<천사의 물질 프레온>
강력한 방사선은 원자들을 분리하거나 새로운 조합을 할 수 있으며 원자에서 전자를 떼어 내어 그 원자를 이온화시킬 수 있다. 전자가 빠진 원자를 이온이라고 부르는데 ‘이온’이란 그리스어로 ‘여행자’라는 뜻이다.
1884년에 화학을 공부하던 학생인 아레니우스(Svante August Arrhenius)는 전기적 흐름을 만드는 용액의 어떤 움직임은 ‘전하를 띤 전자, 즉 이온’ 때문이라는 가설을 박사 학위 논문으로 내 놓았다. 그의 주장을 들은 심사위원들은 그의 논문이 너무나 혁명적이어서 쉽게 이해하지는 않았지만 결국 박사 학위는 수여하되 최하의 점수를 주는 선에서 합의를 보았다. 원자 내에 전하를 띤 입자들이 아직 발견되지 않은 상태였으므로 전기적으로 전하를 띤 원자의 개념이란 도저히 이해가 되지 않았기 때문이다.
그러나 1890년대 말에 전자가 발견되자 아레니우스는 갑자기 유명 인사가 되었다.
그는 1903년에 노벨 화학상을 받았는데 노벨상 수상 연구 제목은 바로 그의 박사학위 논문이었다. 노벨상의 수상 이력을 살펴보면 학문의 시작이라고 할 박사 학위 논문으로 노벨상을 수상한 경우가 여러 번 있는데 아레니우스와 마리 퀴리가 그런 경우이다.
1901년 12월 12일에 마르코니가 영국의 콘월에서 대서양을 가로질러 3,380킬로미터 떨어진 캐나다의 뉴펀들래드까지 신호를 보내는 데 성공했다. 이 사실은 학자들을 혼돈에 빠뜨렸다. 라디오파는 직선으로만 전달되는데도 불구하고 어떤 이유로 라디오파들이 지구의 곡률을 따라 뉴펀들랜드까지 도달했는가를 이해할 수가 없었기 때문이다.
<오존 발견>
대기 중에서 불꽃 방전이 일어나면 독특한 강한 냄새를 띄는 연푸른빛의 기체가 생긴다. 바로 오존이 생기기 때문이다. 이를 특징은 오래 전부터 알려져 있지만 과학계에서 오존이란 기체에 대해 독일 화학자 쇤바인(Christan Friedrich Schönbein, 1799〜1868)이 「몇 가지 화학반응에서 나타나는 냄새의 성질에 관한 연구」로 처음 발표했다. 그는 이 기체를 오존(ozone)이라 명명했는데 그것은 희랍어 ‘ozein'이 '냄새가 난다'라는 뜻을 가지고 있기 때문이다.
몇 년 후 프랑스의 소레(Soret)는 보통의 산소가 산소 원자 두 개의 분자구조를 갖고 있는데 오존은 3개의 산소원자를 갖고 있다고 발표했다.
오존에 대한 연구는 많은 학자들의 주목을 받았는데 1902년 영국의 물리학자 헤비사이드(Oliver Heaviside)와 미국의 전기기술자 케넬리(Arthur Edwin Kennelly)는 독자적으로 라디오 신호가 대기의 높은 곳즉 104킬로미터에 있는 전하를 띤 층에서 반사되어 온 것이라고 주장했다.
이 반사층을 헤비사이드의 이름을 붙여 ‘케넬리-헤비사이드 층(Kennelly Heaviside layer)’이라고 부른다.
영국의 물리학자 애플턴(Sir Edward V. Appleton)은 라디오파의 전달이 급속하게 감소하는 현상에 주목했다. 그는 라디오파의 감소효과는 동일한 신호의 두 발신음 사이의 간섭효과 때문이라고 결론지었다. 즉 하나는 전달자로부터 직접 전달된 것이고 다른 하나는 상층 대기에서 반사되어 우회하면서 전달되었는데 둘 사이에 위상의 차이 때문에 두 파가 부분적으로 서로 상쇄되어 감소가 이루어진다는 것이다. 1926년에 애플턴은 동트기 전에 잠시 라디오파가 반사되는 층을 ‘애플턴 층’이라고 명명했고 이 층은 높이 225 킬로미터에 위치하고 있다고 발표했다.
