산소 문서 원본 보기

{{위키데이터 속성 추적}}
{{다른 뜻|오존|8번 원소와 그것의 가장 안정한 상태인 O<sub>2</sub>|O<sub>3</sub>}}
{{다른 뜻|무덤||산소(山所)}}
{{원소 정보/산소}}
[[파일:A setup for preparation of Oxygen.jpg|섬네일|산소 준비를 위한 실험 준비]]
'''산소'''(酸素, {{llang|en|Oxygen}})는 [[화학 원소]]의 하나로, [[원소 기호]]는 '''O'''({{llang|la|Oxygenium}})이고 [[원자 번호]]는 [[8]]이다. 일반적으로 산소원자 두 개가 결합하여 무색, 무미, 무취인 [[기체]] 상태로 존재한다. [[공기 (기체)|공기]]의 주성분 중 하나로, [[지구]]뿐 아니라 [[우주]] 전체에 걸쳐 다른 원소와 [[공유 결합]]된 상태로 널리 퍼져 있다.

[[유리 산소]](산소 분자, O<sub>2</sub>)가 처음으로 [[지구 대기권|지구 대기]]에 나타난 것은 [[고원생대]]로, [[혐기성 생물]]([[세균]] 및 [[고균]])의 [[물질 대사]] 과정의 부산물로 만들어졌다. 유리 산소의 증가는 그 당시 대부분의 생물들을 죽음으로 몰아 갔으나, 반대로 산소를 이용하는 새로운 생물이 등장하는 계기가 되었다. 또한 [[오존층]]의 형성으로 육상생물이 등장하는 계기도 마련해주었다. 산소는 대부분 [[광합성]] 작용으로 만들어지는데, 약 4분의 3은 [[대양]]의 식물성 [[플랑크톤]]과 [[조류 (수생 생물)|조류]]가, 나머지 4분의 1은 육상 [[식물]]이 만든다.

[[사람]]에게도 생명활동에 꼭 필요한 물질로써, 산소가 결핍되면 5분이 지나 [[뇌사]] 상태에 빠지고 8분 뒤면 사망한다. 사람을 비롯한 동물군의 체내에서 산소를 운반하는 것은 [[적혈구]]의 주요 역할이다.<ref>한국을 뒤흔든 세일즈 마케터. 55페이지. {{ISBN|89-89229-38-3}}</ref>

== 역사 ==
산소는 1774년 [[영국]]의 [[조지프 프리스틀리]]가 발견한 원소이다. 프리스틀리는 [[산화 수은(II)]]를 가열하는 도중 발생하는 [[기체]]가 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 [[스웨덴]]의 [[칼 빌헬름 셸레]]는 산소를 독자적으로 발견하였으나, 산소의 발견을 먼저 발표한 것은 프리스틀리였다. 그 뒤 [[앙투안 라부아지에]]는 이 기체의 이름을 ‘산소’로 정하였다.<ref name="mcgraw">Parker, S. P. et al., "Oxygen", ''McGraw-Hill encyclopedia of chemistry'', New York: McGraw-Hill, 1993, pp. 781~785.</ref> 한자어 산소(酸素)는 독일어 낱말 Sauerstoff에서 유래하였다.

=== 플로지스톤설 ===
{{본문|플로지스톤설}}
플로지스톤설은 1667년 독일의 화학자 J. J. 베허가 처음 주장했다. 주요 내용은 모든 가연성 물질에는 [[플로지스톤]]이라는 입자가 있어 연소 과정에서 플로지스톤이 소모되고, 플로지스톤이 모두 소모되면 연소과정이 끝난다는 옛 학설이다. 1783년에 라부아지에가 플로지스톤이 존재하지 않음을 확인하였다.

== 존재 ==
=== 자연에서의 존재 ===
산소는 질량 백분율로 [[대기]]와 [[해양]]을 포함한 [[지각 (지질학)|지각]]의 49.5[[백분율|%]]를 차지한다. 건조한 [[공기 (기체)|공기]]에서 산소는 부피 백분율로 20.946[[백분율|%]]을 차지한다. [[지각 (지질학)|지각]]에 존재하는 산소는 대부분이 [[규산염]]이나 [[산화물]], [[물]]의 형태로도 존재한다. 산소는 바다의 질량 면에서 88.81%를 차지하여, 지구 대양을 구성하는 주요 성분이다. [[우주]]에는 [[수소]], [[헬륨]] 다음으로 많이 존재하는 원소이나 그 존재 비율은 낮다.

