이산화 탄소: 두 판 사이의 차이
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{{화합물 정보
|이름=이산화 탄소(carbon dioxide)
|그림=Carbon-dioxide-3D-vdW.svg
|그림1=Carbon-dioxide-2D-dimensions.svg
|화학식=CO<sub>2</sub>
|녹는점=-78.45
|끓는점=-56.55
|분자량=44.01
|밀도=1.976×10<sup>-3</sup>
|상온상태=기체
|상온색=무색
|기체=<nowiki>−</nowiki>393.52
|기체1=213.79
|흡입=이산화 탄소는 가장 강력한 대뇌 혈관 확장제 중 하나이지 않다. 고농도의 이산화 탄소를 흡입했을 때 순환계에 이상을 일으켜 혼수상태 또는 사망에 이르게 할 수 있다. 다량의 이산화 탄소에 노출되었을 경우 질식이 일어날 수 있다. 낮은 농도의 이산화 탄소는 호흡의 증가와 두통을 일으킬 수 있다. 산소부족으로 인한 숨 가쁨, 정신적 경계심의 감소, 근육 조정의 손상, 판단력 상실, 감각의 무뎌짐, 정신적 불안정, 피로를 일으킬 수 있다. 질식의 과정으로 구역질, 구토, 피로, 의식 상실 등이 일어날 수 있으며 심할 경우 발작, 혼수상태, 사망에까지 이를 수 있다. 임산부에게서의 산소 부족은 태아 발육에 지장을 줄 수 있다.<ref>[http://www.vngas.com/pdf/g8.pdf 이산화 탄소 MSDS]</ref>
}}
[[파일:Carbon-dioxide.png|thumb|150px|right|이산화 탄소의 구조]]
'''이산화 탄소'''(二酸化炭素)는 [[탄소]] 원자 하나에 [[산소]] 원자 둘이 결합한 [[화합물]]이다. [[화학식]]은 [[탄소|C]][[산소|O]]<sub>2</sub>이며, 고체 상태일 때는 해빙 시에 바로 기체로 [[승화 (화학)|승화]]하므로 '''[[드라이아이스]]'''(dry ice)라고 부른다. 기체 상태일 때는 무색, 무취, 무미로 [[지구 대기권|지구의 대기]]에도 존재하며, [[화산]] 가스에도 포함되어 있다. [[유기 화합물|유기물]]의 [[연소]], [[생물]]의 [[호흡]], [[미생물]]의 [[발효]] 등으로 만들어진다.<ref name="sajun">化學大辭典編集委員會 편, 성용길, 김창홍 역, 〈이산화탄소〉, 《화학대사전》(Vol. 7), 서울: 世和, 2001, 338~339쪽.</ref> [[생물]]의 [[광합성]] 과정에서 주로 이산화 탄소를 이용하여 [[탄수화물]]이 합성된다.
== 성질 ==
=== 물리적 성질 ===
[[파일:Carbon-dioxide-crystal-3D-vdW.png|thumb|150px|left|이산화 탄소 결정]]
상온에서 무색 기체로 존재한다. 약간 신 맛이 있다. 밀도는 0 °C, 1[[기압|atm]]에서 1.976g/L이다. [[삼중점]]은 -56.6 °C/5.11atm으로 상온 상압에서 [[승화 (화학)|승화]]하며, [[승화점]]은 -78.50 °C이다. [[임계 온도]]는 31.0 °C이며, [[임계 압력]]은 72.80atm이다.
[[분압]]이 1atm일 때, 1부피의 물에 녹는 이산화 탄소의 상대적인 부피는 다음과 같다.
::{|class="wikitable"
! 온도 !! 0 °C !! 10 °C !! 20 °C !! 50 °C
|-
! 부피
| 1.713 || 1.194 || 0.878 || 0.436
|}
[[에탄올]]에는 물에 비해서 약 2배정도로 녹고, [[카복시산]] 또는 그 무수물에는 물의 약 20배 정도 녹을 수 있다. [[에테르 (화학)|에테르]], [[벤젠]] 과는 잘 섞이지만 그 외의 많은 [[유기 화합물]]과는 잘 섞이지 않는다.
분자의 형태는 직선형이며, 탄소 원자와 산소 원자간의 결합 길이는 1.62[[옹스트롬|Å]]이다. 고체는 [[분자성 결정]]의 형태로 존재한다.<ref name="sajun"/>
=== 화학적 성질 ===
이산화 탄소는 화학적으로 활성이 낮은 기체이다. 이산화 탄소가 관여하는 대표적인 반응은 다음과 같다.<ref name="sajun"/>
* 물에 녹아 약한 산성을 띠는 [[탄산]]을 생성한다. 1atm의 이산화 탄소에 수용액이 접해있을 경우의 pH는 3.7이다.
