공기(空氣), 성분, 입자, 질소, 산소, 아르곤, 이산화탄소, 건조공기, 공기는 대기라는 기체의 아랫부분

자연 과학 Natural Science/화학 Chemistry

공기(空氣), 성분, 입자, 질소, 산소, 아르곤, 이산화탄소, 건조공기, 공기는 대기라는 기체의 아랫부분

Jobs9 2024. 8. 29. 10:55

공기, 空氣

지구를 둘러싼 기체를 말한다. 해수면의 건조한 공기는 대략 78%의 질소, 21%의 산소, 0.93%의 아르곤, 그리고 이산화탄소 등으로 이루어져 있다. 하지만 수증기는 기체에 포함되지 않는다.

고대 그리스나 중세 유럽의 4대원소에서 공기는 네 개의 원소 중 하나 였다. 근대적인 원소의 개념이 정립된 이후도 공기는 일정 기간 원소 중 하나로 여겨졌다. 공기와는 성질이 다른 다양한 기체가 발견되었지만, 그것들은 공기의 화합물이나 혼합물이라고 생각되었다. 18세기에 와서 앙투안 라부아지에는 공기가 산소와 질소의 혼합물인 것을 알아냈고, 그 후에 공기를 원소로 생각하는 사람들이 없어지게 되었다.

산업용으로 압축 공기는 다양한 곳에서 사용된다. 압축 공기를 동력으로 사용하는 기계를 공압 기계라고 하지만, 압축기를 이용하거나 사용자가 수동으로 이용하는 등 몇 가지 방식이 있다. 또한 순수한 공기의 이용은 봄베 등으로 충전한 압축 공기, 저온에서 액화시킨 액체 공기도 제조된다. 상압에서 약 -190 ℃에서 액화, 액체 산소의 영향에서 액체 공기는 옅은 푸른빛을 띠고 있다. 가스 실린더에 충전하는 공기는 일반적으로 수증기나 미립자 성분을 제거한 건조한 공기이다. 스쿠버 다이빙에 사용되는 탱크에 압축 공기가 충전되어 있으며, 50m 정도까지 잠수하는 경우 질소 멀미를 방지하기 위해 질소 성분을 헬륨으로 바꾼 공기를 이용한다. 또한 질소, 산소, 이산화탄소 외에도, 크립톤, 제논, 네온 등의 대기 중에 포함된 성분은 공기를 이용하여 냉각, 압축, 화학 흡착, 막 분리 등의 방법으로 산업용 제조된다.

밀도(0℃ 1atm) 1.293 kg/m3
평균분자량 28.966 g/mol。
팽창율(100℃ 1atm) 0.003671 /K

성분

지구 대기의 성분으로 가장 변동이 심한 것은 수증기이고, 그것을 제외한 건조 공기의 성분은 장소, 계절, 시각으로는 거의 변화하지 않는다. 다만, (*)를 붙인 성분은 생물, 산업 활동, 광화학에 의한 합성, 분해에 의해 다소 변동된다.

표1: 건조공기의 주요성분

성분/화학식/체적비/%/중량비/%

질소	N2	78.084	75.51
산소	O2	20.946	23.01
아르곤	Ar	0.934	1.286
이산화탄소	CO2	0.036	0.040*

표2: 공기의 미량 성분

성분/화학식/체적비/ppm

네온	Ne	18.18
헬륨	He	5.24
메탄	CH4	1.60*
크립톤	Kr	1.14
수소	H2	0.50
일산화이질소	N2O	0.3*
일산화탄소	CO	0.1*
제논	Xe	0.087
오존	O3	0.03*
이산화질소	NO2	0.02*
암모니아	NH3	0.01*
이산화 유황	SO2	0.0019999999

공기 기체 성분

What is the Composition of the Air?

생물에게 꼭 필요한 공기

우리 인간을 포함한 동물, 그리고 식물이 살아가는 데 있어 반드시 필요한 것은 공기입니다. 눈에 보이지는 않지만, 생명이 존재하는 곳이라면 언제든지 주변에 함께하는 것이 바로 공기입니다. 공기는 지구를 둘러싼 대기의 아랫부분을 이루고 있는, 색이 없으며 투명한 기체입니다. 지구의 탄생과 더불어 이 세상에 함께하게 된 공기는 생명체의 생존에 필수적인 소중한 존재입니다.

공기가 필요한 이유

공기가 필요한 이유 첫 번째, 공기는 생물이 살아가는 데 필요한 산소를 공급해 주는 역할을 합니다. 인간을 포함한 생물들은 산소를 들이마시며 숨을 쉬는데, 산소가 없어 숨을 쉬지 못한다면 생물은 살지 못할 것입니다. 두 번째, 공기는 지구 바깥에서 지구를 향해 날아오는 운석의 충돌을 막아 주는 보호막 역할을 합니다. 대부분의 운석이 지구로 떨어지는 동안 공기와의 마찰로 인해 불에 타서 없어지며, 이로 인해 지구의 생물들이 안전하게 살아갈 수 있습니다. 세 번째, 공기는 지구의 온도를 일정하게 유지시켜 주는 역할을 합니다. 공기는 온실 효과를 통해 지표에서 바깥으로 빠져나가는 열을 막아 지표를 따뜻하게 유지시켜 줍니다. 또한 공기는 생물의 몸에 해로운 자외선을 차단해 주는 역할을 합니다. 이처럼 공기는 생물이 안전하게 살아가기 위해서 반드시 필요합니다.