그는 이온권이라 불리는 대기에 대해서도 정의를 내렸는데 이온권은 물리학자 와트에 의해 중간권과 열권으로 나뉘어진다. 이온층은 낮 동안의 태양복사의 영향이 끝난 후, 즉 낮이 끝날 무렵 가장 강하고 새벽에 약하다. 왜냐 하면 많은 이온들과 전자들이 다시 결합하기 때문이다. 지구에 전해지는 높은 복사 에너지와 입자들의 흐름을 강렬하게 하는 태양풍은 이온화된 층을 강화하고 두껍게 한다. 또한 이온층 위의 구역은 섬광을 일으켜 오로라를 만들어 낸다. 이들 전기의 폭풍 때문에 장거리 라디오파의 송신은 혼란되고 때때로 송신이 불가능하게 된다. 애플턴은 이런 ‘전리층에 관한 연구’로 1947년에 노벨 물리학상을 받았다.
학자들의 연구로 오존이 대류권(지상〜약11킬로미터)과 성층권(약11〜50킬로미터)에 분포되어 있는데 지구 전체 오존의 90퍼센트가 성층권에 있고 특히 약 25킬로미터 정도에 오존층이 있다고 설명한다.
오존은 3개의 산소 원자로 이루어진 활성이 강한 푸른빛의 기체로 번개가 칠 때 냄새가 강한 것은 바로 오존이 생기기 때문이다. 1785년경부터 알려졌으나 1840년 새로운 분자로 확인되어 그리스어로 냄새를 뜻하는 ‘ozein’에 따라 오존(ozone)으로 명명되었다. 그리고 1874년에 브로디에 의해 O3이라는 분자 구조가 밝혀졌다.
오존이 여러 가지 파장의 빛을 흡수한다는 것은 많은 학자들의 호기심을 붇돋았다. 처음에 프랑스의 차퓌스가 1880년에 450nm에서 800nm사이의 가시광선이 오존에 의해서 흡수되는 것이 발견되었다. 1881년에는 아일랜드의 화학자 하틀리가 240nm에서 300nm사이의 짧은 파장을 가진 자외선이 오존에 흡수되는 것을 발견했고 영국의 천문학자 허긴스는 1896년에 300nm에서 340nm의 파장도 오존에 흡수된다는 것을 발견했다.
여기에서 하틀리는 지상에서 관측되는 태양빛에 300nm보다 짧은 파장을 가진 자외선이 없는 것에 주목하고 이들 없어진 자외선은 대기 상공에 있는 오존에 흡수되어 지상에 도달하지 않는다고 생각했다. 그러므로 그는 대기상공에는 틀림없이 많은 오존이 있다고 오존층의 존재를 예언했다. 그러나 하틀리의 예언은 당시의 측정기구가 도달할 수 있는 고도가 충분히 높지 않아 확인되지 않았다가 1940년 후반에 로켓이 발명되자 상황은 급변한다. 로켓으로 30킬로미터 이상의 높이도 측정할 수 있게 되자 30킬로미터보다 위에서는 사진이 찍히는 파장 영역이 넓어지고 55킬로미터가 되면 240nm이하의 파장까지 관측된다는 것을 확인했다.
만약에 로켓 관측으로 오존층의 존재가 확인되었을 때 하틀리가 생존해 있었다면 틀림없이 노벨상을 받았을 것이다. 그것은 100킬로미터보다 위의 대기층에 있는 이온층을 발견한 공적으로 애플턴이 노벨상을 받았기 때문이다.
