[책걸상 '벽돌 책' 함께 읽기] #25. <일인 분의 안락함>

Don't Look up 영화가 생각나네요. 지구를 향해 돌진하는 소행성을 발견한 과학자 심정 같았겠어요.

궁금증을 일으키는 주제네요.

학교 다닐 적에 공부도 못했던 주제에 자꾸 화학 지식을 꺼내게 되어서 민망합니다. 그런데 뜻밖에 화학 지식이 이런 책 읽을 때도, 또 현상을 이해할 때도 도움이 된다는 걸 요즘 새삼 많이 접하고 있어서 여러분께도 공유합니다. 지금 읽는 부분까지 읽으면서 여러분 이런 질문은 안 떠오르셨어요? 그럼, 성층권에 가기 전 우리가 숨 쉬고 생활하는 대류권에서 CFCs는 러브록 같은 과학자가 깜박 무신경하게 대응할 정도로 안정적인(즉, 다른 물질과 상호 작용을 하지 않는) 이유는 무엇일까? 예를 들어, 화학 구조만 놓고 보면 탄소 주변에 수소 네 개가 붙어 있는 메탄과 비교했을 때 탄소 주변에 수소 대신 불소(F)와 염소(Cl)가 붙어 있는 모습으로 비슷해 보이는데요. (메탄은 알다시피 대류권에서도 여러 물질과 반응을 하거든요.) 제가 설명을 하려다, 제미나이한테 정리를 시켜보니 그럴 듯해서 아래 약간 보완해서 올립니다. * CFCs가 대류권에서 메탄보다 훨씬 안정적인 이유는 분자 구조에서 비롯된 강력한 화학 결합과 이로 인한 매우 높은 활성화 에너지 때문입니다. 메탄(CH₄)과 CFCs(예: CCl₃F)는 모두 탄소를 중심으로 4개의 원자가 결합한 안정적인 사면체 구조를 가집니다. 하지만 어떤 원자가 결합해 있느냐에 따라 그 안정성의 수준이 크게 달라집니다. 1. 분자 구조와 결합 에너지: '끊기 힘든 강력한 결합' 화학 결합의 안정성은 결합 에너지로 설명할 수 있습니다. 결합 에너지는 원자 사이의 결합을 끊는 데 필요한 에너지로, 이 값이 클수록 결합이 강하고 안정적임을 의미합니다. 메탄의 C-H 결합 에너지: 약 413 kJ/mol CFCs의 C-Cl 결합 에너지: 약 339 kJ/mol CFCs의 C-F 결합 에너지: 약 485 kJ/mol 여기서 핵심은 C-F(탄소-불소) 결합입니다. 이 결합은 불소 원자가 탄소와 매우 짧고 강하게 결합하고 있어, 알려진 단일 공유 결합 중 가장 강력한 결합 중 하나입니다. C-Cl 결합은 C-H 결합보다 약하지만, CFC 분자 전체는 이 강력한 C-F 결합과 다른 할로겐 원자들의 존재로 인해 매우 견고한 구조를 형성합니다. 결과적으로 CFCs의 모든 결합을 분해하는 데 필요한 전체 에너지가 메탄보다 훨씬 커서 분자 자체가 매우 안정적입니다. 2. 활성화 에너지: '반응을 시작할 수 없는 높은 언덕' 대류권에는 '대기의 세제'라 불리는 수산화 라디칼(•OH)이 존재합니다. 이들은 반응성이 매우 높아 메탄과 같은 여러 분자를 산화시키며 분해하는 주된 원인입니다. 메탄의 경우: 메탄은 수산화 라디칼(•OH)에 의해 수소 원자(H)를 빼앗기면서 분해가 시작됩니다. CH₄ + •OH → •CH₃ + H₂O 이 반응은 비교적 낮은 활성화 에너지를 가집니다. 즉, 대류권의 온도와 에너지 조건에서 충분히 '언덕'을 넘어 반응이 일어날 수 있습니다. 그래서 메탄은 대류권에서 약 10년 정도의 수명을 가지며 분해됩니다. CFCs의 경우: 반면, CFCs는 수산화 라디칼(•OH)이 공격할 만한 약한 고리가 없습니다. 수소 부재: CFCs에는 메탄과 달리 •OH 라디칼이 쉽게 떼어낼 수 있는 수소(H) 원자가 없습니다. 강력한 결합: •OH 라디칼이 탄소-염소(C-Cl)나 탄소-플루오린(C-F) 결합을 직접 공격하여 끊기에는 결합 에너지가 너무 강해 활성화 에너지가 엄청나게 높습니다. 대류권에 존재하는 에너지(햇빛, 열 등)로는 이 높은 활성화 에너지 '언덕'을 넘을 수 없습니다. 따라서 CFCs는 대류권의 어떤 화학 물질과도 거의 반응하지 않고 수십 년에서 100년 이상 원래의 분자 구조를 그대로 유지할 수 있는 것입니다. 결론적으로, CFCs는 매우 강력한 C-F, C-Cl 결합으로 이루어져 있어 분자 자체가 견고하고, 대류권의 주된 분해 메커니즘인 수산화 라디칼(•OH)과의 반응에 필요한 활성화 에너지가 비정상적으로 높아 상호작용 없이 성층권까지 도달할 수 있는 유독한 안정성을 가지게 됩니다.

