화학의 세계 13판 15장 - kocwcontents.kocw.net/kocw/document/2014/pusan/leesangkuk/15.pdf ·...

2014년도 제2학기 현대생활과 화학 제15장 에너지 1

에너지1515.1 에너지 : 빛나는우리의태양

15.2 에너지와화학반응

15.3 열역학법칙

15.4 힘 : 사람, 말, 화석

15.5 석탄: 오래된탄소암석

15.6 천연가스와석유

15.7 편리한에너지

15.8 핵에너지

15.9 재생가능한에너지원

에너지는 현대 문명의 원천이다. 인류는 필요한 에너지를 얻기 위하여다양한 방법을 사용하고 있으나, 아직도 완전히 해결된 것은 아니다. 에너지의 종류와 활용 가능한 방법에 대하여 공부한다. 활용 가능한 에너지 종류에 대하여 살펴보자. 나무>석탄>석유>가스>원자력(수력)>???


연료천국

- 에너지 : 일을 할 수 있는 능력

- 우리가 소비하고 사용하는 모든 것(음식, 의복, 집과 집 안의 내용물, 자동차, 길 등)을 생산,포장, 분배, 작동, 버리는 데 에너지를 필요로 함

- 에너지 이용 : 건강, 환경, 국가 안보에 막대한 비용을 초래

- 미국에서 생산되는 에너지의 소비 형태운송수단 = 29%, 가정 = 22%, 상업용도 = 19%, 공익설비 = 38%

미국 인구는 세계 인구의 5% 이하이지만, 한때 세계 에너지의 절반을 소비한적도 있었다. 아직도 에너지가 제한된 자원이며, 아껴야 한다는 생각이 매우부족하다. 따라서 대다수의 도시는 에너지를 비효율적으로 사용하고 있다. 그러나 한국은 에너지에 관하여 상당히 효과적인 국가이다. 그 차이는 무엇인가? 대중교통 (미국의 휘발유 값은 우리의 절반 이하이다.)


15.1 에너지 : 빛나는우리의태양

- 지구상의 모든 생물은 핵에너지에 생존을 의존하고 있음- 태양은 지구에 수십억 년 동안 대부분의 에너지를 공급해왔고 미래의 수십억 년 동안도 그러할 것임

- 에너지의 SI 단위 = 주울(joule, J)

- 일률의 SI 단위 = 와트(watt, W)

: 1초에 1J의 일을 하는 양 1W = 1J/s

- 한 시간 동안 사용하는 에너지의 양 = 1 kWh (=3,600 kJ)

- 태양은 수소를 헬륨으로 천천히 전환하는 핵융합 반응기

* 태양의 에너지 방출량 = 4×1026 W

* 지구는 이 에너지의 500억분의 1만 받음

* 이 양은 핵발전소 1억개와 같은 양

그림 태양불꽃 – 지구보다20배 이상 큼

에너지 단위와 일률에 대한 단위를 생각하자.

태양은 핵융합 에너지이므로 거의 무한대이다. 앞으로 45억년 동안은 유지될 것이다.

태양은 1초 동안에 6억 톤의 수소를 핵융합에 사용한다.


예제 15.1 전력과에너지전환75 W 전구를 한 시간 동안 켜두었을 때의 전기에너지 소비량은 주울(J)로얼마인가?

풀이J

hsh

sJ 000,270

13600175

에너지 일률은 단위시간당 에너지이므로 시간을 곱하면 에너지 단위가 된다.

지구가 태양으로 받는 에너지의 상당 부분은 적외선 에너지로 방출한다.


운동에너지와위치에너지

에너지는 주로 2가지 형태로 존재: 위치에너지(potential energy) & 운동에너지(kinetic energy)⇒ 전체 에너지 = 위치에너지 + 운동에너지 = 일정⇒ 형태만 전환됨 (ex. 전기에너지, 빛에너지, 열에너지, 기계적 에너지)

에너지 보존의 법칙을 생각하자.


에너지와생태계

- 생물권(biosphere)* 모든 생물이 존재하며 공기, 물, 토양으로 구성된 얇은 막(약 15km)* 생물권이 받는 에너지의 작은 일부만이 생물의 삶을 유지하는데 쓰임

- 태양에너지의 이용도* 30% : 반사되어 단파장 복사(자외선, 가시광선)로 우주로 돌아감

* 23% : 물의 순환을 위해 사용 (ex. 물의 증발)* 0.02% 보다 적은 양 : 녹색식물의 광합성에 사용

2612622 666 OOHC에너지OHCO 클로로필

태양 촉매 글루코오스(단당류)

자연의 에너지 저장 방법 : 아직도 효율이 너무나도 낮다. 과학자들은 효율을 높이는 인위적인 방법을 찾고 있다. 나무잎은 태양에서 오는 에너지의 0.1% 정도만 화학적 에너지로 저장하고 나머지는 열로서 방출한다.


