질소, Nitrogen

 

 

질소, Nitrogen
원자 기호	N
원자 번호	7
족, 주기, 구역	15족, 2주기, p-구역
전자배치	1s2 2s22p3
질소의 방출 스펙트럼
원소 분류	비금속
원자량	14.0067(2)
상태	기체
끓는점에서의 액체 밀도	0.808 g·cm−3
녹는점	63.15 K, -210.00 °C
끓는점	77.36 K, -195.79 °C
삼중점	63.1526 K (-210°C), 12.53 kPa
임계점	126.19 K, 3.3978 MPa
융해열	0.72 kJ/mol
기화열	5.56 kJ/mol
열용량	29.124 J·mol−1·K−1
산화수	5, 4, 3, 2, 1, -1, -2, -3
전기음성도	3.04 (폴링 척도)
이온화에너지	1st: 1402.3 kJ·mol−1 2nd: 2856 kJ·mol−1 3rd: 4578.1 kJ·mol−1
공유 반지름	71±1 pm
반데르발스 지름	155 pm
자기성	반자성
전기 저항	(20 °C) ~106 Ω·m
열전도율	25.83 × 10−3 W·m−1·K−1
음속	(27 °C) 353m·s−1

 
 질소Nitrogen는 화학기호 N, 원자 번호 7, 원자 질량 14.00674amu를 가지는 원소이다. 질소는 무색, 무취, 무맛에 표준 상태에서 거의 반응성이 없는 이원자 기체로 지구 대기 부피의 78.08%를 차지한다. 원소 질소는 1772년 스코트랜드인 물리학자 러더퍼드Daniel Rutherford가 공기중으로부터 분리해서 발견했다.

 산업에서 사용되는 가장 중요한 화합물인 암모니아, 질산과 유기질화물(추진제와 폭발물), 시안화이온 등은 질소를 함유하고 있다. 질소는 매우 강한 결합을 하고 있어서 유기체나 산업적으로 N₂의 결합을 끊고 쓸모 있는 화합물로 바꾸기가 힘들고 화합물이 타거나, 폭발하거나 분해되어서 다시 질소 기체로 돌아가버리기 때문에 질소 화학 발전이 어려웠다.

 질소는 모든 살아있는 생명체에 존재하고, 질소 순환은 원소가 공기에서 생물권과 유기화합물로 갔다가 다시 대기로 움직이는 것을 설명한다. 합성된 질산염nitrate는 비료로 사용되는 중요한 성분이다. 하지만 부영양화eutrophication를 일으키는 오염원 중 하나이다. 질소는 아미노산과 단백질, 핵산(DNA와 RNA)을 이루는 원소이다. 질소는 거의 모든 신경전달물질neurotransmitter의 화학식안에 있다. 많은 유기체가 만들어내는 생체분자인 알칼로이드alkaloid는 질소 원자를 한 개 이상을 가지는 고리로 정의된다. 인간 몸은 무게로 3%의 질소로 구성되고, 더 많은 분율을 차지하는 것은 산소, 탄소, 수소이다.

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역사

 질소는 공식적으로 1772년 러더퍼드Daniel Rutherford에 의해 발견되었다. 러더퍼드는 이 기체를 '유독한 공기noxious air' 또는 '고정된 공기fixed air'라고 불렀다. 이 사실은 공기중에 있는 이 원소가 연소를 돕지 않는 다는 것을 러더퍼드가 알아냈기 때문이다. 질소는 셸레Carl Wilhelm Scheele와 캐번디시Henry Cavendish 그리고 프리스틀리Joseph Priestley도 연구를 하면서 '타버리고 남은 공기burnt air' 또는 '플로지스톤으로 포화된 공기phlogisticated air' 라고 불렀다. 라부아지에는 질소 기체 안에 있는 동물이 죽고, 불은 꺼지는 것을 보고 '유해한 공기mephitic air'라고 부르면서, 그리스어로 '생명이 없는'을 뜻으로 가지는 ἄζωτος (azotos)에서 유래한 '아조트azote'라고 불렀다. 라부아지에가 만든 질소의 이름은 프랑스어, 폴란드어, 러시아어 등의 많은 언어에서 사용되고 영어에서도 많은 화합물에 관용명에도 있는데 아자이드 이온azide ion 등이 그렇다.

