일산화 탄소

3. 성질

일산화 탄소는 산소가 부족한 환경에서 탄소나 유기물이 연소될 때(불완전 연소) 생성되는 기체이다. 고온이나 촉매 존재 하에서는 CO와 탄소(C)로 분해되기도 하며(불균등화 반응), 산소가 충분하면 푸른 불꽃을 내며 연소하여 이산화 탄소가 된다.

고온에서 일산화 탄소는 강한 환원 작용을 통해 여러 중금속 산화물을 환원시켜 금속을 만들어낸다. 상온에서는 전이 금속과 배위 결합하여 금속 카르보닐을 생성하는데, 니켈 카르보닐(Ni(CO))은 과거 니켈 정제에 사용되기도 했다.

일산화 탄소는 물에 거의 녹지 않지만, 질소 분자(N)와 여러 면에서 유사하다. 분자량(28.0)이 질소와 거의 같고, 결합 해리 에너지(1072 kJ/mol)는 질소(942 kJ/mol)보다 더 강하며, 알려진 가장 강한 화학 결합 중 하나이다.^[98] 결합 길이는 112.8 pm이다.^[96][97] 융점(68 K)과 비점(81 K) 역시 질소와 비슷하다.

일산화 탄소는 위와 같은 3개의 공명 구조를 갖는다. 전기 음성도는 산소가 탄소보다 크지만, 삼중 결합성이 강하여 탄소 원자에 음전하가 실린 왼쪽 구조의 기여가 크다.^[100] 전자는 탄소 쪽에 더 쏠려있어 쌍극자 모멘트는 0.122 D이다.^[99] σ 궤도는 71%, π 궤도는 77% 산소 원자 쪽에 분극되어 있다.^[100] 바닥 상태에서는 일중항 상태이므로 짝을 이루지 않는 전자는 없다.^[101]

3. 1. 물리적 성질

3. 2. 화학적 성질

3. 3. 분자 구조 및 결합

4. 제법

일산화 탄소는 공업적으로 800℃ 이상(보통 1,000℃ 정도)으로 가열한 코크스와 물(수증기)을 반응시켜 만들어지는 수성 가스로부터 얻는다.

:C + H2O -> CO + H2

위 반응은 흡열 반응이며, 반응이 진행되면서 온도가 내려간다. 이때 배기 밸브를 닫고 공기를 주입하면 코크스가 연소하여 온도가 상승하므로, 다시 수증기를 주입하여 일산화 탄소와 수소를 생성시킨다. 이 과정을 반복한다.

실험실에서는 포름산을 농황산으로 탈수시켜 일산화 탄소를 얻을 수 있다.

:HCOOH -> H2O + CO (^)

일산화 탄소는 물에 잘 녹지 않으므로, 수상 치환으로 모을 수 있다.

옥살산을 농황산으로 탈수시켜 가열해도 만들 수 있다. 이 경우, 동시에 발생하는 이산화 탄소를 강염기 수용액으로 제거해야 한다.

:(COOH)2 -> CO + CO2 + H2O

4. 1. 산업적 제법

• 생산 가스: 탄소 과잉 상태에서 고온의 코크스에 공기를 반응시켜 일산화 탄소와 질소의 혼합물인 생산 가스를 얻는다. 이 과정에서 이산화 탄소(CO₂)가 먼저 생성된 후, 뜨거운 탄소와 반응하여 일산화 탄소(CO)가 생성된다. 800℃ 이상에서는 일산화 탄소가 주 생성물이다.^[65][66]

• 수성 가스: 고온의 코크스에 수증기를 반응시켜 수소와 일산화 탄소의 혼합물인 수성 가스를 얻는다. 이 반응은 흡열 반응이다.^[64]

• 합성 가스: 천연 가스 등의 연료를 개질하여 합성 가스를 얻을 수 있다.

• 고체 산화물 전해 전지: 고체 산화물 전해 전지를 이용해 이산화 탄소를 전기분해하여 일산화 탄소를 생산할 수 있다. 세륨 산화물 촉매를 사용하면 촉매 오염 문제를 해결할 수 있다.^[67][68][69]

• 금속 산화물 환원: 금속 산화물 광석을 탄소로 환원하는 과정에서 부산물로 일산화 탄소가 생성된다.

4. 2. 실험실 제법

5. 용도

일산화 탄소는 다양한 용도로 사용된다.

화학 산업에서 일산화 탄소는 메탄올, 아세트산 등 다양한 화합물을 만드는 데 사용되는 중요한 원료이다. C1 화학 분야에서 유기 화학적으로는 카르보닐기의 원료로, 무기 화학에서는 배위자로서 사용된다.^[109] 예를 들어 알켄에 대해 적절한 촉매를 사용하여 포르밀기(-CHO)를 붙일 수 있는데, 이를 하이드로포르밀화라고 하며, 여러 알데히드를 만드는 방법 중 하나이다. 또한 코흐-하프 반응^[56], 가터만-코흐 반응^[57]등의 반응에도 사용된다.

