이산화 탄소

1. 개요

二酸化炭素 / CO₂, Carbon Dioxide

2개의 산소 원자와 1개의 탄소 원자가 완전연소를 거쳐 결합한 화학물질. 중심 원자는 탄소이며, 결합각은 180°이다. 혼성 오비탈은 sp. 전기 음성도가 엄청나게 큰 산소 원자가 있지만, 결합각이 180°라서 산소가 탄소로부터 잡아당기는 전자쌍의 효과가 양쪽으로 완벽하게 상쇄되기 때문에 무극성 분자이다. 고체는 드라이아이스라고 부른다. 일상생활에서는 기체 상태로 존재하며, 삼중점이 약 5.1기압, -56.6°C 정도에 형성되어 있기 때문에 1기압 상태에서는 액체 상태를 거치지 않고 고체에서 바로 기체가 되는 것이 특징이다.

환경계에서는 탄소로 축약하기도 하는데, 탄소 배출량, 탄소 발자국, 탄소 중립 등을 말한다면 주로 이쪽을 의미한다.[1]

물(H₂O)과 더불어 화학에 관심 없는 일반인들도 잘 알고 있는 화합물이다.

최초로 발견한 인물은 조지프 블랙으로 1754년에 산화 칼슘에 약염기에 탄산 나트륨 또는 탄산 칼륨을 실험하는 도중에 발견했다고 한다. 근거

앙투안 라부아지에가 다이아몬드가 이산화탄소로 연소되는 지 실제로 시도했었다. 결과는 성공적(?). 탄소 동소체인만큼 당연하다면 당연하겠지만.

2. 제법

대리석( 탄산칼슘)과 염화수소를 반응시키거나(CaCO₃+ 2HCl → CaCl₂( 염화칼슘)+ H₂O(물)+ CO₂↑) 탄산수소나트륨(NaHCO₃)이나 탄산칼슘(CaCO₃)에 열을 가한다.

수많은 탄소 화합물, 다이아몬드 등의 탄소 동소체 등을 연소시킨다.
대부분의 생물이 호흡하는 과정에서 부산물로 만들어진다.[2] 다만 무기호흡인 경우 그 부산물이 이산화 탄소가 아닐 수도 있다.

3. 특징

탄소 화합물이 완전연소 했을때 생성된다. 주로 호흡 등의 연소작용으로 나타난다. 산소로 호흡하는 동물 대부분이 노폐물로 만드는 물질. 이렇게 나온 이산화 탄소는 다시 식물이 광합성해 산소와 탄소화합물로 돌아간다. 지구에서 일어나는 '탄소의 순환' 과정 중 일부이다. 식물도 호흡은 하지만 낮에는 광합성이, 밤에는 호흡이 더 많다. 그러므로 숲에서 삼림욕을 하려면 해가 있는 낮에 들어가자. 전 지구적으로 북반구의 육지 면적이 더 넓으니, 북반구가 여름일 때는 이산화 탄소량이 줄고 겨울일 때는 이산화 탄소량이 느는 경향이 있다.

석회수가 이산화탄소와 접촉하면 뿌옇게 흐려진다. 석회의 수산화칼슘 성분이 이산화탄소와 반응하여 탄산칼슘 앙금을 만들기 때문이다.

이산화 탄소는 실온에서 기체로 존재하며 생물에게 있어 무독성이며 워낙에 강한 결합이라 웬만해서는 다른 물질로 바뀌지 않는다. 다만 일산화탄소만큼은 아니지만[3] 높은 농도의 이산화 탄소는 산소의 비중을 낮추게 되어 중독증상(호흡곤란, 어지럼증, 피로 등)을 일으키며 사람을 죽일 수도 있다. 실제로 2014년 3월 27일 삼성전자 수원사업장에서 이산화 탄소 누출로 1명이 목숨을 잃는 인명피해가 발생했다. 해당 기사. 생물이 이산화 탄소를 흡입하면 호흡 속도가 빠르게 촉진된다. 이때 이산화 탄소가 너무 많으면 혈액이 산성화되니 위험하다. 하지만 체내 이산화 탄소의 양이 부족해도 위험할 수 있으니, 과호흡 증후군 참조.