저도 챗지피티에 물어본 결과를 공유해 보겠습니다. ^^ ----------------------------------------------- 안녕~ 오존이 자외선을 흡수해서 분리되었다가 다시 합쳐지는 과정에서 자외선이 가진 에너지는 뭘로 변환되는 거지? 프레온의 경우에도 비슷한 과정을 거치는 것 같은데 자외선 흡수가 안되는 이유는 뭘까? ChatGPT의 말: 안녕~ 흥미로운 질문이네! 🌍☀️ 두 부분으로 나눠서 설명해 볼게. 1. 오존(O₃)과 자외선의 에너지 변환 대기권의 오존은 주로 자외선(UV-B, UV-C)을 흡수하면서 광해리(photodissociation) 과정을 겪어. 대표적인 과정은 이런 식이야: 𝑂3+ℎ𝜈(자외선)→𝑂2+𝑂 여기서 자외선이 가진 광자의 에너지는화학결합을 끊는 데 쓰이고 (결합 에너지로 변환)그 과정에서 남는 에너지는 열 에너지(분자의 운동에너지) 로 전환돼. 즉, 자외선을 흡수한 오존은 깨지거나 다시 결합하는 과정에서 대기 온도를 높이는 효과를 내는 거지. (이게 성층권이 높이 올라갈수록 온도가 다시 상승하는 이유야.) 2. 프레온(CFCs)과 자외선 흡수 여부 프레온(CFC, 염화플루오로탄소)은 매우 안정한 분자라서 성층권까지 잘 도달해. 프레온은 지상 근처에서 오는 자외선 A/B 정도 에너지로는 결합이 잘 안 끊어져 → 그래서 자외선 흡수도 거의 없고, 대기 중에서 분해되지 않은 채 오래 남아. 하지만 파장이 더 짧은 강한 자외선(UV-C, 200nm 이하) 은 충분히 에너지가 커서 C–Cl 결합을 끊을 수 있어. 성층권까지 올라가면 이런 강한 자외선을 맞아서: 𝐶𝐶𝑙3𝐹+ℎ𝜈→𝐶𝐶𝑙2𝐹+𝐶𝑙 이렇게 염소 원자 라디칼(Cl·) 이 튀어나와. 이 라디칼이 오존 분해 촉매 역할을 해서 문제를 일으키는 거지. ✅ 정리하면: 오존은 자외선 에너지를 흡수해서 → 결합에너지 + 운동에너지(열)로 전환. 프레온은 약한 자외선에는 반응 안 하고, 강한 자외선(UV-C)에 의해 깨질 때만 에너지를 흡수 → 이때 생긴 라디칼이 오존 파괴에 참여.

염소원자라디칼이 오존을 만나면 오존이 분해되는 건가? ChatGPT의 말: 좋은 질문이야 👍 바로 그 염소 원자 라디칼(Cl·) 이 오존 파괴의 핵심 역할을 해. 🔹 반응 메커니즘 성층권에서 자외선에 의해 프레온이 분해되면 염소 원자 라디칼(Cl·) 이 생겨. 이게 오존과 만나면 이렇게 돼: Cl· + O₃ → ClO· + O₂ → 오존 분자가 산소 분자와 염소 산화물 라디칼(ClO·) 로 변환돼. 여기서 오존 하나가 바로 파괴되는 거지. 이제 ClO· 는 다시 다른 산소 원자(O) 와 반응할 수 있어: ClO· + O → Cl· + O₂ → 다시 염소 라디칼이 재생되고, 산소 분자가 또 하나 생겨. 🔹 전체 반응을 정리하면 𝑂3+𝑂→2𝑂2 즉, 염소 원자 라디칼은 파괴되지 않고 다시 재생돼서, 촉매처럼 수천~수만 개의 오존을 연속적으로 분해할 수 있어. 그래서 프레온이 소량이라도 성층권에 가면 오존층에 큰 영향을 주는 거야. ✅ 결론: 염소 원자 라디칼이 오존과 만나면 오존은 분해된다. 그 과정에서 염소는 사라지지 않고 촉매 역할을 하기 때문에, 아주 작은 양의 프레온도 큰 피해를 준다.

