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Chlorofluorocarbons / 鹽化弗化炭素
염화 불화 탄소
염화 불화 탄소
1. 개요
흔히 프레온 가스라고 불린다. 최초 발명자는 토머스 미즐리.|
|
| CFCl3의 구조 |
| 분자량 : 137.36 g/mol |
| 밀도 : 1.494 g/cm³ |
| 녹는점 : −110.48 °C (−166.86 °F; 162.67 K) |
| 끓는점 : 23.77 °C (74.79 °F; 296.92 K) |
보통은 듀폰의 상표명인 프레온 가스(Freon Gas)로 불리고, 영미권에서는 두문자어인 CFCs로 부르는 경우가 많다. 불끄는 소화 약제로 많이 쓰이는 하론(Halon)도 염화 플루오린화 탄소이다.
입체적인 구조는 메탄과 유사하다. VSEPR 이론에 의해 둘 모두 입체수(SN)가 4에 해당하며, sp3 혼성 오비탈을 갖는다. 결합각은 약 109.5°이다.
마시고 질식해 죽을 수도 있다. 하지만 워낙 안정된 화합물이라 불소가 들어간 물질이라고 해도 몸에서 이상을 일으키는 게 아닌 밀폐된 공간에서 산소 대신 폐를 채워도 몸이 인식을 못 해서 죽는 단순 질식이다. 이산화 탄소 및 산소를 제외한 다른 기체의 농도를 인체가 감지하지 못하기에, 질소를 이용한 안락사와 마찬가지로 산소가 충분하지 않으면 사망에 이를 수 있다. 특히 무색무취의 기체이며, 밀도가 공기보다 커 사고가 발생하기 쉬우므로 밀폐된 공간에서는 주의를 기울여야 한다.
2. 특징
주로 냉장고, 에어컨 등의 냉매, 스프레이, 소화기 분무제 등에 사용된다. 일반적으로 잘 알려져 있지는 않지만 기판 및 IC 칩 세정제로도 쓰인다. 전자 제품을 제조하는 공장에서 세척용으로 대량으로 사용한다. 스프레이식 기판 세척/접점 부활제인 BW-100의 주성분도 한때 이것이었다.[1] 깔개를 만들 때도 사용한다.염화 플루오린화 탄소는 부식성이 없는 비인화성 기체이다. 반응성이 극히 높은 플루오린과 염소 원자가 탄소와 결합하여 매우 안정적인 결합을 이루고 있다.[2] 즉 CFC는 극히 안정적인 분자이며 다른 물질과 반응을 거의 하지 않는다. 그러나 인체 독성이 없는 것은 아니다. 과도한 흡입은 장기 부전을 유발하며 심하면 사망에 이르게 할 수 있다. 하지만 이 문제는 냉매가 새는 에어컨 앞에 가서 일부러 숨을 쉴 일이 없다.
그런데 이 안정성이 아이러니하게도 환경에 심한 악영향을 미친다. CFC 분자는 분자 수명이 100년이 넘는 데다, 매우 안정적이기 때문에 대기 중에 방출되면 변질되거나 파괴되는 일 없이 성층권까지 올라간다. 일반적으로 염소 기체는 반응성이 커서 오존층에 도달하기 힘든데, CFC가 염소 원자를 오존층까지 배달하는 셈인 것이다.
성층권에는 고에너지 광선인 자외선이 많이 내리쬐며, 자외선의 에너지가 CFC의 구조를 파괴하여 염소 원자를 뜯어내고 이 염소 원자가 성층권에 있는 오존과 반응하여[3] 오존으로부터 산소 원자 3개 중 1개를 흡수한다. 그러면 오존은 산소로 바뀌는데, 산소 원자 1개를 결합했던 염소 원자 즉, 일산화 염소(ClO)는 거기서 다른 오존 분자 1개와 반응해 산소 분자 2개로 바꾸고 다시 염소 원자(Cl)로 떨어져 나와 다른 오존 분자를 파괴하는 것을 반복한다.[4] 즉, 염소는 스스로를 소모하지 않는 사실상의 촉매 반응을 하며 어마어마한 수의 오존을 파괴한다. 물론 여러 가지 이유 때문에 촉매 반응이 무한하게 이뤄지진 않기 때문에 파괴하는 오존의 수에는 한계가 있지만, 염소 원자 하나가 무려 10만 개의 오존 분자를 산소 분자로 바꾸는 식으로 파괴한다. 쉽게 말하자면, 염소 원자는 무려 1:100,000라는 어마어마한 교환비를 자랑하는 것이다.
