액체 산소

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1. 개요
2. 물리적 성질
3. 제법
4. 용도
5. 역사
참조

1. 개요

액체 산소는 맑은 청록색을 띠며 강한 상자기성을 가진 극저온 물질로, 1 bar에서 끓는점은 90.19 K이다. 액체 산소는 강력한 산화제로 유기 물질과 접촉 시 격렬한 연소를 일으키며, 극저온 특성으로 인해 접촉하는 물질을 부서지게 만든다. 액체 산소는 단열 팽창에 의해 액화된 공기를 분별 증류하여 얻으며, 산업 및 의료 목적으로 널리 사용된다. 특히 로켓 추진에 액체 수소, 등유 또는 메탄과 함께 사용되는 극저온 액체 산화제 추진제로서 중요하며, 과거 V-2 로켓, 아폴로 새턴 로켓 등 다양한 로켓에 사용되었다. 또한, 액체 산소는 병원에서의 산소 공급, 제철 산업 등 다양한 분야에서 활용된다. 1883년 지그문트 브워블레프스키와 카롤 올셰프스키가 최초로 측정 가능한 양의 액체 산소를 생산했다.

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액체 산소
개요
비커에 담긴 액체 산소
화학식	O₂
몰 질량	31.9988 g/mol
녹는점	54.36 K (−218.79 °C, −361.82 °F)
끓는점	90.188 K (−182.962 °C, −297.332 °F)
임계 온도	154.59 K (−118.56 °C)
임계 압력	5.043 MPa
액체 밀도 (비점)	1.141 g/cm³
삼중점	54.36 K (−218.79 °C), 0.15 kPa
설명
외관	담청색 액체
위험성
EU 분류	산화제 (O)
주요 위험	R8
안전 지침	S17, S36
NFPA 704	400
인화점	불연성
자기 점화 온도	해당 없음 (불연성)
폭발 한계	해당 없음 (불연성)
관련 화합물
기타 음이온	O₂⁻ (초과산화물) O²⁻ (산화물)
관련 산소	O (원자 산소) O₃ (오존)
추가 정보
굴절률	1.221

2. 물리적 성질

액체 산소는 맑은 청록색을 띠며 강한 상자기성을 가져, 강력한 말굽 자석의 자극 사이에 떠 있을 수 있다.^[2] 밀도는 1.141kg/L로, 액체 물보다 약간 더 높다. 어는점은 54,360이고, 끓는점은 1bar에서 90,190이다. 팽창률은 1:861이다.^[3]^[4]

극저온 특성 때문에 액체 산소는 접촉하는 물질을 매우 잘 부서지게 만들 수 있다. 또한 매우 강력한 산화제이므로, 유기물질은 액체 산소에서 빠르고 활발하게 연소된다. 액체 산소에 적신 석탄 브리케트, 카본 블랙 등의 일부 물질은 불꽃, 스파크 또는 가벼운 충격과 같은 점화원으로부터 예측할 수 없이 폭발할 수 있다. 석유화학 제품, 아스팔트를 포함한 물질들도 종종 이러한 현상을 보인다.^[5]

사산소 분자(O₄)는 안정적이지 않지만, O₂ 분자들이 반평행 스핀을 가진 쌍으로 결합하여 일시적인 O₄ 단위를 형성하는 경향이 있다.^[7]

액체 질소는 끓는점이 -196°C로 산소보다 더 낮기 때문에, 액체 질소가 들어있는 용기에서 산소가 응축될 수 있다. 표면 장력은 정상 압력 끓는점에서 13.2 dyn/cm이다.^[8]

3. 제법

액체 산소는 단열 팽창(줄-톰슨 효과)을 통해 액화된 공기에서 분별 증류하여 얻는다. 액체 질소의 끓는점(77K)이 산소(90K)보다 낮기 때문에 액체 공기에서 산소를 쉽게 농축할 수 있다.

4. 용도

액체 산소는 상업적으로 산업용 가스로 분류되며 산업 및 의료 목적으로 널리 사용된다. 액체 산소는 극저온 공기 분리 설비에서 공기에 자연적으로 존재하는 산소를 분별 증류하여 얻는다.^[9]^[10]

아프가니스탄 바그람 공군기지에서 미 공군 기술자가 록히드 마틴 C-130J 슈퍼 허큘리스 항공기에 액체 산소를 이송하고 있다.

