질소 문서 원본 보기

{{원소 정보/질소}}
'''질소'''(窒素←{{llang|en|Nitrogen|나이트러겐}},{{llang|ja|窒素|짓소}})는 [[비금속]] [[화학 원소]]로, 기호는 '''N'''(←{{llang|la|Nitrogenium|니트로게니움}})이고 [[원자 번호]]는 7이다. 일반적으로 질소원자 두 개가 결합하여 무색, 무미, 무취인 [[기체]] 상태로 존재한다. 질소는 [[지구]] [[대기]]에서 가장 많은 비중을 차지하며, 또한 지구상의 모든 생명체의 구성물이다. 또한 질소는 [[아미노산]], [[암모니아수|암모니아]], [[질산]] 그리고 [[시안화물]]과 같은 화합물을 구성하는 성분이기도 하다.

== 역사 ==
[[1776년]] [[앙투안 라부아지에]]가 증명하였다. 원소명은 그리스어의 “초석(nitre)에서 생긴다(genes)”에서 따왔다. 한자어 질소(窒素)는 독일어 Stickstoff에서 유래하였다.

== 존재 ==
질소는 [[대기]]에서 발견되는데, 그 양은 부피 백분율로 대기의 78.09[[백분율|%]], 질량 백분율로 75.54[[백분율|%]]를 차지한다. 질소는 지표상에서 [[화성암]]의 형태로도 존재하지만, 다른 [[화학 원소|원소]]보다 많은 양이 존재하고 있지는 않다.<ref name="encychem">Considine, G. D. et al., "NITROGEN", ''Van Nostrand's encyclopedia of chemistry'', 5th edition, Hoboken: Wiley-Interscience, 2005, pp. 1082~1086.</ref> 질소는 [[태양]] 대기, [[흑점]], [[성운]] 등에서도 발견된다. 또한 질소는 생명체에서 [[단백질]], [[알칼로이드]] 등의 구성 [[화학 원소|원소]]로서 필수적인 성분이다.<ref name="sajun">화학대사전편집위원회 편, 성용길, 김창홍 역, 〈질소〉, 《화학대사전》(Vol. 8), 서울: 世和, 2001, 163~165쪽.</ref> 주로 [[초석]](硝石, {{lang|en|saltpeter}}, [[질산칼륨]](KNO<sub>3</sub>))의 형태로 많이 산출되며, [[칠레]]의 [[칠레초석]]이 유명한데 정말 입브디

== 성질 ==
=== 물리적 성질 ===
==== 질소 바닥상수태에서의 질소 [[원자]]의 전자 배치는 1s<sup>2</sup>2s<sup>2</sup>2p<sup>3</sup>이다. [[전기 음성도]]는 폴링 척도로 3.0이며, 이는 질소가 속해 있는 [[15족 원소]] 중에서는 가장 높은 값이다. 질소의 순차적 [[이온화 에너지]]는 다음과 같다. ====
:{| class="wikitable" style="text-align: center;"
! 차수
| 1차 || 2차 || 3차 || 4차 || 5차 || 6차
|-
! 이온화 에너지
| 14.54[[전자볼트|eV]] || 29.605[[전자볼트|eV]] || 47.426[[전자볼트|eV]] || 77.450[[전자볼트|eV]] || 97.863[[전자볼트|eV]] || 551.925[[전자볼트|eV]]
|}

질소 원자의 [[이온화 에너지]]는 비교적 높은 편이며, 이는 질에서도 단원자 양이온을 잘 만들지 않는 원인이 된다. 그러나 N<sup>3-</sup>과 같은 다원자 음이온은 만들 수 있다.<ref name="mcgraw">Parker, S. P. et al., "Nitrogen", ''McGraw-Hill encyclopedia of chemistry'', New York: McGraw-Hill, 1993, pp. 697~699.</ref>

질소 [[원자]]의 크기는 0.364 [[nm]] (3.64 [[옹스트롬|Å]])이다.<ref name=":0">{{웹 인용|url=https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Nitrogen#section=Surface-Tension|제목=Nitrogen|성=PubChem|언어=en|확인날짜=2024-12-27}}</ref>

