일산화 탄소

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'''CO
일산화 탄소
一酸化炭素

Carbon Monoxide'''

분류	무기화합물	상온 상태	무색 기체
분자량	28.01g/mol	밀도	1.145kg/m³
녹는점	68.13K −205.02°C / −337.04°F	끓는점	81.6K −191.5°C / −312.7°F
CAS 등록번호: 630-08-0

1. 개요2. 상세3. 용도4. 독성5. 중국의 일산화 탄소 배출6. 관련 문서

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1. 개요

Carbon Monoxide, CO[1]

탄소가 포함된 연료가 산소가 부족한 환경, 또는 저온의 환경에서 불완전연소할때 나오는 물질이다.

2. 상세

탄소의 연소반응에서 이산화 탄소의 생성 엔탈피(Enthalpy)가 일산화탄소보다 작은(큰 음의 값을 가지는) 반면, 생성 엔트로피(Entropy)는 일산화탄소 쪽이 더 크기 때문에 생성 자유에너지는 고온으로 갈수록 일산화탄소 쪽이 더 작아진다(더 큰 음의 값을 가진다). 따라서 고온일수록 반응의 평형도 일산화탄소 쪽으로 기울어진다. 제철 과정에서 취련이나 주조를 할 때 탄소와 산소의 반응생성물이 이산화 탄소가 아닌 일산화탄소가 되는 것도 이 때문이다. 일산화탄소가 완전연소하면 이산화 탄소가 된다.

3. 용도

산소와의 결합 반응이 매우 활발한 점을 이용해서 환원제로 사용한다. 강력한 환원력이 있기 때문에 산업적으로는 매우 유용하게 쓰이는데 여러 금속 산화물 광석을 환원시켜 금속으로 제련하는데 쓰인다. 용광로에서 제철할 때 산화물인 철광석에서 산소를 빼앗아 철로 만드는 것이 바로 일산화탄소의 역할이다.[2]

값싼 석탄에서 만들 수 있는 반응성 좋고 널리 쓰이는 저렴한 화학 원료이므로 화학 산업 현장에서 메탄올 생산, 초산 생산 등 여러 화합물의 생산의 원료로 사용하기도 한다. 또한 질산, 폴리우레탄 등의 제조 원료로도 사용한다. 직접 탄소를 불완전연소 시켜서 생산하기도 하지만, 제철소의 제련 과정에서 부산 가스로 일산화탄소가 발생하므로 이를 이용하기도 한다.

또 공기중에 연소시키면 파란 불꽃을 내며 연소하는 연료이다. 수성가스(water gas) 라하여 석탄에 1,000℃ 정도의 고온에서 수증기를 반응시키면 수소와 일산화탄소 혼합물이 발생하는데 과거에는 가스등 조명 등 여러 산업적 연료로 쓰였다.

또한 일산화탄소는 성간 공간에서 단원자 분자를 제외하고 수소 분자 다음으로 흔한 성간 분자로, 때문에 일산화탄소의 회전 에너지 준위가 2→1로 천이할 때 방출되는 230 GHz 전파 복사는[3][4] 전파천문학에서 성간 분자운 탐사와 같은 분야에 중요하게 이용된다.

4. 독성

굉장히 위험한 물질로 적혈구의 헤모글로빈 [5]에 대한 결합력이 산소보다 엄청나게 높아서 이것이 과다하게 흡입되면 생물은 산소부족으로 죽게 된다. 결합력의 차이는 대략 200:1.[6] 따라서 공기 중에 극히 소량만 존재하더라도 문제가 되는데, 이는 소량이라 할지라도 거의 모두 인체에 흡수되어 작용하기 때문이다. 또, 산소 운반기능 저하 이외에 미토콘드리아의 세포내 호흡을 차단하는 역할도 동시에 한다. 효과는 동일. 시안화칼륨, 시안화수소 등에 들어 있는 시안(CN^-)기도 이런 식으로 독성을 나타내는 것이다. 일산화탄소 농도가 높아지면 두통, 현기증, 메스꺼움 따위의 증상이 나타나고 일산화탄소의 혈중 포화도가 55~57% 수준이면 전신마비와 신경세포 사멸이 시작되며, 60%를 넘어가면 산소 부족으로 사망한다. 살아남아도 기억 상실, 운동 실조 등 중추신경계에 후유증을 남기기도 한다. 흔히 담배를 피울 때 '헤롱'이 온다고 하는 그 느낌도 일산화탄소 흡입으로 인한 질식 현상이다.