15.2 에너지와화학반응

화학반응속도에영향을미치는인자

- 온도 : 일반적으로 온도가 높을수록 반응속도는 빠름

- 반응물의 농도 : 농도가 높을수록 반응속도는 빠름(∵ 주어진 공간 안에 분자의 수가 많을수록충돌 가능성이 높아지기 때문)

- 촉매 : 촉매 존재 시 반응 속도가 빠름그림 온도영향 – 부패반응을 막기위해 우유와 채소를 냉장고에 넣음

그림 농도영향 – 기체산소보다더 농도가 큰 액체산소를 불붙은

담배에 부으면 담배는 스파크를

내며 불꽃으로 변하면서 빠르게

분해된다.

그림 촉매의 작용 – (a) 과산화수소는 물과 산소로 천천히 분해된다.(b) 백금 금속을 과산화수소에 집어넣으면 반응은 빠르게 진행된다.


에너지변화와화학반응 : 열화학

- 열화학(thermochemistry)* 화학반응과 물리적 변화가 일어나는 동안 생기는 에너지 변화연구* 화학반응과 관련된 에너지 변화는 화학물질의 양과 관련

ex) CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(g) + 803 kJ

메탄 1몰을 연소하면 803 kJ의 에너지가 방출됨

메탄 2몰을 연소하면 2×803 = 1,606 kJ의 에너지가 방출됨

예제 15.2 화학반응의에너지프로판 1.00몰을 연소하면 2,201 kJ의 에너지를 방출한다.

C3H8(g) + 5O2(g) → 3CO2(g) + 4H2O(g) + 2,201 kJ

프로판 15.0 몰을 연소할 때 방출되는 에너지는 얼마인가?

풀이kJ

HCmolkJHCmol 000,33

1201,20.15

8383


계와주위

- 계(system) : 관심을 갖는 우주의 한 부분 ex) 접시 위에 있는 얼린 시금치

- 주위(surrounding) : 계를 제외한 나머지

- 우주 = 계 + 주위

발열반응 : 열을주위로방출하는반응ex) 메탄, 휘발유, 석탄의 연소 반응

흡열반응 : 열이주위에서흡수되는반응ex) 2H2O(l) + 573 kJ → 2H2(g) + O2(g)

물 2몰을 분해하려면 573 kJ의에너지가 주위에서 흡수되어야 함

그림 15.1 석탄의 연소(큰 발열반응)

그림 15.2 흡열반응의 예

: 열+Ba(OH)2·8H2O(s)+2NH4SCN(s)

→ Ba(SCN)2(s)+2NH3(g) +10H2O(l)

수소기체를 태우면 물이 생기면서 열이 발생한다. 이것은 발열반응이다. 반대로 물을 수소와 산소기체로 분해하기 위해서는 에너지를공급해야 한다. 이것은 흡열반응이다. 즉 열에너지와 화학에너지의 교환이다.


예제 15.3 화학반응의에너지변화225 g의 프로판이 연소할 때(예제 15.2) 방출되는 에너지는?

풀이

kJHCmol

kJHCgHCmolHCg 200,11

1201,2

0.441225

8383

8383

물과 얼음 사이의 전환물과 수증기 사이의 전환


15.3 열역학 법칙

열역학제 1법칙 : 에너지보존의법칙- 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 변환될 수 있지만에너지는 창조되지도 않고 파괴되지도 않는다.

- 에너지 보존의 법칙이라고도 불림

열역학제 2법칙 : 엔트로피에관한법칙, 즉자발적변화를예측하는법칙

- 에너지가 창조되지도 않고 파괴되지도 않는다면우리에게 더 많은 에너지가 필요한 이유는 무엇인가? * 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 변함* 모든 형태의 에너지가 동등하게 쓸모 있는 것은 아님* 고급(더 유용한) 형태의 에너지는 끊임없이낮은(덜 유용한) 형태의 에너지로 저하됨

열역학제 2법칙: 에너지는항상뜨거운물체에서차가운물체로흐르는자발적과정이다.逆(역)과정은자발적으로일어나지않는다.

그림 15.3 열은 뜨거운 불에서차가운 마시멜로로 흐른다.

과학자들은 자연에서 일어나는 열역학적 변화로부터 4개의법칙을 만들었다. 이것을 열역학 법칙이라고 부른다.

에너지 및 질량 보존의 법칙이다.