많은 양의 산소가 [[호흡]], [[연소]] 등으로 사용되지만 [[대기]] 중의 산소의 비율은 거의 일정한데, 이는 [[광합성]] 때문이다. 광합성이 진행되면서 [[이산화 탄소]]와 물이 소비되고 [[포도당]]과 산소가 생성된다.<ref name="mcgraw"/>

=== 동위 원소 ===
{{본문|산소 동위 원소}}
[[대기]] 중의 산소는 세 종류의 [[동위 원소]]로 이루어져 있는데, <sup>16</sup>O가 99.759[[백분율|%]], <sup>17</sup>O가 0.037[[백분율|%]], <sup>18</sup>O가 0.204[[백분율|%]]를 차지한다. 대기 중의 산소는 대부분 [[이원자 분자]] 상태로 존재한다. [[물]]에 존재하는 산소의 경우 지역에 따라 동위 원소의 비율이 다르게 나타난다.

<sup>14</sup>O, <sup>15</sup>O, <sup>19</sup>O는 인공적으로 합성되는 [[방사성 동위 원소]]이다. 이들은 [[반감기]]가 매우 짧은데, 이중 가장 긴 반감기를 가진 동위 원소는 반감기가 약 120초인 <sup>15</sup>O이다.<ref name="mcgraw"/>

=== 동소체 ===
산소의 [[동소체]]는 [[이원자 분자]] 형태의 O<sub>2</sub>, [[오존]]으로 알려진 [[삼원자 분자]] 형태의 O<sub>3</sub>, 희귀하고 불안정한 O<sub>4</sub> 등이 있다. O<sub>4</sub>는 자성을 띠지 않고 옅은 푸른 빛깔을 띤다. O<sub>4</sub> 분자는 쉽게 해리되어 O<sub>2</sub> 두 분자를 생성한다.<ref name="encychem">Considine, G. D. et al., "OXYGEN", ''Van Nostrand's encyclopedia of chemistry'', 5th edition, Hoboken: Wiley-Interscience, 2005, pp. 11187~1191.</ref>

{{본문|오존|오존층}}

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

== 성질 ==
=== 물리적 성질 ===
==== 산소 원자의 성질 ====
산소 원자의 평균 [[원자량]]은 15.9994이다. 바닥 상태에서 산소 원자의 전자 배치는 1s<sup>2</sup> 2s<sup>2</sup> 2p<sub>x</sub><sup>2</sup> 2p<sub>y</sub><sup>1</sup> 2p<sub>z</sub><sup>1</sup>이다. 2p [[오비탈]]에 두 개의 [[홀전자]]가 존재한다. 산소 [[원자]]가 다른 원자와 부분적이거나 완전한 공유 결합을 할 때의 결합각은 90[[도 (각도)|°]]가 될 것으로 기대되나, 실제로는 [[물]](H<sub>2</sub>O)의 결합각이 104.47[[도 (각도)|°]]인 것과 같이 90[[도 (각도)|°]]에 비해 더 큰 결합각을 가진다. 이 문제는 산소의 2s와 2p 오비탈이 sp<sup>3</sup>[[혼성 오비탈]]을 이룬다고 설명함으로써 해결할 수 있다.<ref name="encychem"/>

==== 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 [[상자기성]]을 가지고 있으며 액체 상태일 때도 상자기성을 가진다. 1[[기압|atm]]에서 [[녹는점]]은 -218.80[[섭씨|°C]]이고 [[끓는점]]은 -182.97[[섭씨|°C]]이다. 0[[섭씨|°C]] 10<sup>5</sup>[[파스칼 (단위)|Pa]]에서의 [[밀도]]는 1.4290[[그램|g]]/[[리터|l]]이다.<ref name="mcgraw"/> [[결합 쌍극자모멘트|쌍극자모멘트]]는 0이며, 상온에서의 산소 [[원자]]간의 평균 거리는 1.208[[옹스트롬|Å]]이다.<ref name="sajun">화학대사전편집위원회 편, 성용길, 김창홍 역, 〈산소〉, 《화학대사전》(Vol. 4), 서울: 世和, 2001, 500쪽~502쪽</ref> 산소는 [[무극성 분자]]이다.<ref name="완자">{{서적 인용|저자= 김봉래 외 2 |제목= 완자 화학 Ⅰ(1권)|날짜= 2006-07-01 |판= 초판 |출판사= 비유와상징|쪽= 9 }}</ref>

