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| 7N 질소* 窒素 | Nitrogen** | |||
| 분류 | 이원자 비금속 | 상태 | 기체 |
| 원자량 | 14.0067 | 밀도 | 1.251 g/L |
| 녹는점 | -210.00 °C | 끓는점 | -195.795 °C |
| 용융열 | 0.36 kJ/mol | 증발열 | 2.79 kJ/mol |
| 원자가 | 5 | 이온화에너지 | 1402.3, 2856, 4578.1 kJ/mol |
| 전기음성도 | 3.04 | 전자친화도 | 7 kJ/mol |
| 발견 | D. Rutherford (1772) | ||
| CAS 등록번호 | 7727-37-9 | ||
| 이전 원소 | 탄소(C) | 다음 원소 | 산소(O) |
* 네덜란드어 명칭 stikstof를 stik(stikken(질식시키다)의 어근) + -stof(물질)'로 분리하여 窒素로 번역한 것에서 유래. ** 초석을 뜻하는 그리스어 nitron에서 유래 | |||
| 액체 질소. 무색투명하다. |
1. 개요
프닉토겐 원소의 일종으로, 2주기 15족에 속하는 비금속원소. 상온에서 기체. 원자번호 7, 원소기호 N, 질소 분자의 화학식은 N2. 표준 원자 모형색은 ‘파란색(blue)’. 영국의 의사이자 화학자인 대니얼 러더퍼드가 최초로 발견했다. 무색, 무미, 무취이다.공기에 가장 많이 포함되어 있는 기체로, 일반적으로 건조한 공기에는 질소가 약 78% 정도 차지하고 그 다음으로는 산소가 약 21%를 차지한다. 그리고 나머지는 이산화 탄소, 아르곤 등 소량의 물질들이 공기에 섞여 있다.[1]
지구의 대기에는 질소가 대부분인데, 어디에서 이 물질이 왔는지에 대해 아직 밝혀진 바는 없다. 이전에는 지레짐작으로 혜성에서 왔을 것으로 추측했으나 탐사선 로제타가 67P 혜성을 관측한 결과 혜성 내 질소의 양이 지구에 공급하기에는 전혀 충분하지 않은 것으로 밝혀졌다. 따라서 혜성이 공급한 게 아니라면 지구 내부에서 생성됐을 가능성이 높지만 아직 정확히 확인된 바는 없다. 가령 태양 대기의 구성성분을 따져봐도, 질소보다는 오히려 산소가 3배 이상, 탄소는 10배 이상 많다. 우주에서도 철보다도 적은 물질.
사실 산소는 여러 원소와 반응해서 끊임없이 사라지나 질소는 안정되어 계속 남아있기 때문에 전체 지구 원소비율을 살펴봤을때 산소가 훨씬 많더라도 기체에는 질소가 더 많을 수 있다. 당장 광합성이 없으면 지구상의 산소는 여러 산화반응을 통해 이산화 탄소로 변하거나 암권으로 흡수되고 말 것이다. 대부분의 암석은 산소를 포함하고 있으며, 산소는 지각에서 가장 많은 원소이다.
2. 특징
질소 분자의 N≡N 결합의 에너지는 942 kJ/mol로, 두 원자 간 결합 에너지로는 최상급. 그만큼 안정한 결합이기 때문에 상온에서는 반응성이 작아 거의 어떠한 물질과도 반응하지 않지만, 자동차 실린더 같은 고온 고압 조건에서는 산소와 반응하여 온갖 비율의 질소 산화물들을 만든다. 번개에 의한 질소 고정을 통해 안정한 질소가 질소화합물이 되기도 하며, 뿌리혹박테리아에 의한 질소고정도 존재한다.이렇게 높은 에너지를 공급받아 화합물이 된 질소는 높은 에너지를 품게 되며, 이 중 일부는 폭발성을 띠기도 한다.[2] 질산칼륨, 질산 암모늄, TNT, 니트로글리세린, 니트로셀룰로오스 등 내로라하는 폭발물은 질소 화합물인 것이 많다.