 영어 nitrogen은 1794년부터 불리기 시작했는데, 프랑스어 nitrogène로부터 왔다. 1790년 프랑스 화학자 샤프탈Jean-Antoine Chaptal이 'nitre'와 그리스어에서 나온 '만들다'의 뜻을 가지는 gène을 합쳐 만들었다. 이 기체는 질산nitric acid에서 발견되었다. 샤프탈은 질소 기체가 질산의 중요한 부분이라 생각했고, 초석nitre(potassium nitrate,  saltpetre)으로부터 만들었다.

질소 화합물은 중세부터 잘 알려졌다. 연금술사들은 질산을 강수aqua fortis(strong water)라고 불렀다. 염산과 질산을 섞은 용액은 왕수aqua regia(royal water)라고 불렀고, 금도 녹일 수 있는 능력이 있었다. 군사, 산업, 농업적인 응용으로 질소 화합물들은 초석으로부터 만들어졌는데, 초기엔 화약으로 많이 쓰였고 나중에는 비료로 쓰이게 되었다. 1910년 레일리 경Lord Rayleigh은 질소 기체 속에서 전기 방전을 하면 '반응성 잇는 질소active nitrogen'을 만든 다는 것을 알았고, 이 동소체는 단원자라고 생각되었다. '빛나는 노란 빛의 소용돌이 치는 구름'은 그의 수은으로 된 기구와 반응하여 폭발할 수 있는 질화 수은을 만들었다.


 제법

 상업적으로 질소는 공기의 분별증류로 생산해낸다. 화학실험실에서는 염화암모늄ammonium chloride 수용액과 아질산나트륨sodium nitrite과 반응시켜 만든다.

NH₄Cl(aq) + NaNO₂(aq) ---> N₂(g) + NaCl(aq)

적은 양의 NO와 HNO₃ 이 불순물로 이 반응에서 생겨난다. 이 불순물은 중크롬산 칼륨potassium dichromate이 들어 있는 황산에 통과시켜주면 제거된다.

매우 순수한 질소는 아지화 나트륨sodium azide이나 아지화 바륨barium azide의 열분해로 얻을 수 있다.

Na(N₃)₂ + heat ---> Na + 3N₂

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성질

 질소는 전기음성고 3.04의 비금속이다. 외각껍질에 5개의 전자를 가지고 있고, 대부분의 화합물에서 3가이다. 삼중 결합을 가진 질소 분자는 가장 강력한 결합 중의 하나이다. N₂를 다른 화합물로 바꾸는 것이 어렵기 때문에, 질소 화합물에서 다시 원소 N₂로 바꾸는 것은 쉽다(많은 에너지도 함께 방출된다).  

대기압에서 질소 문자는 77K(-195.79℃)에서 액화되고, 63K(-210.01℃)에서 얼어 beta hexagonal close-packed 형태가 된다. 35.4K(−237.6 °C)  이하에서 질소는 cubic crystal(α 형태)로 될 것이라 생각한다. 액체 질소는 물과 모습이 비슷하지만 끓는점에서 밀도가 0.909g/mL로 물의 80.8%밖에 안되고 냉각제로 사용된다.

 질소의 불안정한 동소체는 두개 이상의 질소가 결합되어 있는 것으로 실험실에서 만들어지는데, N₃ 와 N₄ 같은 것들이다. 백십만 기압과 같이 극단적으로 높은 기압과 2000K이상의 높은 온도에서 다이아몬드 모루diamond anvil cell를 만드는데 사용된다. 단일 결합으로 이루어진 cubic gauche crystal 구조의 질소 고분자는 다이아몬드와 구조가 비슷하고, 다이아몬드와 질소 고분자는 매우 강력한 공유결합을 하고 있다. N₄의 별명이 "질소 다이아몬드nitrogen diamond" 이다.

다른 동소체로는 헥사진(hexazine, N₆ 벤젠과 구조가 비슷하다)과 옥타아자큐베인octaazacubane(N₈, cubane과 구조가 같다.)이 있다. 이런 형태들은 매우 불안정할 것이라 예측되었으나, 나중에 오비탈 대칭성 때문에 동역학적으로 안정할 것이라 예측되었다. 


 동위원소

 질소의 동위원소 중에서 안정한 것은 ¹⁴N와 ¹⁵N로 두가지가 있다. 가장 많은 것은 ¹⁴N으로 99.634%이며, 항성에서 CNO 사이클에 의해 생성된다. 그 외에도 10가지의 동위원소가 합성되었는데, ¹³N의 반감기는 10분이고 나머지 동위원소들의 반감기는 1초보다도 짧다.

