위키원
오존
오존(ozone, 분자식: O₃)은 산소 원자 3개로 이루어져 있으며, 상온 대기압에서 푸른빛의 기체이다. 영하 112도 이하에서는 검푸른 액체이며, 영하 193도 이하로 내려가면 고체가 된다. 오존은 불안정하여 이원자의 산소로 분해되려는 경향이 있는데, 이러한 경향은 온도가 올라갈수록, 압력이 낮아질수록 강하다.
오존이 갖고 있는 강력한 산화력은 하수의 살균, 악취제거 등에 유용하게 이용되기도 하고, 지구 대기중에 오존층을 형성하여 보호막의 역할도 하는 등 좋은 역할을 하지만, 지표면에 생성되는 오존은 인간의 건강에 해로운 대기오염 물질이 된다.
목차
특성
산소 원자 3개로 이루어진 산소의 동소체로서 훨씬 덜 안정되어 있다.
상온에서는 약간 푸른색을 띠는 기체이나, 액체가 될 때는 흑청색, 고체가 될 때는 암자색을 띤다. 특이한 냄새가 나며, 공기 속에 0.0002부피%만 존재해도 냄새를 감지할 수 있다. 기체는 물에 잘 녹지 않으며, 0℃에서 1부피의 물에 0.494부피%밖에 녹지 않는다. 물에 녹은 오존은 서서히 분해한다. 액체질소·사염화탄소·클로로폼에 잘 녹으며, 테레빈유·계피유(桂皮油)에 흡수된다.
상온에서 자발적으로 분해되어 산소가 되고, 이산화망가니즈·백금 가루 등은 분해를 촉진시킨다. 강한 산화력을 가져, 은을 과산화은으로, 황화납을 황산납으로, 황을 산화황으로 산화한다. 건조한 산소 또는 공기 중에서 무선방전시킬 때 생기며, 붉은인이 공기 중에서 서서히 산화할 때나 과망가니즈산칼륨·다이크로뮴산칼륨 등 산소화합물을 진한 황산으로 분해시킬 때, 물을 플루오린으로 분해할 때, 물을 큰 전류밀도에서 분해할 때 산소와 함께 발생한다.
또 산소의 가열, 황산의 전기분해, 자외선이나 X선·음극선 등이 공기 속을 통과할 때에도 생기므로, 자외선이 풍부한 높은 산, 해안, 산림 등의 공기 중에도 존재하여 상쾌한 느낌을 주는 근원이 되고 있으나, 다량으로 존재할 때는 오히려 불쾌감을 느끼게 한다. 극장·학교·병원 등에서 산소에 분해되는 성질을 이용하여 공기의 정화(淨化)에 사용되며 살균작용에 의한 음료수 소독, 표백이나 유기화합물의 구조 결정 등에 사용된다.
인체에 독성이 있어 장시간 흡입하면 호흡기관을 해치므로 주의해야 한다. 지상에서 20~25km 고도에 20km 두께로 비교적 농도가 높은 오존이 분포하는데, 이것을 오존층이라고 한다. 이 오존층에서 태양의 자외선을 흡수하기 때문에 지구의 생물은 자외선에 의한 피해를 막을 수 있다. 그러나 환경오염으로 인해 오존층이 서서히 파괴되고 있어 그 대책이 시급하다.
역사
1785년, 네덜란드의 화학자 Martinus van Marum은 물 위에 전기 스파이크를 수반한 실험을 수행하던 도중 이상한 냄새를 맡았는데, 그는 이것을 전기 반응 때문인 것으로 보았고, 그가 오존을 만들어냈다는 것을 깨닫지는 못했다. 반 세기가 지나 크리스티안 쇤바인은 같은 신랄한 냄새를 맡았다. 1839년 그는 기체 물질을 분리해냈고 이를 "오존"(ozone)이라 명명했는데 이는 "냄새가 나는"을 뜻하는 그리스어 낱말 ozein (ὄζειν)에서 비롯된 것이다. 이러한 이유로 쇤바인이 일반적으로 오존을 발견한 것으로 인정된다. 오존의 공식 O3은 1865년 Jacques-Louis Soret가 처음 결정하였고 1867년 쇤바인이 확증하였다.