오존층은 대류권계면과 근접해 있는데 높이도 다양하여 극지방이 가장 낮고 적도 지방에서 가장 높다. 또한 오존층의 밀도는 극지방에서 가장 높은 반면 햇빛의 영향으로 산소 분자의 분해가 가장 심한 적도에서는 가장 낮다.
<냉장고와 에어컨>
20세기 말에 세계를 놀라게 한 것은 오존층에 엄청난 구멍이 뚫려 있다는 것이다.
그것도 현대 문명에서 필수적으로 냉매에 사용되고 있는 프레온 가스 때문이라는 것이다. 프레온 가스는 인간의 필요에 의해 발명된 할로겐 화합물로 이 물질의 정확한 명칭은 염화플루오르화탄소(CFC)이다.
이 물질은 사실 인간의 승리 작품이기도 하다. ‘치약’장에서 설명했지만 불소는 매우 유독한 물질이다. 그런데 학자들이 이 흉포한 성질을 다스리는 법을 알아내어 인류의 생활에 이바지하도록 만들었기 때문이다. 이후 불소 화학은 현재 무기 화학에서 하나의 독립된 부분을 이루고 있다.
인류는 기원전 2000년 전 부터 음식이나 물건을 냉장 보관하기 위해 얼음을 사용했다. 냉장 또는 냉동은 고체와 액체 상태를 이용하지 않고 액체 상태와 기체 상태를 이용한다. 액체는 증발하며서 주위의 열을 흡수하며 증발된 액체(기체)는 다시 압축되어 액체로 되돌아간다. 바로 이 압축 과정 때문에 냉동이라는 글자(refrigeration)에 're'란 철자가 앞에 붙은 것이다. 순환의 핵심은 압축을 일으키는 기계를 가동시킬 수 있는 에너지원이다. 즉 압축과 증발이라는 순환을 반복하는 화합물인 냉각제가 반드시 필요하다. 그러므로 아이스박스는 지속적으로 얼음을 넣어 줘야 하기 때문에 기술적으로 보면 냉장고가 아니다.
오늘날과 같은 인위적인 냉동 기술은 1748년에 영국의 글래스고 대학의 윌리엄 컬런이 에틸에테르를 반 진공 상태에서 기화시켜 냉동에 성공하면서 시작되었다. 그러나 그는 자신의 발견을 실용화하는데는 눈을 돌리지 않았다. 당시에는 에틸에티르를 압축할 수 있는 기계가 없었으므로 냉장이라는 기계를 만들 수 없었기 때문이다. 이후 마이클 패러데이(Michael Faraday, 1791～1867)는 1820년 압축액화된 암모니아가 다시 기화할 때 공기가 차갑게 변하는 것을 발견했다. 암모니아는 현재도 냉동에 주로 사용되므로 모든 현대의 냉각 기술은 패러데이의 발견에 바탕을 두고 있다고 볼 수 있다. 1842년에는 존 고리에가 패러데이의 압축 기술을 얼음을 만드는데 이용했는데 본격적인 냉장고는 1837년 오스트레일리아로 이민 온 스코틀랜드인 제임스 해리슨에 의해서이다.
그는 1851년경 기체화된 에틸에테르를 압축하여 액체로 만들 수 있는 컴프레셔(냉동용 기체 압축기)를 개발하여 드디어 최초로 상업용 냉장고를 개발된다. 그와 거의 동시에 미국인 알렉산더 트와이닝도 유사한 압축 냉동시스템을 만들었다. 이 당시 이산화황도 냉각제로 사용되어 아이스 스케이트장을 만들기도 했다. 1859년에는 프랑스인 페르디낭 카레가 암모니아를 냉각제로 사용하여 냉동법이 상용화되기 시작했고 1875년에는 독일인 린데가 에틸에테르보다 더 냉동 효과가 우수한 암모니아를 이용한 실용적인 흡수식 냉장고를 만들었다. 흡수식 냉장고는 압축기가 필요하지 않았으므로 전기를 사용하지 않고 소음도 없는데다가 냉동 효과가 좋아 현재도 최고급 호텔에 사용되는 소형 냉장고나 이동이 잦은 군부대에서 사용된다.
