공통 과학 - 4.1 수질 오염/ 산성비
1. 수질 오염/2. 산성비/비금속 산화물/산성비의 생성
각종 폐수와 생활 하수 때문에 강물과 호수가 오염되고,
산성비에 의해 땅이 산성화하며 호수의 산성화로
생태계가 망가지고 있습니다.
이 단원에서는 우리 주변에서 일어나는 이런 현상들에 대해 알아봅시다.
1. 수질 오염
(1) 용존 산소량(DO : Dissolved Oxygen)
물 속에 녹아 있는 산소량을 ppm(parts per million) 단위로 나타냅니다.
오염되지 않은 자연수의 DO는 약 8 ppm이고,
물고기는 일반적으로 약 4 ppm 이상인 물에서만 살 수 있습니다.
(2) 생물학적 산소 요구량(BOD : Biological Oxygen Demand)
물 속에 있는 유기 물질을 박테리아나 곰팡이와 같은 미생물이
생화학적으로 산화, 분해하는 데 필요한 산소의 양을 뜻합니다.
BOD는 20℃에서 5일 동안 유기물이 분해되는 데 필요한 산소량을 측정한 것으로
그 값이 클수록 오염된 물이죠.
음료수로 직접 쓸 수 있는 물은 BOD 1ppm 이하의 물이며,
3ppm 이하의 2급수는 약품 처리 뒤 음료수로 쓸 수 있고,
6ppm을 넘으면 약품 처리를 해도 식수로 쓸 수 없습니다.
(3) 화학적 산소 요구량(COD : Chemical Oxygen Demand)
유기 물질을 화학적으로 산화, 분해하는 데 필요한 산소의 양을 말하며,
주로 과망간산칼륨과 같은 산화제의 소모량으로 측정하지요.
BOD나 COD의 단위로는 일반적으로 ppm이나 mg/L 등을 씁니다.
(1) 산과 염기
산은 수용액에서 이온화하여 H+이온을 내는 물질이며,
신맛이 나고 많은 금속과 반응하여 수소를 만들고, 리트머스 시험지를 붉게 합니다.
염기 또는 알칼리는 수용액에서 OH- 이온을 내며,
리트머스 시험지는 푸르게, 페놀프탈레인 용액을 붉게 합니다.
(2) 금속 산화물
금속 산화물은 염기성을 띠므로 산과 반응합니다.
다음에 금속 산화물이 물에 녹아 염기성 물질이 되는 예를 들어 봅니다.
CaO + H2O → Ca(OH)2
Na2O + H2O → 2NaOH
위와 같이 OH- 이온을 가질 수 있으므로 염기성이며 당연히 산과 반응할 수 있는 겁니다.
(3) 비금속 산화물
비금속 산화물은 산성이므로 염기와 반응합니다.
비금속 산화물도 물에 녹여서 그 액성을 확인할 수 있습니다.
SO2 + H2O → H2SO3(아황산)
CO2 + H2O → H2CO3(탄산)
(예외) CO, NO는 모두 비금속 산화물이지만 산, 염기 모두 반응하지 않는다.
(4) 양쪽성 산화물
Al, Zn, Sn, Pb 따위의 산화물은 비록 금속 산화물이지만
산과 염기에 모두 반응하므로 양쪽성 산화물이라고 합니다.
(5) 산성도
산성의 세기를 비교하려면 뭔가 수치화하여 나타낼 필요가 있지요.
그래서 pH라는 개념을 도입하게 됩니다.
산성이 강하면[H+]값이 클 텐데, 물 속에서 [H+]값은 매우 작으므로
pH = -log[H+]를 써서 산성도를 나타내는 겁니다.
pH는 7 이 중성이고, 7 보다 작으면 산성, 7 보다 크면 염기성이라 합니다.
pH가 1 차이나면 수소 이온 농도로는 10 배 차이가 납니다.
오염이 안된 청정 지역에 내리는 비도 pH가 5.6 정도인데,
이것은 대기중의 이산화탄소가 빗물에 다소 녹아 산성을 띠기 때문이지요.
산성비는 pH가 5.6보다 더 낮은 빗물을 말합니다.
(6) 산성비의 생성
우리가 사용하는 연료는 대부분 화석 연료입니다.
화석 연료란 아주 오랜 옛날에 살았던 생물들이 죽어 퇴적된 뒤에
고온, 고압의 변성을 거쳐서 생긴 석탄, 석유, LNG, LPG 등의 연료를 뜻합니다.
이 연료들은 주로 탄소와 수소로 이루어져 있지만
생물체를 이루는 단백질은 일정한 모양을 갖추기 위해
반드시 황(S)을 함유하기 때문에 화석 연료에도 황이 어느 정도 들어 있게 마련이지요.
여러분들은 혹시 손톱이나 머리카락을 태워 본 경험이 있습니까?
그렇다면 조금 고약한 냄새를 맡아 봤을 텐데
그게 바로 황이 타서 생긴 아황산 가스(SO2) 때문입니다.
화석 연료를 태우는 과정에서 연료에 함유된 황 때문에 아황산 가스가 생기는데
이것이 산성비의 주범이 됩니다.
위 그림에서 산성비가 되는 과정을 알 수 있습니다.
화석 연료 속의 황이 아황산 가스(SO2)로, 아황산 가스가 황산 가스(SO3)로
이것들이 각각 빗물에 녹아 아황산(H2SO3), 황산(H2SO4)으로 되어 산성비가 내립니다.
산성비를 만드는 또 한 가지 물질은 질소 산화물입니다.
질소는 쉽게 산화하지 않으나 자동차 엔진이나 보일러와 같이 고온에서는
다음과 같은 화학 반응을 일으킵니다.
고온에서 생성된 NO가 공기 중으로 나오면 쉽게 산소와 반응하여
적갈색의 NO2로 되며 NO2가 빗물에 녹으면
아질산(HNO2), 질산(HNO3)이 생겨 산성비로 됩니다.
한편 위에 나타낸 질소의 반응은 자연 상태에서
번개와 같은 공중 방전에 의해서도 일어나서 질산 이온(NO3-)과 아질산 이온(NO2-)으로
식물에 공급되어 질소를 고정시키는 과정으로서도 작용합니다.