설명
오존은 일반 산소보다 산화력이 훨씬 강해 살균, 악취 제거에 이용된다. 흔하지는 않지만 부산이나 대구 상수도의 소독에도 쓰인다. 0.1% 이상의 고농도 오존은 매우 위험한데, 오존발생기를 통과하여 일부가 오존으로 변한 산소 플로우에 라텍스나 네오프렌으로 된 실험용 장갑을 갖다 대면 몇 초만에 삭아 걸레짝이 될 정도로 높다.참고 영상 위와 같은 사례는 국내에서도 순간포착 세상에 이런 일이에 등장한 적이 있다.
한편, 자체의 냄새가 매우 강해 Ozone이란 이름이 그리스어로 '냄새'라는 뜻일 정도인데, 복사기를 돌렸을 때 진하게 느껴지는 냄새가 복사기를 돌릴 때의 전자기파에 의해 극미량 발생하는 오존의 냄새라고 한다. 참고로 무슨 냄새냐면 한여름 밖에서 뛰어놀다 온 사람의 옷냄새나 식당에 흔히 있는 자외선 살균기를 열어도 맡을 수 있는 금속성의 비릿한 냄새가 바로 오존의 냄새다. 더 정확히는 범퍼카를 타는 곳에서 맡게 되는 금속 냄새가 오존 냄새다. 또는 브라운관 TV를 오래 켜두면 발생하기도 한다. 전자 신공인 경우 코로나 방전이 일어날때 맡을수 있을것이다. 번개가 아주 가까이 떨어지면 주변에 오존 냄새가 자욱해진다. 정전기가 잘 일어나는 곰인형을 문대서 타닥타닥 정전기가 튈 때 냄새를 맡아봐도 오존 냄새가 난다.
지구의 대기 상층부에 있는 오존층은 태양으로부터 들어오는 자외선을 흡수한다. 자외선은 높은 에너지를 가져 생물에 해로운데, 오존층이 이러한 자외선을 막아줌으로써 생태계에 도움을 주는 것이다. 대기 상층부의 오존은 자외선 때문에 생성되거나 소멸되거나 한다. UV-B 자외선을 맞은 오존 분자가 단원자 산소(O)와 산소 분자(O₂)를 형성하면서 소멸되거나, UV-C 자외선을 맞은 산소 분자가 단원자 산소(광고에 흔히 나오는 발생기산소)(O)로 변하고 이것이 산소 분자(O₂)와 결합해서 오존(O₃)이 되는 것이다. 물론 이때의 단원자 산소가 산소 분자 대신 오존과 결합하기도 하며, 그 경우 일반 산소로 변하면서 오존이 소멸된다.
이와 같은 이유로 기상학자들은 오존을 측정하는데 관심이 많다. 지상에서 관측할 수도, 라디오존데를 이용해 상공에서 측정할 수도 있으며, 요즘은 인공위성 촬영을 통해 오존의 농도를 측정한다.
대기 상층부에 있는 오존층은 생태계에 도움을 주는 반면 오존이라는 물질 자체는 독성이다. 오존은 그 강력한 산화력으로 폐포의 세포들을 죽이기 때문에 폐에 해로우며, 후두, 기관지 등 호흡기 전반의 건강에 악영향을 미친다. 비록 미량이라도 오랜 시간 흡입하면 이들로 인한 사망률이 높아진다. 뉴스에 가끔 나오는 오존주의보가 이런 이유 때문에 발령되는 것이다. 지표면의 오존은 자동차 배기 가스 등의 오염물질이 자외선과 반응하여 생성된다. 시골보다 도시에서 자외선이 침투하기 어려운 이유가 바로 오존 때문이다. 호흡기에 악영향을 미치기 때문에 레이저 프린터나 복사기를 이용한 후에는 가급적 환기를 시키도록 하자.
