질소(窒素←일본어: 窒素 짓소, 영어: Nitrogen 나이트러겐)는 비금속 화학 원소로, 기호는 N(←라틴어: Nitrogenium 니트로게니움이고 원자 번호는 7이다. 일반적으로 질소원자 두 개가 결합하여 무색, 무미, 무취인 기체 상태로 존재한다. 질소는 지구 대기에서 가장 많은 비중을 차지하며, 또한 지구상의 모든 생명체의 구성물이다. 또한 질소는 아미노산, 암모니아, 질산 그리고 시안화물과 같은 화합물을 구성하는 성분이기도 하다.
역사
1776년 앙투안 라부아지에가 증명하였다. 원소명은 그리스어의 “초석(nitre)에서 생긴다(genes)”에서 따왔다. 한자어 질소(窒素)는 독일어 Stickstoff에서 유래하였다.
존재
질소는 대기에서 발견되는데, 그 양은 부피 백분율로 대기의 78.09%, 질량 백분율로 75.54%를 차지한다. 질소는 지표상에서 화성암의 형태로도 존재하지만, 다른 원소보다 많은 양이 존재하고 있지는 않다. 질소는 태양 대기, 흑점, 성운 등에서도 발견된다. 또한 질소는 생명체에서 단백질, 알칼로이드 등의 구성 원소로서 필수적인 성분이다. 주로 초석(硝石, saltpeter, 질산칼륨(KNO3))의 형태로 많이 산출되며, 칠레의 칠레초석이 유명하다.
질소의 성질
질소 원소는 주기율표에서 제15족 제일 윗자리를 차지한다. 질소는 대기의 78%(산소 양의 약 4배)를 차지하는 기체이다. 질소는 색, 맛, 냄새가 전혀 없으며, 화학적인 활성이 비교적 적다. 인체는 호흡할 때 질소를 대량 들여 마시지만 어떤 영향도 받지 않으므로 질소의 존재를 느끼지 않는다.
질소는 화학적으로 활성이 약하지만 질소가 포함된 화합물은 수만 가지이다. 질소는 우선 생명체의 단백질이라든가 핵산을 구성하는 원소로서 중요하다. 반면에 질소 화합물에는 매우 불안정한 폭발물(예：TNT)을 비롯하여 독극물도 있고, 질소비료와 같은 중요한 화합물도 있다.
질소가 있다는 것을 처음 발견한 화학자는 영국의 화학자 러더퍼드(Daniel Rutherford 1749-1819)였다. 그는 1772년에 밀폐된 용기 속에 촛불을 켜두고 꺼질 때까지 두어 산소를 거의 없앤 다음, 추가로 인(P)을 태워 산소가 전혀 남지 않도록 했다. 그는 남은 기체를 이산화탄소를 흡수하는 용액 속을 거쳐 나오게 하여, 질소만 분리하는데 성공했다. 그는 남은 기체 속에 쥐를 넣어두면 마치 질식(窒息)하듯이 곧 죽었으므로, 이 기체에 질소(窒素 noxious air)라는 이름을 붙였다.
액체질소의 이용
질소는 용도가 가장 많은 원소의 하나이다. 전 세계적으로 해마다 약 3,000만 톤의 질소 가스를 액체질소로 만들어 이용하고 있다. 기체 상태의 질소를 -195.8℃도까지 온도를 내리면 액체상태(액체질소)가 되고, -210℃까지 더 내리면 고체의 질소가 된다. 그러므로 질소만을 순수하게 생산할 때는 공기를 압축하여 액체공기로 만든 다음, -195.8℃(끓는점)에서 끓어오르는 기체만 분리한다.
액체질소는 화학반응을 잘 일으키지 않으므로 각종 산업에서 냉동제로 대량 사용한다. 예를 들면 음식이나 생체 표본을 저온 저장하는데 쓰고, 소를 인공 수정시킬 때는 수컷의 정자를 액체질소 안에 보존했다가 필요할 때 해동시켜 사용한다. 저온에서는 정자를 장기간 보존할 수 있다. 또한 액체질소는 매우 온도가 낮으므로, 저온에서 나타나는 초전도 성질(초존도 물질 참조)을 이용하는 실험에 사용하고 있다.