공군은 오랫동안 액체 산소가 산화제 및 병원과 고고도 항공기 비행에서 호흡용 산소 공급원으로서 전략적 중요성을 인지해 왔다. 1985년 미 공군은 주요 소비 기지에 자체 산소 발생 시설을 건설하는 프로그램을 시작했다.^[9]^[10]

전로법 개발 당시에는 전로 바닥에서 공기를 불어넣는 방식이었으나, 현재는 위에서 산소를 불어넣는 방식으로 바뀌었다. 녹은 용선에 산소를 불어넣어 불순물을 태워 없애고, 철의 순도를 높인다. 제철소에서는 많은 양의 산소가 소모되기 때문에 공장 내에 산소 제조 설비가 설치된다.

액체산소폭약은 액체 산소와 탄소 분말을 혼합하여 만든 폭약으로, 과거에는 사용되었으나 현재는 사용되지 않는다.^[5] 일부 판매되는 액체 산소에는 누출 감지를 위해 디메틸 설파이드와 같은 합성 냄새 성분이 첨가되기도 한다.

4. 1. 로켓 추진제

액체 산소는 우주선 로켓 추진에 가장 일반적으로 사용되는 극저온 액체 산화제 추진제이며, 일반적으로 액체 수소, 등유 또는 메탄과 함께 사용된다.^[11]^[12]

로버트 고다드의 최초 액체 연료 로켓, 제2차 세계 대전 당시 V-2 로켓(A-Stoff 및 Sauerstoff라는 이름으로 사용), 1950년대 냉전 기간 동안 미국 레드스톤, 아틀라스 로켓, 소련 R-7 세묘르카 로켓, 1960년대와 1970년대 아폴로 새턴 로켓의 상승 단계와 우주왕복선 주 엔진, 그리고 2024년 현재까지도 많은 로켓들이 액체 산소를 사용하고 있다.

국가	기관	로켓
중국	중국 국가항천국	창정 5호, 창정 6호, 창정 7호, 창정 8호
유럽	유럽우주국	아리안 6
인도	인도우주연구기구	GSLV(지구동기위성발사체 3단계)
일본	JAXA(일본)	H-IIA, H3
대한민국	한국항공우주연구원	나로호, 누리호
러시아	로스코스모스	소유즈-2, 안가라
미국	블루 오리진	뉴 셰퍼드, 뉴 글렌(개발 중)
	파이어플라이 에어로스페이스	파이어플라이 알파
	NASA	우주발사시스템
	노스롭 그러먼	안타레스
	로켓랩	일렉트론
	스페이스X	팰컨 9, 팰컨 헤비, 스타십
미국	유나이티드 론치 얼라이언스	아틀라스 V, 벌컨

로켓 엔진은 대기 중의 산소를 연소(산화)에 이용하지 않고, 케로신 등의 연료 외에 산화제 (산소, 과산화수소, 사산화이질소, 질산 등)를 미리 로켓에 탑재한다. 이 중 산소는 상온상압 상태에서 독성이 낮다는 장점 때문에 탄도미사일 초기부터 현재까지 널리 이용되며, 액체 산소 형태로 탑재된다.

액체 산소를 사용한 초기 로켓은 다음과 같다.

'''V2/A4''': 나치 독일이 개발한 세계 최초의 탄도 미사일인 V2 로켓은 물·에탄올 혼합물과 액체 산소를 연료로 사용했다. 이 방식은 구 소련이 V2/A4 설계를 확장하여 미사일을 개발할 때도 많이 채용되었다. V2는 야전 기동을 위해 로켓 운반차, 단열 탱크를 갖춘 액체 산소 운반차, 알코올 운반차, 전원차, 지휘차 등 약 30대의 지원 차량으로 전장을 이동했고, 발사 지점에서 4~6시간 내에 발사할 수 있었다.
'''R-7''': 구 소련이 개발하고 배치한 세계 최초의 대륙간탄도탄(ICBM)인 R-7(SS-6 Sapwood)은 케로신과 액체 산소를 사용하는 RD-108 엔진, RD-107 스트랩온 부스터를 갖추고 있었다. R-7은 인공위성 발사 로켓 보스토크로 전용되어 역사적인 업적을 남겼으며, 개량을 거듭하여 현재도 소유즈 엔진으로 운용되고 있다.
'''레드스톤''': 폰 브라운이 미국에서 처음 만든 로켓이자 미군에 처음 배치된 탄도 미사일인 SSM-A-14/PGM-11 레드스톤은 A-7 엔진(물·에탄올 혼합물과 액체 산소 연료 사용)을 사용했다.
'''아틀라스''': 미국 최초로 배치된 ICBM인 SM-65/CGM-16/HGM-16 아틀라스는 케로신과 액체 산소를 사용하는 XLR-105-5 엔진에 LR-101-NA7 부스터 엔진 2개를 장착했다.