* 고압의 조건에서 포화 수용액을 냉각하면 수화물 CO<sub>2</sub>·8 H<sub>2</sub>O가 생성된다.
* 고온에서는 가역적으로 [[일산화 탄소]]와 산소로 분리된다.
* [[수소]]와 가역적으로 반응하여 일산화 탄소와 물을 생성한다. 적당한 조건과 [[촉매]]를 갖추고 있을 경우 [[메테인]], [[폼산]], [[메탄올]]을 생성하는 경우도 있다.
* [[알칼리 금속]]이나 [[알칼리 토금속]]과 반응하면 환원되어 탄소와 [[포름산염]]을 생성할 수 있다. [[아연]], [[철]]과 같은 다른 금속과도 반응하여 일산화 탄소를 생성하는 경우가 많다.
* [[황화 수소]]와 함께 가열된 금속관을 통과하면 일산화 탄소와 [[황]]을 생성한다. [[사염화 탄소]]와 통과할 경우 [[포스젠]]을 생성한다.
* 많은 금속 [[산화물]]이나 [[수산화물]]과 반응하여 [[탄산염]]을 생성한다. 특히 [[수산화 칼슘]]과 반응하면 다음과 같은 반응이 진행된다.
::[[수산화 칼슘|Ca(OH)<sub>2</sub>]] + CO<sub>2</sub> → [[탄산 칼슘|CaCO<sub>3</sub>]] + [[물|H<sub>2</sub>O]]
::[[탄산 칼슘|CaCO<sub>3</sub>]] + [[물|H<sub>2</sub>O]] + CO<sub>2</sub> ⇄ [[탄산 수소 칼슘|Ca(HCO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>]]
:[[탄산 칼슘]]은 물에 잘 녹지 않지만, [[탄산 수소 칼슘]]은 물에 녹는다. 따라서 이산화 탄소의 분압이 높아지면 위의 두 반응 중 두 번째 반응의 평형이 생성물 쪽으로 이동한다. 그 결과 탄산 칼슘이 반응을 일으켜 탄산 수소 칼슘이 되어 물에 녹게 된다. 반대로 이산화 탄소의 분압이 낮아지면 평형은 반응물 쪽으로 이동하고 다시 탄산 칼슘이 석출된다. 이 반응은 석회[[동굴]]의 생성과 관련되어 있다.
이산화 탄소는 [[무극성 분자]]이다.<ref name="완자">{{서적 인용|저자= 김봉래 외 2 |제목= 완자 화학 Ⅰ(1권)|초판발행일자= 2006-7-1 |판= 초판 |출판사= 비유와상징|쪽= 9}}</ref>
== 제법 ==
실험적으로 이산화 탄소는 [[석회암]]에 [[염산]]을 반응시켜 얻을 수 있다.
공업적으로 이산화 탄소는 주로 다음과 같이 얻을 수 있다.<ref name="sajun"/><ref name="encychem">Considine, G. D. et al., "CARBON DIOXIDE", Van Nostrand's encyclopedia of chemistry, 5th edition, Hoboken : Wiley-Interscience, 2005, pp. 290~291.</ref>
* 탄소를 포함하는 [[화합물]]을 연소시킬 때 얻을 수 있다.
* [[대기]] 중에 존재하는 분량을 채취하여 얻을 수 있다.
* [[알코올 발효]] 등 각종 [[발효]] 과정에서 발생하는 분량을 채취하여 얻을 수 있다.
* [[석회암]]을 가열하여 생석회로 만드는 과정에서 부산물로 얻을 수 있다.
=== 정제법 ===
공업적으로 이산화 탄소를 정제하는 데에는 주로 다음과 같은 반응을 이용한다.
::[[탄산 나트륨|Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>]] + [[물|H<sub>2</sub>O]] + CO<sub>2</sub> [[⇄]] 2 [[탄산 수소 나트륨|NaHCO<sub>3</sub>]]
::[[탄산 칼륨|K<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>]] + [[물|H<sub>2</sub>O]] + CO<sub>2</sub> ⇄ 2 [[탄산 수소 칼륨|KHCO<sub>3</sub>]]
::2HOC<sub>2</sub>H<sub>4</sub>NH<sub>2</sub> + [[물|H<sub>2</sub>O]] + CO<sub>2</sub> ⇄ (HOC<sub>2</sub>H<sub>4</sub>NH<sub>3</sub>)<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
위 반응들은 공통적으로 저온에서는 평형이 왼쪽으로 이동하고, 고온에서는 평형이 오른쪽으로 이동한다. 따라서 위 반응의 반응물이 포함된 수용액과 이산화 탄소를 반응시켜 이산화 탄소를 흡수한 후 이를 가열하면 다시 이산화 탄소가 발생한다. 이 성질을 이용하여 이산화 탄소를 정제할 수 있다.<ref name="sajun"/>
== 용도 ==
이산화 탄소는 다음과 같은 용도로 사용된다.<ref name="sajun"/><ref name="encychem"/>
* [[고체]] 이산화 탄소인 드라이아이스는 냉각제로 사용된다.
