산소(Oxygenium)...!!!

 

 

산소

 

산소( 한자 : 酸素 , 영어 : oxygen , 독일어 : Sauerstoff , 라틴어 : Oxygenium , 그리스어 : οξυγόνο ) 는 화학 원소의 하나로, 원소 기호는 O이고 원자 번호는 8이다. 상온에서는 맛이나 빛깔, 냄새가 없는 기체 상태로 존재한다. 공기의 주성분으로, 지구뿐 아니라 우주 전체에 걸쳐 다른 원소와 공유 결합된 상태로 널리 퍼져 있다. 유리 산소(산소 분자, O2)가 처음으로 지구 대기에 나타난 것은 고원생대로, 혐기성 생물(세균 및 고세균)의 물질 대사 과정의 부산물로 만들어졌다. 유리 산소의 등장은 그 당시의 대부분의 생물을 멸종으로 몰고 갔으나, 반대로 산소를 이용하는 새로운 생물이 진화하는 계기가 되었다. 산소는 대부분 광합성 작용으로 만들어지는데, 약 4분의 3은 대양의 식물성 플랑크톤과 조류가, 나머지 4분의 1은 육상 식물이 만든다. 사람의 경우 산소가 없으면 5분이 지나 뇌사 상태에 빠지고 8분 뒤면 사망한다.

 

 

 

역사

 

산소는 1774년 영국의 조지프 프리스틀리가 발견한 원소이다. 프리스틀리는 산화 수은(II)를 가열하는 도중 발생하는 기체가 촛불이 훨씬 더 잘 타도록 하는 성질이 있음을 발견하였다. 또한 프리스틀리는 이 기체가 호흡과 관련되어 있다는 것을 발견하였다. 그는 이 기체의 이름을 ‘탈 플로지스톤 공기’라 불렀다. 한편 스웨덴의 칼 빌헬름 셸레는 산소를 독자적으로 발견하였으나, 산소의 발견을 먼저 발표한 것은 프리스틀리였다. 그 뒤 앙투안 라부아지에는 이 기체의 이름을 ‘산소’로 정하였다. 한자어 산소(酸素)는 독일어 낱말 Sauerstoff에서 유래하였다.

 

1772년, 프리스틀리보다 먼저 산소를 발견한 것으로 알려진 셸레.

프리스틀리는 1774년 산화 수은에 빛을 쪼여 산소를 얻었고, 1775년 논문으로 발표한다. 발견은 셀레가 먼저 하였으나 프리스틀리가 먼저 발표하였기 때문에 산소 발견의 공적은 프리스틀리에게 주어진다.

 

 

 

활성 산소

산소 중에는 세포의 노화를 일으키는 산소가 있는데, 이를 가리켜 활성 산소라 한다. 활성 산소는 산소가 물로 환원될 때 불완전 환원이 되어 생기는 화합물로, 활성 산소가 세포에 작용하면 세포가 노화되며, 심하면 암을 일으키기도 한다. 그러나 지금은 활성 산소가 생성되기 전에 재빨리 물로 환원시키는 비타민 E가 있다.

 

 

 

 

대기의 생성

원래 대기에는 지금과 같이 이원자 분자 상태로 존재하는 산소가 존재하지 않았다. 광합성의 결과 산소를 배출하는 생물이 최초로 등장하였을 때, 이들로 인해서 생성된 산소는 처음에는 물에 녹아 있는 철과 반응하여 산화 철을 생성하였을 것으로 추정된다. 산화 철이 생성된 다음에 발생되는 산소는 물에 녹았을 것이고, 이후 물이 산소로 포화되자 대기 중으로 산소가 방출되기 시작하였다. 산화 철이 풍부한 암석의 연대를 살펴볼 때 이러한 과정은 27억 년 전에 일어난 것으로 추정된다. 반응성이 큰 산소가 등장하자 산소에 적응하지 못한 수많은 원생생물을 멸종시켰다. 산소가 충분히 공급되지 못한 환경에서 살아가던 생물은 지금의 혐기성 세균으로 진화하였고, 산소가 풍부한 환경에서 살면서 산소에 적응하는 데 성공한 세균은 여러 형태의 생물로 진화하였다.