오존은 호흡기 뿐 아니라 뇌혈관 질환과도 관련이 있다. 2016년 한양대병원 연구팀이 과거 10년 동안 발생한 뇌졸중 환자 천 4백여 명을 분석한 결과, 오존농도가 10ppb(=0.01ppm≒0.021μg/m³) 증가할 때 뇌동맥류 파열 위험은 32% 증가했고, 오존농도가 올라가는 오후 1시에서 5시 사이에 뇌경색 발생률도 함께 올라가는 것으로 확인되었다고 한다. 기사
이공계의 경우 고농도 오존을 다룬다면 작게는 건강, 크게는 생명을 위해 적절한 안전장비와 환기대책을 반드시 강구해야만 한다.
오존의 생성
오존 생성에 관여하는 물질들의 발생원
- 오존은 특정 직접 공기로 배출되는 것이 아니라 공기중의 질소산화물(NOx)과 휘발성유기화합물(VOCs)이 태양광선을 받아 화학반응을 일으킨 결과로써 생성된다.
- 자동차 배기가스, 산업장 배출물질, 가솔린 증기, 화학용제가 질소산화물과 휘발성 유기화합물의 주요 원인이 되고, 오존의 전구물질로 알려져 있다.
- 오존 생성에 중요한 역할을 하는 대기오염물질중 질소산화물, 탄화수소, 일산화탄소, 메탄 등은 주로 자동차 배기가스로부터 배출되고, 오존 형성에 촉매 역할을 하는 휘발성 유기물 은 석유화학 정재공장, 석유저장고, 주유소 등으로부터 주로 배출된다.
광화학 반응에 의한 오존의 생성과정
- 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC), 메탄, 일산화탄소 등과 같은 대기오염물질들이 태양빛에 의해 광화학 반응을 일으켜 오존이 생성된다.
- 대기오염물질중 질소산화물은 오존 생성의 전구 물질이며, 주로 자동차 배기가스에서 많 이 배출된다.
- 대기중으로 배출된 자동차 배기가스는 연소되어 대부분 일산화질소로 전환되고, 이 일산화질소는 공기중의 산소와 결합하여 이산화질소로 된다.
- 이산화질소는 태양광선(특히 자외선)에 의해 광분해되어 산소원자와 일산화질소로 분리(해리)시킨다.
- 만들어진 산소원자는 대기중에 자연상태로 존재하는 산소분자와 결합하여 오존을 생성시킨다.
- 대기중에 존재하는 반응성 탄화수소, 휘발성 유기물, 메탄, 일산화탄소 그리고 자유기들이 오존 형성에 중요한 매개 역할을 한다.
- 이러한 광분해가 일어나는 데는 태양광선의 세기가 중요한 인자로 작용하기 때문에 하루 중 태양광선의 세기나 계절에 따른 차이가 오존의 생성에 중요한 인자로 작용한다.
- 햇빛과 더운 날씨는 지상 오존농도가 건강에 해로울 수준까지 높이는 원인이 된다. 많은 도시지역이 높은 오존농도를 나타내는 경향이 있으나 질소산화물이
바람에 의해 원래 배출된 곳으로부터 수 백마일 이동되어 도시 외의 지역에서도 높은 오존 농도가 나타날 수 있다.
- 오존이 발생하기 쉬운 기상조건
- 풍 속 : 지상의 평균풍속이 3.0 m/sec 미만으로 바람이 약할 때
- 기 온 : 기온이 평년보다 높은 경우, 최고기온이 25 ℃ 이상으로 기온이 높을 때
- 일사량 : 일출 후 정오까지의 총 일사량이 6.4 Mj/m2 이상으로 많은 경우
- 날 씨 : 쾌청한 날씨가 계속될 경우
생명을 지켜주는 오존
지구에 존재하는 전체 오존의 90 %는 지상 약 10∼50 km사이에 있는 성층권내의 오존층에 밀집되어 존재하고 있다.
이 오존층은 태양광선중 생물체에 해로운 자외선을 95∼99 %정도 흡수하여 지구상의 인간과 동식물의 생명을 보호하는 경이로운 보호막 역할을 하고 있어, 이러한 현상은 자연의 오묘한 신비중 하나라고 하겠다. 만약, 이 오존층이 없다면 태양으로부터 강력한 자외선이 직접 지표에 도달하여 우리 피부에 닿음으로써 피부암을 일으키고, 자연생태계에 중대한 영향을 미칠 것이다.