 지구 대기의 질소 분자 중 0.73%만이 ¹⁴N¹⁵N으로 이루어져 있고, 나머지는 ¹⁴N₂이다.

 방사성 동위원소 ¹⁶N는 가압수형 원자로Pressurized water reactor나 비등수형 원자로boiling water reactor에서 사용되는 냉각수에 많이 존재한다. ¹⁶N은 물에 있는 ¹⁶O가 (n,p) reaction을 통해 생성된다. ¹⁶N는 7.1초의 짧은 반감기를 가지고 다시 ¹⁶O가 되면서 높은 에너지의 감마선(5~7 MeV)를 방출한다.

 이런 이유 때문에, 가압수형 원자로가 가동중일 때 일차 냉각수에 접근하는 것은 금지된다. 이차 냉각수에서 ¹⁶N를 감지할 수 있도록 하는데, 그 이유는 이차 냉각수에서 발견되면 일차 냉각수에 균열이 생겼다는 것을 의미하기 때문이다.

 비슷한 이유로 비등수형 원자로 핵발전소에서도 가동 중일 때는 증기 사이클로의 접근은 금지된다.


 전자기 스펙트럼

질소 전기방전 튜브

 질소 분자(¹⁴N₂)는 적외선부터 가시광선 영역의 빛을 흡수하지 않아 투명하다. 그 이유는 질소 분자가 동핵 분자homonuclear molecule이고, 이 영역의 파장에서 전자기파와 상호작용을 할 쌍극자모멘트가 없기 때문이다. 빛을 흡수하는 것은 자외선 영역인데, 100nm 이하의 파장을 흡수한다. 이 영역에서는 분자의 전자 전이가 일어나게 된다. 질소는 대기 중에 존재해서 매우 강력한 자외선을 흡수하여 대지에 닿지 않게 한다. 그래서 이 영역의 자외선은 대기중에서 통과할 수 없어 진공자외선vacuum UV이라고 한다. 비슷한 이유로, 순수한 질소 분자 레이저는 자외선 영역의 빛을 방출한다.

 질소는 지구 대기 높은 곳에서 빛을 발하기도 하는데, 전자가 충돌해 들뜬 분자가 가시광 영역의 빛을 내기 때문이다. 이런 볼 수 있는 파란색 빛을 내는 현상을 오로라 현상이라고 말하기도 한다. 

 
 반응

일반적으로 질소는 표준상태에서 반응성이 없다. N₂는 몇 안되는 시약들과만 자발적으로 반응하고, 산과 염기 그리고 산화제와 대부분의 환원제에 의해 되돌아간다. 질소가 반응하여 질소 분자가 아닌 화합물로 되는 전체 과정을 질소 고정nitrogen fixation이라고 한다.

질소는 리튬과 반응한다. 리튬은 대기에 있는 질소와 반응해 연소하여 질화 리튬lithium nitride이 된다.

6 Li + N₂ → 2 Li₃N

마그네슘도 역시 질소와 연소하여, 질화 마그네슘magnesium nitride을 생성한다.

3 Mg + N₂ → Mg₃N₂

 질소는 전이금속과 다양한 착화물을 형성한다. 그 첫 예로 dinitrogen complex인 [Ru(NH₃)₅(N₂)]²⁺  (아래 그림이 분자 구조이다)이다.

 이런 화합물은 이제 흔한데, 다른 예로 IrCl(N₂)(PPh₃)₂, W(N₂)₂(Ph₂PCH₂CH₂PPh₂)₂, [(η⁵-C₅Me₄H)₂Zr]₂(μ₂, η²,η²-N₂)등이 있다. 이런 화합물은 N₂ 가 금속에 결합하고 질소를 암모니아로 전환하는데 관여하는 효소 니트로게나아제nitrogenase와 하버 법Haber process에서 촉매로 작용되는 메카니즘을 설명한다.

 질소 화합물을 산업적으로 생산해내기 시작한 것은 하버 법Haber process이다. 하버 법은 질소를 철(II, III)산화물 (Fe₃O₄) 을 촉매로 사용해서 500 °C, 200 기압에서 N₂ 와 H₂를 반응시켜 고정하는 것이다. 프리츠 하버Fritz Haber는 이 공로로 1918년 노벨 화학상을 수상하게 된다. 아래는 1918년 노벨화학상 연설문이다.