 

 

 

 

자연에서의 존재

 

산소는 질량 백분율로 대기와 해양을 포함한 지각의 49.5%를 차지한다. 건조한 공기에서 산소는 부피 백분율로 20.946%을 차지한다. 지각에 존재하는 산소는 대부분이 규산염이나 산화물, 물의 형태로도 존재한다. 물에 포함된 산소는 지각에 존재하는 산소 전체의 질량 백분율의 88.81%를 차지한다. 산소는 우주에도 존재하지만 그 비율은 낮다.

많은 양의 산소가 호흡, 연소 등으로 사용되지만 대기 중의 산소의 비율은 거의 일정한데, 이는 광합성 때문이다. 광합성이 진행되면서 이산화 탄소와 물이 소비되고 탄수화물과 산소가 생성된다.

 

 

 

 

세포호흡

 

생명체는 세포 호흡 과정에서 산소를 사용한다. 전체 과정을 하나의 반응식으로 요약하면 다음과 같다.[9]
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 에너지
세포호흡은 크게 해당과정, TCA회로, 산화적 인산화 과정으로 나뉘는데, 이 중 산소가 관여하는 과정은 산화적 인산화과정이다. 해당과정과 TCA회로에서 NAD+는 고에너지 전자를 받아 NADH가 된다. 생성된 NADH는 미토콘드리아의 내막에 존재하는 단백질 복합체로 전자를 전달한다. 단백질 복합체에서 전자가 가진 에너지는 ATP를 생성하는 데 사용된다. 마지막으로 전자는 산소로 전달되고 수소 이온과 결합하여 물이 생성된다

 

 

동위 원소

 

대기 중의 산소는 세 종류의 동위 원소로 이루어져 있는데, 16O가 99.759%, 17O가 0.037%, 18O가 0.204%를 차지한다. 대기 중의 산소는 대부분 이원자 분자 상태로 존재한다. 물에 존재하는 산소의 경우 지역에 따라 동위 원소의 비율이 다르게 나타난다.

14O, 15O, 19O는 인공적으로 합성되는 방사성 동위 원소이다. 이들은 반감기가 매우 짧은데, 이중 가장 긴 반감기를 가진 동위 원소는 반감기가 약 120초인 15O이다.

 

 

 

 

동소체

 

산소의 동소체는 이원자 분자 형태의 O2, 오존으로 알려진 삼원자 분자 형태의 O3, 희귀하고 불안정한 O4 등이 있다. O4는 자성을 띠지 않고 옅은 푸른 빛깔을 띤다. O4 분자는 쉽게 해리되어 O2 두 분자를 생성한다.

지구 대기에 존재하는 오존의 90% 이상이 지표로부터 15~40㎞ 고도의 오존층에 위치하고 있으며, 생명체에게 해로운, 우주로부터 오는 단파 자외선을 거의 흡수한다. 그러나 지표 가까이에 존재하는 오존은 강한 산화력을 가지며 건강에 해로워 대기 오염물질로 취급한다.

 

 

 

 

산소 원자의 성질

 

산소 원자의 평균 원자량은 15.9994이다. 바닥 상태에서 산소 원자의 전자 배치는 1s2 2s2 2px2 2py1 2pz1이다. 2p 오비탈에 두 개의 홀전자가 존재한다. 산소 원자가 다른 원자와 부분적이거나 완전한 공유 결합을 할 때의 결합각은 90°가 될 것으로 기대되나, 실제로는 물(H2O)의 결합각이 105°인 것과 같이 90°에 비해 더 큰 결합각을 가진다. 이 문제는 산소의 2s와 2p 오비탈이 sp3혼성 오비탈을 이룬다고 설명함으로써 해결할 수 있다.

 

 

 

 

산소 분자의 성질

 

상온에서 산소는 일반적으로 이원자 분자로 존재하며, 무색, 무취, 무미의 기체 상태이다. 액체 상태일 때는 옅은 푸른 색을 띤다. 기체 상태의 산소는 약간의 상자기성을 가지고 있으며 액체 상태일 때도 상자기성을 가진다. 1atm에서 녹는점은 -218.80°C이고 끓는점은 -182.97°C이다. 0°C 105Pa에서의 밀도는 1.4290g/l이다.[2] 쌍극자모멘트는 0이며, 상온에서의 산소 원자간의 평균 거리는 1.208Å이다. 산소는 무극성 분자이다.