이산화 탄소가 물과 반응하면 H₂CO₃가 만들어지는데, 다시 H⁺를 내어놓고 HCO₃^-(탄산수소이온)이나 CO₃^2- (탄산이온)으로 바뀌니 산으로 작용한다. 그래서 탄산이라고도 부르며, 술( 맥주, 샴페인 등)이나 탄산음료( 사이다, 콜라 등)에 들어있다(콜라 같은 탄산음료의 경우에는 이산화 탄소의 무게탓에 다 마시면 병 속이 이산화 탄소로 차있어서 그대로 쭉 들이키면 속이 불편할 수 있다). 유럽 등에서 파는 탄산수는 석회 성분의 축적을 막기 위해서다.

임계점이 31.1℃에 7.38 MPa(약 73기압)이기 때문에 초임계유체라고 하는 특수한 액체 비슷한 상태를 쉽게 만들 수 있다. 여기에 인체에 비교적 안전한 물질이기 때문에 많은 식품 관련 업계에서 초임계 이산화 탄소를 쓰고 있다.

3.1. 온실가스

대표적인 온실가스 중 하나다. 삼림파괴 등으로 정화능력[4]이 약화되고 공업 발달로 배출량이 늘어나면서 지구 온난화의 주범으로 자리잡았다. 지구 온난화 음모론자들은 이에 대해 의문을 제기하나 기후변화/의혹과 설명 문서에서 볼 수 있듯이 97%의 과학자가 인정한 사실이다. 현재 대기중의 이산화 탄소 농도는 약 400ppm 즉 0.04%.

파란색과 초록색은 빙하코어를 측정한 자료, 빨간색은 하와이의 마우나로아 산에서 측정한 자료다.

1960 ~ 1970년대까지만 해도 교과서에는 약 0.03% 이라고 나와 있었지만 불과 수십 년 사이에 농도가 급격히 늘어나서 2013 ~ 4년에 처음 400 ppm을 넘어섰다. 학생 때 300 ppm으로 배운 사람들에게는 상당한 충격이다. 과거에 비해 늘어나는 속도가 꽤 빠르다는 점이다. #[5][6]

2022년 6월 20일 기준 이산화 탄소 농도는 423ppm이다. #

초기 지구에 온실 효과를 주도한 기체가 이산화 탄소였다는 연구 결과를 발표했다. #

4. 이산화 탄소 포집 기술(CCS)

공기 중의 이산화 탄소를 포집하여 제거하는 기술.

자세한 내용은 탄소 포집 문서 참고하십시오.

5. 호흡

생명체 특히 동물중 인간의 호흡과정을 보면 이산화탄소의 발생량(O2-CO2 exchange ratio기준)은 흡기(inhale또는inspiration)중 폐의 폐포(alveolar)로부터 산소(O2)를 흡수하고 이를 혈액을 통해 이동후 세포 [7]에서 사용후 산소(O2)에 탄소(C)1개를 붙여 이산화탄소(CO2)로 해서 역순으로 다시 폐포로 이동하여 비강(鼻腔)으로 배출(기)(exhale또는expiration)하게 된다.[8][9][10][11] [12]

호흡	공기/분당(min)	산소(또는 CO2)/분당(폐포교환기준)
평(상)시	약6.5리터	약0.3리터/분당(min)
운동	약100리터	약3리터/분당(min)

6. 여담

온실가스이지만, 정작 농작물, 식물을 키우는 온실에서는 이산화 탄소가 모자란다. 난방을 하니 밀폐한 곳인 때가 많은데, 식물들이 광합성을 하기 위해 이산화 탄소를 써서 그렇다. 따라서 온실의 온도를 조절하면서 이산화 탄소를 공급하려고 석탄, 연탄, 나무 같은 탄소 연료를 때서 불을 피우는 일이 있다.(농촌에서는 비닐하우스 난방에 폐목 등 아무 연료나 쓸 수 있는 화목 난로를 꽤 쓴다.) 폐목 등 화목난로는 불법소각으로 민원 긁히는 일이 흔하고 식용탄산은 비싸고 등유는 비싼 것 외에 불완전연소 특성 때문에 개스히트펌프 하나로 탄산공급, 난방을 한번에 해서 가격이 비싼 식용탄산과 등유를 밀어낸다. #