매우 안정적이고 반응을 하지 않는 분자가 성층권에 올라가면 강한 자외선을 얻어맞으면서 분해가 되는 거구, 강한 자외선한테 흡수한 높은 에너지레벨을 갖고 주변을 돌아다니면서 오존의 결합을 파괴해 평범한 산소분자들을 만들어내는 촉매 역할을 하는구나, 대충 그렇게 이해했어요. 그런데 촉매란 건 또 어떻게 촉매역할을 하는 건가 궁금해지지만, 오늘은 이 정도로 만족해야 할까 봅니다.

내친 김에 조금 더 물어봤습니다. ------------------------------- 오존과 산소분자는 어느쪽이 에너지 레벨이 높아? 이런 질문이 적당한 표현인가? 아무튼 오존은 촉매를 통해 산소가 될 수 있는데 산소도 촉매를 통해 오존이 될 수 있는 거야? 아니면 에너지를 흡수해야 오존이 될 수 있는 거야? ChatGPT의 말: 좋은 질문이야 👍 표현도 충분히 적절해! “어느 쪽이 에너지 레벨이 높나?”라고 물어본 건 안정성(=화학 퍼텐셜 에너지) 을 묻는 것과 같은 의미로 볼 수 있어. 🔹 1. 오존과 산소 분자의 에너지 비교 산소 분자(O₂) 는 이중결합을 가진, 매우 안정한 분자야. 오존(O₃) 은 세 원자가 연결된 구조인데, 산소 원자들의 결합이 불안정하게 “균등 분산”된 상태라서, 퍼텐셜 에너지가 더 높은 준안정한 상태에 있어. ➡ 따라서 오존이 산소 분자보다 에너지 레벨이 높다고 말할 수 있어. 그래서 오존은 자발적으로 산소로 분해될 수 있지만, 그 반대는 외부에서 에너지를 공급해 줘야만 가능해. 🔹 2. 오존 → 산소 (자연스러운 방향) 오존은 성층권에서 다음과 같이 쉽게 분해돼: 𝑂3→O2+O (이 과정은 촉매(Cl·, OH· 등)가 있으면 더 빨라져.) 즉, 오존은 불안정 → 안정(산소) 방향으로 가는 게 자연스러워. 🔹 3. 산소 → 오존 (역방향) 산소가 오존으로 되려면, 외부 에너지 흡수가 필요해. 주된 방법은 자외선 흡수야: O₂ + hν (자외선, λ < 240 nm) → 2 O → 강한 자외선이 산소 분자를 깨뜨려 원자 산소가 생김. O + O₂ + M → O₃ + M* → 여기서 M은 “세 번째 충돌 분자” (질소, 산소 같은 주변 분자)인데, 충돌 과정에서 여분의 에너지를 가져가서 오존이 안정적으로 형성돼. 즉, 산소 분자만으로는 오존이 될 수 없고, 반드시 자외선 같은 에너지원이 있어야 해. 🔹 4. 촉매의 역할 정리 오존 → 산소: 촉매가 반응 경로를 열어주면 에너지 공급 없이도 쉽게 일어남. 산소 → 오존: 촉매만으로는 불가능, 반드시 자외선 같은 에너지 흡수가 필요함. ✅ 결론: 오존이 산소보다 에너지 레벨이 높다. 오존은 촉매 도움으로 쉽게 산소로 분해된다. 반대로 산소가 오존이 되려면 자외선 같은 외부 에너지가 필요하다.

