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질소

last modified: 2015-03-29 20:47:22 by Contributors


영어: Nitrogen[1]
한자: 窒素 [2][3]
이탈리아어: Azoto[4]

프닉토겐 원소의 일종으로, 원자번호 7번.

2주기 15족에 속하는 금속원소. 상온에서 기체. 원자번호 7, 원소기호 N, 홑원소 물질의 화학식은 N₂.

공기에 가장 많이 포함되어 있는 기체로, 일반적으로 질소가 약 78% 정도 차지하고 그 다음으로는 산소가 약 21%를 차지한다. 그리고 나머지는 이산화탄소, 아르곤, 수증기 등 소량의 물질들이 섞여 있는 것이 바로 공기이다.

상온에서는 반응성이 작아 거의 어떠한 물질과도 반응하지 않지만, 자동차 실린더같은 고온 고압 조건에서는 산소와 반응하여 아산화질소나 이산화질소를 만든다. 번개에 의한 질소 고정을 통해 안정한 질소가 질소화합물이 되기도 하며, 뿌리혹 박테리아에 의한 질소고정도 존재한다.

산소와의 화합물인 아산화질소는 과다하게 마시면 사람이 웃게 된다고 해서 웃음가스라는 별명이 있다. 그러나 영화에서 나오는 것처럼 마구 웃게 되진 않는다. 이것을 치과 치료에 응용한 것이 바로 최초의 마취수술이다.

생명체에게 있어서 필수요소인 "단백질"을 구성하는 중요한 원소. 에 질소가 얼마나 있는지가 지력을 가르는 요소가 되기도 한다. 고로 비료의 주 원료로 쓰이는데, 예전에는 질소를 구하는 일이 쉽지 않았다. 그러나 독일의 화학자 프리츠 하버가 공중 질소 고정법(암모니아를 만들어 암모니아에서 질소를 추출하는 방법이다)을 발견해 대량 양산을 시작하자 인류는 화학비료로 곡물 생산의 쇼미더머니를 치게 되었다(.....)

하지만 대기에 질소 성분이 많을 경우 산소부족증을 일으켜 질식사하게 된다. 뉴런과 심장 세포의 산소 공급을 막고 세포 내의 저장 산소까지 몰아내는 작용을 하기 때문인데, 1981년 3월 19일 NASA에서 우주왕복선 점검 중에 격실에서 기술자 5명이 질식, 2명이 사망하는 사건이 있었고 광부들과 입자 가속기 근무자들도 이렇게 죽는 일이 많았다. 현장의 화재를 막기 위해 설비와 격방에 비활성 기체인 질소를 채워넣은 것이 화근이었다. 특이한 점은 이렇게 질식사할시 아주 약한 몽롱함과 무기력함을 빼고는 아무 고통을 못느끼고 이유도 모른채 쓰러진다는 것이다. 위의 다섯명 이야기도 처음 쓰러진 사람을 도우러 갔다가 줄줄이 쓰러진 케이스. 이유는 심장이산화탄소 농도 확인 빼고는 판단하지 못하기 때문이다. 거기다 질소는 냄새도 색도 맛도 없는 기체인지라..이런 일들이 벌이진 이후에는 질소로 가득찬 설비에 들어설 때는 가스마스크 장착이 의무화되었다.

그리고 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 심혈관계에 녹아 들어갔던 질소 기체가 급격하게 팽창하여 각종 문제를 일으킨다. 그래서 산업용 또는 취미용이라도 장시간 다이빙을 하는 경우 공기에 질소대신 헬륨을 참가제로 넣은 공기통을 사용한다.[5]

과자봉지에 평범한 공기대신 질소를 채우는 건 튀겨서 만들어지는 과자는 산소와 결합되면 몸에 안좋은 성분이 생기기 때문이다. 또한 산소가 포함된 공기로 충전했을 경우에는 호기성 세균이 번식할 가능성이 있어서 반응성이 매우 낮고 저렴한 질소 가스로 충전을 하는 것이다. 이 외에도 부식/산화 문제가 적으므로 항공기의 타이어에 채우는 공기로 압축공기 대신 압축질소를 쓰기도 한다. 아르곤 같은 비활성 기체를 쓰면 더 확실하겠지만 이건 아무래도 비용문제가...

