물을 산성으로 바꿨다가 되돌리기

목적

• 학생들은 이산화탄소의 용해 반응이 물을 생명체를 유지해주는 액체에서 위협하는 액체로 어떻게 바뀌는지 학습한다.
• 학생들은 CO2 증가가 지구 온난화를 야기할 뿐만 아니라 산성화로 인해 해양 생명체에도 영향을 끼친다는 것을 알 수 있다.
• 바다는 지구 온난화를 경감시키는데 기여를 하는 이산화탄소 흡수계의 역할을 하지만 이로 인해 바다 자체에도 엄청난 악영향을 가져온다.
• 학생들은 물의 온도에 따라 용해되는 CO2의 양이 다르다는 것을 알 수 있다.

학습 목표

학생들은 아래의 것을 할 수 있게 된다.

• pH 값을 측정하여 물에 용해된 이산화탄소가 물의 화학적 성질을 중성에서 산성으로 변화시키는 것에 대해서 설명할 수 있다.
• 자연 현상에 대한 실험을 기반으로 대기의 이산화탄소의 양의 증가가 바다의 화학적 균형에 영향을 미치는 이유에 대해서 추론하여 설명할 수 있다.
• 첫 번째 활동에서 산성 용액에 열을 가함으로써 물에 용해된 이산화탄소의 양이 물의 온도에 따라 다르다는 것을 설명할 수 있다.

평가

• 학생들에게 유기물을 태우거나 인간이 숨을 내쉴 때 발생하는 기체가 무엇인지에 대해서 질문한다.
• 첫 번째 활동을 수행한다. 학생들은 물에 이산화탄소를 불어 넣어 물을 산성으로 변화시키는 방법에 대해 알 수 있다.
• 이산화탄소 수치가 지속적으로 증가하는 대기에 해양이 끊임없이 접촉하면 어떤 반응이 나타나는지 학생들에게 질문한다.
• 학생들에게 산성의 세기에 대해서 물어본다.
• 학생들에게 사이다나 탄산수를 상온에 두었던 일상 경험을 회상하게 하여 용해된 이산화탄소가 용액에서 다시 빠져나올 수도 있음에 대해서 질문한다.
• 대기와 해양의 온도가 모두 높아지게 되면 대기 중의 이산화탄소 백분율이 영향을 받는 과정에 대해서 학생들이 설명하도록 한다.

준비물

준비물의 수는 실험을 수행하는 학생의 수에 맞게 준비되어야 한다. 준비물 한 세트:

• 증류수나 염분을 제거한 물
• 투명한 컵
• 빨대
• McCrumb가 만든 만능 pH 지시약과 그와 같은 pH 등급(활동 패키지에 해당하는 물품을 구입할 수 있다.)
• 대체품: 적양배추로 만든 pH 지시약

• 작은 가열기 혹은 난로

가열기는 물을 중성으로 만들기 위해서 두 번째 활동에서 필요한 물품이다. 안전을 위해서 해당 실험 수행 여부는 선생님이 결정하도록 한다.

배경지식

탄소 순환

지구는 서로 다른 권역들과 우주 공간이 에너지와 물질을 교환하는 동적인 체계를 가지고 있다. 가장 중요한 순환 체계 중 하나는 탄소의 순환이다.

탄소는 화학 반응을 하며 이러한 탄소 화합물은 다른 물리적 상태를 가지고 있다. 일반적으로 지권, 수권, 생물권, 대기권에서의 탄소 화합물은 탄소원과 이산화탄소 흡수체 사이의 끊임없는 교류를 통해 정교하고 자연적인 균형 상태를 유지하고 있다. 흡수체와 탄소원은 이산화탄소를 흡수하거나 대기 중으로 방출하는 하부 시스템으로 정의되며 탄소는 이산화탄소나 메탄과 같은 온실가스에 사용된다.

그림 1 : 지구의 각 저장소에 있는 CO2의 연간 변화량(기가 톤(Gt) 혹은 십억 톤 단위). 각 저장소는 화살표로 나타낸 것과 같이 탄소를 방출하기도 하고 흡수하기도 한다. 화석 연료의 연소에 의해서 발생하는 탄소는 지구의 탄소 사용량의 균형을 깨뜨린다. 화석 연료의 연소에 의해서 발생하는 탄소의 총량은 2003년부터 2007년에 이르기까지 5.5Gt에서 7 ~ 8Gt 정도 증가하였다(NASA/AIRS, https://www.flickr.com/photos/atmospheric-infrared-sounder/8265010034, https://creativecommons).

