2014 1급 정교사 자격연수 (6)

2014.07.28 ~ 07.29.

환경화학에서의 물리화학 첫 번째 (충북대학교 화학교육과 배균택 교수님)

환경화학과 오존층

1. 환경화학

    - 환경이란, 인간이 생활을 영위하는 공간을 포함한 자연상태의 모든 계를 말하며, 대기, 수계, 토양으로 분류할 수 있다.

    - 환경오염이란, 이러한 자연계가 스스로 오염물질을 정화할 수 있는 능력인 자정능력을 벗어난 오염물질의 유입을 말하며, 자정능력은 크게 생물학적, 물리적, 화학적 자정작용으로 분류 가능하다.

    - 환경화학이란, 환경 중에서 일어나는 화학적 현상을 연구하는 학문분야로, 환경 중에서 일어나는 자연적인 화학적 현상을 다루기보다는 환경오염물질의 화학적 현상을 중점적으로 연구한다. 

    - 환경오염의 주요 원인은, 산업 발달과 산업혁명 이후 공업의 급격한 발달, 대규모 집적화된 농축산업, 에너지 소비의 증가로 생각해볼 수 있으며, 예를 들면, 화석연료 사용의 증가 등이 그 이유가 될 수 있겠다.

2. 성층권의 화학 : 오존층

    오존층이란, 지구의 자연적인 차광막으로 불리는 대기권의 한 영역으로, 고도에 따라 분포가 다르기 때문에 지상으로부터 대기 상단까지 오존전량(total overhead amount)으로 정량화되며, 돕슨(Dobson Units, DU) 단위로 표시한다. 지구 전체의 평균 오존량은 300DU (약 3mm)이지만, 지리적 계절적 요인에 의해 ±50% 정도까지 변화한다.          

cf) DU는  0℃, 1기압 상태에서 1㎠상에 존재하는 오존의 두께를 10^-3㎝의 단위로 표현한 것이다.

  1) 오존의 생성

    성층권의 경우 공기의 농도가 적으며, 산소기체의 경우 대부분 분자가 아닌 원자화된 상태로 존재한다. 또한 대부분의 UV-C(200~280nm)는 대기 중 산소와 오존 분자 등의 가스 성분에 의해 거의 완벽하게 흡수되어 지표면에 도달하지 못한다.

[출처 : http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ozone_altitude_UV_graph.svg#mediaviewer/File:Ozone_altitude_UV_graph.svg]

    cf) 지표면에 거의 도달하지 못하는 UV-C와 달리, 비교적 중파장 영역(290~320nm)의 자외선인 UV-B의 경우 오존 분자에 의해 단지 부분적으로 흡수되고, 위도에 따라 다르지만 10~30% 정도는 지표면에 도달한다. 또한 장파장 영역(320~400nm)의 UV-A는 대기 중 가스성분에 의해 거의 흡수되지 않으며, 지표면에 대부분 도달하지만 생물학적인 측면에서 여타 자외선에 비해 비교적 유해하지 않다. UV-A는 오히려 UV-B의 유해작용으로부터 피부세포를 보호하는 멜라닌 색소를 생성하는 역할을 하는 것으로 알려져 있다.

[출처 : http://www.healthycanadians.gc.ca/health-sante/environment-environnement/sun-soleil/radiation-rayonnement-eng.php]

    오존의 생성 과정은 아래의 반응식과 같이 나타낼 수 있으며, 산소분자의 농도, UV-C가 깊은 관련이 있음을 확인할 수 있다.

    이러한 생성과정을 바탕으로 생성된 오존은 성층권의 특정부분(층)에 얇은 막의 형태로 존재한다. 성층권 상부와 하부 모두 오존의 형성이 쉽지 않으며, 성층권에서도 일부분에서만 오존층이 형성될 수 있다. 이것은 오존의 형성에 산소 기체의 농도와 UV-C의 도달 정도 두 가지 모두 관여하기 때문이다.

a. 성층권 상부 (산소(O2) 기체의 농도 ↓ , UV-C의 도달 정도 ↑)

b. 성층권 하부 (산소(O2) 기체의 농도 ↑ , UV-C의 도달 정도 ↓)

    추가적으로 반응에 참여하지는 않지만 오존 생성 반응에 영향을 주는 요인(M)이 있으며, 이것을 포함하여 반응식을 표현하면, 최종적으로 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

  2) 오존의 파괴

    오존은 자연적인 조건에서도 320nm보다 짧은 파장의 UV-B에 의해 파괴되며, 이 반응을 통해 유해한 자외선 UV-B가 지표면에 도달하지 못하게, 필터해주는 역할을 하는 것을 알 수 있다. 따라서 자연적인 조건에서 오존이 파괴되는 것은 문제가 되지 않는다.

   또한 이러한 자연적인 조건에서 오존이 파괴되기 위해서는 약 18kJ에 해당하는 활성화 에너지 장벽을 극복해야하기 때문에, 비교적 느린 반응에 속한다. 이러한 느린 반응의 속도를 조절해주는 것이 자연상에 존재하는 자유라디칼 형태의 촉매 X이며, 이 촉매 X에 의해 촉매반응싸이클(catalytic reaction cycle)이 진행될 수 있다. 따라서 오존의 파괴에 영향을 주는 요인은 오존의 농도와 라디칼(촉매)의 농도 또는 태양광(UV-B)의 광도로 생각할 수 있다.

   cf) 자유라디칼은 짝짓지 않은 홀전자를 가지고 있으며, 반대 스핀을 갖는 전자와 공유하려는 추진력이 존재하기 때문에 매우 반응성이 크다.

[ 출처 : 유투브 Ozzy Ozone http://youtu.be/WKrPd-8CJBM ]

  3) 오존의 파괴물질 (CFCs, Chlorofluorocarbons 와 Halon gas)

   오존층 파괴물질은 주로 냉매, 발포제, 반도체나 정밀기계부품의 세정제, 드라이크리닝 용제, 스프레이 제품 분사제 등에 대양하게 사용되며, 비활성으로 열과 화학약품에 안정하고, 무독성의 물질로 인체에 안전하다. 대부분 대기중에서는 거의 분해되지 않고, 전지구상에 골고루 축적되어 있다가 성층권으로 서서히 이동한다.