)에서 산소를 제거하여 환원시키는 것은 극히 어렵다.
높은 반응성으로 인해 자연상에 존재하는 거의 모든 물질이 산화물 형태로 존재하게 만들었다. 산업에 가장 많이 쓰이는 철 부터 시작해서 반도체의 주 재료인 실리콘에 이르기까지 자연상에서는 산화물로 존재하기 때문에 인류 산업의 역사는 이놈을 어떻게 환원시켜서 순수한 재료를 뽑아내나의 싸움과 다를 바가 없었다. 실제로 인류가 주로 사용한 재료를 보면 환원하기 쉬운 순서이기도 하고.[8] 그 좋은 알루미늄을 비교적 최근까지 널리 사용하지 못한 이유도 그놈의 산소가 알루미늄을 너무 좋아해서 무슨 방법을 사용해도 환원시키기 힘들었다가, 전기제련법이 발견되고 나서야 사용되었다. 이처럼 산소는 한번 반응하면 더럽게 떼어내기가 힘들다.
지구의 모든 생물체의 생명의 근원이자 독이 바로 산소다. 몇몇 산소를 필요로 하지 않는 박테리아가 있기는 하지만... 물론 O2가 필요 없다는 거지 O가 없다는 건 아니다. 특히 활성 산소는 강력한 환원제로 작용하여 생체 내의 온갖 분자들, 특히 DNA를 환원시켜 만신창이로 만들기 때문에 생명체에게 매우 유독하다. 오존, 염소 살균법 등은 모두 이 활성 산소를 이용한 것이며 O2 또한 과거 지구를 지배했던 혐기성 세균들을 대부분 멸종시킨 장본인이다. 체내에 있는 백혈구 역시 세균을 죽일 때 산소를 넣어 죽인다. 그리고 정확한 산소는 산소원자가 아니라 분자인 O2이다. 그래서 생명의 기체라고도 불리기도 한다. 또한 상처에 과산화수소를 바르는 이유도 산소의 강력한 항균작용을 이용하기 때문이다
산소는 보통 단백질의 주요 작용기인 설프히드릴기(-SH, thiol)를 산화시켜 불활성화시킨다. 자외선이나 가시선에 의해 들떠서 매우 강력한 산화력을 가지는 단일항산소를 생성하거나 방사선 등에 의해 활성산소가 되어버린다면 강한 반응성으로 인해 이곳저곳 산화시키게 되어 대부분의 단백질은 불활성화된다.
호기성 세균이나 진핵미생물들은 호흡을 해서 산소에 대한 저항력을 가지는 게 아니다. 호흡을 하더라도 지속적으로 활성산소의 최종단계인 히드록시라디칼(HO*)이 생성된다. 광합성 세균의 경우에는 엽록소와 카로틴 등의 보조색소가 상당수의 파장 선을 흡수하기 때문에 산소가 들뜨는 상황을 방지한다. 또한 혐기성 세균에는 없는 활성 산소를 없애는 페록시다아제, 카탈라아제, 글루타티온 등이 존재한다. 그렇기 때문이나 현재 이 글을 읽고 있는 당신이나 모든 호기성 세균이 산소가 존재해도 사멸되지 않는 것이다.
사실 생물의 발생 초창기에는 산소를 필요로 하지 않는, 오히려 산소가 독이 되는 혐기성 박테리아가 주류였다. 그러다가 엽록소가 나타나면서 산소를 대량으로 만들어내는 종자들이 나타났는데, 이들은 혐기성 세균을 '''산소라는 독가스'''로 공격하여 몰아내게 된다.