그러나 문제는 1970년 이후부터 오존층의 오존함량이 계속 감소하고 있는데, 그 원인은 냉장고나 에어컨의 냉매제, 헤어스프레이용 분무제 등으로 쓰이는 프레온가스(CFCS)류에 의해 파괴되고 있기 때문입니다. 이제 우리 모두『보이지 않는 보호막』오존층의 고마움을 깨우쳐 프레온가스 사용을 자제하고, 신규대체물질 개발 등을 적극 추진하여 오존층 보호에 노력하여야 하겠다.
건강영향
인체에 미치는 독성의 작용기전
오존은 기체이므로 인체가 오존에 노출 될 수 있는 경로는 피부, 인후, 폐라고 할 수 있다. 오존이 인체에 미치는 영향은 각 장기에 따라 다른 양상으로 나타난다. 그러나 오존이 인체의 조직과 접촉하여 독성작용을 나타내는 기전은 일반적으로 동일하다고 볼 수 있다. 오존이 인체에 독성작용을 나타내는 기전은 아직 명확하게 밝혀져 있지 않지만 ① 단백질의 변성, ② 지방의 과산화(Peroxidation)에 의한다는 두 가지 가설이 제시되고 있다.
- 단백질의 변성
단백질은 인체를 구성하는 가장 기본적인 물질로서 인체의 기본단위인 세포의 막을 구성하는 성분이기도하고, 또 생명활동에 필수적인 여러 가지 생화학적 반응을 매개하는 효소의 구성성분이기도 하다. 그런데 강력한 산화제인 오존은 산화작용을 통하여 단백질을 변성시킴으로써 독성작용을 나타낸다. 설프히드릴(Sulfhydryl)계의 물질은 세포 내에서 환원제로 이용되기도 하지만 세포내에 존재하는 여러 효소와 단백질의 구성성분이기도하다. 그런데 오존은 세포막에 있는 막표면단백질들의 설프히드릴기에 작용해서 이들을 연결시킴으로써 세포막의 구조를 변화시켜 세포막을 약화시킨다. 또한 오존은 막구조를 지탱하고 있는 단백질을 분해하여 세포막을 약화시키기도 한다. 그 외에도 오존은 여러 가지 작용을 하는 효소들의 구조도 변형시켜 효소에 의해 일어나는 여러 가지 기능에 장애를 초래한다.
- 지방의 과산화
오존은 체내의 불포화지방산과 반응하여 독성작용을 나타낸다. 일반적으로 불포화지방산은 세포막을 구성하는 중요한 성분중의 하나이며, 폐의 조직을 덮고있는 액체에도 다량 함유되어 있다. 먼저 인체에 흡입된 오존은 불포화지방산과 반응하여 지방의 과산화를 일으킨다. 이 과정은 오존이 산의 에틸렌 그룹과 반응하여 과산화물을 형성하는 과정에 근거를 두고 있다. 이렇게 분해된 결과 자유기(Free radical)가 형성되고 이렇게 형성된 자유기는 다시금 다른 불포화지방산의 과산화를 촉진시킨다. 이러한 분해과정에서 생겨나는 산물들은 과산화수소와 알데하이드 등인데 이들 물질이 직접적으로 세포에 독성작용을 일으키는 것으로 알려져 있다. 또한 세포막을 구성하는 지방산들이 과산화되어 막의 구조가 약해져서 세포가 손상을 받기도 한다.
인체에 미치는 영향
- 오존에 의한 건강영향 개요
오존에 반복적으로 노출되면 폐에 비가역적 손상이 초래될 수 있다. 오존이 비록 낮은 농도일지라도 흡입하게 되면 가슴통증, 기침, 메스꺼움, 인후자극, 충혈과 같은 다양한 건강문제를 야기한다. 또한 기관지염, 심장병, 폐 기종, 천식을 악화시킬 수 있고, 폐 용량을 감소시킬 수 있다. 건강한 사람도 또한 오존에 노출되면 호흡의 곤란을 경험한다. 오존 오염은 보통 더운 기후에 형성되기 때문에 여름에 바깥에서 시간을 보내는 사람들은 누구나 영향을 받을 수 있고, 특히 어린이, 노인, 바깥에서 일을 하거나 운동하는 사람은 영향을 받을 수 있다(표 1.14.2).