질소 가스는 산소와의 접촉을 방지해야 할 전자제품이라든가 포도주, 과일 등을 장기 보존할 때 이용한다. 예를 들어 질소 가스를 채운 냉장고에 사과를 두면 30개월이나 보존이 가능하다. 또 원유를 지하에서 퍼 올릴 때, 질소 가스를 고압 펌프로 밀어 넣으면, 질소 가스의 압력에 밀려 원유가 쉽게 지상으로 뿜어 나오게 된다. 이런 원유 생산 방법을 ‘강화원유생산’이라 한다. 강화원유생산 때 일반 공기를 사용치 않는 이유는, 공기 중의 산소가 원유와 화학반응을 일으켜 다른 물질로 변화시킬 가능성이 많기 때문이다.
질소비료를 인공합성한 하버
암모니아와 질산(HNO3)을 화합시키면 무색의 고체인 질산암모늄(NH4NO3)이 된다. 질산암모늄은 물에 매우 잘 녹으며, 식물의 뿌리는 이를 질소 비료로 흡수한다. 암모니아를 인공적으로 합성하는 방법은 1905년에 독일의 화학자 하버(Fritz Harber 1868-1934)가 처음 발명했습니다. 당시까지 화학자들은 암모니아를 인공 합성하는 것이 불가능하다고 생각했다. 그러나 하버는 500℃의 고온과 1,000기압이라는 고압 조건에서 철을 촉매로 하여 질소와 수소를 화합시켜 암모니아를 합성하는데 성공한 것이다. 그는 이 업적으로 1918년에 노벨 화학상을 수상했다.
N2 + 3H2 → 3NH3
‘하버법’은 흔히 ‘하버-보슈 법’이라 부르기도 한다. 하버는 암모니아 인공합성법을 실험실 규모에서 성공했고, 같은 독일 화학자 보슈(Carl Bosch 1874-1940)는 공장에서 대량생산할 수 있도록 개발한 과학자이기 때문이다. 보슈는 이 공로로 1931년에 노벨 화학상을 받았다. 하버-보슈법의 개발은 이후 화학공업 발전과 농산물 증산(增産)에 엄청난 공헌을 하게 되었다.
질소는 화학 반응성이 적지만, 자연계의 뿌리혹박테리아와 남조류(藍藻類) 같은 일부 생명체는 질소 화합물을 스스로 합성하는 방법을 진화시켰다. 생물체가 공기 중의 질소를 비료가 되도록 반응시키는 것을 ‘질소 고정’(nitrogen fixation)이라 한다.
배기가스 속의 산화질소는 공해 가스
질소와 산소가 결합하여 생기는 일산화질소는 도시에서 공해가스로 작용한다. 자동차의 내연기관 속에서는 번개가 칠 때처럼 산소와 질소가 결합하여 일산화질소가 생겨 배출된다. 대기 중으로 나온 일산화질소는 곧 산소와 결합하여 이산화질소(NO2)로 변한다.
이산화질소에 태양의 자외선이 작용하면 분자가 분해되어 일산화질소(NO)와 산소 원자(O)로 분리되고, 이 산소 원자는 산소 분자(O2)와 결합하여 오존(O3)으로 변할 수 있다. 오존은 산화작용이 강하여 식물과 동물에 피해를 주며, 플라스틱이라든가 고무를 부식시키기도 한다. 오존 농도가 높은 곳에 있으면 눈과 목이 아파온다. 도시 거리에서 공해 정도를 알아보는 방법으로 오존 농도를 측정하는 것은 이 때문이다.(산소 참조)
이산화질소가 동식물에 피해를 주고 부식작용을 하는 이유는, 이산화질소가 대기 중의 수분과 결합하여 강한 산성을 갖는 질산(HNO3)이 되기 때문이다. 질산이 소량일 때는 토양에서 질소 비료 성분이 되기도 하지만, 농도가 진하면 건물 벽과 대리석 석상들을 부식시킨다. 자동차 배기가스 속의 이산화질소를 줄이는 방법은 촉매를 사용하여 배기가스 속의 이산화질소가 무해한 질소와 산소로 분해되도록 하는 것이다.