흔히 이산화 탄소가 산소와 달리 불을 끄게 하는 가스이고 이것 때문에 날숨을 불면 불이 꺼진다라 생각하는 사람들도 있는데, 날숨에 있는 이산화 탄소의 양은 산소에 비하면 새발의 피다.[13] 날숨은 이산화 탄소 때문이 아니라, 바람 때문에 연료 성분이 흩어져서 불을 끌 뿐이다. 초[14]나 가스불이 아닌 고체연료에 붙은 불에다 날숨을 불면 불이 더 세지기만 한다. 비슷한 이유로, 이젠 지침이 바뀌어서 더 이상은 필요 없지만[15] 하여튼 사람의 날숨으로도 인공호흡이 가능하다.

고압용기에 주입할 시 용기의 지정색상은 파란색. CO₂ 용접에 쓰인다.
이산화 탄소는 호흡에 꼭 필요하다 이산화 탄소가 부족하면 과호흡 증후군이 발생할수 있다

대한화학회에서는 '화합물 명명 원칙'을 제정하였는데 대체로 화학용어의 독일어 영향을 벗어나 영어식 표기를 도입하였다. 이산화 탄소도 영어(Carbon Dioxide)처럼 띄어쓰는 표기인 "이산화 탄소"를 밀고 있다. 이산화 탄소 외에도 '염화 소듐' '일산화 탄소' 처럼 화합물명에 보편적으로 띄어쓰기가 적용된다. 표준국어대사전, 고려대한국어대사전 등 국어사전에서도 이를 반영해 띄어쓰기가 표제어에 적용되어 있다. 물론 아직은 붙여쓰기가 압도적으로 많이 쓰이는 것이 현실이다.

추위나 미세먼지 때문에 창문을 꼭꼭 닫고 있으면, 이산화 탄소 수치는 기준치 이상으로 몇 십 분만에도 올라 갈 수 있다. 취침시에는 창문을 10cm 정도 열어 놓으면, 이산화 탄소 수치를 권고치 이내로 유지할 수 있다. 물론 이 경우 추위를 좀 감안해야 한다.

2007년 제17대 대통령 선거 한나라당 경선 당시, 이명박 후보가 교토 의정서에 대해 질문하자, 박근혜 후보가 이산화 탄소와 산소를 '이산화 가스', '산소 가스'라고 잘못 발언한 것이 계속 회자되었다.

2016년, 한 연구진이 이산화 탄소를 에탄올로 바꾸는 방법을 우연히 발견했다. #

2022년, 고유가에 정유사들이 멈추자 탄산(CO₂) 생산이 감소하고, 드라이아이스 수요가 늘어서 탄산음료 대란이 일어났다. #

무대에서 특수효과나 피부과의 시술용 레이저로 쓰인다.

고가의 가스건이나 사냥, 레저용 공기총에 사용되기도 한다. 제일 흔한 방식은 금속 카트리지 형태로, 내부 노즐에 삽입해 사용한다.

2020~21년 일본에서 관 속 시신에 조의를 표하던 사람들이 연이어 사망했다. 관(장례) 속에 넣은 드라이아이스에서 이산화탄소가 발생하는데, 사망자들은 관에 머리를 넣고 울다가 고농도의 이산화탄소에 중독되어 의식을 잃었기 때문이다.

반대로 이산화탄소 비율이 0.02% 이하로 줄어들면 식물이 죽어나가기 시작한다.