엔트로피(entropy)

- 열역학 제 2법칙의 또 다른 표현법- 에너지의 분산을 측정하는 데 사용(ex. 한 계의 에너지가 더 많이 분산될수록엔트로피는 더 높다)

- 자발적인 변화는 엔트로피를 크게 하거나

발열반응이 생기게 하는 경향이 있음

15.4 힘 : 사람, 말, 화석

초기 인류의 에너지(음식과 연료) : 야생식물 채집과 야생동물 사냥으로 얻음첫 번째 연료 : 식물(즉, 나무)첫 번째 에너지를 유용한 일로 바꾸는 기계장치 : 물레방아최근에는 풍력이 전기를 만드는 데 이용됨

풍차와 수차 : 부는 바람과 흐르는 물의 운동에너지를 기계에너지로 바꾸는 장치

그림 15.4 물의 증발을 거시적 관점(왼쪽)과미시적 관점(오른쪽)으로 나타냄

자발적 변화는 항상 무질서가 증가하는 방향이다. 산소와 질소의 자발적 혼합은 공기를 만든다. 그러나 공기가 자발적으로 질소와 산소로 분리되지 않는다.


화석연료 : 한정된 자원이다.

- 우리의 삶을 지탱하는 90% 이상의 에너지가 석탄, 석유, 천연가스 같은

화석연료에서 옴

- 연료(fuel) : 연소 될 때 상당한 양의 에너지를 방출하는 물질

그림 15.5 몇 가지 연료

(a) 연료는 환원된 물질의 형태로 연소 될 때 많은 양의 열을 방출한다.(b) 산화된 형태의 물질들


화석연료의매장량과소비속도

- 지구는 한정된 양의 화석연료를 가지고 있음

- 약 90%의 화석연료가 300년 안에 소진될 것임

- 화석연료의 생성속도 = 소비속도의 1/50,000

석탄은 오염물질을 배출하므로 한정된 자원이나 마찬가지다. 에너지 과소비국인미국은 에너지 생산도 으뜸이지만 소비는 단연 으뜸으로 한 때 최대의 원유 수입국이었다. 세일(shale)석유 생산으로 이제 에너지 수출국으로 전환한다. 세일 석유란 무엇인가? 우리나라는 가능한가? 지금 세계는 에너지 전쟁이다.


15.5 석탄 : 오래된탄소암석- 산업혁명은 주로 석탄에 의해 추진되어졌음- 1900년까지 세계 에너지 생산량의 약 95%가 석탄의 연소에서 옴

- 석탄(coal) * 연소되는 유기물질과 재를 만드는 무기물질의 복잡한 혼합물* 주 원소는 탄소임

* 탄소의 완전연소 : C(s) + O2(g) → CO2(g)

* 탄소의 불완전연소 : 2C(s) + O2(g) → 2CO(g)

그림 석탄은 화석연료이다.거대한 양치류, 갈대, 풀들이3억년 전 석탄기 동안 자랐다.이런 식물들은 땅에 묻혀서

오랜 기간에 걸쳐 석탄으로

전환되었다.

함몰된 년 수에 따라 성질이 조금씩 달라진다. 오래되면 휘발성 성분은 사라져무연탄이 된다. 나무가 석탄으로 바뀌면 부피가 1/10 으로 줄어든다.


그림 15.6 탄소순환

지구에서는 대부분 석회암으로 존재한다.


풍부하지만불편한연료

- 석탄 : 지금까지 가장 풍부한 화석연료⇒ 미국은 세계 매장량의 약 ¼을 보유하고 있음

- 미국 전기회사 : 매년 10억 톤의 석탄을 연소하여 3.78조 kWh의 전기를 생산

- 석탄의 사용은 심각한환경문제를 유발

- 채굴의 위험성과 운반비용 비쌈⇒ 20세기에만 미국에서 100,000명 이상이 석탄 광산에서 죽었음

그림 테네시 주 모건 카운티의 노천 광산의 모습 (a) 1963년의버려진 광산 (b) 1971년실험프로젝트로 복원된 모습천채굴은 광대한 식물 지역을 황폐화시킨다. 파낸 흙은 씻겨나가 하천을 진흙과 미사(silt)로 채운다.미국 법은 대부분의 채굴 지역을 복원할 것을 의무화하고 있다. 불행히도 대부분의 손실은 법이 통과되기 전에이루어졌다. 많은 사람들은 현재의 법이 불충분하다고 생각한다.