==== 원자핵의 성질 ====
자연적으로 발견되는 [[동위 원소]]는 <sup>14</sup>N, <sup>15</sup>N가 있고, 그중 <sup>14</sup>N이 대부분을 차지하고 있다. <sup>12</sup>N, <sup>13</sup>N, <sup>16</sup>N, <sup>17</sup>N는 [[방사성 동위 원소]]이다. 이들은 매우 불안정하여 빠르게 붕괴한다.<ref name="encychem"/> <sup>12</sup>N와 <sup>13</sup>N는 [[양전자]]를 내놓으며 붕괴([[베타 붕괴|β<sup>+</sup> 붕괴]])한다. <sup>12</sup>N의 [[반감기]]는 0.0125초이며, <sup>13</sup>N는 9.93분이다. <sup>16</sup>N과 <sup>17</sup>N는 [[전자]]를 내놓으며 붕괴([[베타 붕괴|β<sup>-</sup> 붕괴]])한다. <sup>16</sup>N의 [[반감기]]는 7.35초이며, <sup>17</sup>N은 4.14초이다. <sup>12</sup>N, <sup>13</sup>N, <sup>16</sup>N, <sup>17</sup>N는 [[반감기]]가 너무 짧아 분석에 활용하기 힘들다.<ref name="mcgraw"/>

==== 질소 분자의 성질 ====
질소는분수주로 상온에서 [[이원자 분자]]를 이루고 있는 냄새, 색깔, 맛이 없는 [[기체]]의 형태로 존재한다. [[녹는점]]은 -210[[섭씨|°C]], [[끓는점]]은 -195.89[[섭씨|°C]]이다. [[임계 온도]]는 -147.1[[섭씨|°C]]이며 [[임계 압력]]은 33.5[[기압|atm]]이다. 0[[섭씨|°C]], 1[[기압|atm]]에서 [[밀도]]는 1.25057[[그램|g]]/[[리터|L]]이다. [[고체]] 상태의 질소는 육방정계 형태의 [[결정]]이다. 질소는 [[무극성 분자]]로서,<ref name="완자">{{서적 인용|저자= 김봉래 외 2 |제목= 완자 화학 Ⅰ(1권)|날짜= 2006-07-01 |판= 초판 |출판사= 비유와상징|쪽= 9 }}</ref> [[물]]에는 약간 녹고, [[용해도]]는 [[온도]]가 증가할수록 감소한다. [[알코올]]에도 약간 녹지만 다른 [[용매]]에는 녹지 않는 경우가 대부분이다.<ref name="encychem"/>

방전으로 활성화할 수 있으며, 이 경우 [[활성 질소]]라 불린다. 활성 질소는 부분적인 전하를 띠고 있으며 불안정하고, 화학적으로 반응성이 높다. 시간이 지나면 금빛의 잔광을 내며 보통의 상태로 돌아간다.<ref name="mcgraw"/> [[원자핵]]의 반지름은 약 10<sup>−4</sup>[[옹스트롬|Å]]이다. 이원자 [[분자]] 상태로 존재할 때 질소 [[원자]] 간 거리는 1.0976[[옹스트롬|Å]]이다. 바닥상태의 이원자 분자에서 질소 [[원자]] 간의 결합은 하나의 [[시그마 결합]]과 두 개의 [[파이 결합]]으로 구성되어 있는 [[삼중 결합]]이다.<ref name="sajun"/> 결합 에너지는 942[[줄 (단위)|kJ]]/[[몰 (단위)|mol]]이다.<ref>Oxtoby, D. W. et al., ''Principles of Modern Chemisty'', 6th edition, Belmont: Thomson Brooks/Cole, 2008, p. 80.</ref> 