2.1. 위험성
일정 농도 이하의 질소는 인체에 무해하며, 불연성이므로 화재 위험이 없다.질소는 반응성이 낮고 생물의 호흡에 사용되며, 고농도의 질소 가스가 유입되어도 사람의 감각기관은 이를 직접 인지할 수 없다.[3] 대신 혈중 산소 농도의 감소를 감지하여 간접적으로 인지하게 되는데, 인간은 산소 부족을 일반적인 이산화탄소의 과잉으로 인한 숨막힘보다 약하게 느끼고, 그것도 산소 분압이 많이 낮아진 상황[4]에 들어서야 비로소 감지하기 때문에 고농도의 질소가 가득한 공간에서는 산소 부족의 이상을 느끼기도 전에 줄줄히 실신하는것.[5] 이런 무취, 무색, 무미에 호흡까지 되는 기체라는 특성 때문에 질소는 우리에게 가장 친숙한 기체이면서도 가장 위험한 기체이다.
대기에 질소 성분이 너무 많을 경우, 산소부족증을 일으켜 질식사하게 된다. 1981년 3월 19일 NASA 우주왕복선 점검 중 격실에서 기술자 5명이 질식, 2명이 사망하는 사건이 있었고 광부들과 입자 가속기 근무자들도 이렇게 죽는 일이 많았다. 현장의 화재를 막기 위해 설비와 격방에 반응성이 낮은 기체인 질소를 채워넣은 것이 화근이었다.
지상의 공기를 그대로 압축해서 넣은 잠수부의 공기통은 최대 40m 아래로 잠수하지 않는 일반적인 취미 다이빙에는 큰 문제가 없으나 긴 시간동안, 또는 깊은 수심에서 잠수하는 잠수부에게는 질소마취효과를 일으킨다. 또한 깊은 수심에 있던 잠수부가 급격하게 수면으로 빨리 떠오르면 강한 수압에 의해 심혈관계에 과포화되어 있던 질소의 용해도가 급격히 감소하여 형성된 기포가[6] 혈액순환을 막아 각종 문제를 일으킨다. 그래서 산업용 또는 취미용이라도 장시간 다이빙을 하는 경우 공기에 질소 대신 헬륨을 첨가제로 넣은 공기통을 사용한다. 공기통에 산소만 가득하면 좋을 것도 같지만, 우리가 평소 숨쉬는 대기 중의 산소 농도도 질소에 비한다면 마이너한 수준이고, 애초에 산소는 독성이 있기 때문에 순수 100% 산소만으로 호흡하면 오히려 산소 중독으로 사망할 수 있다. 괜히 산화제가 소독약으로 쓰이는 게 아니다. [7] 지구의 자연사에서 산소 농도의 증가는 대멸종의 원인이 되기도 했다.[8]
미국에서는 오클라호마나 앨라배마 등 일부 주에서 질소가스 주입을 통한 사형집행이 추진 또는 검토중이며, 2024년 앨라배마에서 처음으로 질소 사형이 집행되었다.# # 의료업계에서 사형집행용 약물이 점차 비싸지고 인도적인 이유로 공급을 꺼리면서 질소가스 사형이 추진된 것이다. 유명 안락사 찬성론자인 필립 니츠케가 개발했다가 BBC의 오보로 실제로 사용된다고 말이 많았던 조력 자살 캡슐이 이 질소 가스를 이용한 안락사인데, 니츠케는 조력 자살 캡슐은 인체가 질소에 대한 거부반응이 없다는 이유로 편안하게 죽을 수 있다고 주장했으나 정작 질소 사형 집행시에는 죄인이 질소가스를 주입받으며 몸부림 치는것이 관찰되면서 고통이 동반하는거 아니냐는 우려#와 더불어 안락사 캡슐이 효과가 있겠냐는 반응도 생기기 시작했다.
3. 이용
3.1. 기체 질소
과자봉지에 평범한 공기 대신 질소를 채우는 이유는 튀겨서 만들어지는 과자가 산소와 결합되면 몸에 안 좋은 성분이 생기기 때문이다. 또한 산소가 포함된 공기로 충전했을 경우에는 호기성 세균이 번식할 가능성이 있어서 반응성이 매우 낮고 저렴한 질소 가스로 충전을 하는 것이다.부식/산화 문제가 적으므로 항공기의 타이어에 채우는 공기로 압축공기 대신 압축질소를 쓰기도 한다.[9] 아르곤 같은 비활성 기체를 쓰면 더 확실하겠지만 비용 문제로 쓰이지 않는다. 코스트코 등에서 자동차용 타이어 충전에 사용하기도 하며 이유는 동일.