원소로부터 암모니아 합성 - 1918년 노벨 화학상
 프리츠 하버 Fritz Haber

 신사 숙녀 여러분.
 스웨덴 왕립과학원은 베를린 근처 달렘에 있는 카이저 빌헬름 연구소 소장이며 게하임라트(고문) 교수인 프리츠 하버 박사에게 질소와 수소로부터 암모니아를 합성하는 방법을 개발한 공로로 1918년 노벨 화학상을 수여하기로 결정하였습니다.

 토양의 생산력은 자연의 경제법칙에 따르는데, 일반적으로 곡식에서 나오는 퇴비가 토양으로 되돌아가면 일정한 수준이 유지됩니다. 그러나 토양의 생산성이 증가하기를 바라면 부가적으로 비료를 사용해야합니다. 매년 수확의 큰 부분이 매해 증가하는 인구에 의해 소비되고 마을에서 나오는 적은 양의 퇴비가 경작하는 땅으로 되돌아가기 땜누에 토양은 고갈되고 수확량이 감소하는 것을 피할 수 없습니다. 이와 같은 원인이 인공 비료를 제조하도록 만들었는데, 적어도 유럽의 경우 비료 없이 경작할 수 있는 국가가 거의 없을 정도로 해마다 필요량이 증가하고 있습니다.

 인동 비료 중에서는 질소화합물이 중요한데, 인산이나 산화칼륨과는 달리 풍화작용으로 인해 식물에 꼭 필요한 질소화합물이 토양에 많이 저장되어 있지 않기 때문입니다. 게다가 유용한 질소의 일부분은 순환과정에서 비활성 대기질소로 되돌아갑니다. 이와 같은 손실분은 폭우와 박테리아의 활동으로 확실히 보충되지만 지금까지의 경험으로는 인공 질소 비료 없이는 집약적인 경작을 유지할 수 없다는 것입니다. 이 같은 사실은 무엇보다도 오늘날 가장 중요한 곡물 가운데 하나인 사탕무에 해당됩니다.

 여러 해 동안 단지 두 개의 인공 질소화합물이 존재하였는데 그것은 질산칼륨과 염화암모늄입니다. 그러나 이것을 합성하는 오래된 방법은 유럽과 미국에서 중지되었고 칠레초석(질산나트륨)이 등장하였으며, 이것을 질소비료로 만들기 위해서 광물탄의 건식증류로부터 나오는 부산물을 사용하였습니다.

 질소로 계산한 칠레초석의 연간 소비량은 50만 톤 이상이었습니다. 이 많은 양의 초석이 대부분 비료로 사용되었습니다. 이로 인해 심각한 문제가 제기되었는데 그것은 '칠레에 있는 초석 매장량이 언제 고갈될것인가?' 입니다. 칠레 당국은 여러 평가를 내놓았고 유럽의 전문가들은 현재 속도로 생산하면 초석의 매장량이 가까운 미래에 고갈될 것이라고 합니다.

 하여간 오래 지속되는 세계대전이 모든 국가로 하여금 가능하면 어느 곳이나 유기물화의 필요에 대처하기에 충분할 정도로 자국 내에서 생활필수품을 생산하도록 조장하였습니다.

 특히 대규모 광물 매장량도 없고 값싼 수력발전도 할 수 없는 국가에서는 초석이 가장 중요하기 때문에 암모니아와 질산의 인공적인 생산은 매우 중요합니다.

 암모니아는 자연산과 인공 산물의 경계에 있는 물질로써 아스팔트와 갈탄의 건식증류로 얻어집니다. 암모니아는 질량비 1.3%에 해당되는 양이 질소 암유 광물로부터 나오는데, 그러나 많은 부분(약 85%)이 코크스로 남아있거나 증류하는 동안 질소로 날라갑니다.

 20세기의 첫 10년동안 공기로부터 질소를 고정하는 여러 방법이 발표되었지만 이중에서 시험단계까지 살아남은 것은 거의 없었습니다. 그중 처음 방법이 프랑크-카로의 사이안아마이드 방법입니다. 칼슘사이안아마이드가 비료로서 기대에 완전히 미치지는 못하지만 함유된 질소가 상대적으로 쉽게 암모니아로 바뀔 수 있기 때문에 활용에 방해물이 되지는 않습니다.

 열역학의 주요 원리를 사용하여 일산화질소를 생성하는 대기질소의 연소와 관련된 모든 정량조건을 계산할 수 있게 되자 비르켈란트와 에이데는 이것을 기술적으로 응용하여 처음으로 성공적인 결과를 얻었습니다.

