수소 결합 그리고 오존층

 

수소결합

물은 지구 상에서 가장 이상하고 가장 흔한 물질입니다. 물의 고체 형태는 액체일 때보다 밀도가 낮습니다. 그래서 얼음이 물에 뜨는 것입니다. 물은 크게 변하지 않으면서 많은 양의 열을 흡수할 수 있습니다. 해안가 도시들이 온대 기후를 갖는 이유가 여기에 있습니다. 물은 이른바'피부'를 가지고 있습니다. 즉, 서로 표면이 닿으면 달라붙으려 하는 얇은 분자층을 가지고 있습니다. 

물이 이처럼 특별한 성질을 갖는 것은 분자의 모양 때문입니다. 물 분자는 2개의 수소 원자 하나의 산소 원자로 구성되어 있습니다. 즉 물 분자는 H2O입니다. 산소 원자를 머리라 하고 2개의 수소 원자를 머리 양쪽에 달린 귀로 본다면 미키마우스와 닮았습니다. 물 분자에서 전자들은 고르게 분포되어 있지 않기 때문에 귀는 양의 전하를 띠고 머리는 음의 전하를 띱니다. 반대 전하끼리 끌리는 성질 때문에 물 분자의 귀는 다른 물 분자의 턱에 달라붙습니다. 이것을 수소 결합이라 합니다. 얼음이 되었을 때 물 분자는 안정적으로 서로 결합해서 사면체를 형성합니다. 그러나 액체 상태일 때는 분자 구조가 더 느슨해집니다. 수소 결합이 끊어졌다가 다시 결합하기를 끊임없이 반복합니다. 사실 보통의 수소 결합은 아주 잠깐 지속됩니다. 

물컵의 한가운데에 있는 물 분자는 모든 방향으로 동등하게 인력이 작용합니다. 그래서 실질적으로 별도의 효과가 발생하지 않습니다. 하지만 표면에서는 물 분자를 위로 잡아당기는 힘이 없기 때문에 분자들이 아래로 혹은 옆으로 더 세게 잡아당겨집니다. 그 결과 마치 달라붙는 성질이 있는 피부처럼 표면 장력이 만들어집니다. 표면 장력에 의해 컵의 가장자리 위까지 볼록하게 올라가도록 물을 채울 수 있습니다. 물이 구슬 모양의 물방울을 형성하거나 거품을 만들어내는 것도 표면 장력 덕분입니다. 

소금쟁이는 물의 표면 장력을 이용합니다. 소금쟁이는 가벼우면서 패드 같은 다리가 달려 있어서 실제로 물 위를 걸어 다닙니다. 물의 표면 장력은 우연히 물에 빠진 날벌레를 익사시킬 수 있습니다. 벌레들은 물 분자의 잡아당기는 힘을 이겨낼 만큼 빨리 날개를 펄럭거릴 수 없습니다. 

세제는 표면 장력을 낮추는 작용을 합니다. 그래서 물이 섬유의 구멍이나 먼지에 더 효과적으로 침투할 수 있습니다. 

오존층

지구의 대기는 여러층으로 나뉘게 됩니다. 우리는 산소가 풍부하고 에베레스트 산꼭대기 바로 위까지 뻗어 있는 대류권에 살고 있습니다. 지표면에서 상공 10킬로미터에서 50킬로미터까지 대기권을 성층권이라 합니다. 우리가 지구 상에서 생활할 수 있게 해주는 오존 O3의 90프로가 성층권에 있습니다. 성층권에서 오존 농도가 가장 높은 곳을 가리켜 오존층이라 하며, 대략 해발 25킬로미터 높이에 있습니다. 

오존은 희귀한 분자입니다. 보통의 산소 분자 O2는 산소 원자 2개로 구성되어 있지만 오존은 산소 원자 3개로 구성되어 있습니다. 산소 분자 200만 개당 오존 분자는 고작 3개 존재합니다. 그러나 오존층은 태양에서 나오는 유해한 자외선 UV의 97~99프로를 흡수합니다. 자외선은 백내장이나 햇볕 그을림, 피부암을 유발하며 농작물과 해양 생물에도 피해를 입힐 수 있습니다. 

지속성 자가 순환 과정에서 오존은 자외선을 흡수합니다. 자외선이 오존 분자에 부딪치면 오존 분자는 산소 분자 O2와 불안정한 산소 원자 하나로 분리됩니다. 산소 원자는 재빠릴 산소 분자와 결합해 오존 분자를 형성합니다. 안타깝게도 이렇게 효율적인 과정은 대기 중에 방출된 합성 유기화합물의 방해를 받을 수 있습니다. 그런 화합물 가운데 가장 악명이 높은 것이 염화불화탄소(클로로플루오르카본,CFC)입니다. 

20세기 중반에 염화불화탄소가 처음 만들어졌을 때 사람들은 그것을 기적의 화합물이라고 생각했습니다. 냉매제, 분무기 고압가스, 전자제품용 세정제, 병원 살균제로 사용할 수 있는 안정적이고 값싼 무독성 물질이었습니다. 1988년 무렵에서는 전 세계적으로 32만 톤(3억 2000만 kg) 이상의 염화불화탄소가 사용되었습니다. CFC는 매우 안정적이어서 200년 이상 대기에 머무를 수 있습니다. 염화불화탄소는 성층권에 도달하면 자외선에 의해 분해됩니다. 그때 염소가 방출되고, 염소는 오존에 달라붙어 오존을 파괴합니다. 염소 원자 하나가 10만 개의 오존 분자를 파괴할 수 있습니다. 20세기 후반 오존층 붕괴가 심각해지자 1987년 선진국가에서 염화불화탄소 사용을 공식적으로 금지하는 몬트리올 협약이 체결되었습니다. 

1980년대 초반 이후로 해마다 봄이 되면 남극 상공에 오조층 구멍이 나타나고 있습니다. 저말로 구멍이 생겼다는 말이 아니라 오존층 파괴가 매우 심해 오존 농도가 60프로 까지 떨어진 것을 가리킵니다. 

현재 오존층은 20세기 중반보다 현저하게 더 얇아졌지만 최근 보고된 과학 연구에 따르면 상태가 호전되고 있고 21세기 말이면 회복될 수 있을 것으로 예상됩니다. 수영장, 바다 염분, 화산에서 나오는 염소는 성층권까지 도달하지 않습니다.