같은 이유로 미사일의 냉각용 가스로 쓰기도 한다. 압축질소를 담아두었다가 냉각이 필요한 곳에 고속으로 분사하면 분사되면서 갑자기 질소의 압력이 확 떨어지고, 더불어 온도가 급격히 내려간다.[10] 주로 미사일의 적외선 탐색기의 냉각용으로 많이 쓰인다. 이 경우엔 좀 비싸더라도 장기보존시 문제의 소지가 더 적은 아르곤 가스를 쓰기도 하지만.
소화기로도 쓰인다. 미국의 소방비행기나 헬기에서 뿌리는 붉은색이 질소와 물을 섞은 거라고 한다.
질소 커피(니트로 커피)라는 상품이 있는데, 마실 때 마치 생맥주와 같은 느낌을 주는 커피이다.
산업용으로 사용되기도 한다. 에어 서스펜션이나 유기압 현가장치같이 공압이 활용되는 기계에 주입하는 가스로도 사용된다.
3.2. 액체 질소
또한 질소를 영하 196℃로 냉각하면 액화되어 액체질소가 되는데 물질의 동결, 전자, 식품공업, 심지어 요리에도 사용된다. 다만 사람에게 뿌린다거나 취급을 잘못할 경우 대형사고가 날 수도 있으니 조심. 다만 의료용 목적에 한해서 사람에게 직접 사용되기도 한다. 피부과의 사마귀치료[11]가 대표적.
액체헬륨이 더 낮은 온도를 만들 수 있지만 액체질소가 매우 싸서 널리 쓰이고, 과거엔 같은 양의 맥주 정도 가격이었을 정도로 싸다. 컴퓨터의 오버클럭에도 사용한다. 빙장이라는 장례법에서도 액체질소가 사용된다. 영화 터미네이터 2에서 액체질소가 등장해 T-1000을 일시적으로 무력화시키기도 했다.
CPU, 또는 GPU를 극한으로 오버클럭하는 사람들에게는 액화질소가 필수다. 오버클럭을 하면 할수록 그만큼 온도가 기하급수적으로 늘어나는데, 공랭 또는 수랭으로는 부족해 액화질소를 담을 수 있는 용기를 CPU, 또는 GPU 위에 달고[12] 오버클럭 하기 전에 용기에 필요한 만큼만 넣는다.
액체질소 20리터 용기를 충전하는 소매가격은 8-10만원 정도이다.
3.3. 질소 화합물
일단 질소 화합물은 단백질의 구성물 중의 하나이기 때문에 대부분의 생명체에게 중요한 영양소가 된다. 질소 고정으로 생성된 암모니아 같은 물질이 식물에 전달되어 식물이 아미노산으로 전환시키면, 이 아미노산을 조립하여 단백질을 생성한다.일산화 질소는 혈관을 확장하는 작용을 하기 때문에 순환계 질환 환자의 약으로 처방되기도 한다. 아르기닌, 니트로글리세린 등이 이 일산화질소로 유도되는 대표적인 화합물.
아산화 질소는 과다하게 마시면 사람이 웃게 된다고 해서 웃음가스라는 별명이 있다. 강한 산화력을 가지므로, 분사하여 순간적으로 출력을 상승시키는 장치가 달린 자동차도 있다.
질산은 SS-1 스커드 미사일 이래로 수많은 액체연료 미사일에 사용된 유서 깊은 산화제이다.
질산 칼륨(초석)은 질소 분자로 되돌아가며 큰 에너지를 내놓아 화약의 재료로 쓰인다. 흑색화약, 니트로가 앞에 붙는 수많은 화합물들. 니트로글리세린, 트라이나이트로톨루엔(TNT), 니트로셀룰로오스 등.[13]
암모니아는 비료 및 요소의 주 원료가 된다.[14]
질화철(Fe16N2)을 이용한 자석은 네오디뮴 자석보다 강력하며, 희토류 또한 전혀 이용되지 않으므로 네오디뮴을 대신할 차세대 자석 재료로 주목받고 있다. 다만 2020년대 중반 이후는 되어야 상용화가 가능할 것으로 전망된다.
갈륨과의 화합물인 질화 갈륨은 청색 LED와 레이저, 전력용 반도체로 사용된다. 동일 실리콘 반도체보다 고주파로 동작이 가능하여 SMPS 등 전력 전자회로의 크기를 줄일 수 있다.