오염의원인이되는석탄

- 광물질을 포함하기 때문에 입자성 물질이 공기 중에 들어가 주요 오염원이 됨- 황을포함하기때문에 SO2발생

⇒ 대기 중 습기와 반응하여 황산형성

- 공기가 없는 상태에서 가열하면

휘발성물질은날아가고 코크스생김

- 코크스 : 철과 강철 생산에 이용

- 휘발성 물질

: 액체로 응결하면 석탄 오일과

콜타르(끈적끈적한 혼합물) 생김그림 굴뚝 연기에서 일단 제거되면 비산회(fly ash)는해가 되지 않는 것처럼 보인다. 테네시 킹스톤에 있는 발전소에서는 비산회를 연못에

슬러리(물과 비산회의 혼합물)로 보관했다. 2008년이 연못의 둑이 무너져 400만 m3의 슬러리가

방출되어 300에이커의면적을 뒤덮어서 집, 도로, 가스라인, 급수관 등이 파손되고 철로가 막혔으며나무가 쓰러졌다.

석탄의 증류는 국내 OCI 회사에서 수행한다. 얻어진 액체를 분리하면 매우 중요한 화학원료가 된다. 비록 소량이지만 현대 사회에 필요한 화학물질이다. 제약, 염료 분야에서는 필수적이다.


15.6 천연가스와석유

천연가스

- 메탄이 주성분으로 가장 깨끗한 화석연료 임

- 메탄의 연소반응

CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g) + 열

- 공기가 부족한 상태에서의 메탄 연소반응

2CH4(g) + 3O2(g) → 2CO(g) + 4H2O(g)

CH4(g) + O2(g) → C(s) + 2H2O(g)

대부분의 천연가스는 연료로 사용되지만

천연가스 또한 중요한 화학원료 물질임

ex 1) 북미지역 – 고급 알칸이 분리

ex 2) 에탄과 프로판을 크래킹하여에틸렌과 프로필렌을 얻음

그림 전형적인 천연가스의 조성

그림 천연가스는 상대적으로 깨끗한불꽃을 내며 연소함

공업적으로 활성탄의 제조에 이용한다.

일반적으로 탄소수가 많은 탄화수소는 연소시에 그을름이 나온다.


석유 : 액체탄화수소

석유 : 1950년부터 석탄을 대체하는 주요 연료가 됨- 대표적인 석유의 연소반응

2C8H18(l) + 25O2(g) → 16CO2(g) + 18H2O(g)

- 석유는 주로 동물로부터 생성됨

: 해양에 사는 미시적 동물의 지방으로부터 생성되었을 가능성이 높음

⇒ 지방은 산소의 함유량이 낮고 주로 탄소와 수소로 이루어져 있음(C57H110O6)

⇒ 지방으로부터 산소를 제거하고 탄소와 수소를 재배열하면 전형적인

석유 탄화수소 분자가 됨

석유제품

- 중유 : 가정 난방과 전기를 생산하는데 쓰이는 연료유⇒ 효과적 연소가능, 공기오염 적음

- 휘발유 : 석유의 주성분, 자동차 내연기관의 효율이 낮기 때문에 공기오염이 큼천연가스보다 더러운 연료

휘발유, 경유는 자동차 연료로 사용 가능하지만, 중유는탄소수가 너무 많아 부적당하다. 대신에 석유화학 연료로 사용한다.


석유의채취와정제

석유의채취: 유정에서 파이프를 따라 펌프로 옮겨져 큰 탱크선으로 해양을 가로질러 운반됨

석유의정제

- 원유를 우리의 용도에 맞게 하기 위해 증류탑에서 끓여서 분리함- 가벼운 탄화수소는 증류탑 꼭대기에서 나오고무거운 탄화수소는 아래쪽에서 나옴

- 휘발유 : 높은 온도에서 끓어 나오는 부분을 공기가 없는 상태에서 끓여 만듦⇒ 크래킹(cracking) 과정, 즉 큰 분자를 작은 분자로 분해

- 크래킹 과정의 이점• 자연물질을 인간의 필요와 욕구에 맞게

변화시킬 수 있음(ex. 석유나 콜타르로부터 플라스틱, 농약, 제초제, 향수, 방부제, 진통제, 항생제, 흥분제, 진정제, 염료, 세제 등을 만듦 )

• 석유 산업계가 원하는 부분의 생산을 조절

할 수 있음 (ex. 여름 : 휘발유의 생산 늘림, 겨울 : 중유의 생산을 늘림)

• 석탄에서 석유를 만듦그림 15.7 석유의 분별증류

석유의 정제는 끓는점의 차이를 이용한다. 분별증류라고 부른다.


그림 15.8 전형적인 등유 분자인 C14H30을 크래킹 했을 때 생성되는 생성물의 화학식들

크래킹 과정에서사용하는 촉매의종류에 따라 다양한 작은 분자를만들 수 있다. 촉매 제조가 노하우이다.