=== 화학적 성질 ===
산소는 화학적으로 매우 활성이 높은 [[화학 원소|원소]]이다. [[금]], [[백금]], [[은]] 등의 [[귀금속]]이나 [[비활성 기체]], [[할로젠]](플루오린 제외) 등과는 직접 반응하지는 않지만 그 밖의 원소와는 직접 반응하여 산화물을 만든다. 반응의 예로는 다음과 같은 것이 있다.
::<math>\mathrm{C \ + \ O_2 \ \longrightarrow \ CO_2}</math>
::<math>\mathrm{4Al \ + \ 3O_2 \ \longrightarrow \ 2Al_2O_3}</math>
::<math>\mathrm{S \ + \ O_2 \ \longrightarrow \ SO_2}</math>
::<math>\mathrm{3Fe \ + \ 2O_2 \ \longrightarrow \ Fe_3O_4}</math>
::<math>\mathrm{4P \ + \ 5O_2 \ \longrightarrow \ 2P_2O_5}</math>
::<math>\mathrm{2Cu \ + \ O_2 \ \longrightarrow \ 2CuO}</math>
::<math>\mathrm{2F_2 \ + \ O_2 \ \longrightarrow \ 2OF_2}</math><ref>이 경우 산소는 산화된다.</ref>
일반적으로 이러한 반응은 [[발열 반응]]이고, 경우에 따라서는 [[연소]]를 일으킨다.<ref name="sajun"/> 실험실에서 산소의 존재를 확인하는 간단한 방법은 산소를 꺼져가는 불씨에 반응시키는 것이다. 이때 불씨는 다시 타오른다.<ref name="완자 정2">{{서적 인용|저자= 김봉래 외 2 |제목= 완자 화학 Ⅰ(1권)|날짜= 2006-07-01 |판= 초판 |출판사= 비유와상징|쪽= 정답 친해 2 }}</ref>

산소는 많은 [[화학 원소|원소]]와 한 가지 이상의 [[산화물]]을 생성한다. 예를 들어 [[황]]은 산소와 [[이산화 황]](SO<sub>2</sub>)과 [[삼산화 황]](SO<sub>3</sub>)의 두 가지 [[화합물]]을 생성한다. 산소가 포함된 [[이성분 화합물]] 중 대표적인 것으로는 [[물]](H<sub>2</sub>O)과 [[이산화 규소]](SiO<sub>2</sub>)를 들 수 있다. 이 가운데 이산화 규소는 [[모래]]의 주성분 중 하나이다. 산소가 포함된 화합물 중 이성분 화합물을 제외하면 [[규산염]]이 가장 대표적이다. 규산염은 [[토양]]과 [[바위]]의 주요 구성 성분이다. [[석회암]]과 [[대리암]]을 구성하는 [[탄산 칼슘]], [[석고]]의 구성 성분인 [[황산 칼슘]], [[보크사이트]]의 구성 성분인 [[산화 알루미늄]]에도 산소가 포함되어 있다. 또한 [[철]]은 자연에서 [[산화 철]] 화합물의 상태로 산출된다. [[과산화 수소]]는 [[표백제]]로 사용된다.<ref name="mcgraw"/>

== 산소 화합물 ==
=== 물 ===
{{본문|물}}
물의 성질은 물이 포함하고 있는 산소에 따른 것이 많다. 물이 가지고 있는 [[수소]] [[원자]]는 [[수소 결합]]을 할 수 있는데, 이는 수소 원자가 [[전기음성도]]가 큰 산소 원자와 결합하고 있기 때문에 가능한 일이다. 또한 이온성 화합물이 물에 녹을 경우 물 [[분자]]로 인해서 수화되는데, 이 역시도 산소 원자의 존재로 인해 물 분자가 부분적으로 전하를 띠기 때문에 가능한 것이다.<ref name="encychem"/>

