산소(酸素 Oxygen, O)의 성질과 이용

• 원자번호：8
• 족：16족(2주기)
• 원자량：15.9994
• 각 전자궤도의 전자 수：2, 6
• 밀도：기체(1.429 g/L), 액체(1.141 g·cm-3)
• mp：-218.4℃ / bp：-183℃

산소의 성질

호흡할 때 드려 마시는 공기의 5분의 1(20.8%)은 산소이다. 산소는 우주에 수소와 헬륨 다음으로 많이 존재하며, 지구상에서는 지각 구성 물질로서 가장 많은 49.2%를 차지한다. 산소는 공기 중에서는 기체로, 물에서는 물 분자의 일부로, 땅의 암석과 토양에서는 온갖 산소화합물 상태로 존재한다.

산소는 모든 생명체의 몸을 구성하는 탄수화물, 지방, 단백질 등을 구성하는 필수 물질이다. 나무나 석유가 불타는 것은 산소와 맹렬하게 결합하는 작용이며, 이러한 산소의 산화작용으로 난방과 산업에 필요한 에너지의 대부분을 얻고 있다.

공기를 이루고 있는 산소 분자의 대부분은 두 원자로 구성된 O2이다. 무색무취한 산소는 지상의 생명체들이 대량 소모하고, 석탄이나 나무가 탈 때도 소비되지만, 식물은 광합성 작용으로 산소를 끊임없이 재공급한다. 즉, 식물 잎의 엽록소는 대기 중의 이산화탄소와 물을 이용하여 탄수화물을 생산하는 동시에 부산물로 산소를 만들어 대기 중으로 방출하기 때문에, 공기 중의 산소 양은 일정하게 유지되고 있다. 이를 ‘산소의 순환’이라 한다.

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

산소를 처음 발견한 과학자는 영국의 화학자 프리스틀리(Joseph Priestly 1733-1804)이다. 그는 산소를 발견한 실험 뒤에 “산화수은(HgO)을 가열했을 때 발생하는 가스를 촛불에 보내면 불꽃이 훨씬 밝아진다. 이 가스가 산소이다.”라고 했다.

생명체는 거의 모두 산소에 의존하여 생존한다. 체내에서 일어나는 많은 생리적 과정에는 산소가 꼭 필요하다. 인체 내에서 소요되는 산소는 적혈구 속의 ‘헤모글로빈’이라는 단백질이 운반해준다. 헤모글로빈은 아미노산이 574개나 결합된 거대한 분자이다. 혈액의 붉은색은 산소와 결합한 헤모글로빈의 색이며, 산소를 방출하고 나면 검푸른 색으로 변한다.

산소 원자 3개로 구성된 오존의 성질

산소는 때로 3개의 원자가 결합하여 분자를 이루기도 한다. O3으로 표시되는 오존은 약간 푸른빛을 띠며, 나쁜 냄새가 조금 난다. 오존은 일반 산소 속에서 전기방전을 일으키면 잘 생겨난다. 그러므로 고압 전류로 움직이는 지하철이나 기차의 전동 모터라든가, 번개가 칠 때 오존이 발생한다.

오존은 화학작용이 강하여 고무라든가 섬유를 부식시키며, 공기 중에 포함된 양이 많으면 폐의 세포에 해를 끼친다. 그러므로 도시에서는 대기 중의 오존 농도를 측정하여 위험을 경고하고 있다. 예를 들어 일정한 곳의 오존 농도가 1시간 동안에 100만분의 120 이상이라면 ‘대기 오염 장소’로 지적된다.

인간이 사는 높이에서는 오존 농도가 높으면 나쁘지만, 대기의 상층에서는 오존이 없으면 오히려 큰 위험을 초래한다. 왜냐 하면 상층의 오존은 태양으로부터 오는 강력한 자외선을 흡수하여 약화시키기 때문이다. 강한 자외선은 지상 생물들의 새포조직을 파괴시킨다. 그래서 세균 살균에 오존을 이용하기도 한다.