그리고 몇몇 박테리아가 산소에 대한 저항력과 산소를 에너지로 삼는 방법을 얻었는데, 이들은 산소를 활용하는 '호흡'을 할 수 있게 되면서 기존의 혐기성 발효작용과는 비교도 할 수 없는 막대한 에너지를 얻을 수 있었다[9]. 이 종류들이 다른 세포들과 공존하면서 미토콘드리아가 나타나게 된다. 물론 혐기성 생명체는 아직 곳곳에 존재한다.[10]
이 산소의 양이 지구상의 생물체의 크기를 결정하는 데에 상당히 크게 기여했다는 연구 결과가 나왔다. 실제로 우리가 생각하는 큰 생물[11] 이 살던 시대에는 공통점 하나가 있었는데 당시 산소의 양은 지금의 지구의 산소의 양보다 훨씬 많았다는 것[12]. 그 이유는 미생물들이 나무를 효율적으로 분해하는 방법이 없었다는 것이었다. 그 덕분에 공기 중에 이산화탄소가 많이 적었고 나무를 분해하는 효율적인 방법을 미생물이 사용하기 전까지는 생물이 매우 클 수 있는 큰 조건이 되었다. 당연히 환경도 많이 따라주었다.
박테리아가 좀 더 진화하여 염화나트륨 같은 것을 분해해서 염소를 자연적으로 만들 수 있게 되면 산소 생물들은 혐기성 생물들이 그랬던 것처럼 궤멸당한다. 그러나 산소보다 반응성에서 밀리고 결합 방식이 극히 단순한 염소로 물질 대사를 할 수 있는지는 불투명하다. 이게 가능하더라도 결국 대기에 풍부한 산소에 전자를 빼앗길 가능성이 높아질 테니 염소는 중간 대사 물질로 사용될 가능성이 높다. [13]
반응성이 높아 산화력이 강한, 특히 고농도의 산소는 막강한 무기이다. 태평양 전쟁 개전 초기 구 일본군이 잠수함을 이용한 야습으로 미군의 전함에 빈번히 막대한 피해를 줬던 무기도 산소어뢰였는데 산소의 강력한 반응력을 억제해 담아야 했으므로 당시 고도의 기술력을 요구했는데 일본군은 그것을 이루어냈고 고농도의 산소를 이용해 무기화하는데 성공했다. 다만 너무도 위험한 물질이라 사고가 잦았던 탓에 결국 폐기되었다고 한다 자세한 사항은 해당 문서 참고.
당연한 말이겠지만 조연성이 엄청나다. 애초에 연소가 산소 때문에 발생한다는 사실을 잊지말자. 무시할 수도 있겠지만 액체 산소는 엄청난 조연성 물질이다. 순수한 산소를 기화하며 내뿜기 때문에 액체산소에 담갔다 뺀 것에 불을 붙이면 뭐든지 불탄다. 심지어 금속도 불탄다. 다만 휘발유처럼 액체산소 자체에 불이 붙는 것은 아니고 기화하며 발생한 순수한 산소가 폭발적으로 반응하는 것.
3.1. 모자랄 경우
대부분의 지구상의 생명체는 산소를 유기물 분해에 사용해서 에너지를 만들기 때문에 부족하거나 없다면 죽게 된다. 게다가 생명을 유지할 수 있는 시간도 매우 짧다.[14] 인간의 경우도 식량 없이 2~3주, 물이 없어도 3일 가량은 적어도 생존은 가능하지만, 산소가 없으면 불과 몇 분 이내로 싸늘한 시체가 된다.[15]
일반인 기준으로 공기중 산소농도가 18% 미만이 되면 민감한 사람들은 두통이 시작되며, 15% 까지 떨어지면 현기증이 나고 시력이 저하되며, 몸은 부족한 산소를 보충하기 위해 호흡수가 급격하게 증가한다. 이보다 더 떨어지면 지능이 급격하게 떨어지고 운동능력이 급격하게 감소한다. 12% 미만이 되면 단시간만 노출되도 위험해지며 의식을 잃을 수 있고 7% 이하면 사망한다.
아예 산소가 없는 경우 대부분의 사람은 의식을 3분을 채 유지하지 못하며, 보통 2분 내로 호흡곤란으로 실신한다. 물론 실신하고 바로 죽는 건 아니고 5분 이상은 버틸 수 있다고는 하지만 운좋게 살아난다 해도 뇌에 5분 이상 산소가 공급되지 못하면 높은 확률로 뇌사나 식물인간 상태에 빠져 죽기만을 기다리게 되거나, 운이 좋다고 해도 뇌세포가 파괴되어 영구적인 후유증을 가지게 된다. 또한 사람이 폐활량을 아무리 키워도 3분을 못 가고 기절하는 건 같으며 실신한 뒤엔 10분을 넘기지는 못한다.