표 1 : 자연적 및 인공적 탄소원과 이산화탄소 흡수체

그림 2 : 탄소원과 이산화탄소 흡수체의 비용 변화(climatesafety, https://www.flickr.com/photos/climatesafety/4745854611, https://creativecommons.org/licenses/by-nc/2.0/legalcode).

하지만 인류의 활동은 탄소를 근간으로 한 온실 기체를 집중적으로 발생시켜 탄소원의 불균형을 초래한다. 그림 3에서 설명하는 것처럼 대기의 CO2 총량은 20세기가 시작되면서부터 급진적으로 증가하고 있다. 최근 수십만 년 동안 CO2 총량의 증가는 예측 불가능하다. 기상학자들은 이러한 현상이 오늘날 지구 온난화에 상당한 기여를 하고 있음에 의견을 모으고 있다. 이산화탄소 농도는 지상에 있는 감지기와 우주에서 지구를 조사하는 원격 탐사기를 이용하여 측정한다. 전 세계적으로 온실 기체 감시를 위해 만들어진 성공적인 우주 프로그램은 유럽의 Envisat, 일본의 GoSat 뿐만 아니라 NASA의 OCO-2 위성이다. 유럽의 the Sentinel 인공위성의 자료를 사용하는 코페르니쿠스 프로그램 또한, 대기 중의 온실 기체 방출량 증가에 따른 영향에 대한 이해에 도움을 준다.

그림 3 : 빙하 코어에 포함되어있는 대기 샘플 자료와 최근 직접적인 측정치를 비교한 이 그래프는 산업 혁명 시대부터 2016년 2월까지 대기 중의 CO2양이 증가하고 있다는 증거를 제공한다. (Vostok ice core data/J.R. Petit et al.; NOAA Mauna Loa CO2 record/NASA/JPL, http://climate.nasa.gov/evidence/, public domain).

pH 값

pH 값은 산의 세기를 측정한 것이다. 이 값은 자유 수소 이온(“H+”) 혹은 히드로늄 이온(“H3O+”)의 농도를 나타낸다. 그 값은 아래와 같이 정의된다.

히드로늄 이온(H3O+)의 농도는 1리터당 몰(mol) 단위에 의해 정해진다. 몰은 주어진 물질의 양에 대한 표준 단위이다. pH 지시약은 용액의 pH 값에 따라 색이 변한다. 이를 통해 pH 값을 측정할 수 있다.

탄소 흡수체로써 해양

인위적으로 발생한 이산화탄소의 30 ~ 40%는 해양이나 호수, 강에 포획된다. 이러한 기체는 효율적으로 물에 용해된다. 따라서 해양은 매우 강력하면서도 중요한 탄소 흡수체이다.

그림 4 : 이산화탄소의 공기-바다 순환(McSush (수정본), Hannes Grobe (원본), https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CO2_pump_hg.svg, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/legalcode).

비록 물이 CO2를 흡수하여 온실가스를 포획할 수 있는 능력이 있다고 하더라도 이는 거대한 비용을 초래한다. 물에 용해된 CO2는 물의 화학적 성질을 변화시킨다. 결과적으로 물은 좀 더 산성을 띠게 된다. 산성화와 이로 인한 결과는 3가지 화학 반응을 일으킨다. 첫 번째, 이산화탄소와 물이 탄산을 형성한다.

CO₂ + H₂O → H₂CO₃

산은 즉시 이온으로 분해되고 그 중 하나는 수소 이온으로 히드로늄 이온(H3O+)을 생성하는 반응을 한다. 자유 수소 이온과 히드로늄 이온은 산의 성질을 보인다. 이것은 pH 값의 정의로 나타낸다(위를 참고하시오).

H₂CO₃ → H⁺ + HCO₃^–

산성 용액은 해수에 풍부한 탄소 이온과 반응한다. 탄소 이온은 건축용 블록과 같다. 예를 들어 달팽이, 홍합, 산호와 같은 갑각류의 외골격.

H⁺ + CO₃^2– → HCO₃^–

이러한 반응은 바다와 같은 수자원의 표면에서 발생한다. 그 결과로 석회같이 단단한 탄소 침전물이 만들어진다. 또한, 극한의 상황에서는 바다 속에 있는 외골격들도 녹을 수 있다. 해당 반응에 대한 방정식은 그림 5에 나타나 있다.