지표면 위에 공기가 몰려 있는 이유는?

공기의 구성 성분을 알기 위해서 우리가 먼저 알아야 할 것은 바로 ‘대기’라는 개념입니다. 대기는 지구 표면을 둘러싸고 있는 기체이며 우리가 생활 속에서 흔히 말하는 공기는 바로 이 대기라는 기체의 아랫부분입니다. 대기의 층을 우리는 ‘대기권’이라고 부릅니다. 이러한 대기는 지표면 위에서 약 1,000km 정도의 높이까지 분포합니다. 우리 지구는 중력의 영향을 받기 때문에 지표와 가까운 대기는 대부분 지표 근처에 몰려 있게 되며 대기가 지표에서 멀어질수록 중력이 감소해 대기의 밀도가 급격하게 줄어들게 됩니다. 실제로 지구상에 있는 전체 대기의 99% 정도가 지표면 위의 32km 정도의 높이까지 모여 있습니다.

공기의 구성 성분

앞에서 이야기 한 것처럼 공기가 생명체에게 있어 가장 중요한 이유는 공기 안에 들어 있는 산소가 생명을 위해 반드시 필요한 물질이기 때문입니다. 그렇다면 과연 산소 이외의 공기는 어떠한 기체들로 이루어져 있는지 함께 알아봅시다.

공기의 구성 성분

공기의 대부분을 차지하는 것은 ‘질소’라는 기체입니다. 공기 중에 약 78.08%가 질소로 이루어져 있습니다. 지구상의 공기를 10개의 병 안에 담는다고 가정했을 때, 질소는 약 8개 정도의 병을 차지한다고 보면 됩니다. 질소 다음으로 많은 부분을 차지하는 것이 바로 우리가 잘 알고 있는 기체인 ‘산소’입니다. 생명 유지에 있어서 반드시 필요한 산소는 지구상의 총 공기를 10개의 유리병 안에 넣는다고 가정했을 때, 2개의 병 안에 가득 담기게 됩니다. 이처럼 공기의 대부분을 차지하는 것은 바로 ‘질소’와 ‘산소’입니다. 또 적은 양이기는 하지만, 아르곤, 이산화탄소, 네온, 헬륨, 메탄, 크립톤, 수소 등의 기체가 공기에 포함되어 있습니다.

질소와 산소

질소는 모든 생명체에 존재하며, 생물을 구성하는 단백질의 성분 중 하나입니다. 물에 녹지 않고, 색과 맛이 없는 물질이며, 상온에서 아주 안정적인 물질입니다. 질소는 사람 체중의 약 3%를 차지하고 있으며, 식물을 건조시켰을 때, 식물 무게의 약 4% 정도를 차지합니다.

질소는 생활 속에서 질소 화합물의 형태로 이용되기도 하는데, 농사를 짓는 데 중요한 영양분을 제공하는 비료가 바로 이 질소 화합물로 이루어져 있으며, 폭약이나 화약의 중요한 성분이 되기도 합니다. 또한 질소는 액체 형태로도 이용되는데, 식품을 빠르게 냉동시키고, 혈액이나 정자와 난자를 냉동으로 보존하는 데 사용됩니다. 또한 과자나 식품 봉지 안을 질소로 채워 내용물이 손상되는 것을 막고, 쉽게 변질되지 않도록 보호해 주는 역할을 하기도 합니다.

질소를 이용하는 사례

비료
식품 포장
냉각제

산소는 생명의 유지에 가장 중요한 물질로, 색과 맛, 냄새가 없는 물질이며, 물에 약간 녹는 성질이 있습니다. 산소는 생명을 유지하는 데 꼭 필요하기 때문에 생활 속에서 주로 의료용 생명 유지 장치 등으로 사용됩니다. 또한 물속에서 호흡을 유지시키기 위해 산소통에 담겨 이용하는 등 일상생활에서 다양하게 이용됩니다. 또한 산소는 연료와 불의 연소를 도와주는 물질이기 때문에 불을 이용하는 산업에서 다양하게 이용되고 있습니다.

산소를 이용하는 사례

용접하기 위한 산소
의료용 산소
물속에서 호흡하기 위한 산소
우주 공간에서 호흡하기 위한 산소
불 속에서 호흡하기 위한 산소
용접하기 위한 산소
의료용 산소

이산화 탄소

질소나 산소에 비해 공기 중에서 차지하는 양은 적지만 매우 중요한 기체가 있습니다. 바로 이산화탄소입니다. 이산화탄소는 공기 중 0.03%정도이지만, 지구의 식물이 광합성을 하는 데 꼭 필요한 기체입니다. 지구 위의 유일한 생산자인 식물은 이산화 탄소와 물, 햇빛을 이용하여 영양소를 만들어 냅니다. 이렇게 식물이 생산한 영양소를 소비자인 동물이 먹게 되고, 연쇄적인 먹이그물을 통해 지구 위의 모든 생물이 생명을 유지할 수 있게 됩니다. 이 밖에도 이산화탄소는 탄산음료나 액체 소화제로 이용되기도 합니다. 또한 고체 이산화탄소인 드라이아이스나 불을 끄는 소화기 등 우리 생활에 다양하게 이용되고 있습니다.

이산화 탄소를 이용하는 사례