냉장고는 세계적인 거대 향신료 무역에 사망선고를 내린 것으로 유명하다. 냉장고가 출현하면서 후추, 정향, 육두구가 더 이상 방부제로서의 효용성이 사라졌기 때문이다. 지금도 후추를 비롯한 기타 향신료들이 여전히 인도를 비롯한 각국에서 재배되고는 있지만 주요 수출품은 아니다. 한마디로 세계를 주름잡게 만든 향신료의 유혹은 이제 과거지사가 되었다. 지금도 각종 향신료가 우리 음식에 포함되어 미각을 도와주고 있지만 신선함과 부패 방지를 위한 역할은 미미해졌기 때문이다.
1880년대부터 압축과 증발에 의한 냉동시스템 덕분에 대형 선박으로 세계 각지의 육류가 수송되기 시작했다. 냉동은 시장과 거리가 너무 멀어 풍부한 농산물을 팔 기회가 없었던 오스트레일리아, 뉴질랜드, 아르헨티나, 남부아프리카 등에 큰 희망을 주었다. 세계 물동량에 변화가 오기 시작한 것이다.
냉장고의 자매라 볼 수 있는 에어컨도 마찬가지 원리로 작동된다. 얼마 전 까지만 해도 부의 상징이었던 에어컨은 공기를 차갑게 만들지만 냉장고는 차가운 얼음을 만드는 것이 다를 뿐이다. 그러나 액체를 고체로 만드는 얼음과는 달리 실내 공기를 주변보다 다소 차갑게 만들면 시원하게 느끼므로 다소 원초적인 방법으로도 에어컨 효과를 낼 수 있다. 가장 잘 알려져 있는 것이 부채임을 모르는 사람은 없을 것이다. 그러나 부채는 부채를 계속 부칠때만 시원하게 마련이다. 또한 적용 범위도 개개인에 국한되므로 고대 로마인들은 보다 적극적인 에어컨 효과를 내도록 했다. 2세기 중국에서는 직경 3미터가 되는 회전하는 바퀴가 달린 팬을 개발해 연못 주위의 찬 공기를 집안으로 끌어들였다.
이와 같은 원리를 보다 기계적으로 실내공기를 차게 만들어주는 것이 에어컨인데 에어컨의 원리는 병원에서 주사맞을 때 정확하게 체험한다. 주사를 맞기 전에 알코올을 함유한 거즈로 먼저 주사맞을 곳을 소독하는데 신기하게 알코올이 묻은 부분이 시원해진다. 이것은 액체인 알코올이 몸의 열을 빼앗아 기체로 변했기 때문이다. 이런 증발 현상을 기계설비를 이용하여 실내의 공기를 차갑게 하는 것이 에어컨이고 얼음을 만드는 것이 냉동고이다.
에어컨은 냉동과 궤를 같이하지만 건물과 같은 대단위 공간을 차갑게 만들어야 하므로 냉장고보다 실용화가 다소 늦다고 볼 수 있다. 1902년에 미국의 윌리스 하빌랜드 캐리어가 최초의 상업적인 에어컨을 만든 장본인이다. 그는 뉴욕 주의 한 기계설비회사에 입사했는데 브루클린의 한 출판사가 한여름의 무더위와 습기로 종이가 멋대로 수축하고 팽창하여 깨끗하게 인쇄할 수 없다고 불평했다. 20대 초반의 캐리어는 간단한 발상의 전환을 한다. 뜨거운 증기를 파이프로 순환시켜 공기를 따뜻하게 만들어 난방이 가능하다면 차가운 물을 이용하여 냉방도 가능하다는 것이다.