질소와 산소가 결합하여 만들어지는 3번째 화합물에 화학식 N2O3로 표시하는 ‘삼산화이질소’(아산화질소)가 있다. 아산화질소는 NO 또는 NO2와 성질이 다르며, ‘웃음 가스’(소기笑氣)로 유명하다. 이 가스를 사람이 마시면 취한 듯이 기분이 좋아지기 때문에 붙여진 이름이다.
질산은 질소의 유용한 화합물
질산은 상업적으로 매우 중요한 물질이니다. 질소비료(질산암모늄)와 화약(다이너마이트) 및 플라스틱이라든가 합성섬유의 원료이기 때문이다. 이처럼 질산의 용도는 매우 많아 세계적으로 매년 수백만 톤 소비되고 있다. 오늘날의 질산 제조법은 1902년에 독일의 화학자 오스트발트(Wilhelm Ostwald 1853-1932)가 개발했다. 그는 암모니아 가스를 고온에서 백금을 촉매로 하여 산소와 결합시켜 질산으로 만드는데 성공했다.
오스트발트가 이 방법을 개발하기 이전에는 칠레의 광산에서 대규모로 산출되는 질산나트륨(NaNO3)을 질산 제조에 이용했다. 제1차 세계대전 때(1914-1918) 연합군은 독일이 폭탄을 만들지 못하도록 칠레의 초석을 운송하지 못하도록 막았다. 그러나 이런 위기에 독일은 오스트발트의 연구 덕분에 다이너마이트와 폭탄을 계속 생산할 수 있었다.
질산을 수산화나트륨(NaOH)이라든가 수산화칼륨(KOH)과 같은 염기성 물질로 중화시키면 ‘질산염’(nitrates)이라 부르는 물질이 생겨난다. 질산을 글리세롤(glycerol)과 결합시키면 ‘니트로글리세린’이라는 폭발력이 강한 물질(다이너마이트)이 된다. 이 물질은 작은 충격에도 폭발하여 질소와 이산화탄소로 변한다.
다이너마이트는 1867년에 스웨덴의 알프레드 노벨(Alfred bernhard Nobel, 1833-1899)이 처음 발명했다. 그는 니트로글리세린을 점토에 섞는 방법으로 충격을 받아도 쉽게 폭발하지 않는 다이너마이트를 만든 것이다. 그는 다이너마이트를 비롯하여 수백 가지 발명특허를 가지고 있었으므로 엄청난 부를 쌓았다. 그는 그 재력으로 모든 과학자들이 꿈꾸는 '노벨상 재단'을 설립했다.
질소의 동위원소
자연계의 질소는 대부분 질소-14(99.634%)이지만 질소-15, 질소-13 등의 동위원소가 몇 가지 있다. 이 가운데 질소-13은 반감기가 짧은(약 10분) 방사성동위원소로서, 양전자를 방출하면서 붕괴된다. 이 성질을 이용하여 만든 ‘양전자방출 단층촬영기’(positron emission tomography PET)는 인체 내부를 촬영하는 중요한 진단장치가 되었다. PET에서 방출되는 N-13의 양전자는 마치 X-선처럼 인체를 투과하여 내부의 영상을 볼 수 있도록 해준다. 이때 나오는 양전자는 인체 세포에 별다른 영향을 주지 않는다.
오늘날 PET는 진단이 매우 어려운 뇌의 질병인 정신분열증이나 알츠하이머병(치매)을 진단하는데도 이용된다. 그러나 PET의 위험성을 완전히 무시하지 못하기 때문에 사용에 제한을 두기도 합니다.
에어백의 팽창 공기는 질소
자동차의 에어백은 충돌사고 때 운전자와 승객을 보호하는 중요한 안전장치인데, 이 에어백에는 ‘아지트화나트륨’(NaN3)이라는 질소화합물이 담겨 있다. 이 화합물은 충격을 받으면 순식간에 엄청난 양의 질소 가스를 방출하여 플라스틱 주머니를 팽창시킨다. 1967년에 미국 크라이슬러 회사가 처음 자동차에 사용한 에어백은 오늘날 대부분의 차와 모터사이클 등에 장착하고 있다. (에어백의 기체는 질소 참조)