공기는 화합물이 아니라 혼합물이에요
혼합물은 두 가지 이상의 물질이 섞여 있지만 화학 반응으로 결합하지는 않은 것이에요. 공기는 혼합물이에요. 어떻게 알 수 있을까요?
- 각 기체의 양이 바뀔 수 있어요. 사람이 많은 방의 공기에는 이산화 탄소가 더 많고, 바다 위 공기에는 수증기가 더 많아요. 화합물은 성분 비율이 항상 일정해요.
- 각 기체가 자기 성질을 그대로 가져요. 공기 속 산소는 여전히 물질이 타는 것을 도와요. 공기 속 질소는 여전히 돕지 않아요.
- 물리적인 방법으로 기체를 분리할 수 있어요. 공기를 약 −200 °C까지 식히면 액체가 돼요. 이것을 천천히 데우면 기체마다 자기 끓는점에서 차례로 끓어 나와요(분별 증류). 질소는 −196 °C, 아르곤은 −186 °C, 산소는 −183 °C에서 끓어요.
- 기체를 섞어 공기를 만들 때는 열이나 빛이 나오지 않아요. 화합물을 만들 때와는 달라요.
공기 속에는 어떤 기체가 있을까요?
깨끗하고 건조한 공기의 성분(부피 기준)이에요.
| 기체 | 비율 | 주요 역할 |
|---|---|---|
| 질소, N₂ | 약 78% | 산소를 묽게 해 줘요. 식물은 토양 속 세균을 통해 질소를 얻어요. 비료를 만드는 데 써요 |
| 산소, O₂ | 약 21% | 숨쉬기(호흡)와 물질이 타는 것(연소) |
| 아르곤, Ar | 약 0.93% | 반응하지 않는 비활성 기체 |
| 이산화 탄소, CO₂ | 약 0.04% | 식물이 광합성에 쓰고, 열을 붙잡아 둬요 |
| 네온, 헬륨, 크립톤, 제논 | 아주 적은 양 | 비활성 기체 |
수증기는 양이 계속 바뀌기 때문에 표에 넣지 않았어요. 사막에서는 거의 0%이고, 습한 열대 우림에서는 약 4%까지 올라가요. 공기에는 먼지, 꽃가루, 미생물도 들어 있어요.
비활성 기체: 성질과 쓰임
헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논이 비활성 기체(18족)예요. 이 원자들은 바깥 전자껍질이 가득 차 있어서 거의 반응하지 않아요. 색도 냄새도 없어요.
- 아르곤: 필라멘트 전구를 채우고, 용접할 때 뜨거운 금속이 타지 않게 감싸 줘요.
- 헬륨: 아주 가볍고 타지 않아서 기상 관측 풍선과 파티 풍선에 써요.
- 네온: 전기가 지나가면 붉은 주황색으로 빛나서 광고 간판에 써요.
- 크립톤과 제논: 자동차 전조등이나 등대 불빛 같은 밝은 램프에 써요.
공기 속 산소의 양 재기
생각은 간단해요. 부피를 아는 공기를 가둬요. 산소만 없애요. 부피가 얼마나 줄어드는지 봐요.
방법 1: 철이 녹슬게 하기
젖은 철 솜을 눈금이 있는 관의 위쪽에 밀어 넣어요. 관을 거꾸로 해서 물속에 세워요. 며칠이 지나면 철이 녹슬어요. 녹이 슬 때 산소가 쓰이기 때문에 그 자리를 채우려고 관 속으로 물이 올라와요. 물은 공기 부피의 약 1/5(21%)에서 멈춰요.
방법 2: 인 태우기(종 모양 유리 그릇)
물 위에 세운 종 모양 유리 그릇 안에서 붉은 인을 태워요. 인은 산소와 반응해서 흰색 고체 산화물이 되고, 이것은 물에 녹아요. 그릇이 식으면 물이 약 1/5까지 올라와요.
방법 3: 뜨거운 구리와 주사기 두 개
공기 100 cm³를 뜨거운 구리 위로 두 개의 기체 주사기 사이에서 앞뒤로 밀어 보내요. 구리가 산소를 가져가면서 검게 변해요(산화 구리). 식힌 뒤에는 약 79 cm³가 남아요. 그러니까 약 21 cm³가 산소였던 거예요.
산소의 비율(%) = (쓰인 부피 ÷ 처음 부피) × 100. 남은 기체에서는 물질이 타지 않아요. 불붙은 나무 막대를 넣으면 꺼져요. 남은 기체가 대부분 질소라는 뜻이에요.