원자산소(O)는 오존이 분해될 때 생겨난다. 최근 과학자들은 초고압 조건에서 ‘O4’, ‘O8’도 생겨나는 것을 알고 있다. 이런 산소는 산화작용이 더욱 강하기 때문에 연료를 더 효과적으로 연소시킬 필요가 있는 로켓 등에서 이용할 수 있을 것이다.

산소는 거의 모든 원소와 화합할 수 있으므로, 산소화합물의 종류는 헤아릴 수 없이 많다. 지구에서 가장 흔한 물질은 이산화탄소, 이산화질소, 이산화규소, 산화칼슘, 산화알루미늄, 산화마그네슘 등과 같은 산소화합물이다. 산화철(적철광)은 철 성분을 대량 함유한 철광석이다.

산소는 수소와 결합하여 지상에 가장 풍부하게 존재하는 물(H2O)을 만들고 있다. 물은 액체이지만 얼음보다 밀도가 크기 때문에 얼음이 물위에 뜨도록 한다. 만일 물의 이러한 물리적 성질이 아니었다면, 겨울이 오면 호수의 물은 밑바닥까지 얼어 수중생물이 살 수 없게 되었을 것이다.

anode : 양극 / cathode : 음극

산소의 이용

과산화수소(H2O2)는 물과 성분이 같지만 성질이 크게 다르며, 살균제나 탈색제로 이용된다. 순수한 산소는 여러 산업에서 이용되는데, 특히 응급실 환자의 호흡 보조, 금속을 아세틸렌으로 용접할 때(산소를 대량 공급하여 고온이 되도록 함), 로켓 연료 등으로 이용한다.

공업용으로 사용하는 산소는 공기를 액화시켰다가, 먼저 끓어 나오는 것을 분리하는 방법으로 생산한다. 산소는 -193℃에서 액체 상태가 되고, -219℃가 되면 고체로 된다. 고체 산소를 만들자면 96GPa(기가파스칼)의 압력이 필요하다. (1기압은 1013.25hPa, 1GPa = 10억Pa = 약 1,000기압)

액체 상태의 산소는 고압탱크에 담아 보존한다. 실험실에서는 염소산칼륨(KClO3)이나 염소산나트륨(NaClO3)을 가열하여 산소를 만든다. 비행기에는 승객에게 산소가 급히 필요한 때를 대비하여 염소산나트륨과 철을 혼합한 작은 용기를 담은 산소마스크를 준비해두고 있다. 마스크를 착용하면 두 물질이 반응하여 산소를 일정 시간 발생시킨다.

병원에서 응급환자나 미숙아들의 호흡에 이용하는 산소는 순수 산소가 아니고 30~50%의 산소가 포함된 것이다. 고농도의 산소를 장시간 호흡한다면 폐와 중추신경계에 지장이 생길 수 있기 때문이다.

산소에는 여러 종류의 동위원소가 있다. 일반 표준 산소인 O-16(99.762%) 외에 O-17, O-18(0.2%), O-15 등 14가지 동위원소가 알려져 있다. 표준 산소보다 중성자를 2개 더 가진 방사성 동위원소인 O-18은 반감기가 몇 십초 정도로 짧다. 과학자들은 이 방사성 산소를 추적하여 광합성이 진행되는 과정을 연구할 수 있었다.

주기율표에서 16족 산소 바로 아래에 있는 황(S)은 성질이 산소를 닮았다. 수천 미터 깊은 세계의 해저 곳곳에는 마치 온천처럼 뜨거운 물과 황화수소(H2S) 가스가 분출하는 구멍(열수공 熱水孔)이 도처에 있다. 햇빛도 산소도 없는 이런 곳에 사는 미생물은 열수공에서 나오는 황을 산소처럼 이용하여 생존에 필요한 에너지를 얻는다.