공기 중에 가장 많은 원소 - 산소와 질소

 

 

 

1. 유익한 산소 (O, Oxygen)와 유해한 오존

산소는 무색무미무취의 투명한 기체입니다. 활성이 커서 거의 모든 원소와 결합하여 산화물을 만듭니다. 공기의 약 21%는 산소로, 많은 생물들이 공기 중의 산소 또는 물에 녹은 산소를 체내에 흡수하며 생명활동을 유지합니다. 그중 일부가 반응성이 높고 불안정한 활성 산소로 변하여 노화와 유전자 손상, 염증 등의 원인으로 작용하기도 하지만, 우리 몸속에는 활성 산소에 대한 방어 기전 또한 존재합니다. 산소는 지구상에서 가장 풍부한 원소이며 바다에서는 물의 형태로, 암석에서는 이산화규소 등의 화합물 형태로 존재합니다. 산소라는 이름은 1779년 프랑스 화학자 라부아지에 (Antoine Laurent Lavoisier, 1743 ~ 1794)가 'oxygene'이라고 이름 붙인 것이 시초로, 직역하면 '산을 만드는 것'이라는 뜻입니다. 라부아지에는 황, 인, 탄소를 태워 물에 녹이면 산이 만들어진다는 사실을 확인하고, 산에는 반드시 산소가 포함되어 있다고 생각했습니다. 이후 염화 수소 등 산소가 없는 산이 있고, '산의근원'은 수소라는 사실이 밝혀졌지만, 여전히 산소라는 명칭을 그대로 사용하고 있습니다. 액체 산소는 옅은 푸른색을 띠며, '상자성'이라는 성질이 있어 강한 자석에 붙습니다. 액체 산소에는 주의해야 할 위험한 성질이 있는데, 탄소 가루같은 가연성 물질과 함께 놓고 불을 붙이면 폭발적으로 연소한다는 것입니다. 밀폐 용기 안에서 가연성 물질과 함께 불을 붙이면 대폭발을 일으키는데, 연구실에서 이로 인한 폭발 사고가 종종 일어나기도 합니다. 성층권(고도 10~50km)에는 산소 동소체인 오존(O3)이 최대 0.0001% 정도 함유된 오존층이 형성되어 있습니다. 오존층은 오존 밀도가 상대적으로 높을 뿐 양이 그리 많은 것은 아닙니다. 오존층의 존재량을 1기압으로 환산하면 겨우 0.3~0.4cm의 두께밖에 되지 않습니다. 이렇게 얇은 오촌층이 생물에 유해한 자외선을 흡수하는 역할을 합니다. 해양 중의 광합성 식물들이 생산한 산소가 대기 중으로 퍼지고 상공으로 더 높이 올라가 태양의 유해한 자외선을 흡수하는 오존층을 형성합니다. 이 오존층 덕분에 지상에서 생물들이 살아갈 수 있는 환경이 조성되었습니다. 한편, 복사기를 오래 사용하거나 전기용접을 하면 일시적으로 방전이 일어나면서 공기 중의 산소 분자가 오존 분자로 바뀌면서 독특한 냄새가 나는데 이것을 오존취라고 합니다. 오존은 산화력이 강하여 인체에 유해합니다. 

 

 

2. 공기의 8할을 차지하는 질소 (N, Nitrogen)

질소는 무색/무미/무취의 투명한 기체로 지구상 대기의 약 78%를 차지하고 있는 원소입니다. 끊는점이 약 -196°C로 낮기 때문에 액체질소를 냉각제로 사용하기도 합니다. 질소는 상온에서는 비활성기체이지만 고온의 조건 등에서는 산소와 다양한 산화물을 만듭니다. 질소 산화물을 통틀어 NOx(낙스)라고 지칭하는데, NOx는 산성비의 원이이 되기도 합니다. 자동차 엔진 내부 온도가 높아지면 일산화질소 NO가 발생합니다. 일산화질소는 물에 잘 녹지 않는 무색의 기체이지만 공기 중에서 빠르게 산화되어 이산화질소가 생성됩니다. 이산화질소는 물에 잘 녹는 적갈색의 기체로 특유의 냄새가 있고 인체에 매우 유해합니다. 일산화 질소는 자동차 엔진 내부 등 공기가 고온이 될 때 발생합니다. 그 밖에 질소를 함유한 화합물로는 암모니아, 질산, 아미노산 등이 있습니다. 암모니아는 무색으로 자극적인 냄새가 있고 공기보다 가벼우며 물에 매우 잘 용해되는 기체입니다. 수용액(암모니아수)은 약알칼리성입니다. 암모니아로부터 질산, 비료, 염료 등 다양한 질소 화합물들이 제조됩니다. 질산은 강한 산성이면서 동시에 산화력이 있어 구리, 수은, 은 등을 용해합니다. 체내의 혈액 및 근육 성분인 단백질과 체내 화학 변화를 촉진시키는 효소는 질소 원자를 포함한 아미노산으로 이루어져 있습니다. 이처럼 질소는 생물의 필수 원소 가운데 하나입니다. 공기 중에는 질소가 약 78% 함유되어 있지만 대부분의 생물들은 공기 중의 질소 분자를 이용할 수 없습니다. 대기 중의 분자상 질소를 고정하고 이를 질소원으로 하여 동화하는 현상을 질소 고정이라고 하는데, 질소 고정을 할 수 있는 생물은 원핵생물의 일부에 국한되어 있습니다. 콩과 식물의 뿌리에 공생하며 뿌리혹(근류)을 형성하는 '뿌리혹박테리아'나 단독으로 광합성을 하면서 질소고정이 가능한 광합성 생물인 '광합성 세균'과 '시아노박테리아'가 그것입니다. 질소고정이 가능한 이들 생물을 질소고정효소(nitrogenase)라는 효소를 가지고 있습니다. 질소고정효소의 활성 중심을 구성하는 금속으로는 크게 몰리브데넘, 바나듐, 철의 세 가지 형태가 있습니다. 질소고정이 가능한 생물은 질소고정효소에 의해 질소 분자로부터 암모니아를 합성합니다.