휘발유

- 탄화수소의 혼합물- 보통 휘발유의 성분

곧은 사슬알칸

가지 달린 사슬

을 가진 알칸알켄 고리 알칸 고리 알켄

방향족탄화수소

4 ~ 8% 25 ~ 40% 2 ~ 5% 3 ~ 7% 1 ~ 4% 20 ~ 50%

- 휘발유에 들어있는 첨가제의 종류: 노킹방지제, 산화방지제, 녹방지제, 동결방지제, 실린더 상부 윤활제, 세제,

염료 등

고급휘발유

석유정제는 대표적인 화학산업이다. 현재는 모든 공정이 자동으로 작동하므로 최소의 인원으로 공장을 가동할 수 있다. 따라서 1인당 생산성은 최고이며,최고의 급료를 받는다.


휘발유의옥탄가

노킹(knocking) : 내연기관에서 점화플러그가 점화되기 전에 휘발유-공기 혼합물이점화되는 현상 : 엔진의 출력을 저하시킨다.

옥탄가((octane rating) : 탄화수소의 균일 연소와 노킹 정도에 대한 성능 기준⇒ 아이소옥탄 = 옥탄가 100 , 헵탄 = 옥탄가 0

ex) 옥탄가 90인 휘발유 = 아이소옥탄 90%와 헵탄 10%의 혼합물

C CH2

CH3

CH3

CH3 CH CH3

CH3

CH3

CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3

아이소옥탄(옥탄가 100) 헵탄(옥탄가 0)

1930년대 화학자들은 휘발유를 황산 or 염화알루미늄 같은 촉매 하에서 가열하면휘발유의 옥탄가가 증가될 수 있음을 발견함

ex) 헵탄 분자 ⇒ 가지가 있는 구조로 이성질화 됨

옥탄가가 높을수록 고급 휘발유이다.

좋은 휘발유란 무엇인가?노킹 없이 높은 출력을 낼수 있는 연료이다.


옥탄가를증가시키는방법

알킬화(alkylation) : 작은 탄화수소 분자를 연료로 적합한 큰 분자로 만드는 과정

ex) 아이소부틸렌이 프로판과 반응 ⇒ 생성물은 가지가 많아 옥탄가가 큼

- 휘발유의 노킹 방지 첨가물 : 테트라에틸납[Pb(CH2CH3)4] : 더 이상 사용하지 않음⇒ 1L의 휘발유에 1 mL의 테트라에틸납을 넣으면 옥탄가를 10 이상 증가시킴

접촉개질법(catalytic reforming) : 곧은 탄화수소를 방향족 고리화합물로 바꾸는 방법

ex) 옥탄가가 25일 헥산이 옥탄가 106인 벤젠으로 전환

CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3

촉매

열+ 4H2

헥산(옥탄가 25) 벤젠(옥탄가 106)

납은 중금속으로 환경에치명적인 영향을 주므로더 이상 사용하지 않는다.


옥탄가를높이는데쓰이는물질

: 에탄올, 메탄올, 3차 부틸 알코올, MTBE(methyl tert-butyl ether) 등⇒ 테트라에틸납보다 효과가 좋지 못함

알코올과 알코올의 유도체는 모두 산소를 포함 ⇒ ‘산소첨가제’라고 불림

- 장점 : 옥탄가 증가, 자동차 배기가스 중 일산화탄소의 양도 줄임- 단점 : 에너지 함량이 탄화수소보다 낮음

MTBE- 화학적으로 반응성이 낮음- 물에 대한 용해도는 4.8 g/100 g- EPA에 의해 잠재적인 발암물질로 간주

대체연료 : 아직도 경제성을 찾지 못하고 있다.

- 바이오디젤 : 에탄올과 식물성 기름, 동물의 지방을 반응시켜 만들어짐- 트라이아실글리세롤 에스터 : 기름과 지방에 있던 지방산의 에틸 에스터로 전환- 에탄올 : 사탕수수에서 얻어지는 수크로오스의 발효로 얻어짐

알코올 등과 같은 산소가 포함된 탄화수소는 연소 시에 일산화탄소의 양은 줄지만 힘이 약하다.


15.7 편리한에너지 : 전기: 가장깨끗한에너지

화석연료의 편리성 : 연료의 물리적 상태에 의존

그림 15.10 석탄을 연소하는 발전소의 발전도표

그림 15.10 2009년도 미국의에너지원에 따른 발전비율


석탄의기체화와액체화

장점 : 운반이 용이, 황과 광물질이 제거 ⇒ 석탄의 단점을 없앨 수 있음

석탄을합성기체연료로전환과정

- 수소로의 환원

- 메탄형성

- 합성가스를 통해 메탄올로 전환

- 메탄올은 바로 연료로 쓰이거나 탄화수소로 전환될 수 있음

⇒ 각 단계는 적당한 촉매가 필요

단점 : 많은 에너지와 물이 필요, 전환된 액체연료를 연소시 입자성 물질이 생성됨

다른공정들

- 베르기우스법 : 석탄을 수소와 반응- 피셔-트로프슈법 : 석탄을 증기와 반응시켜 일산화탄소와 수소의 혼합물을 만들고

철 촉매하에서 반응시켜 탄화수소의 혼합물을 만듦

)()()()( 22 gHgCOgOHsC

)()(2)( 42 gCHgHsC

)()()()( 222 gHgCOgOHgCO )()(2)( 32 lOHCHgHgCO

)()()( 23 lOHxlHClOHCHn mn

석탄의 기체화/액체화는쉬운 공정이 아니다.


