질소
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액체 질소. 무색투명하다.
1. 개요
프닉토겐 원소의 일종으로, 2주기 15족에 속하는 비금속원소. 상온에서 기체. 원자번호 7, 원소기호 N, 질소 분자의 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 공기에 섞여 있다.
지구의 대기에는 질소가 대부분인데, 어디에서 이 물질이 왔는지에 대해 아직 밝혀진 바는 없다. 이전에는 지레짐작으로 혜성에서 왔을 것으로 추측했으나 탐사선 로제타가 67P혜성을 관측한 결과 혜성 내 질소의 양이 지구에 공급하기에는 전혀 충분하지 않은 것으로 밝혀졌다. 따라서 혜성이 공급한게 아니라면 지구 내부에서 생성됐을 가능성이 높지만 아직 정확히 확인된 바는 없다. 가령 태양 대기의 구성성분을 따져봐도, 질소보다는 오히려 산소가 3배쯤, 탄소는 10배 이상 많다. 우주에서도 철보다도 적은 물질.
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, 뿌리혹 박테리아에 의한 질소고정도 존재한다.
산소와의 화합물인 아산화 질소는 과다하게 마시면 사람이 웃게 된다고 해서 웃음가스라는 별명이 있다.
2.1. 위험성
질소는 무독성인지라 인체에 해를 입히지 않으며, 불연성이기 때문에 화재를 유발하는 산소와는 달리 질소는 화재를 유발할 위험이 없다.
질소는 반응성이 낮고 생물의 호흡에 사용되며, 고농도의 질소 가스가 유입되어도 사람의 감각기관은 이를 인지할 수 없다. 대기중에 이산화탄소 농도가 높아지면 인지하지만, 산소가 하나도 안 섞인 질소 가스를 마시고 있어도 뇌는 폐와 심장으로부터 어떤 이상 신호를 받지 않는다. 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 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.[1] 지구의 자연사에서 산소 농도의 증가는 대멸종의 원인이 되기도 했다.[2]
3. 이용
생명체에게 있어서 필수요소인 "단백질"을 구성하는 중요한 원소. 콩과 식물은 뿌리혹박테리아와의 공생을 통해 공기 중의 질소를 갖고 화합물을 만들어 이용하지만,[3] 대부분의 식물은 그렇게 할 수 없어 땅에 있는 질소가 포함된 화합물을 통해 흡수한다.[4] 따라서 땅에 질소 화합물이 얼마나 있는지가 지력을 가르는 요소가 되기도 한다. 고로 질소는 비료의 주 원료로 쓰이는데, 예전에는 질소 화합물을 구하는 일이 쉽지 않았다. 질소는 매우 안정적인 물질이라 토양속에 좀처럼 녹아들지 않기 때문이다.[5] 그러나 독일의 화학자 프리츠 하버가 공중 질소 고정법(암모니아를 만들어 이를 바탕으로 각종 질소 화합물을 생산하는 방법이다)을 발견해 대량 양산을 시작하자 화학비료를 통한 곡물 생산량이 급격하게 증가했다.
일산화질소는 혈관을 확장하는 작용을 하기 때문에 순환계 질환 환자의 약으로 처방되기도 한다. 아르지닌, 니트로글리세린 등이 이 일산화질소로 유도되는 대표적인 화합물.
질소 분자는 3중 결합이고 많은 에너지를 투입해야 분리되어 다른 원자와 화합물을 만들기 때문에, 질소가 포함된 화합물들은 질소만의 분자보다 높은 에너지를 많이 가질 확률이 높다. 그러한 화합물에 있는 질소 원자들이 원래의 질소 분자로 되돌아갈 경우 필요없어진 많은 에너지를 내놓는데, 그 정도가 심할 경우 폭발이 된다. 따라서 질소를 포함하는 많은 화합물들은 폭발물이 될 수 있다. 대표적으로 질산염(초석=질산칼륨)을 사용하는 흑색화약, 니트로가 앞에 붙는 수많은 화합물들. 니트로글리세린, 트리니트로톨루엔(TNT), 니트로셀룰로오스 등등... 사실 거의 대부분의 질산염과 질산기를 포함한 화합물은 화약이나 폭발물일 가능성이 있다고 보면 된다.
