[과학] 공기를 이루는 기체(산소, 이산화탄소, 질소, 헬륨)의 생활 속 이용

공기(Air)는 지구를 둘러싸고 있는 기체 혼합물로, 우리가 숨 쉬고 살아가는 데 필수적인 물질입니다. 눈에 보이지 않고, 냄새도 없으며, 맛도 없지만 우리 주변 어디에나 존재하며 지구상의 생명체가 생존할 수 있는 환경을 만들어 줍니다. 공기는 여러 가지 기체의 혼합물로 공기를 이루는 주성분은 질소와 산소입니다. 질소는 78.08%, 산소는 20.95%를 차지하고 있습니다. 이외에도 아르곤, 이산화탄소, 네온, 헬륨, 메테인, 크립톤, 수소, 오존 등이 공기에 포함되어 있습니다. 공기를 이루고 있는 다양한 기체들이 일상 생활 속에서 어떻게 이용되고 있는지 알아봅시다.

 

공기의 구성성분

공기는 주로 다음과 같은 기체들로 이루어져 있습니다 (건조 공기 기준, 부피비). 질소 (N₂)는 약 78%로 가장 많은 비중을 차지합니다. 질소는 매우 안정적인 기체로, 생명 활동에 직접 사용되지는 않지만 대기 중의 다른 기체들의 농도를 조절하고 연소를 방해하는 역할을 합니다. 산소 (O₂)는 약 21%를 차지하며, 생명체가 호흡하는 데 필수적인 기체입니다. 식물의 광합성 결과로 생성됩니다. 아르곤 (Ar)은 약 0.93%를 차지하는 비활성 기체입니다. 이산화탄소 (CO₂)는 약 0.04%를 차지하는 미량 기체입니다. 식물의 광합성에 사용되며, 동물의 호흡과 화석 연료 연소 시 배출됩니다. 지구 온난화의 주범으로 꼽히기도 합니다. 기타 미량 기체는 네온, 헬륨, 크립톤, 제논, 수소 등 다양한 기체들이 아주 적은 양으로 존재합니다. 수증기는 공기 중의 수증기 양은 장소, 날씨, 기온, 계절 등에 따라 크게 달라집니다. 수증기는 구름, 비, 눈 등 기상 현상에 중요한 역할을 합니다.

 

공기중의 성분을 이용하는 예

1.산소를 이용하는 예

산소 마스크와 같은 호흡 장치에 이용합니다. 용접할 때 이용합니다. 연료를 태워 로켓을 발사할 때 이용합니다.

 

2.질소를 이용하는 예

자동차의 에어백을 채우는데 이용됩니다. 과자 등의 식품 포장용 충전 기체로 이용합니다. 질소는 다른 문질과 잘 반응하지 않고 색깔과 냄새가 없기 때문에 식품이나 과자의 맛과 색깔에 거의 영향을 주지 않습니다. 티눈, 사마귀 등의 냉동 치료에 사용됩니다.

과자 질소포장

3.헬륨을 이용하는 예

헬륨은 공기보다 훨씬 가볍기 때문에 기구나 비행선, 장식용 풍선을 채우는 데 이용합니다. 잠수부의 압축 공기통에 활용됩니다.

헬륨풍선/ 잠수부 압축탱크

 

4.이산화탄소를 이용하는 예

드라이아이스로 만들어 냉각제로 이용하여 물질을 차갑게 보관하는 데 사용됩니다. 이산화탄소는 물질이 타는 것을 방해하는 성질이 있기 때문에 소화기에 이용됩니다. ​

소화기 충전

공기의 중요성

공기는 지구상의 생명체와 환경에 절대적인 영향을 미칩니다. 동물들은 호흡을 통해 산소를 들이마시고 이산화탄소를 내뱉으며 에너지를 얻습니다. 식물들은 광합성을 통해 이산화탄소를 흡수하고 산소를 배출하여 양분을 만듭니다. 또한, 공기의 순환과 수증기의 응결은 구름, 비, 눈 등 다양한 기상 현상을 일으키고, 이는 지구의 물 순환에도 기여합니다. 공기는 열을 저장하고 이동시켜 지구 전체의 기온을 조절하며, 온실가스는 지구의 온실 효과를 일으켜 생명체가 살기에 적합한 온도를 유지하는 데 기여합니다 (과도할 경우 지구 온난화 유발). 성층권의 오존층은 태양의 유해한 자외선을 흡수하여 지상의 생명체를 보호하며 공기는 소리가 전달되는 매개체이며, 열을 전달하기도 합니다. 마지막으로 비행기, 열기구 등 공기의 성질을 이용하여 하늘을 나는 운송 수단이 개발되었습니다.