이쯤 되면 독가스로도 사용되었을 법 하지만, 밀폐된 공간이 아닌 개활지에서는 공기의 20% 분량을 차지하고 있는 산소와 결합되어 거의 무독성인 이산화 탄소로 변질되기 때문에 그 독성을 계속 유지하기가 어렵다. 따라서 대량살상무기로 지정되어 있는 시안화수소와 달리 '전쟁'에서 일산화탄소를 독가스로 사용되었다는 기록이 없는 것이다.

단, 헤모글로빈이 아닌 헤모시아닌이 산소를 운반하는 생물은 일산화탄소에 중독되지 않는다.[7]

미량만 흡입해도 매우 위험한 독성 기체인 반면 체내에서 일산화질소(NO)와 더불어 국소조절 가스로 작용하기도 한다. 뇌세포에서 자연적으로 합성되며, 신경전달물질 역할 및 혈관 확장 조절의 역할을 수행한다. 극소량을 이용한 임상적인 치료 기법 연구도 진행되고 있는 상황.

과거에 많았던 연탄가스에 의한 사고의 원인이 되는 물질로 제대로 마르지 않은 연탄을 태웠을 때 불완전연소가 생겨서 일산화탄소 발생도 많아진다. 민간요법으로 동치미 국물을 먹이는 게 있었으나[8], 실제로는 효과가 없으며 최대한 빨리 오염지로부터 대피시키고 구급차를 불러야 한다. 제대로 된 치료는 최대한 신속하게 고압 산소 챔버에 집어 넣는 것.[9] 이 때문에 1990년대 초중반까지 대형 병원에는 고압 산소 챔버를 갖추고 있는 경우가 많았다.[10]

그러나 현재는 고압 산소 챔버를 갖춘 병원은 종합병원/대학병원에도 거의 없다. 광역시 또는 광역시급 대도시에서도 고압산소통이 있는 병원이 전혀 없는 지역도 여러 곳이다.[11]

21세기 이후론 웬만한 빈민가에서 살아온게 아니라면 연탄을 접해볼 기회가 거의 없어졌고[12] 병원에서도 더 이상 고압 산소 챔버를 쓸 일이 없어지면서 이 기계가 없어지다보니 이로 인한 문제가 발생하고 있다. 특히 아직도 공중접객업소나 일부 군부대 같은 특정시설의 경우는 값싼 난방을 위해 연탄을 사용한다. 따라서 이를 모르는 사람이 연탄가스를 접해 본 적도, 그 위험성을 알지도 못하는 상황에 무방비로 노출될 수 있다. 겨울철 난방이 된 곳에서 기분 나쁜 탄 내가 나거나 혹은 이유없이 머리가 아프다면 유의할 필요가 있다. 일산화탄소는 공기보다 가벼우며(비중 0.6) 퍼지는 성질이 있기에 저층부 또는 옆건물을 확인해 볼 필요가 있으며, 연통 등 가스유입이 확인된다면 창문 등을 닫아 필히 차단해야 한다. 참고기사

인체 뿐만 아니라 최신 동력원으로 각광받는 연료전지에 악영향을 주기도 한다. 연료전지에서 수소를 수소 이온으로 분해하고 이를 산소와 반응시키는 과정에서 백금 촉매를 이용하는데, 백금이 일산화탄소에 반응하면 촉매로써의 기능을 상실하기 때문. 특히 연료전지를 얻기 위한 수소를 모으는 방법중 가장 경제적이라 알려진 천연 가스의 수증기 분해를 이용한 분리 방법의 가장 큰 걸림돌이 바로 이 일산화탄소로 천연가스로 분해해 얻은 수소를 제대로 쓰기 위해 이것을 분리하는 과정이 필요하다. 다만, 영구적인 손상이 일어나지는 않고 장기적인 내구성에 악영향을 끼친다. 이는 일산화탄소에 의한 촉매 성능 손상을 예상하고 백금에 루테늄(Ru)를 합금한 촉매를 연료극에 사용하고 있기 때문인데, 일정 농도(10ppm) 이하의 일산화탄소는 별 영향을 끼치지 못한다.