이와같은 역할을 하는 용도의 물질은 암모니아, 염화메틸, 이산화황, 프로판 등 여러 가지가 있다. 암모니아 같은 경우 영하 30도에서도 기체가 되므로 적은 열로 기화시킬 수 있는 장점이 있다. 문제는 계속 에어컨을 작동시키려면 암모니아를 계속 공급해 주어야한다는 점이다. 에어컨은 냉매로 사용되는 물질이 기체로 된 것은 다시 액체로 만들어 계속 순환되도록 하는 것이다. 원리적인 방법은 매우 간단하게 도출된다. 비결은 ‘높은 압력’이다. 에어컨의 기체 냉매는 실외기의 압축기와 응축기에 의해 액체 상태로 바뀌어 다시 순환된다. 냉매에 힘을 주어 실내기와 실외기를 순환하게 하는 것이 압축기로 사람으로 보면 심장과 같은 역할을 한다. 압축기가 멈추면 심장이 멈추듯 에어컨이 정지한다. 참고적으로 에어컨과 냉장고는 같은 원리이지만 약간 다른 점은 에어컨은 기본적으로 응축기가 실외에 있지만 냉장고는 응축기가 냉장고에 부착되어 있다는 점이다. 기본적으로 기체상태의 냉매가 액체로 변하면서 내는 열은 송풍기를 통해 밖으로 배출된다. 에어컨의 경우 실외에 있으므로 대기로 방출되지만 냉장고의 경우 실내로 방출된다. 냉장고 뒤쪽에 뜨끈뜨끈한 열이 느껴지는 것이 이 때문으로 냉장고를 설치할 때 벽체와 반드시 약간 떼어놓으라는 것도 이 때문이다.
이들 모두 기계적인 설비에 의하므로 힘이 필요한데 많은 사람들이 궁금하게 생각하는 것은 얼마만한 크기의 힘이 필요하느냐이다.
에어컨의 능력은 냉동톤(t)으로 설명된다. 1냉동톤은 시간당 0도의 물 1톤을 같은 온도의 얼음으로 만들 수 있는 열량이다. o도의 얼음 1킬로그램이 같은 온도의 물로 변하려면 주변으로부터 79.68kcal의 열을 흡수해야 하는데 이를 상변화 온도라고 한다. 따라서 1냉동톤은 3,320kcal/시간이다. 보통 가정에서 사용되는 에어컨은 2〜3냉동톤의 용량을 가지므로 6,600〜9,960kcal/시간을 소비한다. 따라서 여름철 3달 동안 하루 8시간씩 에어컨을 가정한다면 거의 500만에서 750만 kcal나 되는 엄청난 에너지를 소비해야 한다. 에어컨이 ‘전기 먹는 하마’라는 말을 이해할 것이다.
캐리어는 비교적 간단한 아이디어를 곧바로 실용화하여 그에게 불평을 토로하던 인쇄공장에 이용했고 현재 세계 최대의 냉동업체로 성장했다.
이와 같이 낮은 온도에서 증발하는 냉매를 이용하면 냉동이나 에어컨이 간단하게 작동되지만 이들 냉각제(냉매) 용도의 물질은 나름대로 독성, 가연성 등 문제점이 있었다.
이상적인 냉각제는 실용적인 특정 요건을 갖춰야 한다. 적절한 온도 범위 내에서 기화할 수 있어야 하고 적절한 온도 범위 내에서 압축을 가하면 액화할 수 있어야 한다. 그리고 기화할 때 비교적 많은 양의 열을 흡수할 수 있어야 했지만 이러한 입맛에 맞는 물질을 찾는다는 것이 간단한 일은 아니었다.
'화학 노벨상이 만든 세상 > 프레온가스' 카테고리의 다른 글
| 천사에서 지구의 악당이 된 프레온가스(3) (0) | 2020.09.24 |
|---|---|
| 천사에서 지구의 악당이 된 프레온가스(2) (0) | 2020.09.24 |