7. 관련문서

[1] 이는 소금을 나트륨으로 부르는 것과 비슷한 이치다. [2] 들숨은 산소, 날숨은 이산화 탄소라는 인식이 종종 있는데, 실제 들숨과 날숨에 포함된 이산화 탄소는 전체의 4% 이하로 거의 비슷하다. 질소가 대부분이고, 그 다음으로 산소, 그 이외의 기체가 미량이다. [3] 연탄가스. 실제로 연탄을 때던 시절에는 연탄의 불완전연소에 의한 사망사고가 많았다. [4] 삼림은 광합성을 통해 이산화 탄소를 흡수하고 산소로 정화시키는 능력이 있는데, 삼림이 파괴되면 이 능력이 약화되고 대기 중 이산화 탄소가 급격히 증가하게 된다. [5] 이 농도가 600ppm에 도달하면 지구는 지나치게 더워져 황폐화되어버릴 것이다. 유명한 과학 다큐멘터리 코스모스에서도 설명한 바 있는 내용이다. 300ppm에서 400ppm에 도달하는데 걸린 세월이 고작 수십년에 불과하고 매년 이산화 탄소 배출량이 기하급수적으로 증가함을 생각해보면 꽤나 심각한 문제이다. 지구온난화 문제를 성토하는 코스모스 12화의 내용 [6] 지구 전체 대기비율 퍼센테이지로 치면 인류 문명이 증가시킨 이산화 탄소의 총량은 기존 약 0.03%에서 0.04%로 증가량 0.01%p를 가지지만 이산화 탄소 0.01%가 나가지 못 하게 막는 태양열 에너지는 초당 히로시마 원폭 5개의 에너지 총량과 맞먹는 수준이다. 이는 하루에 히로시마 원폭 42만개에 달하는 에너지가 우주로 빠져나가지 못 하고 지구에 잔류함을 뜻한다. 0.01%p 증가라고 해서 결코 작은 문제가 아닌 셈. [7] 미토콘드리아참고 [8] Received: 31 July 2020 Accepted: 28 September 2020 ,DOI: 10.1113/EP088977 ,R E S E A R C H P A P E R ,Breath holding as an example of extreme hypoventilation:experimental testing of a new model describing alveolar gas pathways ,Anna Taboni, Nazzareno Fagoni ,Timothée Fontolliet,Gabriele Simone Grasso, Christian Moia, Giovanni Vinetti, Guido Ferretti \[EP\]WILEY # [9] ALVEOLAR AND ARTERIAL OXYGEN TENSIONS AND THE SIGNIFICANCE OF THE ALVEOLAR-ARTERIAL OXYGEN TENSION DIFFERENCE IN NORMAL MEN ,Giles F. Filley, Fernand Gregoire, George W. Wright,J Clin Invest. 1954;33(4):517-529. https://doi.org/10.1172/JCI102922 [10] Alveolar CO2 and O2 During Breath Holding, Expiration, and Inspiration ,A. B. Dubois ,01 Jul 1952 https://doi.org/10.1152/jappl.1952.5.1.1 [11] \[MSD매뉴얼 일반인용\]홈 /폐 및 기도 장애/폐와 기도의 생물학/산소와 이산화탄소 교환 # [12] 전남 광양 사랑병원 > 검사정보 > 폐기능 검사 # [13] 날숨을 이루는 기체 중 4%에 불과하다. [14] 초는 고체 초가 직접 연소되는 것이 아니라, 액체를 거쳐 기화되어야 비로소 탄다. 초에 심지가 있는 이유다. [15] 일단 코와 입을 맞댄다는 것이 불편한 일이고, 위로 바람이 들어가거나, 인공호흡하던 사람이 병원균 감염이나 독극물 중독 등으로 사망하거나 하는 문제가 더 크고 실제로도 도움이 거의 안 된다는 판단 하에 심폐소생술에서 숨을 불어 넣는 것은 2010년대에 폐지되었다.

분류	무기화합물	상온 상태	무색 기체
분자량	44.01g/mol	밀도	1.87kg/m³
녹는점	194.7K −78.45°C / -109.21°F	끓는점	216.6K −56.55°C / −69.79°F
CAS 등록번호: 124-38-9