암모니아

가장 간단한 수소화 닉토젠(pnictogen) 계열의 화합물이자 독특한 자극적인 냄새가 나는 무색 기체인 암모니아는 음식과 비료의 전구체로써 육상 생물에게 필요한 영양소를 제공한다. 대기 중에도 소량 포함되어 있으며, 하천이나 토양의 세균이 질소 함유 유기물을 분해하는 과정에서도 생성되기에 미량으로 존재할 수 있다. 직간접적으로 다양한 제약 제품 합성 과정에 사용되며 상업적으로 판매되는 세정제에도 쓰인다. '암모니아'라는 이름은 의식(rituals) 중에 염화 암모늄(NH₄Cl)을 사용했던 이집트 신 ‘아멘(Amun)’의 숭배자들을 지칭하던 암모니안(Ammonian)에서 유래되었다. 고농도의 암모니아는 부식성이 있고 극도로 유해한 물질이며, 물에 매우 잘 녹아 흔히 암모니아수로도 불리는 염기성의 수산화 암모늄(NH₄OH)을 만든다. 산업용 암모니아는 일반적으로 28% 암모니아가 녹아 있는 수용액 형태이나, 일반적으로 가압하거나 냉동시켜 무수 액화 암모니아 형태로도 사용될 수 있다.

암모니아(NH₃) 분자 모형

목차

고대 그리스 역사가 헤로도토스(Herodotus)의 기록에 리비아 지역의 지표에 노출된 염화 암모늄(NH₄Cl) 광맥 근처에 거주하며 이집트 주신 ‘아멘(Amun)’을 섬기던 "암모니안’에 대한 기술이 남아있으며, 이로부터 ‘암모니아’라는 이름이 유래되었다. 소변이 박테리아에 의해 발효(fermentation)되면 암모니아수가 생성되기에, 고대 그리스와 로마 시대 때부터 발효된 소변을 직물이나 옷의 세척액으로, 피혁이나 모피를 얻기 위해 가죽의 털 제거용으로, 염색된 직물에 매염제로, 철 제품의 녹 제거 등 다양한 용도로 썼다.

염화 암모늄 형태의 암모니아는 8세기 초 페르시아-아랍의 연금술사 하이얀(J. i. Hayyan)에 의해 처음으로 언급된 이후 13세기까지 유럽의 연금술사들에게 중요한 화학 물질로 사용되었다. 중세에는 발효된 소변을 식물에서 얻은 염료의 색상을 바꾸는 시약으로도 사용하였다. 1756년 영국의 화학자 블랙(J. Black)은 염화 암모늄과 산화 마그네슘(MgO)을 반응시켜 처음으로 기체 상태의 암모니아를 분리하였으며 그 후 1785년 프랑스의 화학자 베르톨레(C. L. Berthollet)에 의해 암모니아의 화학적 조성이 확인되었다.

2NH₄Cl(s) + MgO(s) → 2NH₃(g) + MgCl₂(aq) + H₂O(l)

공기 중의 질소를 이용하여 암모니아를 생산하는 하버-보슈 공정(Haber–Bosch process)은 1909년 독일의 화학자 하버(F. Haber)와 공업화학자 보슈(C. Bosch)에 의해 개발되었고 1910년 특허를 취득하였다. 20세기 철강 산업이 발전하면서 암모니아는 점결탄(coking coal)을 생산하기 위한 석탄 건류 과정의 부산물로 생산되었다.

암모니아는 독특한 자극적인 냄새가 나는 무색 기체로 밀도가 공기의 0.589배이기에 가볍다. 분자 사이에 강한 수소 결합을 형성할 수 있어 쉽게 액화되며 액체는 -33.3 ℃에서 끓고 -77.7 ℃에서 얼어 결정성 흰색 고체가 된다. 암모니아 분자의 구조는 원자가 껍질 전자쌍 반발 이론(valence shell electron pair repulsion theory (VSEPR theory))에 의해 삼각 피라미드 모양임을 설명할 수 있으며, 실험적으로 측정된 H-N-H 결합각은 106.7^o이다. 원자가 전가가 5개인 중심 원자 질소는 3개의 수소로부터 각각 추가적으로 전자를 하나씩 제공 받아 총 8개의 전자가 두 개씩 쌍을 이룬 사면체 배열을 갖게 되는데, 이 전자쌍 중 3개는 공유 전자쌍이며 나머지 한 쌍은 비공유 전자쌍이다. 비공유 전자쌍은 공유 전자쌍을 보다 강하게 밀어내기 때문에 규칙적인 사면체 배열의 예상 결합각 109.5^o보다 작은 값을 갖게 된다. 분자 내 질소 원자의 비공유 전자쌍이 양성자 받개(proton acceptor) 역할을 하여 암모니아가 염기로 작용할 수 있다. 암모니아의 이러한 모양이 쌍극자 모멘트(dipole moment)를 생성시켜 분자가 극성을 띠게 되기에, 이러한 암모니아 분자의 극성과 수소 결합 능력으로 인해 물과 매우 잘 섞일 수 있다.

암모니아는 약염기로 간주되며 산과 결합하여 염을 형성한다. 예로 염산과 반응하면 염화 암모늄이 형성된다.

NH₃(g) + HCl(aq) → NH₄Cl(aq)

매우 약한 산으로도 작용할 수 있는 암모니아는 양성자성(protic) 물질로 양성자를 주고 아마이드(amides, NH₂^- 이온)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 리튬은 액체 암모니아에 녹아 리튬 아마이드를 형성한다.