자연적으로 생성되는 물질이 아니므로 외계 행성의 대기에서 CFC가 발견될 경우 외계 문명이 존재한다는 단서가 될 수 있다.
2.1. 온실가스
대표적인 온실가스 중 하나이다. 또 다른 온실가스로는 이산화 탄소(CO2), 아산화 질소(N2O), 메테인(CH4) 등이 있다.[5]다른 가스에 비해 저렴하나, 오존층을 파괴하는 치명적인 문제로 인해 북한은 2007년, 우리나라에서는 몬트리올 의정서의 영향 아래 2010년부터 프레온 가스의 사용이 금지되었다.
하지만 2010년쯤부터 오존층이 얇아지자 이에 의문을 품는 이들이 늘어났고, 급기야 중국이 가성비만 따져 프레온을 생산, 배출하고 있다는 이야기 # 등이 도는 가운데 경북대 연구진이 2019년 5월 중국이 광범위하게 이를 생산, 배출해 왔음을 증명해 냈다. # 일부 업자가 몰래 프레온 가스를 생산하고 암암리에 유통되어 사용되고 있었고 당국은 그냥 손을 놓고 있었던 것이다.
게다가 이건 한국 연구진의 주도 하에 영국, 미국, 일본, 스위스 연구진이 참여했고 이를 네이처지에 게재함으로써 국제적으로 인정받았고, 심지어 레딧에선 게재 반나절 동안 10만 추천이 박히고, 조회 수 1위를 찍기도 했다.
결국 중국 정부는 이를 인정하고 대대적인 단속을 하여 생산업자를 체포하고 생산 공장을 몰수 또는 철거를 하여 공장 감축 조치를 하였다. #
3. 종류
상품화된 것들만 20종 이상이다.- Trichlorofluoromethane (Freon-11) : CCl3F
-
Dichlorodifluoromethane (Freon-12) : CCl2F2
한 때 자동차의 에어컨용 냉매로 널리 사용됐으나(일명 구냉매), 대략 90년대초반을 전후해서 R134a냉매를 사용하도록 바뀌기 시작했다.[6] - Chlorotrifluoromethane (Freon-13) : CClF3
- Chlorodifluoromethane (R-22) : CHClF2
- Bromochlorodifluoromethane (Halon 1211, Freon 12B1) : CBrClF2
- 2-bromo-2-chloro-1,1,1-trifluoroethane (Halon 2311) : CF3CHBrCl
-
HFC
앞 글자에 'Cl'이 들어가지 않는다는 점에서 알 수 있듯이 분자 구조에는 염소가 포함되어 있지 않다. 그래서 오존층보다 낮은 고도에서 더 긴 파장의 자외선을 흡수해 오존층을 파괴하지 않는다. 그래서 한때 프레온 가스의 대체 물질로 각광받았으나, 온실 효과를 일으킨다는 점이 밝혀지면서 HFC 계열에 속하는 일부 물질은 CFC와 마찬가지로 사용이 금지되었다.[7] -
HFO
이 물질도 Cl이 들어가지 않으며 H의 일부가 F로 치환된 불포화 탄화수소 화합물이다. 대표적인 물질로는 HFO-1234yf(분자 구조는 CH2=CF-CF3가 있으며, 종래에 흔히 쓰이던 HFC계 냉매인 HFC-134a와 유사한 열역학적 성질을 가지면서도 대기 중에서 분해가 빨라서 온실 효과 유발능이 낮기 때문에 대체재로 널리 채용되고 있다. 그러나 HFO는 높지는 않지만 인화성, 폭발성이 있다.