같은 이유로 미사일의 냉각용 가스로 쓰기도 한다. 압축질소를 담아두었다가 냉각이 필요한 곳에 고속으로 분사하면 분사되면서 갑자기 질소의 압력이 확 떨어지고, 더불어 온도가 급격히 내려간다(애초에 냉각보존된 액체질소등을 쓰는 것이 아니라 상온에서 압축만 된 압축질소다). 주로 미사일의 적외선 탐색기의 냉각용으로 많이 쓰인다. 이 경우엔 좀 비싸더라도 장기보존시 문제의 소지가 더 적은 아르곤 가스를 쓰기도 하지만.

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. 하지만 물기없는 건조한 손으로 액체질소에 넣었다가 바로 빼도 아무렇지도 않다. 하지만 2초이상 손을 담그거나 손에 물기가 조금이라도 있다면 바로 3도이상의 동상을 입으니 주의.

영화 터미네이터 2에서 액체질소가 등장해 T-1000을 일시적으로 무력화 시키기도 했다. 헬륨이 더 낮은 온도를 만들 수 있지만 질소가 쓰이는데, 액체헬륨에 비해 액체질소가 매우 싸다는 것이 가장 큰 이유. 과거엔 같은 양의 맥주 정도 가격이었을 정도로 싸다. 컴퓨터오버클럭에도 사용한다. 빙장이라는 장례법에서도 액체질소가 사용된다.

3중결합이 되어있어서 분해하기가 어렵고, 질소 원자들이 질소 기체를 만들면서 많은 양의 에너지를 내놓기 때문에 질소를 포함하는 많은 화합물들은 폭발물이 될 수 있다고 한다. 대표적으로 질산염(초석=질산칼륨)을 사용하는 흑색화약, '니트로~'가 붙는 수많은 화합물들. 니트로글리세린, 트리니트로톨루엔(TNT), 니트로셀룰로오스, 니트로 추진기, 니트로 박사 등등... 사실 거의 대부분의 질산염과 질산기를 포함한 화합물은 화약이나 폭발물일 가능성이 있다고 보면 된다.

질소산화물은 매우 강한 산화력을 가지고 있고 유기물과 빠르게 반응하므로 산화제로 이용된다. 질소산화물을 물에 녹인 질산은 SS-1 스커드 미사일 이래로 수많은 액체연료 미사일에 사용된 유서깊은 산화제이다. 또한 질소산화물중 하나인 이산화질소를 분사하여 순간적으로 출력을 상승시키는 장치가 달린 자동차도 있다.

지구에는 질소가 대기의 대부분을 차지하고 있는데, 어디에서 이 물질이 왔는지에 대해 아직 밝혀진 바는 없다. 이전에는 지례짐작으로 혜성에서 왔을 것으로 추측했으나 탐사선 로제타가 67P혜성을 관측한 결과 질소의 양이 지구에 공급하기에는 전혀 충분하지 않은 것으로 밝혀졌다. 따라서 혜성이 공급한게 아니라면 지구 내부에서 생성됐을 가능성이 높지만 아직 확인된 바는 없다.
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  • [1] 초석을 뜻하는 그리스어 nitron에서 유래하였다.
  • [2] 독일어로 '질식시키는 물건'을 의미하는 Stick stoff에서 유래하였으며 '질식'의 '질'과 같은 의미를 두고 있다.
  • [3] 일본에서는 窒자가 상용한자에 포함되긴 했지만, チッ素라는 표현도 상당히 많이 쓰므로 알아두자.
  • [4] 이걸 이름으로 쓰는 액체질소 아이스크림 가게도 있다.
  • [5] 순수 100% 산소만 있는 공기통으로 호흡하면 산소중독으로 사망한다.
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