공기의 성분

대기를 구성하고 있는 공기는 수증기를 제외한 건조 공기의 구성 비율은 지구상 모든 곳에서 거의 일정하다. 건조 공기의 성분비는 질소 N₂가 78.03%, 산소 O₂가 20.99%, 아르곤 Ar은 0.93%, 이산화탄소 CO₂는 0.03%이며 기타 0.02%가 존재한다. 공기는 끓는점 차이를 이용한 분별 증류로 분리한다. (분별증류 Link)

[그림 1. 공기의 분별증류]

먼저 공기를 여과지를 통해 먼지를 제거한다. 그 후 냉각장치를 통해서 녹는점 0℃의 물과 승화점 -78.5℃의 이산화탄소를 제거한다. 그 후, 공기를 압축한 후에 급격하게 팽창시키면 기체는 온도가 낮아지면서 액화된다. 그 후 분별증류관으로 옮긴 후, 끓는점이 낮은 것부터 끓어서 위로 올라가게 된다. 질소 N₂는 -195.79℃(77.36K), 아르곤 Ar은 -185.37℃ (87.80K), 산소 O₂는 -182.95℃ (90.20K), 크립톤 Kr은 -153.22℃ (119.93K), 크세논(제논) Xe은 -108.12℃ (165.03K) 이다.

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산소

산소의 비율 측정 방법

1. 인을 이용한 방법

[그림 2. 인을 이용한 산소 비율 측정 방법]

유리종을 거꾸로 하여, 그 속에서 인(P)을 연소시켜 줄어든 공기의 양이 산소량이다.

1) 유리종을 물이 담긴 수조에 넣고 수면의 높이(V₁)를 표시한다.
2) 물 표면에 붉은인을 띄우는 방법 또는, 연소장치를 뒤집힌 유리종안에 넣은 후, 불을 붙인다.
3) 불이 꺼지면 물을 더 부어 유리종내부와 바깥의 수면의 높이를 맞추고, 상승한 수면의 높이(V₂)를 표시한다.
두 수면에 높이차에 해당하는 부피가 바로 산소의 양이다.



2. 구리를 이용한 방법

[그림 3. 구리를 이용한 산소 비율 측정 방법]

1) 주사기 A에 건조공기를 넣고 부피를 측정한 다음, 공기를 뺀 주사기 B를 위 그림처럼 구리선이 담긴 유리관으로 연결한다.
2) 유리관을 가열하면서 A에서 B로, B에서 A로 몇 차례 공기를 순환시킨다.
3) 남은 기체를 처음 온도로 식혀 줄어든 부피를 측정한다.
줄어든 부피가 바로 산소의 양이다.

이때 구리와 산소가 반응을 하게 되는데, 반응식은 다음과 같다.

2Cu(s) + O₂(g) → 2CuO(s)

산소의 제법
H₂O₂(과산화수소)나 KClO₃(염소산칼륨)을 MnO₂(이산화망간)으로 분해하여 얻는다. 이 때 MnO₂는 촉매로 반응에 참가하지 않는다.

2H₂O₂ 2H₂O + O₂↑
2KClO₃  KCl + O₂↑

산소는 물에 잘 녹지 않으므로 수상치환으로 포집한다.

[그림 4. 물에 녹지 않는 기체는 수상치환으로 포집한다.]

산소는 물질을 산화를 시킬 수 있으며, 연소반응에 참여하고, 금속들을 부식시키는 성질을 가지고 있으며, 동식물이 호흡할 때 필요한 기체이다.


산소는 C₂H₂(아세틸렌)과 섞어서 불을 붙이면 온도가 매우 높아 용접에 이용하며, 잠수부의 산소통에 쓰인다.

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질소

질소분자는 질소원자끼리 삼중결합으로 결합되어 매우 안정하다. 하지만 자동차 엔진과 같이 고온, 고압에서는 산소와 반응을 해서 일산화질소(NO)를 만든다.

 N₂(g) + O₂(g) → 2NO(g)

일산화 질소는 반응성이 커서, 산소와 반응해 이산화질소(NO₂)를 생성한다.

2NO(g) + O₂(g) → 2NO₂(g)

이산화질소(NO₂)는 물과 만나 질산을 형성하고 산성비를 내리는 주범이 된다.

3NO₂(g) + H₂O(l) → 2HNO₃(aq) + NO(g)

또, 질소산화물(NO_x)은 광화학 스모그를 일으킨다.

질소는 안정하여 전구, 과자, 분유통의 충전제로 이용되며, 액체 질소는 온도가 매우 낮아(-195.79℃) 냉각제로 쓰이며, 공업적으로는 암모니아, 잘산, 질소 비료등의 원료로 쓰인다.

암모니아를 만드는 방법은 독일의 화학자인 Fritz Haber가 고안한 하버법이라는 방법을 통해 합성한다. 촉매와 200기압, 400~500℃의 조건에서 수소와 질소를 반응시키면 암모니아가 생성된다.

N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g)

 

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이산화탄소

이산화탄소는 식물의 광합성에 이용되는 기체이며, 호기때 배출되는 기체이다.

이산화탄소의 제법은 다음과 같다.

CaCO₃(s) + 2HCl(aq) → CaCl₂(aq) + H₂O(l) + CO₂(g)

CaCO₃(s) CaO(s) +  CO₂(g)

 
위의 반응식에서 삼각형(Δ)은 열을 가한다는 뜻이다.

이산화탄소를 석회수에 통과시키면 뿌옇게되는데, 다음의 반응이 일어나기 때문이다.

Ca(OH)₂(aq) + CO₂(g) → CaCO₃(s) + H₂O(l)

하지만, 이산화탄소를 계속 불어넣어 pH가 높아지면 탄산칼슘이 녹아 뿌옇게 되었던 것이 사라지게 된다.

이산화탄소는 공기보다 무거우며, 무색 무취의 기체이다. 드라이아이스는 이산화탄소의 고체상태이며, 소화기 베이킹파우더, 탄산음료에 쓰인다.