질소 [[분자]]의 크기는 0.174 [[nm]] (1.74 [[Å]])이다.<ref name=":0" />

=== 화학적 성질 ===
[[파일:Dinitrogen-3D-vdW.png|섬네일|200px|오른쪽|질소의 분자 구조]]
질소가 가질 수 있는 [[산화수]]는 -3에서 +5까지로 넓은 편이다. 각각의 [[산화수]]는 모두 안정한 화합물을 만들 수 있다. 이원자 [[분자]] 상태로 존재하는 질소는 삼중 결합을 포함하고 있어 3000[[섭씨|°C]] 이상으로 가열해도 약간의 해리가 일어날 뿐이다. 상온에서 반응성이 크지 않지만 고온에서는 대부분의 [[비금속]], [[금속]]과 반응할 수 있다.<ref name="sajun"/>

=== 다른 원소와의 반응 ===
질소의 다른 [[화학 원소|원소]]와의 반응은 다음과 같은 것들이 있다.<ref name="sajun"/>
* [[수소]]와 반응하여 [[암모니아]]를 생성할 수 있다. 이는 전기 방전을 통해서도 가능하고 고온, 고압에서 [[촉매]]를 사용함으로써도 가능하다.
* [[산소]]와 고온에서 반응하여 [[질소 산화물]]을 생성한다. 고온에서 생성되지만, [[질소 산화물]]의 해리 속도는 느리기 때문에 [[질소 산화물]] 자체는 상온에서도 존재할 수 있다.
* [[붕소]], [[규소]], [[인]]과 고온에서 반응할 수 있다.
* [[염소 (원소)|염소]], [[브로민]], [[아이오딘]], [[황]], [[셀레늄]]과 반응할 수 있으나 그 생성물은 불안정하다. 그러나 [[플루오린]]과는 안정된 [[화합물]]을 생성할 수 있다.
* [[리튬]]과 반응하여 [[질화 리튬]](Li<sub>3</sub>N)을 생성한다. 다른 [[알칼리 금속]]과는 반응하지 않는다.
* [[알칼리 토금속]]과는 [[질화 마그네슘|Mg<sub>3</sub>N<sub>2</sub>]]과 같은 조성의 [[화합물]]을 생성한다.

=== 활성 질소의 반응 ===
방전으로 인해 생성되는 활성 질소는 화학적으로 반응성이 일반 질소에 비해 더 높으며, 반응식에서는 N<sub>2</sub><sup>*</sup>로 표기된다. 활성 질소는 다음과 같은 반응에 연계되어 있다.<ref name="mcgraw"/>
* 흰인과 반응하여 붉은인 또는 [[질화 인]]을 생성한다.
* [[나트륨]]과 반응하여 [[질화 나트륨]]을 생성한다. 반응식은 다음과 같다.
::6 [[나트륨|Na]] + N<sub>2</sub><sup>*</sup> → 2 [[질화 나트륨|Na<sub>3</sub>N]]
* [[일산화 질소]]와 반응하여 질소와 [[산소]] [[분자]]를 생성한다. 반응식은 다음과 같다.
::2 [[일산화 질소|NO]] + N<sub>2</sub><sup>*</sup> → 2 N<sub>2</sub> + [[산소|O<sub>2</sub>]]
* [[아세틸렌]]과 반응하여 [[사이안화 수소]]를 생성한다. 반응식은 다음과 같다.
::[[아세틸렌|HC≡CH]] + N<sub>2</sub><sup>*</sup> → 2 [[사이안화 수소|HCN]]
* [[에틸렌]]과 반응하여 [[사이안화 수소]]를 주로 생성하고 부산물로 [[에테인]], [[메테인]], [[아세틸렌]] 등이 생성된다.

== 방법 ==
실험적으로 질소를 얻는 방법은 다음과 같은 것이 있다.<ref name="sajun"/>
* 진한 [[아질산 암모늄]] 용액을 70[[섭씨|°C]]로 가열하여 얻는다.
* [[암모니아]]를 [[니켈]] 분말 상에서 1000[[섭씨|°C]]로 가열하면 질소와 [[수소]]로 분해된다. 그 후 냉각시켜 [[끓는점]] 차이를 이용하여 질소와 [[수소]]를 분리한다.
* [[공기 (기체)|공기]]를 가열한 [[구리]]관을 통과시킨다. 이 경우 약 1[[백분율|%]]의 [[아르곤]]을 불순물로 포함하게 된다.

