황, 화합물의 원소 : 특성과 동위원소, 런던 스모그, 산성비

노란 빛을 띠는 황 결정

 

 오늘은 황 원소에 대해서 살펴 보고자 합니다. 다양한 물질과 반응해서 화합물을 형성하는 황을 잘 활용하는 분야도 있지만, 황으로 인한 피해도 발생하고 있습니다. 오늘은 황의 특성과 황으로 인한 환경 오염인 런던 스모그와 산성비에 대해 확인하겠습니다.    

 

황의 특성과 동위원소

 황 원자 구조의 중심에는 16개의 원자핵이 있고, 핵 주위를 도는 16개의 전자들이 전자구름을 형성하고 있습니다. 전자 배열은 각각의 에너지 준위에 맞게 배치되며, 특정한 수의 전자를 수용하고 있습니다. 전자의 배열을 나타내면 [Ne] 3s²3p⁴라고 표현할 수 있습니다. 황은 맨 바깥 전자껍질에 6개의 원자가 전자를 가지고 있어서 다른 원소들과 전자를 공유하는 경향이 있습니다. 이 공유, 즉 전자쌍 결합에 의해 황은 수많은 화합물을 형성할 수 있고, 이것은 분자 세계에서 황의 다양성을 보여줍니다. 황의 원자가 전자는 세 번째 에너지 준위에 존재하며, 황의 결합 행동과 다른 원소와의 상호 작용을 결정합니다. 황은 6개의 원자가 전자를 강조하는 전자 배치로, 다양한 결합 메커니즘을 통해 안정된 상태를 얻고자 합니다. 황화물 화합물의 형성은 황의 결합력을 가장 잘 보여줍니다. 황화물은 금속이나 다른 비금속과 전자를 공유함으로써 조화로운 결합을 형성하여 황화수소(H2S)나 황화철(FeS)과 같은 화합물을 형성합니다. 이처럼 황이 이온 결합과 공유 결합에 관여하여 황화물이 형성하는 화합물의 특성과 용도를 결정합니다. 그리고 황에는 4개의 자연적으로 존재하는 동위원소가 있는데, 황-32가 가장 많습니다. 황에서 동위원소의 변화는 지질학적 과정과 환경 역학 연구에 기여할 수 있습니다. 과학자들은 황 동위원소의 비율을 분석함으로써 지질학적 형성의 기원에 대한 데이터를 얻고 과거 기후 조건에 대한 단서를 밝히기도 합니다.

 

런던 스모그

 연기와 안개의 합성어인 스모그는 대기 오염 현상 중 하나입니다. 스모그는 런던 스모그와 광화학 스모그로 구분할 수 있는데, 런던 스모그 원인 중 하나가 바로 황 화합물입니다. 런던 스모그를 형성하는 촉매 역할은 화석 연료의 연소에 의해 생성되는 황 화합물인 이산화황(SO2)이 맡습니다. 산업용 굴뚝에서 나오든 차량 배기가스에서 나오든 대기 중의 이산화황은 이산화황은 산소 및 기타 화합물과 반응하여 황산염 에어로졸과 스모그의 주요 구성 요소인 오존(O3) 형성에 기여합니다. 이런 반응은 햇빛에 의해 촉진되어, 인간의 활동으로 이산화황의 농도가 더 높은 도시 지역에서 스모그를 더 많이 생산하게됩니다. 그리고 앞서 언급된 황산염 에어로졸은 미세 입자상 물질(PM2.5)의 필수적인 구성 요소가 됩니다. 이 작은 입자들은 다른 오염 물질들과 함께, 스모그의 특징인 뿌연 연무를 집합적으로 형성합니다. 이런 황산 화합물로 가득한 물질은 가시성을 손상시킬 뿐 아니라 건강에도 치명적일 수 있는데, 특히 호흡기와 심혈관계에 심각한 영향을 줍니다. 스모그 입자의 흡입은 천식, 기관지염, 그리고 알레르기와 같은 호흡기 문제를 유발합니다. 그리고 장기간 노출은 심장병과 다른 만성 질환의 위험도를 증가시킬 수 있습니다. 어린이, 노인, 그리고 기존에 건강 문제가 있는 개인들은 특별히 조심해야 합니다.

 

산성비

 마찬가지로 환경 오염 중에 하나인 산성비 역시 황 화합물이 범인 중 하나입니다. 이산화황은 산소와 수증기와 반응하여 대기 중에서 황산(H2SO4)을 만들고, 질소산화물(NOx)은 질산(NHCO3)이 됩니다. 그리고 나서 이 산성 화합물들은 공기 중의 물방울들과 결합하여 산성비를 만듭니다. 산성비는 단순히 비만 내리는 걸 떠나 다방면으로 해를 끼칩니다. 산성비가 토양, 호수, 강 및 식물과 접촉하면 문제가 발생합니다. 토양은 더 산성화되어 식물의 영양소 가용성에 영향을 미치고 미생물 활동을 방해합니다. 수생태계에서 산성비는 수역의 pH를 낮춰 물고기와 다른 수생 생물 생태계를 위태롭게 만듭니다. 특히 석회암이나 칼슘이 부족한 토양에 숲을 이룬 나무에서는 영양소 침출이 발생하여 나무를 성장과 약화시킬 수 있습니다. 그리고 산성비는 생태계를 넘어 구조적·문화적 영향을 미칩니다. 산성비는 석회암이나 대리석으로 만든 건축물, 기념물, 동상의 부식을 가속화할 수 있는데, 이들은 탄산칼슘을 포함하고 있어 산성 물질과 쉽게 반응하기 때문입니다. 산성비의 부식 효과로 다양한 지역의 역사적 문화유산이 위험에 처해 있습니다. 이 문제의 측면은 건축, 역사, 보존 등의 분야에 걸쳐 있으므로 해결 필요성이 또 한번 강조되고 있습니다. 산성비 문제를 해결하기 위해서는 다각적인 접근이 필요합니다. 주요 전략은 산업 자원과 차량에서 발생하는 이산화황과 질소산화물 배출 감소입니다. 이는 청정 기술의 도입, 대체 에너지 사용, 엄격한 환경 규제를 통해 달성할 수 있습니다. 여담으로 pH가 낮은 산성비를 맞으면 탈모를 일으킨다는 속설이 있었는데, 한 기사에 따르면 공기 질이 나쁠 때 초반에 5분 동안 내리는 비만 피하면 된다고 합니다. 그 이유도 산성 때문이 아닌, 미세먼지가 모낭에 들어가면 염증을 유발시킬 수 있다는 것입니다.