[1]
지금은 Non CFCs를 내세우며, HFO-1233zd를 사용하고 있다.
[2]
염소와 플루오린, 탄소는 비금속 원소이기에 공유 결합이다.
[3]
즉, 오존층 파괴의 주체는 프레온 가스 분자 자체가 아니라 거기 포함된 염소 원자다. 이 때문에 프레온 가스 외에도 그 밖의 염소 산화물은 모두 오존층을 파괴할 수 있다. 단, 가장 널리 쓰였고 인지도가 높은 물질이 프레온 가스라서 가장 유명했다. 이 때문에
몬트리올 의정서에서도 프레온 가스는 물론 100여 종류의 오존층 파괴 물질 모두를 일괄적으로 금지시켰다.
[4]
염소 원자가 오존 분자를 분해시키는 메커니즘은 아래와 같다.
Cl + O3 → ClO + O2
ClO + O3 → Cl + 2O2
이 화학식을 보면 알겠지만 스스로를 소모하지 않고 같은 과정을 계속 반복하게 된다. [5] 참고로 프레온 가스의 온실 효과는 이산화 탄소보다도 훨씬 크다. [6] 혹여나 리스토어 등의 목적으로 90년대초의 차를 구매할 경우 들어가는 에어컨 냉매의 종류도 확인해야한다. R12냉매 자체가 이미 생산과 유통이 끊긴 지가 굉장히 오래됐기때문에 어딘가에 재고로 남아있는게 아닌이상 구할 방법이 없는데, 이러한 이유로 에어컨을 수리할 상황이 닥치면 동일 차종의 R134a냉매용 부품(컴프레서, 콘덴서, 에바포레이터 등)으로 컨버전 해버리기도 한다 [7] 100년간 온실 효과 유발능을 기준으로, CFC는 프레온 11이 이산화 탄소의 4700배, 프레온 12가 1만 배에 달한다. HFC의 경우 가장 널리 쓰이는 HFC-134a(1,1,2,2테트라플루오로에탄)가 이산화 탄소의 1300배이므로 CFC에 비해 낮긴 하지만 여전히 문제가 있다. 반면 HFC-32(디플루오로메탄)은 온실 효과 유발능이 600배 수준으로 훨씬 양호하기 때문에 금지되지 않았다.
Cl + O3 → ClO + O2
ClO + O3 → Cl + 2O2
이 화학식을 보면 알겠지만 스스로를 소모하지 않고 같은 과정을 계속 반복하게 된다. [5] 참고로 프레온 가스의 온실 효과는 이산화 탄소보다도 훨씬 크다. [6] 혹여나 리스토어 등의 목적으로 90년대초의 차를 구매할 경우 들어가는 에어컨 냉매의 종류도 확인해야한다. R12냉매 자체가 이미 생산과 유통이 끊긴 지가 굉장히 오래됐기때문에 어딘가에 재고로 남아있는게 아닌이상 구할 방법이 없는데, 이러한 이유로 에어컨을 수리할 상황이 닥치면 동일 차종의 R134a냉매용 부품(컴프레서, 콘덴서, 에바포레이터 등)으로 컨버전 해버리기도 한다 [7] 100년간 온실 효과 유발능을 기준으로, CFC는 프레온 11이 이산화 탄소의 4700배, 프레온 12가 1만 배에 달한다. HFC의 경우 가장 널리 쓰이는 HFC-134a(1,1,2,2테트라플루오로에탄)가 이산화 탄소의 1300배이므로 CFC에 비해 낮긴 하지만 여전히 문제가 있다. 반면 HFC-32(디플루오로메탄)은 온실 효과 유발능이 600배 수준으로 훨씬 양호하기 때문에 금지되지 않았다.