공업적으로는 다음과 같은 방법을 사용한다.<ref name="sajun"/>
* [[공기 (기체)|공기]]를 [[액화]]시킨 후 [[분별 증류]]하여 질소를 분리해 낸다. 이 방법은 공업적으로 가장 많이 사용되는 방법이다.
* [[공기 (기체)|공기]]를 [[탄소]]나 [[피로갈롤]] 등의 [[환원제]]로 처리한다. 이 경우 [[이산화 탄소]]가 질소와 함께 발생하는데, [[이산화 탄소]]는 [[물]]에 녹이는 방법 등으로 제거한다.

== 용도 ==
=== 생물학 ===
질소는 주로 [[암모니아]] 합성에 많이 사용된다. [[암모니아]]의 형태로 바뀐 질소는 이후 [[질산]] 등의 질소 화합물 합성이나 [[비료]] 생산 등의 재료로 사용될 수 있다. [[액체]] 질소는 냉각제로 사용되기도 한다.<ref name="sajun"/>

=== 화학 ===
질소는 [[다이너마이트]]를 비롯한 각종 [[폭약]]을 만드는 데 기본적인 원료로서 사용된다.

=== 공업 ===
* 공장, 철 구조물, 구리 [[자동차]], 철도차량 용접에 사용된다.
* [[wikt:원료|원료의]] 분쇄 및 재활용에 사용된다.
* 아이스크림 제조에 사용된다.
* 냉동식품의 급속냉동, 가공, 보존에 사용된다.
* 폭약 제조에 사용된다.
* 과자 봉지의 충전재로 쓰인다.

== 냉각장치 ==
질소의 끓는 점이 -195.8℃이며, 산소나 수소 분자에 비해 안정적이므로 시료의 동결 보관 등에 널리 이용된다.

== 질소 화합물 ==
질소는 많은 [[화합물]]의 구성 [[화학 원소|원소]]이다. 질소가 포함된 [[화합물]]에는 [[알칼로이드]], [[아마이드]], [[아민]], [[사이안화물]], [[하이드라진]], [[이미드]], [[질산]], [[아질산]], [[퓨린]], [[피리미딘]], [[요소 (화학)|요소]] 등 수없이 많다. 화학 공업에서도 질소가 포함된 [[암모니아]]는 세계에서 가장 많이 생산되는 [[화합물]] 중 하나이다.<ref name="encychem"/>

질소의 산화수에 따른 질소 화합물의 예시는 다음과 같다.<ref name="mcgraw"/>
::{| class="wikitable"
! 산화수 !! 예시
|-
| <div style="text-align: center;">+5</div> || [[오산화 이질소]], [[질산]], [[질산화물]], NO<sub>2</sub>X
|-
| <div style="text-align: center;">+4</div> || [[사산화 이질소]], [[이산화 질소]]
|-
| <div style="text-align: center;">+3</div> || [[삼산화 이질소]], [[아질산]], [[아질산화물]], NOX, NX<sub>3</sub>
|-
| <div style="text-align: center;">+2</div> || [[일산화 질소]]
|-
| <div style="text-align: center;">+1</div> || [[일산화 이질소]], [[하이포아질산]], [[하이포아질산화물]]
|-
| <div style="text-align: center;">0</div> || N<sub>2</sub>
|-
| <div style="text-align: center;">-1/3</div> || [[아자이드]]
|-
| <div style="text-align: center;">-1</div> || [[하이드록실아민]], [[하이드록실암모늄 염]]
|-
| <div style="text-align: center;">-2</div> || [[하이드라진]], [[하이드라지늄 염]] [[하이드라자이드]]
|-
| <div style="text-align: center;">-3</div> || [[암모니아]], [[암모늄 염]], [[아마이드]], [[이미드]], [[질화물]]
|}