대기오염: 원인, 영향, 보호 방법
오염 물질은 공기에 더해져서 생물이나 건물에 해를 주는 물질이에요.
| 오염 물질 | 주요 발생원 | 영향 |
|---|---|---|
| 입자 물질(PM2.5, PM10, 그을음) | 경유 엔진, 농작물 쓰레기 태우기, 먼지 | 폐 깊숙이 들어가요. 천식, 심장병, 스모그 |
| 일산화 탄소(CO) | 공기가 부족한 상태에서 연료가 탈 때, 자동차 배기가스 | 독성이 있어요. 피가 산소를 나르지 못하게 해요 |
| 이산화 황(SO₂) | 황이 들어 있는 석탄과 석유 태우기 | 산성비, 호흡 문제, 대리석 손상 |
| 질소 산화물(NO, NO₂) | 뜨거운 자동차 엔진, 발전소 | 산성비, 스모그 |
| 늘어난 CO₂, 메테인 | 화석 연료 태우기, 농장 | 열을 붙잡아요: 지구 온난화 |
공기 지키기
- 대중교통을 타거나 자전거를 타고 걸어요. 전기차와 천연가스 차로 바꿔요.
- 자동차의 촉매 변환 장치는 CO와 NO를 CO₂와 N₂로 바꿔 줘요.
- 세정 장치는 발전소 연기에서 SO₂를 없애요. 황이 적은 연료를 써요.
- 쓰레기나 농작물 줄기를 태우지 않아요. 나무를 심어요. 대기질 지수(AQI)를 확인하고 공기가 나쁜 날에는 마스크를 써요.
집에서 해 봐요
젖은 수세미용 철 솜을 작게 뭉쳐서 키 큰 유리컵 바닥에 밀어 넣어요. 컵을 거꾸로 해서 물이 담긴 접시에 세워요. 물의 높이를 테이프로 표시해요. 3일 뒤에 확인해 봐요. 물이 공기가 있던 공간의 약 5분의 1까지 올라와 있을 거예요. 방금 공기 속 산소를 잰 거예요! (어른과 함께 하세요. 불은 필요 없어요.)
핵심 공식과 정의
- 부피로 본 공기: N₂ ≈ 78%, O₂ ≈ 21%, Ar ≈ 0.93%, CO₂ ≈ 0.04%
- 산소의 비율(%) = (쓰인 산소의 부피 ÷ 처음 공기의 부피) × 100
- 공기 속 기체의 부피 = 전체 부피 × (비율 ÷ 100)
- 혼합물: 성분이 화학적으로 결합하지 않음, 비율이 바뀔 수 있음, 물리적 방법으로 분리함
- 비활성 기체(18족): He, Ne, Ar, Kr, Xe – 바깥 전자껍질이 가득 차 있어 거의 반응하지 않음
풀이 예제
1. 교실에 공기가 200 m³ 들어 있어요. 이 중 산소는 대략 얼마일까요?
산소 ≈ 200 m³의 21% = 0.21 × 200 = 42 m³.
2. 구리 실험에서 공기 100 cm³가 79 cm³로 줄었어요. 산소의 비율(%)을 구하세요.
쓰인 산소 = 100 − 79 = 21 cm³. 비율 = 21 ÷ 100 × 100 = 21%.
3. 관에 공기가 50 cm³ 들어 있어요. 철 솜이 녹슨 뒤 기체가 40 cm³ 남았어요. 공기 중 산소는 몇 %였을까요? 실제 값과 가까울까요?
쓰인 양 = 50 − 40 = 10 cm³. 비율 = 10 ÷ 50 × 100 = 20%. 네, 21%와 가까워요(눈금을 읽는 오차나 철이 산소를 다 쓰지 못해서 작은 오차가 생겨요).
4. 전구에 산소가 아니라 아르곤을 넣는 이유는 무엇일까요?
산소를 넣으면 뜨거운 필라멘트가 타서 끊어져요. 아르곤은 비활성 기체라서 반응하지 않으니 필라멘트가 더 오래가요.
자주 하는 실수
- 공기가 대부분 산소라고 말하는 것. 공기는 대부분 질소(78%)이고, 산소는 약 21%뿐이에요.
- 공기를 화합물이라고 부르는 것. 공기는 혼합물이에요. 성분 비율이 바뀔 수 있고 기체를 물리적으로 분리할 수 있어요.
- 이산화 탄소가 공기의 큰 부분이라고 생각하는 것. 기후에는 아주 중요하지만 공기의 약 0.04%뿐이에요.
- 쓰인 부피 대신 마지막 부피를 쓰는 것: 산소 % = (처음 − 나중) ÷ 처음 × 100.