2Li(s) + 2NH₃(l) → 2LiNH₂(s)+ H₂(g)

암모니아는 물과 마찬가지로 자체 이온화(self-ionization) 과정으로 산과 염기를 형성할 수 있다.

2NH₃(aq) @@NAMATH_INLINE@@\leftrightarrows@@NAMATH_INLINE@@ NH₄⁺(aq) + NH₂^-(aq)

암모니아는 중탄산 소듐이나 아세트 산과 반응시키면 암모늄 염을 형성시켜 결과적으로 냄새를 제거할 수 있다.

NH₃(g) + NaHCO₃(s) → Na(NH₄)CO₃(s)

NH₃(g) + CH₃COOH(aq) → CH₃COO(NH₄)(aq)

유기 화학에서 암모니아는 치환 반응(substitution reactions)에서 친핵체(nucleophile)로 작용할 수 있다. 예로 아민(R-NH₂)은 암모니아와 할로젠화 알킬(R-X)을 반응시켜 얻을 수 있으며 카복실산, 에스터 및 산 무수물은 암모니아와 반응하여 아마이드(amide)를 생성할 수 있다.

R-X + NH₃ → R-NH₂ + HX

R-C(=O)OH + NH₃ → R-C(=O)NH₂ + H₂O

또한 암모니아는 전이 금속 착물(complex)에서 리간드(ligand)로 작용할 수 있으며 분광화학적 계열(spectrochemical series)에서 중간 정도에 위치한 순수한 σ-주개(σ-donor)이다. 역사적인 이유로 암모니아는 배위 화합물(coordination compounds) 명명법(nomenclature)에서 암민(ammine)으로 명명한다.

2014년 현재 전세계에서 생산되는 암모니아의 약 88%가 염, 용액 혹은 무수물 형태로 비료로 사용되고 있다. 토양에 뿌려지면 옥수수나 밀과 같은 작물의 수확량을 증가시킬 수 있다. 암모니아는 직∙간접적으로 질소를 함유하는 화합물을 만드는 전구체로 사용되며, 거의 모든 합성 질소 화합물이 암모니아로부터 얻어진다. 중요한 유도체 중 하나인 질산(HNO₃)은 암모니아를 백금(Pt) 촉매 하에서 700~800 ℃, 약 9 기압으로 공기 중에서 산화시키는 오스트발트 공정(Ostwald process)으로 생산된다.

NH₃(g) + 2O₂(g) → HNO₃(aq) + H₂O(l)

이렇게 생성된 질산은 비료, 폭발물 및 다양한 유기 질소 화합물을 생산하는데 사용된다.

이 외에도 암모니아는 하이드라진(N₂H₄), 사이안화 수소(HCN), 수산화 아민(HONH₂), 탄산 암모늄((NH₄)₂CO₃), 페놀(C₆H₅OH), 요소(CO(NH₂)₂), 아크릴로나이트릴(C₃H₃N) 등 다양한 화합물을 만드는데 사용된다.

가정용 암모니아는 물에 녹인 암모니아수 형태로 다양한 표면에 대한 범용 세정제로 사용되며, 흔히 유리, 도자기 및 스테인리스 강을 세척하는 데 사용된다. 발효 산업에서 16~25 % 농도의 암모니아 용액은 발효 과정의 pH를 조절하고 미생물의 성장을 돕는 질소를 공급하기 위해 사용되고 있으며 식품 산업에서 대장균이나 미생물을 죽이기 위한 소독제로 사용되기도 한다.

암모니아는 쉽게 증발하는 특성이 있어 프레온(Freons) 가스가 냉매로 사용되기 이전부터 유용하게 쓰였으며, 에너지 효율이 높고 비용이 저렴하기 때문에 국제 우주 정거장이나 산업용 냉동 장치, 하키 경기장 등에 널리 사용되고 있으나 독성으로 인해 소규모의 사용은 제한하고 있다. 또한 암모니아는 화석 연료 연소 과정에 발생하는 이산화 황(SO₂)을 제거하는 데 사용되며, 생성된 생성물은 황산 암모늄((NH₄)₂SO₄)으로 전환되어 비료로 사용된다. 암모니아는 디젤 엔진에서 배출되는 질소 산화물(NO_x)을 제거하는 데에도 사용되는데, 이때 적용된 기술을 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR)이라 하며 오산화 바나듐(V₂O₅) 촉매가 사용된다. 액체 암모니아의 에너지 밀도는 11.5 MJ/L로 높아서 디젤의 1/3 수준이므로 연료로 사용될 수 있지만, 안정성 등 여러 가지 이유로 널리 사용되지 못하고 있다. 직접 연소 엔진에 연료로 사용되는 것 이외에 암모니아를 수소로 전환시켜 연료 전지에 사용할 수도 있다.

이외에도 염 형태에서 방출되는 암모니아 증기는 각성제로 쓰이며, 액체 암모니아는 면 직물의 광택과 강도 및 염색성을 증가시키는 머서가공(mercerisation)이나 양모의 선세탁 공정에도 사용된다.

고농도의 암모니아 기체에 노출되면 폐 손상과 사망을 초래할 수 있으며, 미국의 산업 안전 보건청(OSHA)은 대기 중의 암모니아수가 35 ppm에서 15분, 25 ppm에서 8시간을 노출 제한으로 설정하였다. 암모니아를 함유한 일반 가정용 세정제를 표백제와 같이 사용하면 화학 반응을 일으켜 매우 유독한 기체를 생성하므로 함께 사용해서는 안 된다. 액체 상태의 암모니아는 흡습성이 있고 피부를 얼릴 수 있어 위험하기에 취급 시 주의해야 한다.

Retrieved on 2018-05-29