- 호흡기계에 미치는 영향
오존은 산화제이자 호흡기에 대해서는 강력한 자극원으로 작용하기 때문에 오존에 노출되었을 때 일차적으로 영향을 받는 기관이 호흡기이며, 오존에 의한 영향이 가장 문제가 되는 기관도 호흡기이다. 대기중의 오존의 농도는 큰 변화 없이 일정하게 유지되는 것이 아니라 광화학반응이 일어나기 좋은 조건이 되었을 때 다량의 오존이 생성되어 고농도로 수 시간 유지되다가 다른 물질로 분해된다. 따라서 사람에게는 단기간 동안 고농도의 오존에 노출되었을 때 생길 수 있는 급성영향이 중요하다. 일반적으로 1-2시간 동안 고농도의 오존을 흡입하게 되면 호흡기에서 여러 가지 변화와 증상들이 유발되는데 이들이 완전히 가라앉아 정상을 되찾는 데에는 수일의 시간이 소요된다. 오존에 노출되었을 때 생기는 급성증상들은 기침, 숨참, 숨을 깊이 들이쉬었을 때 느껴지는 통증 등이다. 이러한 증상들에 뒤이어 폐기능상의 지표에도 변화가 온다. 고농도의 오존에 노출된 사람들은 일반적으로 노력성폐활량(사람이 의식적으로 최대한 들이쉴 수 있는 흡기량), 일초율(1초간 내쉴 수 있는 최대호기량과 노력성폐활량의 비율) 등이 감소한다. 고농도의 오존에 노출되었을 경우에는 숨을 얕게 쉬고, 그 결과 부족하게 되는 산소를 보충하기 위해서 1분간의 호흡수가 많아진다.
오존은 호흡기 가운데서도 주로 소기관지에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 오존과 호흡기질환과의 관계를 살펴보면 현재로서는 오존이 만성호흡기질환의 직접적인 원인이 된다고 보기는 어렵다. 그러나 이미 만성호흡기질환이 있는 환자들에서는 대기중의 오존이 증상을 유발시키거나 악화시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 만성호흡기질환 가운데에서 일시적인 자극에 의해 심한 증상이 나타나는 천식이 가장 문제가 된다.
- 급성호흡기 질환에 미치는 영향
오존의 최고농도와 급성으로 생기는 인후염, 기관지염, 상기도 감염 등과의 사이에 의미 있는 상관관계가 나타나는 것으로 알려져 있다.
- 신경계통에 미치는 영향
오존은 중추신경계에도 영향을 미쳐 그와 관련된 증상들이나 행동상에 여러 가지 변화를 초래하기도 한다. 따라서 고농도의 오존에 노출되었을 때는 두통과 의식이 불분명해지는 것 등의 신경계통의 증상이 나타날 수 있다. 그리고 역학조사결과 오존의 농도와 두통발생 사이에는 일정한 상관관계가 나타나는 것으로 알려져 있다.
- 감각기에 미치는 영향
오존은 자극성이 강한 기체이기 때문에 인체의 예민한 부분을 자극해 자극증상을 일으킨다. 오존의 자극에 의한 영향은 눈이나 코와 같이 외부 자극을 받아들이는 감각기에 우선적으로 나타난다. 일반적으로 눈이 자극감을 느끼는 오존의 농도는 200㎍/m3(0.10ppm:대기환경기준 1시간 평균치)로 이 농도 이하에서는 특별한 자극증상이 나타나지 않는다. 또한 오존은 눈의 기능에도 영향을 미친다. 오존에 노출된 피험자들을 대상으로 시력의 여러 가지 측면에 대해 검사를 실시한 결과 암순응상태에서 시력의 예민도가 많이 감소하였고, 주변시야는 넓어졌으며, 외안근의 균형에 변화가 일어났고, 야간시력이 약해졌다. 그리고 오존의 농도를 보다 높였을 때에는 집중력이 감소된다고 호소하는 경우도 있었다. 실험에 따라 결과가 조금씩 다르기는 하나 오존을 냄새로 느낄 수 있는 한계는 15∼40㎍/m3(0.008∼0.02ppm)정도로 알려져 있다. 오존농도가 100∼900㎍/m3(0.05∼0.450ppm)일 때 오존농도가 증가함에 따라 눈의 자극증상도 함께 증가하는 데 호흡기 자극증상, 두통, 기침, 가슴의 답답함 등도 모두 시간당 오존의 최고농도치와 관계가 있다.
