질소(N)의 어원, 특성, 활용

 

질소는 원자 번호 7번의 원소이며 주기율표상 2주기 15족의 원소입니다.

원소 기호는 N으로 Nitrum(초석[硝石]:라틴어) + Gennao(생성하다:라틴어)를 합친

Nitrogne(초석을 생산하다)의 첫글자인 N에서 가져왔습니다.

질소가 주 성분인 초석(硝石)

영국의 화학자 '러더퍼드'는 공기 중의 연소 반응을 하고 남은 기체가

공간 속에 넣은 쥐를 질식사하게 만든 것을 발견하였습니다.

 

그리고 해당 원소를 '질소(Nitrogen)'는  Nitron(C20H16N4)와 Genes(생성하다)라는 단어를 합친

Nitrogen이라고 명명하였습니다.

 

이후에  중국에 알려지면서 窒(억제하다:zhì) + 素(원소:sù)가 합쳐진

窒素(억제하는 원소)라고 불리게 되었으며

한국에 넘어오면서 '질[窒]소[素]'라고 알려지게 되었습니다.

최외각 전자가 5개 존재하는 질소

 

 

질소는 다음과 같은 기본적인 특성을 가지고 있습니다.

원자량: 14.01g/mol

밀도: 1.25g/L

녹는점: -210.00°C

끓는점: -195.79°C

상온 상태: 기체

전기 음성도: 3.04

 

 

질소의 가장 대표적인 특징으로는 반응성이 매우 작다는것입니다.

질소 원소 1개만 봤을때는 최외각 전자가 5개 존재하기 때문에 반응성이 작지 않습니다.

하지만 일반적으로 질소는 2개가 결합한 N2의 상태로 존재합니다.

이와 같은 상태(결합)은 최외각 전자 3개가 모두 결합하는 삼중결합의 상태입니다.

삼중결합은 전자간의 결합이 3개 존재함으로 다른 결합에 비해 끊기가 어렵습니다.

따라서 다른 원소와 반응을 하지 않음으로 반응성이 작다고 말합니다.

 

삼중 경합을 하는 질소

 

이러한 질소는 '암모니아 합성'에 가장 많이 활용됩니다.

'암모니아 합성'은 말 그대로 암모니아를 합성하는 기술(공법)으로

전세계적으로 혁명을 일으킨 가장 혁신적인 공법입니다.

 

"왜 암모니아의 생산이 혁신적일까요?"

 

19세기 유럽은 산업혁명이 일어나면서 여러 공장들의 기계화가 이루어짐에 따라

자연스럽게 인간의 삶의 질이 향상되었습니다.

이러한 삶의 질 향상은 폭팔적인 인구 증가를 가져왔습니다.

농업방식과 생산량은 그대로인데 인구가 폭팔적으로 증가함에 따라

유럽은 '식량 부족 문제'를 직면하게 됩니다.

 

그 당시 과학자들은 식물이 자라기위해서는 '질소 화합물'이 필수적이며

농업 생산량을 늘리기 위해서는 질소 화합물의 증가가 필수적이라는 사실을 발견하였습니다.

[식물에 질소가 필수인 이유: 식물 질소동화 (질소를 이용하여 무기물을 유기물로 바꾸는 과정)때문]

임시방편으로 칠레에서 질소 화합물인 '초석(硝石)'을 수입하여 사용하긴 했지만

그마저도 고갈되가고 있었습니다.

 

생태계의 질소와 탄소 순환

 

 

이런 상황에서 1905년 독일의 화학자인 '프리츠 하버'가

200기압, 500°C의 환경에서 질소와 수소를 혼합하여 [암모니아(NH3) - 질소 화합물]을

생산하는 '하버-보쉬법'을 개발하였습니다.

 

인류를 먹야 살린 화학, 하버-보슈법

 

이러한 암모니아 비료의 양산을 통해 유럽은 식량 생산량은 인구 대비 3배를 넘게 되고

유럽은 식량 부족 문제를 해결할수 있게 되었습니다.

 

많은 사람들을 식량 문제에서 구해낸 하버-보쉬법은 1차 세계 대전 당시 독일군이

탄약의 원료인 '니트로클리세린'을 대량 생산하는 공법으로 이용하며

많은 사람들의 목숨을 가져간 양면적인 면을 가지고 있습니다.

 

1차 세계대전 당시 탄약을 생성했던 공법인 '하버-보쉬법'

 

또한 질소는 반응성이 작다는 특징을 이용하여 식품이나 용기의 빈 공간을 채우는 충전제,

백열 전구의 내부 기체로 사용하여 필라멘트의 수명을 연장시키는 용도, 액체 질소 등

다양한 용도로 사용되고 있습니다.

 

급속 냉각의 용도로 많이 사용하는 액체 질소(-195.75°C)

 

 

 

<사진 출처>

 

초석:https://zhongyibaike.com/wiki/%E7%A1%9D%E7%9F%B3%E6%9C%B4

질소 원자 구조: http://www.nobel.or.kr/nobel-story/chemistry-story/1939.htm

삼중결합 형태: https://blog.naver.com/chemi1456/221572896218

식물의 질소 동화 과정: https://m.blog.naver.com/kdhspy007/221869567654

암모니아 반응식: https://www.chemi-in.com/689

1차 세계대전 사진: https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1833268&cid=43072&categoryId=43072

액체 질소: https://ko.depositphotos.com/125635572/stock-photo-making-ice-cream-with-liquid.html