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기체의 용해도와 잠수병 |
'기체의 용해'라고 하면 가장 먼저 떠오르는 것이 탄산음료이지요. 탄산음료는 물에 맛나는 설탕을 탄 후 이산화탄소를 녹여 놓은 것입니다. 탄산음료의 톡 쏘는 맛이 바로 물에 녹아있는 이산화탄소 때문이지요.
기체가 물에 녹아 들어가는 정도는 그 기체의 압력에 따라 달라집니다. 물과 접해있는 기체 상에 이산화탄소의 압력이 클수록 더 많이 물에 녹아들어 가지요. 그래서 탄산음료를 만드는 공장에서는 이산화탄소의 압력이 아주 높은 상태에서 음료를 포장합니다.
우리의 몸은 70% 이상이 물로 되어있고, 우리 몸은 코를 통해 1기압의 대기와 접하고 있습니다. 그리고 우리가 숨쉬는 대기의 80% 정도는 질소 기체이고 20% 정도는 산소 기체이지요. 따라서 우리의 혈액 속에는 항상 일정량의 산소와 질소가 녹아 있습니다.
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그런데 바다 깊이 들어갈 경우 조심해야 할 일이 있습니다. 예전에는 깊은 바다의 해산물을 캐려는 해녀들이 많이 있었고, 요즈음에는 스쿠버 다이빙을 취미로 하는 사람들이 많이 있지요. 이런 사람들이 깊은 바다에 들어가고 나올 때 조심하지 않으면 건강을 해치거나 심지어 생명을 빼앗길 수도 있거든요.
바닷물 아래로 력 10m 내려갈 때마다 물이 내리누르는 압력 때문에 약 1기압씩 압력이 커집니다. 그러니까 물밖 대기중의 압력은 대략 1기압이고, 10m 물밑에서는 압력이 2기압 정도, 40m 물밑에서는 압력이 5기압 정도이지요.
스쿠버 다이빙을 하는 사람들은 깊은 바다 속에서 숨쉬기 위해 높은 압력으로 공기를 채운 탱크를 짊어지고 물에 들어가지요.
만약 이 아저씨가 물 밑 40m로 잠수했다면 어떤 일이 일어날까요?
아저씨 몸에 작용하는 압력이 5기압으로 늘었겠지요. 그렇다면 아저씨 혈액 속에 공기 중에서 보다 훨씬 많은 양의 질소가 녹아들어 갔겠군요. 좀 더 정확히 말하면 물 100g에 1기압 하에서는 0.0024g의 질소가, 5기압 하에서는 0.012g의 질소가 녹는답니다.
이제 바닷속 구경을 마치고 물위로 올라오속려고 합니다. 그런데 갑자기 솟아오른다면 어떤 일이 생길까요? 혈액에 질소가 많이 녹아있는데(바닷속) 갑자기 조금밖에 녹을 수 없는 조건(수면)이 되었으니 그 차이만큼 질소가 혈액을 떠나야겠지요. 녹아있던 기체분자들이 모여 기포를 만들어서요.
이것은 높은 압력 하에서 이산화탄소를 많이 녹여놓은 탄산음료의 마개를 열었을 때 이산화탄소의 압력은 거의 0인 대기와 만났을 때, 이산화탄소 기포가 거품으로 솟아나는 것과 똑같은 일이지요.
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이렇게 혈액 속에서 갑자기 많은 기포들이 생기면 그 기포들이 혈관을 막는 수가 있어요. 그래서 혈액의 순환을 방해하거나 심한 경우 약한 혈관을 터트리기도 해요. 이것을 '잠수병'이라고 합니다.
그래서 깊은 바다에 들어갔다가 물 밖으로 나올 때는 아주 천천히 올라와서 여분의 기체를 조금씩 내어 보내야 합니다.
또 다른 해결 방법도 있지요. 실제로 잠수부들이 호흡하는데 필요로 하는 것은 질소가 아니고 산소입니다. 필요없는 질소가 압력에 따라 녹는 차이가 많이 나서 문제를 일으키는 거지요. 따라서 질소 대신 혈액에 거의 녹지 않기 때문에 압력이 변하여도 용해되는 정도가 별로 차이 나지 않는 기체를 쓰면 되지요. 그게 바로 헬륨기체입니다. 그래서 요즈음 스쿠버다이빙용 기체 탱크는 산소와 헬륨기체로 채워져 있습니다. 질소에 비해 헬륨이 좀 비싼 게 흠이지요.
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