기본적으로 고도가 높아질수록 공기의 양은 적어지기에, 높은 곳에서는 평소와는 다른 호흡법으로 보다 많은 산소를 섭취하고 많은 물을 마셔야 하며, 너무 과도한 움직임은 사람을 산소부족에 빠트릴 수 있으므로 주의해야 한다. 고산 지대에 살고 있는 사람들은 이런 산소 부족 현상을 해결하기 위해 평지에 사는 사람들보다 산소를 더 많이 받아들일 수 있게 많은 적혈구를 가지거나[16] 혹은 더 많은 산소를 흡입할 수 있도록 횡경막 근육이 발달해 있는 등 최적화되었다.
낮은 산소농도는 연소에 악영향을 주어서 연료 불연소로 인해 연비가 줄어들기도 한다.[17]
호기성 생물에게는 좋지 않지만 반대로 산소가 없으면 산화반응이 없음으로 무생물인 물건들을 보존하기 좋아진다. 고문서나 산화가 좋은 영향을 주지 않는 정밀 부품 공정에서는 일부로 저산소 챔버를 사용하기도 한다.
3.2. 과다할 경우
약간 높은 산소 농도는 기분을 고조시키고 피로도는 감소하면서 운동능력과 지능까지 높여줄 수 있다. 특히 폐가 없이 대류현상으로 호흡하는 곤충류는 몸집도 커질 수 있다.
그러나 공기 중 산소의 압력과 농도가 너무 높아지면 생명이 위험할 정도로 문제가 발생한다. 고농도의 산소농도나 2.3기압 이상의 고압 산소에 노출되면 산소가 혈장에 직접 녹아들어가게 되고, 세포가 혈장에 녹은 산소를 쓰면 적혈구의 헤모글로빈은 계속 산소 포화상태를 유지하기 때문에 생명활동의 부산물인 이산화탄소를 달고 빠져나갈 수가 없어, 체내에 축적된 이산화탄소가 혈장에 녹아 탄산화하면서 혈액을 급격히 산성으로 만들며 각 장기에 악영향을 끼치는데, 이를 산소 중독이라한다.
그럼 약간 높은 산소 농도만 유지하면 되지 않는가라고 생각할 수도 있으나 이런 높은 산소농도에 장시간 노출되면 반대로 활성 산소로 인한 세포 손상으로 이어진다.
따라서 건강을 위해서는 산소 농도는 20~22% 사이를 유지하는것이 가장 좋다고 보고있다. 다만 몸에 이상이 있으면 치료를 위해서 고농도 산소에 잠깐 노출되는 고압고농도 산소 치료법을 사용하는 정도이다.
게다가 산소는 연소(燃燒)와 깊은 관계가 있다. 당장 연소란 것은 산소와 그 물질의 구성분자가 화학반응을 일으킨다는 것이다.[18]
따라서 공기 중 산소 비중이 높아질수록 무언가가 산화될 확률도 높아지게 된다. 단순한 말이지만 실로 무서운 의미를 담고 있는데, '''산소가 충분하면 산화할 수 있는 모든 물질이 폭발적인 연소가 가능하다는 이야기다'''. 한마디로 말해 산소가 과잉하면 여러분이 생각할 수 있는 모든 물건에 간단한 전기 스파크나 가열만 주어지더라도 불바다가 된다는 이야기. 심지어 철 같이 평소에는 산화하더라도 녹 스는 데서 그치는 물건도 불탄다. 당장 강철파이프 내부에 용접봉을 채워넣고 산소를 불어넣기 시작한 다음 불을 붙이면 횃불이 된다.[19] 꼭 순수한 산소뿐만 아니라 산소 원자가 덕지덕지 붙은 물질 치고 안전한 물질은 거의 없다. 질소까지 같이 붙어있으면 금상첨화. 산소가 생명을 유지하는 데 꼭 필요한 물질이라는 것은 1기압의 대기중에 0.2기압만큼 섞여 있는 그 산소가 그렇다는 것이지, '''순수한 산소는 독극물로 분류된다.'''[20]
아폴로 계획의 아폴로 1호에서 사상자가 발생한 이유도 바로 순산소[21] 때문에 전기가 통하는 전선 피복이 약간 벗겨진 사소한 문제가 바로 대화재로 연결되었기 때문이다. 다만 용광로 같은 극단적인 상황에서는 순산소 환경으로도 모자라 아예 액체 산소를 들이붓는다니...