15.8 핵에너지 : 가장강력한에너지그러나위험하다.

- 핵분열 반응은 핵반응로에 의해 통제

- 핵분열 시 방출되는 에너지는 증기를 만드는 데 쓰임

- 증기는 터빈을 돌려 전기를 생산함

- 현재 미국 전기의 거의 20%가 핵발전소에서 나옴

그림 15.11 핵발전소의 발전도표 현재 국내에서 고리원전 1호기 해체 이야기가 나오고 있지만, 아직도 어떤 나라도 원전을 해체해 본적이 없다. 즉 앞으로도 계속해서 사용해야 된다는 얘기다.


한국도 약26.4% 전기가 원자력에서 나온다. 석유가격의 변동성에 비하면원자력 가격은 상당히 안정하다. 특히 IMF 시절엔 상당히 도움을 받았다. 선진국에서는 원자력의 추가적인 건설을 포기하고 비록 비용이 비싸지만재생 에너지 (풍력, 태양광)을 이용하는 방향으로 정책을 변경하였다.


핵발전소의종류

(1) 끓는 물형 원자로: 초기모형으로 원자로에서 생성되는 증기가 터빈을 돌리는 데 직접 사용됨

(2) 가압수형 원자로(그림 15.11)- 3 ~ 4%의 우라늄-235 사용 (핵폭탄 = 90% 우라늄-235사용)- 감속재를 이용하여 분열될 때 나오는 중성자의 속도를 느리게 함- 붕소강이나 카드뮴 조절봉을 집어 넣어 통제- 조절봉들을 부분적으로 제거하면 연쇄반응이 시작됨

핵발전소의장점 : 공기오염의최소화

- 온실효과의 원인이 이산화탄소를 전혀 배출하지 않음- 황산화물, 질소산화물, 그을음, 재 등을 배출하지 않음- 지구온난화, 공기오염, 산성비를 일으키지 않음

핵발전소의단점

- 근로자와 인근 주민을 방사선으로부터 보호하기 위한 값비싼 안전장치 필요- 격납건물 안에 지어져야 함- 냉각장치 필요- 열오염 발생

화력발전은 연료공급을 중단하면 바로 발전이 중단되지만 원자력은 원자로에서 끄집어 내어도 계속해서 열이 발생한다.


핵사고

- 1979년 펜실베이니아 주 해리스버그에 인접한 3마일 섬 핵발전소에서 일어난냉각수 유출사고 ⇒ 환경에 적은 양의 방사능 유출

- 1986년 우크라이나 체르노빌 핵 사고⇒ 원자로가 녹아 그 자리에서 몇 사람이 즉사, 몇 달 안에 2,500명 이상이 사망, 135,000명의 사람들이 대피

- 2011년 일본 후쿠시마에서 일어난지진과 쓰나미는 외부 전원 공급을 차단시켜

반응로 3개가 부분적으로 녹아방사선이 널리 유출

그림 2011년 3월 발생한 일본 후쿠시마의핵발전소 방사능 유출 사고

원자력 사고가 발생하면 현재의 과학기술로는회생불능이다. 따라서 그 장소는 장기간 (1만년정도) 출입을 금지한다.


증식로 : 소비하는것보다더많은연료의생산

- 분열 가능한 우라늄-235의 공급은 한계- 우라늄-238을 중성자와 충돌시켜 분열 가능한 플루토늄-239로 전환시킴

- 생성된 플루토늄의 특성• 녹는점(640℃)이 낮음 : 발전소가 상당히 낮은 온도에서 비효율적인 작동을

해야 함 (∴ 냉각장치 필요)• 독성이 매우 강함

• 반감기 = 24,000년

eNpUnU 01

23993

23992

10

23892

ePuNp 01

23994

23993

- 다른 증식로 : 토륨-232를 분열 가능한 우라늄-233으로 전환

ePaThnTh 01

23391

23390

10

23290

eUPa 01

23392

23391

참고로 핵연료가 녹아 뭉쳐지면 폭발의 가능성이 있다. 따라서 녹는점이 낮은 플루토늄은 비효율적이다.