그림 5 : 물에 용해된 CO2가 탄산염 이온을 결합하는 방법에 대한 설명. 이러한 반응은 석회화 반응을 지연시키거나 심지어는 갑각류의 석회질 제거도 일으킨다(NOAA PMEL Carbon program, NAOO public domain).

바닷물의 염분이 산성화의 효과를 경감시키기는 하지만 그러한 경향은 남아있다. 샘플을 직접 측정하는 것과는 별개로, 지구 관측 인공위성의 원격 탐사를 이용해서 전 세계 해양의 pH 농도를 측정할 수 있는 새로운 기술을 이용할 수 있다(그림 6).

그림 6 : 이 지도는 해수면 온도 측정과 추가 자료를 수집하는 인공위성 ESA의 SMOS의 염분 자료를 통해 해수면 pH의 첫 번째 추정값을 보여준다. 전 지구에 걸친 변화 값이 나타나 있다. 극지방에 있는 차가운 해수는 조금 더 산성을 띠는데 이는 따뜻한 물보다 차가운 물에서 이산화탄소가 더 잘 녹기 때문이다(ESA/R. Sabia, http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2015/01/Surface_ocean_pH, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/igo/legalcode ).

지도는 다른 지방보다 극지방이 산성화에 좀 더 많은 영향을 받음을 나타낸다. 이것은 따뜻한 물보다 차가운 물에서 CO2가 더 잘 용해되기 때문이다. 넓은 영역의 해류는 전 세계의 해양을 연결시킨다. 그 결과 서로 다른 위도에 있는 물을 섞는다. 산성이 높은(풍부한 CO2) 극지방의 물은 적도 지방으로 이동된다. 해당 해수는 뜨거워지게 되고 물속에 저장되어 있던 CO2를 방출한다. 그러므로 해양은 지역에 따라 탄소원으로 구분되기도 한다.

IPCC(기후변화에 대한 정부 간 협의체, 그림 7에서 확인)의 기후 보고서의 전 지구적 pH 수준의 예상 변화 추이 모형에 의해 해수 온도의 영향을 예측할 수 있다. 모형으로부터 예측된 해수 온도의 예상 값은 상대적으로 극지방에서 산성도가 더 높음을 보여준다.

그림 7: 과거 해수면 pH 값과 미래의 해수면 pH 값의 예상 변화 추이. 대기의 CO2 진화에 대해 가장 낙관적으로 제작된 것(RCP2.6, Representative Concentration Pathways)과 가장 비관적인 시나리오 (RCP8.5) 모형이 있다. (a) 시간에 따른 표면 pH 농도 평균값(실선)과 모형의 범위(색칠된 부분), 북극해(초록색)와 적도 해수(빨간색), 남빙양(파란색)의 평균 단위 부피당 질량. (b) 1990부터 2090년까지 평균 해수면 pH 값에 대한 지도(IPCC 보고서, 2013, Working Group I, Chp. 6, p. 532, permission for reproduction granted).

산성화로 인한 해양 생물의 영향

해양과 해안 지역의 산성화 증가로 인해 해양 생물의 정교한 균형이 깨지고 있다. 일부 종(산호, 바다 달팽이, 홍합 등)은 탄소로 구성된 외골격이 커지고 있다. 대부분 석회암으로 되어 있는 탄산염들은 탄산의 영향에 의해 용해된다. 예를 들어 익족류라고 알려져 있는 바다 달팽이가 산성화 피해 동물 중 하나이다(그림 8). 바다 달팽이의 껍질은 점점 더 약해지고 있어서 생명에 치명적인 수준이다. 가까운 미래에 예상되는 바닷물의 산성화 예측값에 이러한 생명체들이 노출되게 되면 외골격이 거의 없어지는 수준에 이를 것이라고 여러 실험들에 의해 보고되었다. 이 생명체들은 전체 먹이 사슬의 기본이 되므로 이들의 멸종은 해양 생물의 많은 부분에 엄청난 영향을 미치게 된다.

그림 8 : 2100년 바다의 예상 화학농도에 맞춘 해수에 바다 달팽이의 껍질이 45일간 노출 되었을 때 용해되는 수준을 예상하는 실험실 내 실험 결과. (출처: NOAA Environmental Visualization Laboratory(EVL), https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pterapod_shell_dissolved_in_seawater_adjusted_to_an_ocean_chemistry_projected_for_the_year_2100.jpg, public domain).