* 이산화 탄소는 [[소화기]]에 사용된다. 특히 물을 사용하기가 곤란한 전기로 인한 화재를 진압할 때 효과적이다.
* 청량음료의 원료이기도 하다.
* [[원유]]를 채취할 때 채취양을 늘릴 목적으로 [[초임계상태]]의 이산화 탄소를 사용하기도 한다.
* 다른 화합물 합성의 원료로 사용된다.
* 전기 용접의 불활성 기체로 사용된다.
* 액체 상태의 이산화 탄소는 [[용매]]로도 사용된다.
* 제철소, 철 구조물, 알루미늄, [[자동차]], 철도차량 용접에 사용된다.
* 용수 및 폐수 처리에 사용된다.
* 펄프 및 제지공장에 사용된다.
* 로켓, 잠수함 추진제로 사용된다.
== 오염 ==
[[파일:Mauna Loa CO2 monthly mean concentration.svg|thumb|200px|right|하와이의 마우나 로아에서 측정한 이산화 탄소 농도]]
이산화 탄소는 [[온실기체]]로 작용하여, [[지구복사]]를 통하여 우주공간으로 나가는 에너지 중 일부를 다시 지구로 되돌린다. 이러한 이산화 탄소의 성질은 지구의 에너지 평형을 깨트려서, [[지구온난화]]의 원인으로 작용한다. 이산화 탄소는 [[화석연료]]와 같은 탄소를 포함한 물질을 완전 [[연소]]시킬 경우 생성되는데, 최근 화석연료의 사용이 크게 늘면서 이산화 탄소의 배출량도 증가하여 [[대기]]중의 이산화 탄소 농도가 증가하였고 이는 지구온난화를 더욱 심화시키는 요인으로 작용하고 있다.
하지만 요즈음 지구온난화가 인간 탓이 아니라는 말이 많이 나오고 있어 논란이다.<ref name="encychem"/>
== 생체 내에서의 작용 ==
=== 순환 ===
이산화 탄소는 [[세포호흡]]의 부산물이기도 하다. 발생한 이산화 탄소는 [[순환계]]를 통하여 [[폐]]로 이동하여 체외로 방출된다. 이산화 탄소가 순환계를 통하여 [[세포]]로부터 폐로 이동하는 방법은 다음과 같이 세 가지 방법이 있다.
* [[혈장]]에 녹아서 이동한다. 약 7%의 이산화 탄소가 이 방법을 사용하여 이동된다.
* [[적혈구]]의 [[헤모글로빈]]에 결합하여 이동한다. 약 23%의 이산화 탄소가 이 방법을 통해 이동된다.
* [[탄산 수소 이온]]의 형태로 이동한다. 약 70%의 이산화 탄소가 이 경로로 이동된다.
탄산 수소 이온의 형태로 이동할 경우. 조직 근처의 혈관에서 이산화 탄소 분자는 적혈구 내의 탄산탈수효소에 의해서 물 분자와 반응하여 [[탄산]]을 형성한다. 탄산은 곧 탄산 수소 이온과 [[수소 이온]]으로 해리되어 수소 이온은 헤모글로빈에 결합하고 탄산 수소 이온은 혈장으로 방출된다. 폐 주위의 혈관에서 탄산 수소 이온은 반대 과정을 거쳐 이산화 탄소가 되고, 이것은 폐를 통하여 몸 밖으로 방출된다.