우랴늄 238 은 연료로 사용 불가하지만 증식로에서 전환하면 사용 가능하다. 자연에서 99.2%를 차지한다.

우라늄이 고갈되었을 때다음 선택은?


핵융합 : 자기병속의태양

통제된융합반응의장점

- 주요 연료인 중수소가 풍부- 물의 분별 전기분해로 얻을 수 있음- 방사성 폐기물 문제도 최소화 됨- 최종 생성물인 헬륨은 안정하고 생물학적으로도 반응성이 없음

단점

- 삼중수소(반감기=12.3년, 베타붕괴)의 유출이 문제 ⇒ 유기체에 쉽게 들어감- 중성자 방출 ⇒ 방사성 동위원소로 바꿀 수 있음- 열오염

그림 15.12 가장 가능성 있는 융합반응은 중수소와 삼중수소의 반응임

꿈의 기술이지만 아직도 실현되지 못하고 있다. 어쩌면 영원히 불가능할지도 모른다.


통제된융합반응의에너지생산을위한기술적어려움

- 1억에서 2억℃에 이르는 임계 점화 온도의 획득- 1~2초의 제한시간- cm3 당 약 2~3×1020개에 이르는 충분한 이온 밀도

⇒ 원자도 이 온도에서는 불안정

- 전자는 원자를 벗어나고 핵과 자유로운 전자는플라즈마라는 혼합물을 형성함

- 전하를 띤 입자(핵과 전자)로 구성된플라즈마는 강한 자기장 안에 담을 수 있음

핵융합은 미래에 깨끗하고 풍부한 에너지를얻을 수 있는 최고의 희망일지도 모름그러나 그에 따른 아직도 해야 할 과제가 많이남아 있다.

그림 15.13 토카막이라고 불리는 도넛모양의 큰 전자석이 핵융합 반응에 필요한 매우 높은 온도와 압력에서 플라즈마를 담기 위해 고안되었다

반응이 일어나려면 2000만도 이상의고온이 약 1분간 지속되어야 한다. 현재 기술은 겨우 3초 정도이다.

상온핵융합반응: 초고온을 유지하기 위한 장치이다. 자기장의 힘으로 입자를 모아둔다.


우주에서 일어나는 핵융합 과정. 수소가 결합하여 헬륨을 만든다.

우주에 존재하는 별에서 일어나는 반응이다. 태양은 2-3세대 별이다. 먼 옛날 선조 별이 타고 남은 잔해가 모아져서 다시 타오르기 시작한 별이다.


Cold fusionIn 1989 Martin Fleischmann (then one of the world's leading electrochemists) and Stanley Pons reported that their apparatus had produced anomalous heat ("excess heat"), of a magnitude they asserted would defy explanation except in terms of nuclear processes.[1] They further reported measuring small amounts of nuclear reaction byproducts, including neutronsand tritium.[2] The small tabletop experiment involved electrolysis of heavy water on the surface of a palladium (Pd) electrode.[3] The reported results received wide media attention,[3] and raised hopes of a cheap and abundant source of energy.[4]


15.9 재생가능한에너지원태양난방

- 태양에너지의 30%는 우주로 반사- 약 반이 열로 전환됨 : 태양열 집열기를 만들어 온수와 난방을 이용

- 북부지방의 기후에서도 태양열 집열기는 난방의 50%를 충족시킴

- 장치는 비싸지만 연료의 절약을 통해 몇 년 안에 비용을 회수할 수 있음

그림 15.14 태양빛의 에너지는 태양열 집열기에 의해 흡수되어 물을 데우는 데 사용된다.(a) 태양열 집열기가 어떻게 온수와 난방을 제공하는지를 보여줌(b) 다양한 집열기가 태양에너지를 이용하기 위해 사용됨

현 시점에서는 가장 깨끗한 에너지원이다. 선진국에서는 이 방법을 발전시키고 있다. 서유럽 국가들은 원자력 발전을 이미포기하였다. 모두 재생에너지로 충당을 할 예정이다.


태양전지 : 태양빛으로부터얻는전기

태양전지를 이용하면 태양빛을 전기로 직접 바꿀 수 있음

장치는 순수한 실리콘에 적은 양의 특정한 불순물을 도핑하여 만듦

- n-형 반도체 : 여분의 전자- p-형 반도체 : 전자의 부족으로 구멍 형성

태양전지 : 두 종류의 결정(n-형, p-형)을접합시켜 만듦

⇒ 전자는 전자밀도가 높은 n-형 지역에서p-형 지역으로 흐름

장·단점- 태양전지를 연결하여 태양 축전지를 만들면100 W/m2의 전기를 만들 수 있음

- 우주선의 동력원으로 오랫동안 사용되어 왔음- 외진 곳의 기상기구에 전기를 공급하는 데 쓰임- 효율이 높지 않음(약 14% ~19%정도)- 밤과 구름 낀 날에 사용할 수 있도록에너지의 저장을 필요로 함

그림 15.15 규소 결정의 모형

그림 15.16 태양전지의 작동을보여주는 도표

경제성이 거의 없음.