다른 예시는 인편 모조류라고 불리는 미세한 단세포 조류이다(그림 9). 이 생물은 탄산칼슘으로 된 껍질을 가지고 있다. 생명체가 죽고 나면 해저에 가라앉는다. 이 과정은 지구의 탄소 순환에서 탄소를 없애주는 역할을 한다. 만약 탄산염 껍질의 형성이 지연되게 되면 이 탄소 흡수체의 효과는 점점 줄어들게 된다.

그림 9 : 고해상도 전자현미경으로 본 인편 모조류 세포의 사진 (출처: Alison R. Taylor (University of North Carolina Wilmington Microscopy Facility) (https://commons.wikimedia.org/wiki/ File:Emilianiahuxleyi_coccolithophore(PLoS).png), https://creativecommons.org/licenses/by/2.5/legalcode.

전체 활동 설명

소개 :

학생들에게 탄소가 생명체의 주요 구성 성분임을 말해주면서 주제를 설명한다. 각각의 화합물은 탄소 원자를 가지고 있다.

질문 : 탄소를 가지고 있는 물질 중에 아는 것이 있나요?

예상 답: 석탄, 석유, 연료, 흑연, 설탕, 이산화탄소, 메테인, ⋯

질문 : 탄소가 포함되어 있는 고체, 액체, 기체 물질을 알고 있나요?

예상 답: (위를 참고한다.)

질문 : 연소 혹은 유기체 부패에 의해 생성되는 탄소를 포함한 가장 단순한 기체는 무엇일까요? 여러분들이 호흡할 때 이것을 배출합니다.

예상 답 : 이산화탄소요(CO2). 지구의 대기 성분은 이산화탄소를 포함하고 있는데 이 농도는 꾸준히 증가하고 있어요.

질문 : 바다에 이산화탄소가 녹는 것처럼 이산화탄소가 물에 용해되면 어떤 일이 발생할까요?

예상 답 : 탄산수, 탄산이 많은 물이 되요.

보충 : 이것은 다음 활동에서 우리가 탐구할 것이에요. 이것이 산을 만들어요.

질문 : 산은 무엇을 하나요?

예상 답 : 그들은 물질을 녹여요.

보충 : 산의 세기는 pH 값으로 측정될 수 있어요. 해당 수치는 1에서 14로 나누는데, 산도 아니고 염기도 아닌 중성 물질은 7에 가까운 값을 가져요. 숫자가 낮을수록 산성의 세기는 더 강해요. 숫자가 큰 것은 염기성을 나타내요. pH 값은 지시약의 색 변화에 따라 측정될 수 있어요.

활동 1 :

준비물 목록

준비물의 수는 실험을 수행하는 학생의 수에 맞게 준비되어야 한다. 준비물 한 세트:

• 증류수나 염분을 제거한 물
• 투명한 컵
• 빨대
• McCrumb이 만든 만능 pH 지시약과 그와 같은 pH 등급(구입할 수 있다면, 활동 패키지에 해당하는 물품이 포함되어 있다.)
• 대체품: 적양배추로 만든 pH 지시약

준비물을 학생들에게 나눠준다. 아래의 단계에 맞춰 과제를 수행하도록 한다. 학생들이 액체를 쏟지 않도록 주의시킨다.

단계 1 : 유리잔에 물을 붓는다.

그림 10 : 첫 번째 활동에 필요한 준비물들.

단계 2 : 용액이 초록색으로 변할 때까지 지시약을 몇 방울 떨어뜨린다.

질문 : 액체의 pH 값은 몇일까? 산성일까 염기성일까?

예상 답 : pH 값은 8이에요. 물은 중성이거나 약간 염기성에 가깝다고 할 수 있어요.

그림 11: pH 지시약을 첨가한 후 물은 pH 값 8을 나타낸다.

단계 3 : 빨대를 사용하여 용액에 바람을 천천히 불어 넣는다. 유리잔 밖으로 용액이 튀어 나오지 않도록 조심한다. 지시약의 색이 변하는 것이 멈출 때 까지 계속 바람을 분다.

그림 12 : 용액에 이산화탄소를 불어 넣는다. 그러면 해당 용액의 pH 값은 천천히 변할 것이다.

단계 4: 최종 색을 지시약의 pH 값 표와 비교하여 pH 값을 결정한다.

그림 13: 바람을 불고 몇 분이 지나면 더이상 색이 변하지 않는다. 아래 예시는 pH 3을 기록했다. 이것은 용액이 탄산수에 의해서 산성으로 변했음을 나타낸다.

