왜 산소나 질소보다 이산화탄소가 적외선을 잘 흡수하나요?
온실가스에 대해 검색해보다가
대기 중의 산소와 질소는 적외선을 받더라도 뜨거워지지 않고, 이산화탄소만 온도가 높아진다. 그 이유는 분자의 성질 때문이다. 산소 분자(O2)는 동일한 O와 O 원자가 붙어 있고, 질소(N2) 역시 같은 N과 N이 결합해 있으므로 적외선이 잘 통과해버린다.
그러나 O-C-O 형태로 결합된 CO2는 적외선을 흡수한다. 특히 적외선 파장 중에 2,000-1,5000nm의 빛을 잘 흡수한다.
라는 설명을 보게 되었는데요.
분자 구조가 적외선 흡수에 무슨 연관이 있어서 차이가 생기는 건지 궁금합니다!
안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
분자 구조가 적외선 흡수와 밀접하게 연관되는 이유는 진동 모드와 관련이 있습니다. 적외선은 분자 내의 결합을 진동시킬 수 있는 특정 에너지를 가지고 있는데, 분자의 구조에 따라 이러한 진동 모드가 가능할지, 가능하다면 어떤 방식으로 가능한지가 결정됩니다.
산소(O₂)와 질소(N₂)의 경우 이들 분자는 대칭형 이원자 분자로, 양쪽에 동일한 원자가 결합되어 있습니다. 이 대칭 구조는 전기적인 극성(즉, 분자의 부분 간에 전하 분포의 불균형)을 만들어내지 않으므로, 전자기 복사인 적외선을 효과적으로 흡수할 능력이 없습니다. 쉽게 말해, 적외선이 이 분자의 결합을 진동시키려 해도 적절한 흡수 매커니즘이 없다는 뜻입니다.
이산화탄소(CO₂)의 경우 CO₂는 선형 대칭 구조(O=C=O)를 가지고 있지만, 이 분자는 여러 가지 진동 모드를 가질 수 있습니다. 두 산소 원자가 동시에 안팎으로 이동하거나, 한 산소 원자는 안으로, 다른 하나는 바깥으로 이동하여 진동 모드를 가집니다. 이러한 진동 모드 중 일부는 적외선 파장의 에너지와 정확히 일치하며, 특히 CO₂는 특정 파장 범위(2,000~15,000nm)의 적외선을 강하게 흡수할 수 있습니다.
결론적으로, 분자 구조와 결합 방식은 어떤 진동 모드가 활성화될 수 있는지 결정하며, 적외선 흡수 여부를 좌우합니다. 따라서 산소와 질소는 진동 모드가 활성화되지 않아 적외선을 잘 흡수하지 않는 반면, 이산화탄소는 다양한 진동 모드를 통해 적외선을 흡수할 수 있게 되는 것입니다.