하지만 모든 물질은 연소범위가 정해져있기 때문에 오히려 과잉산소공급이 소화효과가 될 수 있다. 대체적으로 5~80퍼 정도의 산소농도의 연소범위가 위험한 물질들(아세틸렌, 수소가스 등)로 분류하기에 산소농도 100퍼는 오히려 연소가 일어날 가능성이 없다.
플루오린과 만나면 산소가 오히려 '''산화'''된다. 해당 문서 참고.
4. 기타
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선철을 강철로 만드는 제강 공정에서 필수적이다.
산소원자가 3개 결합하면 O3가 되면서 오존이 된다.
물은 수소와 산소의 결합체이므로 식물의 광합성 과정을 통해 물에서 산소가 분해되기도 한다. 전기 분해도 그렇다.
미연시 갤러리의 어떤 사람의 황당한 실수로 산소드립이 탄생했고 이는 11년째 계속 사용되고 있다.
고압용기에 주입시 지정색상은 공업용은 녹색, 의료용은 백색이다.
대중매체 에서 물과 함께 파란색으로 묘사되는 경우가 있는데 물같은 경우엔 단순히 빛의 성질 때문이지만 산소는 '''실제로 90K 이하의 온도에서는 파란빛을 띤다!''' 물론 기체 상태에선 어림없다. 반면 위키백과나 맥머리 유기화학 기본서의 컬러로 된 분자 모형 그림에서는 산소 원자를 빨간색으로 그리고, 파란색은 질소가 가져가는 경우가 많다.
5. 각종 매체에서의 산소
- 샤이니의 타이틀곡 제목은 산소 같은 너 이다.
- 죠죠의 기묘한 모험 6부의 최종전에선 엠포리오가 웨더 리포트의 디스크로 산소 분압을 높여 푸치를 쓰러트린다.
[1] 홑원소물질이라는 잘못된 뜻 말고, element.[2] 별거 아닌 것 같은 발견이지만 분자오비탈 연구의 한 획을 그은 획기적인 발견이다. 물질이 상자성을 가지려면 쌍을 이루지 않은 홀전자가 있어야하는데, 고전적인 결합모델의 산소는 핵 사이의 이중결합 하나에 각각 비공유전자쌍을 여러개 가질 뿐, 홀전자가 있을 수 없기 때문이다. [3] 지우개를 발명한 그 사람 맞다.[4] 정확히는 양성자(수소 양이온). NaH와 같은 시약에 들어있는 hydride, 즉 수소 음이온은 양이온과는 반대로 굉장히 강력한 염기성 물질이다.[예시] Fe2'''O'''3 + 6HCl → 2FeCl3 + 3H2O[5] 그러나 이는 엄밀히 말하면 틀린 내용이다. 플루오린화산소가 여기에 대한 대표적인 반례로, 플루오린과 산소가 결합하면 '''산소가 산화된다.'''[6] 참고로 이 동영상에서 말하는 산소는 산소 기체가 아닌 '''산소 원자'''를 말한다. 다른 화합물에 결합된 산소 원자까지도 다 사라지는 설정. 즉 물, 이산화탄소, 오존 등 생명 유지에 필수적인 산소 화합물이 '''모두''' 사라진다는 것을 가정한다.[7] DiRadical[8] 구리의 경우 녹는점도 낮고 그냥 단순히 녹여내어 주석과 섞어 청동을 만들면 그럭저럭 사용하기 좋았기에 가장 일찍 사용했지만, 철의 경우는 1523도라는 그 당시에는 상상도 하기 힘든 화력으로 녹여내야 했던 데다가, 심지어 고온에서 산화력이 엄청나기 때문에 환원시킬 방법이 없었는데, 우연히 숯에서 발생한 탄소가 철을 환원시키며 탄소강을 만드는(물론 그 당시엔 정확한 과학 이론은 몰랐겠지만) 것을 발견하여 주로 사용하게 되었다. 