== 질소 고정 ==
{{본문|질소 고정}}
질소 고정이란 대기 중의 질소를 반응성이 높은 다른 [[화합물]]의 형태로 바꾸는 일련의 생물학적, 화학적 과정을 의미한다. [[지구]]상에서 일어나는 질소 고정의 대부분은 [[미생물]]이 질소를 [[암모니아]]의 형태로 바꾸는 것이다. 질소 고정을 하는 대표적인 미생물로는 뿌리혹박테리아가 있다. 공업적으로 대기 중의 질소를 [[암모니아]]나 다른 형태의 [[화합물]]로 바꾸는 것 역시 질소 고정이라고 할 수 있다. 이때는 300[[기압|atm]]의 고압과 200~300[[섭씨|°C]]의 고온이 필요한데, 이는 [[미생물]]이 일으키는 질소 고정이 상온·상압 조건에서 이루어지는 것과는 매우 대조적이다.<ref name="encychem"/>

=== 생물학적 질소 고정 ===
{{본문|질소 동화}}
생물학적인 [[질소 고정]] 과정은 [[질소 동화]]라고 하기도 한다. 대기 중의 질소나 무기 질소 화합물을 생물체의 작용으로 유기 질소 화합물로 바꾸는 것을 의미한다. 주로 [[질소 고정 세균]]이 일으킨다.<ref name="sajun1">화학대사전편집위원회 편, 성용길, 김창홍 역, 〈질소 고정〉, 《화학대사전》(Vol. 8), 서울: 世和, 2001, 165쪽.</ref>

=== 화학 공업적 질소 고정 ===
대기 중의 질소를 직접 사용할 수는 없으나, 이를 화학 공정을 통해서 암모늄염, 질산염, 사이안아마이드염, 사이안염 등의 사용할 수 있는 형태로 바꿀 수 있다. 이러한 공정도 질소 고정이라 칭한다. 질소 고정 과정은 질소 공업에 가장 기본적인 공정이 된다. 공업적으로 가장 많이 사용되는 공정은 질소를 [[암모니아]]의 형태로 만드는 것이다.<ref name="sajun1"/>

== 안전성 ==
[[기체]] 상태의 질소는 독성이 없고 인화성 또한 없지만, 생명을 유지하는 데는 도움이 되지 못한다. 따라서 질소는 환기가 잘 되는 환경에서 보관·사용되어야 한다. 질소의 농도가 높은 밀폐된 공간을 출입할 때는 주의할 필요가 있다. [[액체]] 상태의 질소는 [[온도]]가 극도로 낮기 때문에 취급에 주의를 요한다. [[액체]] 질소가 피부 조직에 닿을 경우 조직을 급속도로 얼려 버릴 수 있고, [[플라스틱]]이나 [[고무]] 등이 닿을 경우 부스러져 버릴 수 있다.<ref name="encychem"/>

또한 해녀나 잠수부 등이 수심 깊은 곳에서 잠수할 경우 호흡으로 들어온 질소가 혈액 속에 녹아 있다가 기압이 낮은 물 위로 올라왔을 때 혈액 속의 녹은 질소가 기포가 되어 혈액 안을 돌아다니는 [[잠수병]]이 생길 수도 있다.

== 각주 ==
<references/>

== 참고 문헌 ==
* Considine, G. D. et al., ''Van Nostrand's encyclopedia of chemistry'', 5th edition, Hoboken: Wiley-Interscience, 2005.
* [[데이비드 W. 옥스토비|Oxtoby, D. W.]] et al., ''Principles of Modern Chemisty'', 6th edition, Belmont: Thomson Brooks/Cole, 2008.
* Parker, S. P. et al., ''McGraw-Hill encyclopedia of chemistry'', New York: McGraw-Hill, 1993.
* 화학대사전편집위원회 편, 성용길, 김창홍 역, 《화학대사전》, 서울: 世和, 2001.

== 외부 링크 ==
{{위키공용과 분류|nitrogen}}
* {{네이버캐스트|6372}}
* {{언어링크|en}} [http://www.webelements.com/nitrogen/ 질소 - WebElements.com]

{{원소 주기율표}}

{{전거 통제}}
{{위키데이터 속성 추적}}

[[분류:질소| ]]
[[분류:비금속]]
[[분류:화학 원소]]
[[분류:GABAA 양성 알로스테릭 조절자]]
[[분류:레이저 이득 매질]]
[[분류:전형 원소]]
[[분류:15족 원소]]