공기(Air)는 지구를 둘러싼 대기 하층을 구성하는 무색 투명한 기체로 지구의 역사와 더불어 생성되었다. 지구상 생명체에 꼭 필요한 역할을 한다.
개요
공기(空氣)는 지구를 둘러싼 기체를 말한다. 성분은 약 78%가 질소(N₂), 약 21%가 산소(O₂), 0.93%가 아르곤(Ar), 0.04%가 이산화 탄소(CO₂), 나머지는 미량의 네온·헬륨·크립톤·제논·오존 등으로 이루어져 있다. 1960~70년대에는 교과서에도 공기 중의 이산화탄소 농도가 0.03%(300 ppm) 정도로 나와있었는데 2013년에 처음으로 0.04%(400 ppm)을 넘어섰다. 비중은 1.2 kg/m³ (1.2 g/L) 정도이다.
공기에 포함된 산소는 폭발성과 산화력이 강한 기체로 에너지 획득에 있어서 굉장히 효율적이지만 맹독성을 띠고 있다. 이 때문에 고대 생명체는 산소를 활용하지 못하다가 미토콘드리아라는 것이 생기면서 공기라는 기체속에 포함되어 현재의 농도에 맞춰짐으로써 비로소 산소를 활용할 수 있게 되었다.
역사
고대 그리스나 중세 유럽의 4대 원소에서 공기는 네 개의 원소 중 하나였다. 근대적인 원소의 개념이 정립된 이후도 공기는 일정 기간 원소 중의 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.
이용
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 액화 시킨 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.
화학 데이터
속성
| 밀도(0℃ 1atm)
|
1.293 kg/m³
|
| 평균분자량
|
28.966 g/mol。
|
| 팽창율(100℃ 1atm)
|
0.003671 /K
|
t[℃]에 있어서의 공기의 밀도ρ[kg/m³]는 대기압을 P[atm]로 하면
으로 나타낼 수 있다.
성분
건조대기 조성을 나타내는 파이 그래프, 아래의 원은 잔존 기체의 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.
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*
|
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
|
공기전지
공기전지는 전지 내에서 반대 방향의 기전력이 일어나는 것을 방지하기 위하여 복극제(復極劑)로 공기를 사용한 전지이다. 대표적인 것은 알루미늄 공기전지로, 값이 싸고 기전력도 일정한 장점이 있다. 이를 지속적으로 사용하려면 물과 알루미늄을 보충해주면서 수산화알루미늄을 제거해주어야 한다. 다공질(多孔質)의 탄소를 양극(陽極)으로 하며, 이 속에 녹아 있는 산소가 일부 분해해서 유리(遊離) 산소로서 작용하기 때문에 복극작용이 일어난다. C│NH₄Cl 또는 NaOH│Zn의 구조를 가진다. 알루미늄 공기전지 외에도 아연공기전지, 리튬 공기전지가 있다. 특히 리튬공기전지는 리튬과 산소의 화학반응을 이용해 에너지 효율을 높인 배터리이다. 충전과 방전 과정에서 산화물의 결합, 분해로 에너지를 생성하는 신기술이다. 스마트폰이나 전기차에 탑재되는 리튬이온 배터리보다 성능이 좋아 '차세대 꿈의 배터리'라고도 불린다.
참고자료
- 〈공기〉, 《위키백과》
- 〈공기〉, 《나무위키》
같이 보기
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