=== 산화물 ===
{{본문|산화물}}
산소는 몇몇 [[비활성 기체]]를 제외하고는 거의 대부분의 [[화학 원소|원소]]와 산화물을 형성한다. 산화물은 크게 [[염기성 산화물]], [[산성 산화물]], [[양쪽성 산화물]]로 나뉠 수 있다. 염기성 산화물은 물에 녹아서, 또는 물과 반응하여 [[염기]]성 수용액을 생성하는 산화물을 말한다. [[알칼리 금속]]과 [[베릴륨]]을 제외한 [[알칼리 토금속]] 등 [[금속]]성이 강한 [[화학 원소|원소]]의 산화물 또한 여기에 속한다. 높은 [[산화수]]의 [[전이 금속]] 산화물과 [[비금속]]의 산화물은 산성 산화물인 경우가 많다. 양쪽의 중간에 속하는 원소의 산화물은 양쪽성 산화물이 되는데, 양쪽성 산화물은 산성 물질과도 반응이 가능하고, 염기성 물질과도 반응이 가능하다. [[산화 알루미늄]] 등이 여기에 속한다.<ref name="encychem"/>

== 용도 ==
=== 야금 ===
{{본문|야금}}
산소는 야금 과정에서 제련, 정제, 용접, 절삭 등 여러 가지 방면으로 활용되고 있다. 금속의 제련 과정에서는 많은 양의 산소를 [[용광로]]에 공급해야 한다. 정제 과정에서도 불순물을 산소로 산화시켜 제거하는 방법을 사용한다. [[산소아세틸렌 용접]]은 산소와 [[아세틸렌]]의 반응 시 발생하는 열을 이용하여 [[금속]]의 용접을 행하는 것을 의미한다. 절삭 역시 산소아세틸렌을 이용하여 이를 수행할 수 있다.<ref name="mcgraw"/>

=== 화학 합성 ===
여러 화학 합성 공정이 산소와 관련되어 있다. [[탄화수소]]를 산소로 [[연소]]시킬 때 산소의 양을 세밀하게 조절하는 등의 조치를 취할 경우 연소의 여러 단계에서 발생하는 물질을 생성할 수 있는데, 이를 [[부분 산화]]라고 한다. 예를 들어 대부분이 [[메테인]]으로 구성되어 있는 [[천연가스]]가 이 공정을 거칠 경우 천연가스로부터 [[아세틸렌]], [[에틸렌]], [[프로필렌]] 등을 얻을 수 있다. [[탄소]]나 탄화수소를 산소와 수증기로 반응시킬 경우 [[일산화 탄소]], [[수소]] 등으로 이루어진 [[합성가스]]를 얻을 수 있다. 합성가스는 [[메탄올]], [[옥테인]] 등 여러 [[화합물]] 생성에 원료로 사용될 수 있다. 그 외에도 산소는 연료 합성, 염료 생산 등 다양한 공정에 관여하고 있다.<ref name="mcgraw"/>

=== 공업연료 ===
* 제철소, 철 구조물, [[자동차]] 용접에 사용된다.
* 폐수, 폐유 처리에 사용된다.
* 유리제조에 사용된다.
* 의료용 호흡에 사용된다.
* 로켓, 잠수함 추진제에 사용된다.

== 생물학에서의 산소 ==
=== 광합성 ===
{{본문|광합성}}
식물의 광합성 과정은 [[이산화 탄소]]와 [[물]]을 사용하여 [[탄수화물]]과 산소를 생성하는 과정이다. 광합성의 전체 과정을 반응식으로 간단히 나타내면 다음과 같다. 반응식에서는 생성되는 탄수화물을 [[포도당]]으로 나타내었으나, 정확하게는 포도당 뿐만 아니라 다른 탄수화물로도 전환될 수 있는 [[글리세르알데하이드-3-인산]](G3P)이 생성된다.<ref>Campbell, N. A. et al., ''Biology'', 8th edition, San Francisco: Pearson Benjamin Cummings, 2007. pp. 187.</ref>
::<math>\mathrm{6CO_2 \ + \ 12H_2O \ + \ E \ \longrightarrow \ C_6H_{12}O_6 \ + \ 6O_2 \ + \ 6H_2O}</math>