4. 기타
고압용기에 주입 시 지정 색상은 공업용은 회색, 의료용은 검은색이다.과자의 과대 포장을 깔 때 봉지에 과자보다 포장재로 쓰이는 질소가 더 많기도 해서 질소과자라고 부르기도 한다.
[1] 실제 공기에는 이와는 별도로 지역이나 날씨에 따라 0~4% 정도의 수증기가 더 포함되어 있기 때문에, 정확한 비율은 그만큼 약간 낮아진다.[2] 특히 산소가 같이 들어있는 화합물의 경우, 외부의 산소없이 구성요소인 산소를 이용한 급격한 산화 반응 및 기체 생성을 통한 부피 팽창(폭발의 압력 생성)을 일으킬 준비가 되어 있는 셈이다.[3] 이미 대기에는 질소가 산소보다 월등히 많기에 뇌에선 별 이상을 못 느끼는 것.[4] PETO₂(종말호기 산소 분압) 40~60 수준[5] 반응 시점이 상당히 늦고 이산화탄소의 증가보다 약하게 반응할 뿐이지 인체는 산소의 부족도 분명 감지할 수 있다.Moosavi et al., 2003 인체가 산소 농도의 감소를 정말 알아차리지 못한다면 고산병이나 고고도 비행에서의 질식은 기절하기 이전까지는 아무 증상이 없어야만 하지만, 실제로는 어지럼증과 구토, 메스꺼움 등의 증상이 여럿 나타난다.[6] 여름날 콜라병을 따면 거품이 생기는 것을 연상해보자.[7] 다만 아주 짧은 시간은 괜찮기 때문에 일산화탄소 중독 환자와 같은 경우 잠시동안 고농도 산소를 흡입하도록 하는 치료를 시행하기도 한다.[8] 단 폐가 손상된 환자에게는 산소호흡기용으로 100% 산소를 쓴다.[9] 특히 항공기 타이어의 경우 비오는 날이 아닐 때 활주로에 착륙하면 멈춰있는 타이어가 접지 후 순식간에 움직일 때 나타나는 브레이크 효과로 타이어 온도가 순식간에 섭씨 수백 도로 올라가기 때문에 고열로 인한 타이어 발화를 막기 위함이기도 하다.[10] 애초에 냉각보존된 액체질소등을 쓰는 것이 아니라 상온에서 압축만 된 압축질소다. 예시로 컴퓨터 청소용 압축공기 캔 같은 게 있다면 거리를 좀 두고 손바닥 같은 곳에 살짝 쏴보자. 느낌이 어떤가?[11] 새끼발가락을 연속해서 벽에 찧는 정도로 고통스럽다. 멀쩡한 세포들을 얼려버리는 것이니 어찌보면 당연한 것.[12] 이때 서멀 그리스를 발라야 한다. 아무리 액체질소라지만 냉각을 위한 히트파이프와 CPU사이를 원자단위로 맞닿게 하는건 불가능 하므로 공기층이 생기고, 단열효과를 일으켜 효율을 떨어뜨린다. 효율이 낮으면 액체질소까지 써가며 쿨링하는 의미가 없으니까. 이게 아니면 그냥 CPU위에 액체질소를 들이부어야 하는데(...) 상식으로 전자기기는 매우 낮은 온도에서 작동하지 않는다. 다만 일반적인 서멀그리스는 낮은 온도에서 굳기 때문에 특수한 제품을 사용한다.[13] 전쟁을 위한 화약 생산용 질소 화합물은 각 집에 있는 화장실 앞에 허옇게 핀 질소화합물 결정을 채취하는 게 주 채취법이었다. 이후 칠레 초석이 발견된 이후에는 칠레 초석이 많이 쓰였으나, 이 역시 자원인지라 생산량이 갈수록 떨어질 수밖에 없었다. 1차세계대전에 독일은 해상봉쇄를 당해서 칠레 초석 수입이 막혔음에도, 프리츠 하버의 질소 고정법은 독일의 전쟁수행능력을 2~3년 늘렸다. 2020년 8월, 레바논의 베이루트 항구에 쌓아놓은 질산암모늄이 대폭발을 일으킨 바 있다. #[14] 2차 세계대전 중 미국이 비축한 화약이 전후에 비료로 만들어지자, 베이비부머들을 화약이 만든 아이들이라고 별명짓기도 하였다.