현재도 스페이스 셔틀(미국), 소유즈(러시아), H-II 로켓(일본) 등에 액체 산소가 널리 사용되며, 연료로는 주로 케로신이나 액체 수소가 사용된다.

4. 2. 의료용

병원의 액체 산소 탱크에 탱크로리(tank lorry)에서 액체 산소를 보급하는 모습(스코틀랜드, 2008년)

대형 병원에서는 기존의 산소통 방식이 아닌, 병원 내에 설치된 산소 배관을 통해 대형 액체 산소 탱크에서 기화시킨 산소를 공급하는 경우가 많다. 개별 산소통을 준비할 필요가 없어 대량 구매를 통한 비용 절감 외에도 산소통 잔량을 신경 쓸 필요가 없다는 장점이 있지만, 설비 설치 및 유지 관리에 비용이 발생한다.

4. 3. 산업용

상업적으로 액체 산소는 산업용 가스로 분류되며 산업 및 의료 목적으로 널리 사용된다. 액체 산소는 극저온 공기 분리 설비에서 공기에 자연적으로 존재하는 산소를 분별 증류하여 얻는다.

공군은 오랫동안 액체 산소가 산화제로서, 그리고 병원과 고고도 항공기 비행에서 호흡용 산소 공급원으로서 전략적 중요성을 인지해 왔다. 1985년 미 공군은 주요 소비 기지에 자체 산소 발생 시설을 건설하는 프로그램을 시작했다.^[9]^[10]

전로법이 개발되었을 당시, 그것은 전로의 바닥에서 공기를 불어넣는 방식이었다. 현재는 위에서 산소를 불어넣는 방식으로 바뀌었다. 녹은 용선에 산소를 불어넣어 불순물을 태워 없애고, 철의 순도를 높인다. 제철소에서는 많은 양의 산소가 소모되기 때문에, 공장 내에 산소 제조 설비가 설치된다.

4. 4. 기타

액체산소폭약은 액체 산소와 탄소 분말을 혼합하여 만든 폭약으로, 과거에는 사용되었으나 현재는 사용되지 않는다.^[5] 일부 판매되는 액체 산소에는 누출 감지를 위해 디메틸 설파이드와 같은 합성 냄새 성분이 첨가되기도 한다.

5. 역사

1845년까지 마이클 패러데이는 당시 알려진 대부분의 기체를 액화하는 데 성공했다. 그러나 산소, 수소, 질소, 일산화탄소, 메탄, 일산화질소의 6가지 기체는 모든 액화 시도에 저항했으며, 당시에는 "영구 기체"로 알려져 있었다.

1877년, 프랑스의 루이 폴 카이예테와 스위스의 라울 픽테는 최초로 액체 공기 방울을 생성하는 데 성공했다.

1883년, 폴란드의 교수 지그문트 브워블레프스키와 카롤 올셰프스키는 최초로 측정 가능한 양의 액체 산소를 생산했다.^[14]

참조

_[1] 웹사이트 First liquid-fueled rocket https://www.history.[...] 2019-03-16
_[2] 서적 Principles of Chemistry: The Molecular Science https://books.google[...] Cengage Learning 2009-01-21
_[3] 웹사이트 Cryogenic Safety https://web.archive.[...]
_[4] 웹사이트 Characteristics https://web.archive.[...] 2012-07-22
_[5] 웹사이트 Liquid Oxygen Receipt, Handling, Storage and Disposal https://archive.org/[...] USAF Training Film
_[6] 논문 The Magnetism of Oxygen and the Molecule O₂
_[7] 논문 Noncollinear magnetism in liquid oxygen: A first-principles molecular dynamics study https://kanazawa-u.r[...]
_[8] 보고서 Liquid Oxygen Liquid Acquisition Device Bubble Point Tests With High Pressure LOX at Elevated Temperatures https://ntrs.nasa.go[...]
_[9] 보고서 1U.S. Army Oxygen Generation System Development https://web.archive.[...]
_[10] 서적 Advances in Cryogenic Engineering: Proceedings of the 1957 Cryogenic Engineering Conference, National Bureau of Standards Boulder, Colorado, August 19–21, 1957 https://books.google[...] Springer Science & Business Media 2013-03-08
_[11] 뉴스 SpaceX advances drive for Mars rocket via Raptor power http://www.nasaspace[...] 2014-03-13
_[12] 뉴스 Musk goes for methane-burning reusable rockets as step to colonise Mars https://web.archive.[...] 2012-11-22
_[13] 웹사이트 Cryogenics http://www.sciencecl[...] 2012-07-22
_[14] 논문 A Tribute to Wróblewski and Olszewski https://www.europhys[...]