가정에서 쉽게 생성되는 유독 가스 중에 가장 위험한 기체라서 과반수의 미국 주정부에서는 일산화탄소 경보기 설치를 의무화하고 있다. 그래서 경보기 종류도 다양하고 화재 경보기와 융합된 제품도 있다. 국내에서는 텐트에서 가스 버너를 쓰는 캠핑족에게 필요한 캠핑용품이라는 인식이 강하다. 일산화탄소 관련 법적 제도 미비는 더 심해서 욕실, 미장원 등 협소하고 밀폐된 곳에서 일산화탄소를 열심히 뿜어대던 개방형 가스온수기[13] 생산이 2009년에 국정감사에서 질타받고 2013년이 되어서야 법으로 금지되었다. 하지만 이미 설치된 온수기는 계속 사용하고 있고 중고 시장에서도 상당한 물량을 쉽게 찾아볼 수 있어 소형 가스온수기는 지속적으로 사고를 발생시킬 것으로 보인다.
자세한 사항에 대해서는 일산화탄소/독성 문서를 참조.

5. 중국의 일산화 탄소 배출

한국 게시판에서 중국의 미세먼지 농도 사진이라고 하면서 유독 중국, 특히 중국북부만 매우 오염 농도가 짙은 사진이 올라오는데 예를 들어 이런거, 이건 미세먼지 농도가 아니고 일산화탄소 농도지도이다. 원자료 싸이트 중국이 유독 이렇게 일산화탄소 농도가 높은 이유는 가정이나 공업용 연료로 석탄과 목탄, 특히 조개탄처럼 압축한 덩어리 탄을 많이 쓰기 때문에 불완전 연소로 저렇게 대기중 농도가 높다. 덩어리탄 자체도 문제가 있고 아궁이도 보온력이 떨어져 온도가 낮고 공기공급이 적어 불완전 연소가 되는 것이다. 한국의 연탄도 비슷한 문제가 있었으나 탄소비율이 매우높은 무연탄이고 연탄이나 아궁이의 개량으로 일산화탄소 발생량이 훨씬 적었고 지금은 연탄사용 자체가 거의 사라졌다.

일산화탄소는 건강에 만성적 피해를 미치긴 하나 멀리 확산되지 않고 그전에 쉽게 반응하여 이산화 탄소가 되므로 멀리 한반도까지 날아오는 미세먼지와 달리 한반도에서는 일산화탄소가 날아올까 걱정할 필요는 없다. 물론 석탄 사용량과 같은 대기 오염의 지표로서 간접적으로 확인할 가치는 있다. 일산화탄소가 이렇게 많이 발생할 정도면 다른 대기 오염 물질도 그만큼 많이 발생하였을 가능성이 크다는 뜻이기 때문이다. 그러나 일산화탄소 자체가 미세먼지와 함께 한반도에 영향을 줄 수준은 아니다.

다만 실제로 대기 중 일산화탄소가 한반도까지 확산되는 짤이 인터넷에 회자되었다. 기사 참조 해당 시뮬레이션은 윈디닷컴의 CO농도 항목을 클릭하거나, 이와 유사한 Eeath Nullschool과 같은 대기환경 시뮬레이션 사이트에서 실시간으로 확인 가능하다. 물론 색깔은 저렇게 심하지만 ppb(10억분의 1) 단위이기 때문에 지상에서 일산화탄소 중독으로 사람들이 쓰러진다거나 하는 일은 없다. 환경부 고시 대기환경 기준을 참고.

