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과학과 놀자

지구상 모든 생명체가 의존하는 태양광 에너지…기후변화 촉발하는 과도한 화석연료 사용 경계해야

코로나19 사태 이전에는 우리의 건강에 직접 영향을 주는 대기 중의 미세먼지가 많이 논의되다가 최근에는 세계적으로 산불, 폭우, 폭염 등 이상 기후가 이슈가 되고 있다. 이상 기후의 원인으로는 대기 중 이산화탄소 농도 증가에 따른 기후 변화가 지목되고 있다. 기후는 대기의 온도, 바람, 비, 눈을 모두 아우른다. 태양광으로 대기가 가열되고, 지표에서 물이 증발해 구름이 되고, 대기압의 차이로 생긴 바람을 따라 이동한 구름이 다시 비와 눈이 되어 지표에 내린다. 이런 모든 변화가 기후다. 기후는 태양으로부터 오는 태양광 에너지에 의해 작동된다. 에너지를 전달하는 매개체인 이산화탄소태양광 에너지는 어디서 오는 걸까? 태양에서는 수소와 수소의 핵융합 반응으로 헬륨이 만들어진다. 이 과정에서 수소의 일부 물질이 에너지로 변환되는데, 이 에너지로 인해 고온으로 가열된 태양은 햇빛을 포함한 다양한 전자기파를 사방으로 방출한다. 그중 일부가 지구에 도달해 태양광 에너지를 전달한다. 반짝이는 별빛도 에너지 크기는 미미하지만 태양광과 마찬가지로 별에서 지구로 전달되는 에너지다. 아인슈타인이 발견한 것과 같이 우주에서는 물질과 에너지가 상호 변환하고, 또 이동하며 변화 혹은 순환한다. 우리 주위에도 물질이 에너지로 변환하는 예들이 있다. 우라늄 원자가 2개로 쪼개지며 일부 물질이 에너지로 변환되는데, 원자력발전소는 이 에너지를 이용해 전기를 생산한다. 병원에서 사용하는 양전자방출단층촬영(PET) 장치는 인체에 주입한 방사성원소(F-18)가 방출하는 양전자가 주위의 전자와 반응하여 두 전자의 질량이 모두 감마선 에너지로 변환되어 방출되는데, 이를 탐지하

과학과 놀자

식물의 광합성도 물과 이산화탄소를 결합하는 화학반응

화학공장은 전처리, 반응, 분리·정제 영역으로 나눌 수 있다. 주요 구성 장치는 반응기, 열교환기, 분리기(증류탑, 흡착탑)가 있다. 증류탑과 흡착탑은 불순물을 제거하거나 생성물의 순도를 높이는 역할을 하며, 열교환기는 온도가 다른 유체가 흐르는 관을 접촉해 에너지 비용을 절감시켜준다. 우리나라에 분리·정제 및 열교환기에 대한 세계적인 전문가들이 많지만 반응기를 설계할 수 있는 전문가는 매우 드물다. 그 이유에 대해 알아보자. 반응속도는 가장 느린 과정에 의해 결정화학반응은 어떠한 물질이 화학 변화를 겪어 다른 물질로 변화하는 과정이다. 화학반응의 중요한 두 요소는 ‘반응속도’와 ‘화학평형’ 개념이다. 반응속도는 어떤 화학 반응이 일어나는 속도를 말한다. 예를 들어 공기 중에서 쇠가 산화되는(녹스는) 반응은 몇 년이 걸리는 느린 반응이지만, 부탄가스가 연소되는 반응은 단 몇 초 만에 일어난다. 이처럼 반응속도는 반응온도, 압력, 반응물·생성물 농도, 촉매 사용 여부에 따라 영향을 받는다.대부분 촉매는 반응속도를 증가시켜 주는 역할을 하며, 화학과와 화학공학과에서 다루는 촉매의 종류는 다르다. 화학과에서는 반응물과 촉매의 상(phase: 물질의 상태)이 같은 균일(homogeneous) 촉매를 다룬다. 즉 반응물과 촉매가 모두 액체기 때문에 반응물이 촉매에 접촉하는 현상을 크게 고려하지 않는다. 화학공학과에서는 반응 이후 반응물과 촉매를 쉽게 분리하기 위해 반응물과 촉매 간 상이 다른 불균일(heterogeneous) 촉매를 사용한다. 일반적으로 반응물의 상은 액체, 기체 또는 액체/기체며 촉매는 주로 고체를 사용한다.반응물이 촉매 활성점에 도