- 오존과 암 발생
오존에 발암성이 있는가의 여부는 아직 실험적으로는 증명되지 않았다. 또 역학조사에서도 오존의 영향만을 따로 분리해내기 어렵기 때문에 오존과 암 발생과의 관계를 직접적으로 유추해내기는 힘들다. 그러나 일반적으로 보아 대기오염이 심한 지역에서는 폐암의 발병률이 높아진다는 것은 역학적인 연구로 입증되고 있다.
건강상의 피해를 최소화할 수 있는 방안
배출저감
오존은 다른 오염물질과는 달리 사람들의 활동으로 만들어진 오존 생성의 전구물질들이 이차적으로 반응을 일으켜 만들어지는 물질이므로 다른 대기오염물질의 배출을 규제하는 것과 같이 직접적으로 그 배출을 규제하는 데에는 여러 가지 어려움이 뒤따른다. 그런데 오존생성 전구물질은 주로 자동차의 배기가스에서 나오므로 이에 대한 관리를 통하여 어느 정도 오존의 생성을 억제시킬 수 있으며, 특히 오존 농도가 높아 오존경보가 내려진 지역에는 자동차의 출입을 통제시켜 해당 지역의 오존 농도가 더 이상 높아지지 않게 할 필요가 있다.
개인들이 오존생성에 관여하는 물질의 농도를 저감시키기 위하여 할 수 있는 것은 다음과 같은 것을 들 수 있다.
- 자동차를 잘 정비하고 유지한다.
- 카풀참여, 대중교통이용, 걸어다님, 자전거 타기, 자동차운행을 줄임(특히 더운 여름날에)
- 자동차, 정원관리장비 등에 주유시 가솔린을 흘리지 않도록 한다. 여름철에는 시원한 저녁 시간에 주유를 한다.
- 자동차 타이어에 적절히 공기를 주입하고 타이어의 균형을 유지한다.
- 지역적인 설비에너지절약프로그램에 참여한다.
- 가정용 세제, 작업장 화학약품 및 용제, 정원용 화학약품 등의 용기를 잘 밀봉하여 휘발성유기 화합물이 공기로 증발되지 않도록 하고, 이들을 잘 처리한다.
노출회피
발생차원의 관리와는 별도로 이미 오존이 발생하여 대기 중에 고농도로 존재할 때 이에 대비하는 것 또한 중요하다. 이를 위해서는 다음과 같은 사항을 숙지하고 따를 필요가 있다. 자극에 민감한 호흡기 질환자나 노약자들은 대기 중 오존의 농도가 높은 상황에 노출되지 않도록 주의해야 한다. 일반적으로 오존은 태양빛이 강하고, 공기의 이동이 적을 때 많이 발생하므로 여름철이나 정오를 전후하여 태양빛이 강할 때에 이러한 사람들은 외출을 삼가하는 것이 좋다. 특히 오존 경보가 내려진 상황에서는 실외활동을 피해야 한다.
영양섭취
비타민 C와 E에는 오존에 자극된 폐에서 일어나는 염증반응을 약화시키는 작용이 있으므로 이들 비타민을 충분히 섭취함으로써 오존에 의한 조직의 손상을 어느 정도 막을 수 있다. 비타민의 예방효과는 성인보다는 폐의 발육이 진행중인 어린이에서 더욱 효과적인 것으로 알려져 있다.
참고자료
- 〈오존〉, 《위키백과》
- 〈오존이 인체에 미치는 영향〉, 《환경운동연합》, 2002-05-30
- 〈오존〉, 《나무위키》
- 〈오존이란?〉, 《보건환경연구원》
같이 보기