질문 : 기록된 pH 값은 몇 인가요? 물은 산성이 되었나요, 염기성이 되었나요?

예상 답 : pH는…(그림 13에서 주어진 예시는 3이다.) 아주 산성이에요.

질문 : 산성은 다른 물질에 어떤 작용을 하나요?

예상 답 : 산성은 특정 물질을 녹일 수 있는 힘을 가지고 있어요.

정보 :

이 경우 학생들은 탄산을 만들어낸 것이다. 자연에서 탄산은 석회암과 화학 반응을 일으켜 탄산칼슘을 만들어낸다. 바다 달팽이, 홍합이나 산호와 같은 많은 해양 생물체들의 외골격에 침전된다.

CO2에 의한 해양 산성화의 실제 영향을 보여주기 위해서 학생들에게 아래 비디오를 보여준다.

The Other Carbon Dioxide Problem (Duration: 3:57) https://youtu.be/9EaLRcVdTbM

Sea Change: The Pacific’s perilous turn (Duration: 9:03) https://goo.gl/Hu5y4q

질문 : 해수가 좀 더 산성을 띠게 되면 석회암으로 된 외골격을 가진 해양 생명체들은 어떻게 되나요?

예상 답 : 석회암은 탄산에 의해서 녹아요.

활동 2 :

질문 : 용액을 중성화시키는 방법을 아나요? 예. 산성을 중성인 물로 다시 바꿀 수 있나요? 교사는 탄산수와 사이다의 기체 또한 이산화탄소임을 설명할 수 있다. 잠시 동안 상온에 이런 액체를 놔두게 되면 어떻게 될까요?

예상 답 : 오랫동안 기다리거나 끓이면 이산화탄소가 빠져 나오게 된다.

만약 학생들이 용액에 열을 가할 때 다칠 것 같으면 관련 실험은 선생님이 수행할 수 있다. 그렇지 않다면 가열기나 오븐을 나눠주고 학생들이 할 수 있도록 한다.

가열기 위에 산성 용액이 담긴 유리잔을 둔다. 용액에 몇 분 동안 열을 가하면 그 액체는 색이 변한다. 단, 끓이지는 마세요! 결국 색은 초록색이 되고 중성을 나타낸다. 서로 다른 색조는 그림 14에 나타나있다.

그림 14 : 산성 용액에 열을 가하는 동안 색은 다시 변하게 된다. 탄소가 액체로부터 빠져 나오기 때문에 산도는 다시 돌아간다. 따뜻한 물은 차가운 물만큼 이산화탄소를 많이 저장할 수 없다.

질문 : 용액에 열을 가하는 동안 변하는 것을 보았나요?

예상 답 : 네, 색이 변했어요.

질문 : pH 값은 어떻게 됐나요?

예상 답 : 다시 중성 값인 7이나 8로 돌아왔어요.

질문 : 해수가 북극에서 적도 지방으로 흐를 때 어떻게 되나요?

예상 답 : 해수는 따뜻해집니다.

질문 : 어떤 물이 이산화탄소를 더 많이 가지고 있을까요? 북극일까요 적도지방 물일까요?

예상 답 : 북극이요.

질문 : 그렇다면 해수에 용해된 이산화탄소에는 어떤 일이 일어날까요?

예상 답 : 대기 중으로 이산화탄소를 방출해요.

결론

학생들은 용액에 바람을 불어 넣음으로써 이산화탄소가 주입되어 중성인 물이 탄산이 담긴 물로 변하는 것을 알게 된다. 그 후 학생들은 물에 열을 가하면 용해된 이산화탄소가 방출되는 현상을 이용해 용액을 중성화시킬 수 있다. 이 실험은 물이 주요 온실가스인 이산화탄소에 노출되었을 때, 즉 기체를 흡수하고 좀 더 산성화되는 일에 비유된다. 이것은 석회암질의 외골격이 발달한 산호와 바다 달팽이 같은 생명체들에게 치명적이다. 석회암은 탄산에 의해서 녹을 수 있다. 결국, 학생들은 따뜻한 물이 이산화탄소를 더 적게 가지고 산성화가 적게 됨을 알 수 있다. 하지만 해수는 극지방에서 저위도로 이동한다. 이러한 경로 중에 해수가 데워지면 포화상태의 이산화탄소는 방출되게 된다.

 감사의 글

이 활동의 번역을 검토해주신 송인옥 박사님과 심현진 교수님, 이정애 박사님에게 감사의 인사를 전합니다.