알루미늄의 경우는 단 200년 전에도 답이 없었다.[9] 포도당대사를 기준으로 20배의 ATP를 얻을 수 있다.[10] 대표적으로 파상풍균, 보툴리누스 균이 있는데 파상풍 균의 경우 흙속 산소가 거의 없는 생태에서 포자 상태로 있고 보툴리누스의 경우 가공된 소시지나 밀봉이 불량하거나 오래된 통조림 등에 존재한다[11] 과거에 살았던 거대한 생물이라고 하면 흔히들 공룡을 떠올리기가 쉽지만 의외로 공룡은 산소의 양, 즉 산소 농도와 상관이 크게 있지는 않다. 산소의 양과 상관있는 동물종은 곤충을 비롯한 절지동물이며 산소의 양이 많았던 석탄기의 메가네우라, 풀모노스코르피우스, 아르트로플레우라를 비롯한 유명한 생물들이 그 증거.[12] 하지만 페름기 대멸종이 끝난 이후인 트라이아스기에는 현대보다도 더 적었다. 이때 폐의 구조 때문에 타 동물들보다 호흡이 유리했던 공룡이 우점종이 되었다는 설이 있다.[13] 대기 중에 산소가 없고 액체 물이 없으며 염소 이온이 풍부한 행성이라면 가능할지도 모른다[14] 혐기성 세균'''만''' 예외적으로 산소를 필요로 하지 않는다.[15] 333법칙을 생각하자.[16] 그래서 고산지대 사람들은 얼굴이 붉다.[17] 그럼에도 불구하고 비행기들이 가능한 고고도로 나는 이유는 공기저항이 줄어드는게 항속거리에 더 큰 영향을 주기 때문이다.[18] 예를 들어 메탄을 연소시킬 경우 CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O[19] 실제 가스 절단은 열로 철을 녹이는 게 아니고, 철을 가열한 후 고압 산소로 철의 산화열로 절단하는 것이다. 그리고 고압 산소로 산화된 철은 녹는점이 그냥 철보다 낮기 때문에 철이 연속적으로 산화되면서 계속 녹게 되는 것이다.[20] 너무 높은 농도와 압력의 산소는 유기물도 급격히 산화시킬 수있으며 이는 생체조직이라고 다를 바가 없기에 고압고농도 산소를 직접 흡입하면 말 그대로 '''폐가 타서 죽는다.''' 다만 예외적으로 일산화탄소 중독인 환자에게 고압산소치료법을 적용할시 의사의 처방하에 투여할 수는 있다[21] 우주선을 경량화하기 위해 우주선이 버텨야 하는 내부 기압을 0.3기압으로 줄이는 대신 우주인들의 호흡을 위해 순산소를 사용했다. 위험천만한 짓이었고 이 사고 이후로 폐기. 정확히는 0.3기압의 순산소는 산소의 밀도가 지상 대기와 비슷하여 상대적으로 덜 위험하나, 지상에서 우주공간에서 선체에 가해지는 압력을 시험해보기 위해 순산소로 1.3기압을 채워넣은 것이 문제가 되었다. 거기에다가 하필 테스트도중 장비에서 '''스파크가 튀어''' 그 많던 산소에 불이 붙었고, 불이 붙었다는 교신 이후 몇초 만에 캡슐이 폭발했다. 거기에 해치를 여는데만 90초가 걸리는 구조였다. 이후 우주선들은 지상에서는 대기와 같은 공기 조성을 유지하다 발사 이후 일정고도 이상이 되면 순산소로 대기조성을 바꾸는 방식을 사용하게 되었다. 이와 별개로 해치를 여는 데 걸리는 시간을 7초로 줄였다고한다. [22] 신봉선은 봉숭아학당에서 탄소 같은 여자라고 자칭했다.