그럼 오존층이 자외선을 막아주는 이유는 뭐지? 오존이 자외선을 받아서 산소가 되는 게 아니라 산소가 자외선을 받아 오존이 되는 거라면 오존층이 어떻게 자외선을 막아주는 건지 잘 이해가 안돼 ChatGPT의 말: 아주 날카로운 질문이야 👍많은 사람들이 여기서 헷갈려! 핵심은 오존층에서 일어나는 두 가지 광화학 과정이 동시에 벌어지고 있다는 것이야. 🔹 1. 산소 분자(O₂)의 역할 강한 자외선(파장 240 nm 이하, UV-C)은 O₂에 흡수돼서 이렇게 분해돼: 𝑂2+ℎ𝜈(𝜆<240 nm) →2O ​ → 이렇게 생성된 원자 산소(O)가 O₂와 결합하면 오존(O₃)이 만들어져. 즉, 가장 짧은 파장(가장 강력한 에너지)의 자외선은 O₂가 막는다. 🔹 2. 오존(O₃)의 역할 오존은 그보다 긴 자외선(UV-B, 일부 UV-C, 240–320 nm)을 잘 흡수해: 𝑂3+ℎ𝜈→ 𝑂2+𝑂 → 이때 자외선의 에너지는 결합 에너지 + 운동 에너지(열) 로 변환돼. 즉, 오존은 중간 파장의 자외선을 막아주는 역할을 한다. 🔹 3. 오존–산소 사이클 (Chapman cycle) 실제로 성층권에서는 산소와 오존이 자외선을 흡수하면서 서로 전환되는 순환이 계속 일어나고 있어. 1. O₂ + hν (UV-C) → 2O 2. O + O₂ + M → O₃ + M* 3. O₃ + hν (UV-B/UV-C) → O₂ + O 4. O + O₃ → 2O₂ 이 네 단계가 합쳐져서 "Chapman cycle"이라고 불려. 이 순환에서 자외선은 흡수되면서 없어지고, 그 에너지는 열로 전환돼서 성층권이 따뜻해지는 거야. 🔹 4. 정리 짧은 파장(UV-C) → 산소 분자가 흡수 (분해되면서 오존 생성) 중간 파장(UV-B) → 오존이 흡수 (분해되면서 산소 생성) 이 두 과정이 계속 순환하면서 자외선을 흡수해 버리니까, 지표면에는 강한 자외선이 거의 도달하지 않는 거야. ✅ 결론: 오존층이 자외선을 막아주는 건 “산소 ↔ 오존 전환 사이클”에서 자외선을 계속 흡수하기 때문이야. 즉, 산소도 막고, 오존도 막고, 둘이 합쳐서 막는 시스템이라고 이해하면 돼.

예전에는 존대말로 답변했던 것 같은데 요즘엔 반말로 답변하네요. 친해졌나봐요.

반말이 거슬려. 하고 입력하면 존대말로 답해줄거에요. 그런데, 그러면 더 에너지를 쓸테니 컴퓨터를 식히는 냉방을 더 해야할테고 그에 따라 냉매의 위협이 커질테니 그냥 반말로 답을 듣는 것이 이 책을 읽은 사람의 자세가 아닐까 생각해봤습니다. ㅎㅎ 덕분에 오존의 자외선 흡수 메커니즘 잘 이해했습니다. 감사합니다.

오, 갑자기 학구열이 불타는 과학시간이 되었습니다:) (이따가 밤에 또 꼼꼼히 읽어보겠습니다) 여담이지만 저희 팀이 있는 사무실 쪽 에어컨이 고장났어요(하하하). 부품이 오려면 며칠 걸린다고 하시는데, 더 오래 걸렸으면 좋겠다고 (혼자 속으로) 생각했습니다. 그동안 너무 추웠는데, 이제 좀 살 것 같아요(후아...). 아까 기사님이 에어컨을 요리조리 보시면서 '냉매'라는 단어를 몇 번 언급하신 것 같았는데, 괜히 귀가 쫑긋했습니다(다행히 그 문제는 아닌 것 같았지만요). 근데 이 책 정말 흥미롭게 읽고 있어요. 장르는 전혀 다른데, 전에 읽었던 『호라이즌』이 계속 떠오릅니다. 책 중간중간 작가의 가치관을 은근히 담아내는 게 비슷하달까요.

그래도 위의 대답은 -ㄴ/는다 간단체로 대답했는데, 아래 대답은 완전 친구네요? ㅎㅎㅎ 갑자기 내적친근감이...

UV-C, UV-B 이런 건 선크림 설명에서 본 것 같아요. 암튼 기독교인이라면 신의 섭리의 근거로 들만한 오묘한 자연현상이네요. 몇미리미터 두께의 오존층이 중간파장 자외선을 흡수해 산소가 되고 산소가 또 단파장 자외선을 흡수해 오존이 되고. 그런 순환 속에 지구 상의 생명들이 살아나갈 수 있다고 하니까요. 전 기독교인은 아니지만, 생명이 유지되는 환경이 유지되는 지구의 미묘한 과정들이 신기해요.