금속 제련 과정에서 일산화 탄소는 강력한 환원제로 작용한다. 고대부터 열야금에서 광석으로부터 금속을 환원시키는데 사용되었다.^[109] 예를 들어 고로 공정에서 일산화 탄소는 광석에서 금속을 환원시키는 역할을 한다.

식품 가공 분야에서 일산화 탄소는 육류나 생선의 신선도를 유지하는 데 사용된다. 일산화 탄소는 미오글로빈과 결합하여 밝은 붉은색을 띠는 카르복시미오글로빈을 형성하여, 식품이 더 오랫동안 신선하게 보이도록 한다.^[87] 하지만, 1994년 식품위생법으로 금지되었음에도 불구하고, 아직도 해외에서 사용하는 업체들이 있는 것으로 알려져 있으며, 수입 가공식품에서 일산화탄소 처리가 발각되는 사례가 종종 발생한다.

미국 항공 우주국(NASA)의 연구원 제프리 랜드스는 화성에서 일산화 탄소를 연료로 사용할 수 있다고 제안했다. 일산화 탄소/산소 엔진은 초기 지상 운송에 사용될 수 있으며, 화성의 대기에서 쉽게 생산할 수 있다는 장점이 있다.^[72]

5. 1. 화학 산업

5. 2. 금속 제련

5. 3. 식품 가공

5. 4. 기타

6. 오염 및 건강 영향

일산화 탄소는 대기오염물질의 일종으로, 특히 공장지대나 차량, 항공기가 많이 사용되는 지역에서 농도가 높다.^[109] 도시 지역의 주요 발생원은 내연 기관 배기가스이며, 목재, 석탄, 숯, 석유, 파라핀, 프로판, 천연 가스, 쓰레기 등 다양한 연료의 불완전 연소에서도 발생한다.

6. 1. 대기 오염

6. 2. 실내 공기 오염

6. 3. 일산화 탄소 중독

6. 3. 1. 일산화 탄소 중독 예방 및 대처 (대한민국)

7. 생물학적 특성

일산화 탄소는 가스 신호 분자로 작용하는 생체 활성 분자이다. 이는 많은 효소 및 비효소 경로에 의해 자연적으로 생성되며,^[84] 가장 잘 알려진 경로는 헤모글로빈과 같은 헤모단백질에서 파생된 헴에 대한 헴 산소화 효소의 이화 작용이다.^[74] 1993년 일산화 탄소가 정상적인 신경 전달 물질이라는 첫 보고 이후,^[52] 일산화 탄소는 생물학적 조절제로서 상당한 임상적 주목을 받았다.

일산화 탄소의 신체 내 역할 때문에, 그 대사의 이상은 신경 퇴행성 질환, 고혈압, 심부전, 그리고 병리학적 염증을 포함한 다양한 질병과 연관되어 왔다.^[75] 많은 조직에서 일산화 탄소는 항염증제, 혈관 확장제로 작용하며 신혈관 성장을 촉진한다.^[76] 동물 모델 연구에서 일산화 탄소는 실험적으로 유도된 세균성 패혈증, 췌장염, 간 허혈/재관류 손상, 대장염, 골관절염, 폐 손상, 폐 이식 거부 반응 및 신경병성 통증의 심각성을 감소시키면서 피부 상처 치유를 촉진했다. 따라서 일산화 탄소가 의약품 및 임상 치료 표준이 될 수 있는 치료 잠재력에 대한 상당한 관심이 있다.^[77]

일산화 탄소와 관련된 연구는 항염증 및 세포 보호 특성을 위해 전 세계 여러 연구소에서 수행되어 왔다.^[78] 이러한 특성은 허혈 재관류 손상, 이식 거부 반응, 죽상 동맥 경화증, 중증 패혈증, 중증 말라리아 또는 자가 면역 질환을 포함한 일련의 병리학적 상태의 발전을 예방하는 데 사용될 가능성이 있다.^[77] 많은 제약 약물 전달 이니셔티브에서 일산화 탄소를 안전하게 투여하는 방법을 개발했으며, 이후의 통제된 임상 시험에서 일산화 탄소의 치료 효과를 평가했다.^[79]

미생물군은 또한 일산화 탄소를 가스전달물질로 활용할 수 있다.^[80] 일산화 탄소 감지는 CooA와 같은 단백질에 의해 촉진되는 신호 전달 경로이다.^[81][82][83] 일산화 탄소 감지의 생물학적 역할 범위는 아직 알려지지 않았다.

인간 마이크로바이옴은 일산화 탄소를 생성, 소비하고 이에 반응한다.^[84] 예를 들어, 특정 박테리아에서 일산화 탄소는 유리한 생체에너지를 통해 하위 세포 활동에 동력을 공급하는 효소 일산화 탄소 탈수소 효소에 의한 이산화 탄소의 환원을 통해 생성된다.^[85][84] 또 다른 예로, 일산화 탄소는 수소를 사용하여 일산화 탄소를 메탄으로 환원하는 메탄 생성균 고세균의 영양소이다.^[86]

일산화 탄소는 특정 항균성을 가지고 있으며, 이는 감염성 질환 치료를 위해 연구되었다.^[84]

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