6. 관련 문서

[1] 두 자 모두 대문자로 써야 한다. Co는 코발트다. 예전에 가정집에서 연탄을 때워 일산화탄소 중독이 많았던 무렵, 종종 TV 뉴스에서 Co로 잘못 쓰곤 했다. 탄소(C) 하나와 산소(O) 하나의 화합물이라는 뜻으로 CO인거다. [2] 그래서 제철 과정에는 코크스라는 석탄 비슷한 탄소 덩어리를 철광석과 함께 집어넣어 연소시킨다. 연소 온도를 적절하게 맞추는데 도움도 되고, 탄소를 뿜어내 고온에서 산화철에 포함된 산소와 폭발적으로 반응하여 순수한 철로 환원시키는 원리. 이 과정에서 일산화탄소, 이산화탄소가 무더기로 발생한다. [3] 수소 분자의 회전 에너지 준위는 쌍극자 천이를 하지 않고 사중극자 천이를 하며(이 경우 회전 에너지 준위가 2씩 천이할 수 있다. 일산화탄소처럼 쌍극자 천이를 하는 분자는 1씩 천이할 수 있다.) 준위의 간격도 일산화탄소 분자보다 넓어 회전 에너지 준위가 들뜨기 위해 필요한 에너지가 커서 수소 분자의 회전 천이에 따른 분광선은 온도가 높은 환경에서만 생성될 수 있기 때문에 보통의 성간 분자운에서는 온도가 낮아 관찰되지 않으며, 또한 파장이 가장 긴 선이 28 μm의 파장을 갖기 때문에 적외선 영역에서 관찰된다. [4] 230 GHz는 파장으로 환산하면 약 1.303 mm로, 밀리미터파에 속한다. 구경 10 m의 단일경으로도 사람 눈보다 약간 낮은 33" 정도의 각분해능을 얻을 수 있어 분해능을 높이기에는 비교적 좋은 주파수이나, 주파수가 높아 지구 대기의 영향을 다소 받을 수 있고 전파망원경의 경면 정밀도가 높아야 한다. [5] 정확히는 헤모글로빈에 존재하는 철. [6] 엄밀히 말해 일산화탄소가 헴에 결합하면 산소와 헤모글로빈 사이의 친화력 자체는 좋아진다. 문제는 이 때문에 산소농도가 낮은 조직부분에서 산소해리가 정상적으로 되지 않는것. [7] 낙지, 달팽이 같은 연체동물과 곤충류 등. [8] 동의보감에도 연기를 마셔서 두통과 구토가 있을 때 생무의 즙을 마시라는 민간요법이 나온다. 응급상황에서 무를 갈아 즙을 낼 경황이 없으니 동치미로 대체된 것인데, 애당초 구토/두통 정도의 증상과 혼수 상태는 상황이 다르다. 의식이 없을 땐 후두부가 작동하지 않으므로, 음식물이 기도로 넘어가 질식을 유발할 가능성이 높아진다. [9] 일산화탄소의 노출량에 따라 다르나, 대개 4기압의 100% 산소 농도에서 1~2시간 놓아두면 치료된다. 산소 밀도로만 보면 대기 중 20배인 셈이며, CO의 헤모글로빈에 대한 결합능력을 산소를 쑤셔넣는 물량 작전으로 찍어누르는 치료법. 상태에 따라 최대 3회까지 반복 시행한다. [10] 연탄이 대중적인 연료로 사용되던 90년대 초중반 무렵까지만 해도 연탄가스 중독 사고는 '살다 보면 누구나 당할 수 있는 흔한 사고'로 여겨졌다. '평소 성실하던 직원이 연락없이 갑자기 출근시간이 지났는데도 나타나지 않자, 혹시 그 직원이 연탄가스를 마시고 쓰러져 있는 것이 아닌지 염려한 상사가 급히 다른 직원들을 해당 직원의 집으로 보냈다'는 이야기가 있는데, 당시 기준으로는 전혀 우습거나 설레발처럼 여겨지는 이야기가 아니었다. [11] 대구광역시/경상북도 지역에는 고압 산소 챔버는 단 한 대가 있다고 한다. 이것도 2016년 11월에 신규로 도입한 장비로 이전에는 아예 한 대도 없었다고. [12] 1980년대까진 거의 모든 가정에서 연탄을 주된 난방 연료로 썼지만 도시가스가 대중화되면서 연탄으로 난방하는 가구수는 급속히 줄었다. [13] 소형모델 위주로 출시되어 많은 곳에서 쓰였다. 별도의 연통 없이 실내 공기에서 산소를 끌어다 쓰고 연소 가스를 실내로 바로 내뿜는 방식이라 밀폐된 장소에서 이런 물건을 쓰는 건 자살 행위다. 이러한 온수기가 일상적으로 쓰이는 일본의 경우 주로 부엌에 설치하는데 환기가 가능한 창문이 존재하므로 큰 문제가 되지 않는다. 하지만 대한민국은 부엌이나 욕실에 창문이 없는 경우가 많고, 가정집은 지역난방으로 온수를 해결하므로 온수기는 주로 업소용으로만 쓰는데 그래서 문제가 되는 것이다. 결국 온수기의 대세가 가스에서 전기식으로 바뀌는 계기로 작용했다.