적혈구의 헤모글로빈은 혈액의 [[수소 이온 농도|pH]]가 떨어지면 산소와의 친화력 역시 감소하는데, 이를 [[보어 효과]]라 한다. [[물질대사]]가 활발한 조직에서는 이산화 탄소의 생성량이 증가하며, 그 결과 주위 혈액의 이산화 탄소 분압은 증가한다. 이산화 탄소는 물과 결합하여 탄산을 생성하므로, 이는 혈액의 pH를 떨어트린다. 따라서 헤모글로빈에서 산소가 방출되고, 방출된 산소는 세포호흡에 사용된다.<ref>Campbell, N. A. et al., ''Biology'', 8th edition, San Francisco : Pearson Benjamin Cummings, 2007, pp. 924~926.</ref>
=== 광합성 ===
[[식물]]은 [[광합성]] 과정에서 이산화 탄소를 흡수하여 이를 [[탄수화물]]의 형태로 만든다. 식물에 의해 흡수된 이산화 탄소는 [[캘빈회로]]로 들어가고, [[루비스코]]에 의해 [[리불로스-1,5-이인산]](RuBP)에 결합한다. 이는 여러 반응을 거쳐 [[글리세르알데하이드-3-인산]](G3P)이 되고, 이것이 이후 [[포도당]] 또는 다른 [[탄수화물]]의 형태로 바뀌게 된다. 한 분자의 [[G3P]]를 만들기 위해서는 세 분자의 이산화 탄소가 필요하다.<ref>Ibid., pp. 198~199.</ref>
=== 독성 ===
고농도의 이산화 탄소는 신체에 치명적일 수 있다. 부피 백분율로 0.6~2.5%의 이산화 탄소는 나른함을 일으킨다. 하지만 2.5%까지는 안전한 농도이다. 이 농도까지는 나른함은 일으키지만 오랜 시간 있어도 안전하며, 오랜 시간 노출되었다가 일반적 환경으로 나올 시에는 즉시 회복된다. 즉 2.5%까지는 즉시 회복이 가능하다. 3%가 넘어가면 호흡이 커지게 되며 어지럼증을 일으킨다. 3~4%사이에 오랜 시간 노출되었을 경우에는 후유증은 좀 오래가지만 시간은 걸리더라도 완전 회복이 가능하다.
하지만 4%가 넘어가면 상황이 달라진다. 4%가 넘으면 두통, 매스꺼움, 구토 등을 일으키게 되며 이 농도에 계속 노출시에는 장해가 생성된다. 왜냐하면 사람이 숨을 쉴때 내뱉는 이산화탄소의 농도는 4%인데 이 농도를 넘어섰기 때문이다. 따라서 순환이 잘 되지 않으며, 이러한 현상 때문에 4%가 넘어가면 이산화탄소의 독성 효과가 갑자기 크게 나타난다. 오랜 시간 4~5%에 노출시에는 폐 장해가 형성되며 기억력 감퇴, 시력 감퇴까지 나타날 수 있으며, 운동 능력 감퇴도 나타난다. 오랜 시간 노출시에는 이러한 현상이 회복되지 않는 장애 현상이 나타난다. 5%가 넘어가면 방안에 촛불이 자동으로 꺼진다. 6%에서는 공기가 부족한 고고도 환경에서나 일어나는 급격한 호흡수 증가 현상이 나타난다. 1~3시간 노출되면 장애 현상이 나타나므로 30분 내로 탈출해야 한다. 매우 오랜 시간 동안 이 농도에 노출되면 사망하게 된다.
8%가 넘어가면 운동 능력이 현저히 저하되며, 3분의 노출만으로 달리기가 불가능해진다. 이 농도에서는 20분 내로 움직이는 것이 불가능해지으므로, 적어도 10분 내로 탈출해야 한다. 8%에서 농도에서 오랜 시간 넘어가면 사망에 이르게 된다.
11%가 넘어가면 움직이는 것이 어려워진다. 2분안에 움직임이 불가능해지며, 5분내로 기절하게 되므로 적어도 1분 내로 이 농도에서 탈출해야 한다. 30분~1시간내로 사망하게 되며 구토로 인한 기도 막힘으로 조기 사망도 할 수 있다.
13%의 농도에서는 짧은 시간내에 움직이는 것이 불가능해진다. 30초안에 탈출하지 못한다면, 움직임이 불가능해지기 때문에 1분안에 즉시 기절하며, 호흡 자체가 의미가 없어진다. 8분 내로 사망하게 된다.
15%의 농도에서는 즉시 기절하게 된다. 즉 물속에 있는 거나 마찬가지이며 2~5분 내로 사망하게 된다.
17%가 넘어가면 고농도 이산화탄소의 흡입으로 인한 중독으로 즉시 기절하게 되며 1분내로 사망하게 된다. 고농도 이산화탄소가 폐가 쌓여 즉각적으로 영향을 주므로 호흡 순간 즉시 기절하며 40초~1분 내로 사망하게 된다.
지구 대기<ref name="encychem"/>
== 같이 보기 ==
* [[지구 온난화]]
* [[드라이아이스]]
* [[온실 기체]]
* [[탄소의 순환]]
* [[일산화 탄소]]
==각주==
<references/>
== 바깥 고리 ==
{{위키공용|Carbon dioxide}}
* [http://100.naver.com/100.nhn?docid=126436 이산화탄소] - 네이버 지식백과
* {{PubChem|280}}
{{지구온난화}}
[[분류:이산화 탄소| ]]
[[분류:무기 탄소 화합물]]
[[분류:산성 산화물]]
[[분류:온실 기체]]
[[분류:물질대사]]
[[분류:무기 용매]]
[[분류:광합성]]
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