광합성은 크게 [[명반응]]과 [[캘빈 회로]]로 구성되는데, 산소는 명반응 과정에서 생성된다. 명반응 과정에서 [[엽록체]]에 존재하는 수많은 색소 분자는 빛 에너지를 반응 중심에 있는 [[엽록소]]로 집결시키고, 이렇게 해서 집결된 빛 에너지는 [[전자]]로 전달되어 전자를 에너지적으로 들뜨게 한다. 들뜬 전자의 에너지는 [[아데노신 삼인산|ATP]]를 생성하는 데 쓰이고, 최종적으로 전자는 [[NADP]]<sup>+</sup>으로 이동하여 [[NADPH]]를 생성한다. 이후 ATP와 NADPH는 캘빈 회로에서 [[탄수화물]]을 생성하는 데 사용된다. 이때 필요한 전자는 물을 분해시켜서 얻는다. 물의 분해 결과 산소와 수소 이온이 생성되며 이렇게 해서 생성된 산소는 식물의 기공을 통해서 빠져나가게 된다.<ref>Ibid., pp. 193~199.</ref>

=== 세포호흡 ===
{{본문|세포 호흡}}
생명체는 세포 호흡 과정에서 산소를 사용한다. 전체 과정을 하나의 반응식으로 요약하면 다음과 같다.<ref>Ibid., p. 164.</ref>
::<math>\mathrm{C_6H_{12}O_6 \ + \ 6O_2 \ \longrightarrow \ 6CO_2 \ + \ 6H_2O \ + \ E}</math>
세포 호흡은 크게 [[해당과정]], [[TCA회로]], [[산화적 인산화]] 과정으로 나뉘는데, 이 중 산소가 관여하는 과정은 산화적 인산화 과정이다. 해당과정과 [[TCA회로]]에서 [[NAD]]<sup>+</sup>는 고에너지 [[전자]]를 받아 [[NADH]]가 된다. 생성된 NADH는 미토콘드리아의 내막에 존재하는 단백질 복합체로 [[전자]]를 전달한다. 단백질 복합체에서 전자가 가진 에너지는 [[아데노신 삼인산|ATP]]를 생성하는 데 사용된다. 마지막으로 전자는 산소로 전달되고 수소 이온과 결합하여 물이 생성된다.<ref>Ibid., pp. 172~177.</ref>

=== 대기의 생성 ===
원래 [[대기]]에는 지금과 같이 이원자 분자 상태로 존재하는 산소가 존재하지 않았다. [[광합성]]의 결과 산소를 배출하는 생물이 최초로 등장하였을 때, 이들로 인해서 생성된 산소는 처음에는 [[물]]에 녹아 있는 [[철]]과 반응하여 [[산화 철]]을 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.<ref name=vital_question>24억년 전이라고 추정하는 과학자들도 있다. 바이탈 퀘스천, 45-46쪽, 닉 레인저, 김정은 옮김, 까치, 2016년</ref>반응성이 큰 산소가 등장하자 산소에 적응하지 못한 수많은 [[원생생물]]을 멸종시켰다. 산소가 충분히 공급되지 못한 환경에서 살아가던 생물은 지금의 [[혐기성 세균]]으로 진화하였고, 산소가 풍부한 환경에서 살면서 산소에 적응하는 데 성공한 세균은 여러 형태의 생물로 진화하였다.<ref>Ibid., p. 516.</ref> 또 선캄브리아기 말기 6억 년전에 한 번 더 산소의 비율이 급격히 증가하는 사건이 있었는데, 이후 동물이 출현할 수 있는 환경을 만들어 주었다.<ref name=vital_question/>

=== 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 E]]가 있다.

== 같이 보기 ==
* [[산소의 순환]]
* [[저산소증]]
* [[산소 중독]]
* [[오존]]

== 각주 ==
<references />

== 참고 문헌 ==
* Campbell, N. A. et al., ''Biology'', 8th edition, San Francisco: Pearson Benjamin Cummings, 2007.
* Considine, G. D. et al., ''Van Nostrand's encyclopedia of chemistry'', 5th edition, Hoboken: Wiley-Interscience, 2005.
* Parker, S. P. et al., ''McGraw-Hill encyclopedia of chemistry'', New York: McGraw-Hill, 1993.
* 化學大辭典編集委員會 편, 성용길, 김창홍 역, 《화학대사전》, 서울: 世和, 2001.

== 외부 링크 ==
{{위키공용과 분류|Oxygen}}
* {{네이버캐스트|6158}}
* {{언어링크|en}} [http://www.webelements.com/webelements/elements/text/O/index.html 산소 - WebElements.com]

{{원소 주기율표}}
{{전거 통제}}

[[분류:산소| ]]
[[분류:16족 원소]]
[[분류:화학 원소]]
[[분류:비금속]]
[[분류:산화제]]
[[분류:전형 원소]]
[[분류:응급용 화학 물질]]