태양전지의 원리ㅐ는 빛의 에너지로 원자의 전자를 높은 에너지 궤도로 이동시키면 자유롭게 흐른다. 이것이 전류의 발생이다.


생물자원 : 연료를생산하는광합성

생물자원(biomass)- 마른 식물을 연료로 사용하면 상당히 잘 타고 발전소의 연료로 사용할 수 있음- 깨끗하게 연소됨- 태양에 의해 생산되는 재생 가능한 자원임- 생물자원을 위한 땅은 에너지가 필요한 곳으로부터 멀다- 연료효율은 3% 정도로 낮음- 이용 예 1) 식물의 전분과 당은 발효시켜 에탄올을 얻을 수 있음이용 예 2) 식물을 박테리아가 분해하면 메탄이 생성이용 예 3) 식물성 기름과 동물성 지방은

바이오디젤이라고 불리는 연료로 전환

그림 생물자원은 나무를 거의 땅바닥가까이까지 잘라 수확된다.


수소 : 가볍고힘센연료

수소의연소반응

수소의특성- 깨끗한 연료- 우주에 가장 풍부한 연료이지만 원소 상태의 수소(H2)는 지구상에 거의 존재하지않음 ⇒ 존재형태는 화합물 안에 존재함

연료전지

전기를 생산하기 위해 연료를 전기화학 전지에서 산화시키는 장치

전기화학 전지와의 차이점

- 연료와 산소가 끊임없이 공급됨- 연료가 공급되는 한 전류는 생산됨- 전극은 과정 동안 반응하지 않는 백금 같은안정한 물질로 만들어짐

연료전지 반응

- 산화전극 : 2H2(g) → 4H+ + 4e-

- 환원전극 : 4e- + O2(g) + 4H+ → 2H2O(l)- 전체반응 : 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l)

kJlOHgOgH 572)(2)()(2 222

그림 15.17 수소-산소 연료전지

일반적인 화학반응에서는 열이 나오지만 연료전지에서는 전자가 발생한다.


다른재생에너지원

수력- 현재 미국 전기 생산의 7%를 담당- 터빈은 발전기를 돌려 기계적 에너지를전기 에너지로 바꿈

- 상대적으로 깨끗한 에너지원

풍력- 미국 에너지 생산량의 0.5%- 가장 빠르게 성장하는 에너지원(매년 20~30%씩 성장)- 깨끗하고 무료이며 풍부함

지열에너지

- 간헐온천이나 화산으로 지표면으로 나옴- 아이슬란드, 뉴질랜드, 일본, 이태리 등에서 오랫동안이용되어 왔음

- 단점 : 폐수에 상당히 염분이 많으므로 폐수처리 문제

콜로라도 강에 있는 후버 댐

덴마크 전기의 20%를 공급하는 풍차

아주 좋은 관광자원


그림 15.18 지열에너지는 일부 지역에서 에너지 공급원이 되고 있음(a) 뉴질랜드 와이라케이에 있는 지열 사용지, (b) 물을 지하 5 km 아래에 있는 건조하고 뜨거운 암반에보내어 가열시켜 에너지를 얻음

해양에너지

- 해양의 열에너지 이용은 1881년에 처음으로 제안되었고 1930년 실용성이 입증- 조수의 차이를 이용하여 사용

아직도 대용량 발전소 건설은 어렵다.

한국의 서해안에서 사용중임


에너지 : 얼마나많아야충분할까?

- 우리의 에너지 미래는 불확실함- 세계 석유 생산량은 곧 정점에 이를 것임

- 미국 에너지부의 에너지 정보국: 세계 에너지 소비가 2002년부터 2025년까지 57% 증가할 것이고대부분이 이 소비의 증가는 대부분 개발도상국에서 발생할 것이라고 예측함

우리는에너지를보존하고새로운에너지원을찾아야함

중국과 인도의 발전은 세계 자원을 급격하게 고갈시킬 것으로 생각된다. 선진국에서는 인구가 감소하기시작하였으나, 후진국은 기하급수적으로 증가한다. 특히 인도의 인구증가는 폭발적이다. 중국도 한자녀운동으로 인구증가가 멈추었으나, 고령화로 인하여이 제도도 폐기되고 있음.

추운나라

추운나라


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화학의 세계 13판 15장 - kocwcontents.kocw.net/kocw/document/2014/pusan/leesangkuk/15.pdf ·...

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