이 같은 질소의 성질 때문에 앞에 나온 프리츠 하버의 공중질소 고정법은 농업 생산에도 큰 기여를 했지만, 각종 화약을 만드는 데에도 기여하게 됐는데, 1차 대전 중에 독일이 영국의 해상봉쇄로 칠레초석을 들여오지 못하는 상황에서 화약 생산이 가능하도록 해서 전쟁 수행 능력을 2~3년 늘렸다는 평가를 받기도 한다. 심지어 2차 대전 중에 미국이 엄청난 양의 화약을 비축했다가 전쟁이 끝난 이후에는 이들을 다시 비료로 만들어서 전 세계에 공급했기 때문에 2차 대전 이후에 태어난 사람들은 화약(이었던 비료)으로 만들어진 사람들이라는 얘기도 있다.
과자봉지에 평범한 공기 대신 질소를 채우는 건 튀겨서 만들어지는 과자는 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. 이 외에도 부식/산화 문제가 적으므로 항공기의 타이어에 채우는 공기로 압축공기 대신 압축질소를 쓰기도 한다.[6] 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.[7] 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. 다만 의료용 목적에 한해서 사람에게 직접 사용되기도 한다. 피부과의 사마귀치료가 대표적.
영화 터미네이터 2에서 액체질소가 등장해 T-1000을 일시적으로 무력화시키기도 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. 컴퓨터의 오버클럭에도 사용한다. 빙장이라는 장례법에서도 액체질소가 사용된다.
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 질소산화물 중 하나인 아산화질소(Nitrous Oxide)를 분사하여 순간적으로 출력을 상승시키는 장치가 달린 자동차도 있다.
소화제로도 쓰인다. 미국의 소방비행기나 헬기에서 뿌리는 붉은색이 질소와 물을 섞은 거라고 한다.
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[8] 오버클럭 하기 전에 용기에 필요한 만큼만 넣는다.
커피 등의 음료에 넣어 마시기도 한다.
4. 기타
고압용기에 주입시 지정색상은 공업용은 회색, 의료용은 검은색이다.
과자의 과대 포장을 깔 때 봉지에 과자보다 포장재로 쓰이는 질소가 더 많기도 해서 질소과자라고 부르기도 한다.
[1] 다만 아주 짧은 시간은 괜찮기 때문에 일산화탄소 중독 환자와 같은 경우 잠시동안 고농도 산소를 흡입하도록 하는 치료를 시행하기도 한다.[2] 단 폐가 손상된 환자에게는 산소호흡기용으로 100% 산소를 쓴다.[3] 따라서 화학비료의 발명 이전에는 콩과 식물을 심는 것이 토양을 비옥하게 만드는 방법중 하나였다.[4] 파리지옥 등의 식충식물은 파리 등의 곤충들을 소화시켜서 질소를 보충하기도 한다.[5] 농사용 퇴비는 그렇다 치더라도 전쟁을 위한 화약 생산용 질소 화합물은 각 집에 있는 화장실 앞에 허옇게 핀 질소화합물 결정을 채취하는 게 한동안 주 채취법이었다. 이후 칠레 초석이 발견된 이후에는 칠레 초석이 많이 쓰였으나, 이 역시 자원인지라 생산량이 갈수록 떨어질 수밖에 없었다.[6] 특히 항공기 타이어의 경우 비가 오는날이 아닌날 활주로에 착륙하면 멈춰있는 타이어가 접지후 순식간에 움직일때 나타나는 브레이크 효과로 타이어 온도가 순식간에 섭시 수백도로 올라가기 때문에 고열로 인한 타이어 발화를 막기 위함이기도 하다.[7] 애초에 냉각보존된 액체질소등을 쓰는 것이 아니라 상온에서 압축만 된 압축질소다.[8] 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.