 베르틀로와 톰슨의 실험으로 이 결합이 발열반응으로 일어난다는 것을 증명하였지만 1904년까지 아무도 전기방전의 도움없이는 암모니아를 생산하기 위해 질소와 수소의 직접적인 결합을 일으킬 수 없었습니다. 이런 부정적인 결과는 낮은 온도에서의 느린 반응과 높은 온도에서의 불리한 평형상태에 의한 것임을 경험으로 쉽게 알 수 있습니다. 1884년 램지와 영이 촉매로 처를 사용하여 실험을 수행했지만 불확실한 결과를 얻었을 뿐입니다.

 하버 교수와 반 오르트는 이전의 실험이 문제애 대한 기술적 해답을 줄 거라는 희망을 가지고, 1904년 현대 물리화학 방법에 기초를 두고 관련 분야의 방법론적인 연구를 시작하였습니다. 그들은 약 1000도의 온도와 정상 압력에서 철을 사용하여 실험아였고 그 결과 적열赤熱과 더 높은 압력을 나타내는 위쪽에서 단지 미량의 암모니아가 생산된다는 것을 알게 되었습니다.

 이 연구에서 시스템에 실제 존재하는 평형상태가 N₂ + 3H₂ → 2NH₃ 인데 이것이 암모니아 합성의 기초라는 것을 실험적으로 보였습니다.

 1913년 《전기 화학 잡지》에서 하버 교수와 스 로시뇰에 의해 가장 중요하고 실용적 의미를 갖는 이 문제의 취급 방법을 발견할 수 있습니다. 제목은 「원소로부터 암모니아의 기술적 생산에 관하여」였습니다. 이 논문이 루트비히샤펜에 있는 '바덴아닐린-소다'사에서 공장 규모로 방법을 발전시키는 데 기초를 제공하였고 주요 개발은 보슈 박사의 지도 아래 이루어졌습니다.

 초기 실험에서 과도한 검붉은 열, 즉 600도는 효과가 없어 보였고 반응식은 4부피에서 2부피로 감소되면서 결합이 일어나는 것으로 밝혀졌습니다.

 평형의 법칙에서 압력이 높을수록 평형은 암모니아 쪽으로 이동하는데 이것이 기본적인 원리를 제공했습니다. 약 500도의 온도를 가능한 한 가장 높은 압력과 함께 사용해야 했는데, 실제로 약 150깅바부터 200기압의 압력이 가능합니다. 이 높은 압력이 반응을 가속화시키리라는 것을 예상할 수 있습니다. 그러나 그처럼 높은 압력과 적열에 접근하는 온도에서 순환시스템에 기체의 흐름이 포함된 실험은 매우 심각한 어려움을 불러일으켰고 그때까지 시도된 적도 없었습니다. 그러나 실험은 완전히 성공적이었습니다. 문제의 논문은 사용한 장치의 자세한 도면을 포함하고 있는데, 철을 촉매로 사용하여 1시간당, 그리고 접촉부피 1리터당 약 250그램의 암모니아를 생산하였고, 우라늄이나 오스뮴을 촉매로 하여 더 많은 양을 생산하였습니다.

 가열은 전기적으로 이루어졌지만 장치로부터 새어나오는 열은 대개 투입되는 기체에 다시 이용되기 때문에 요구되는 온도는 재생하는 열과 암모니아 생성으로부터 방출되는 열에 의해 유지할 수 있습니다. 하버 교수의 관찰에서 매우 중요한 특징은 기체가 반응 중에 더 빠른 유속으로 보급되면 단위시간당 생산되는 암모니아의 양이 점차로 증가한다는 것입니다.

 하버교수는 가장 좋은 촉매는 오스뮴이고 그다음이 우라늄이나 탄화우라늄이라는 것을 알아냈습니다. '바덴' 공장에서 대부분 수행했던 시험에 따르면 촉매 활동은 촉매의 활성억제제에 의해 감소되지만 산화물이나 알칼리염, 그리고 알칼리토금속에 의해 증가될 수 있습니다. 점점 더 활성이 좋은 촉매가 발견되었고 이것으로 관내 압력을 점차로 감소시키는 것이 가능하였습니다.

 1910년에 프랑크푸르트암마인 근처 오파우에서 처음으로 암모니아 연간 생산량이 3만 톤으로 예상되는 건설 공사가 시작되었습니다.

 기본물질인 질소와 수소는 표준방법으로 만들어졌습니다.
 암모니아 제조 과정에서의 전력 소비는 아주 낮아 암모니아 킬로그램당 0.5kw/h 이하의 양입니다. 그러므로 킬로와트/연당 1만 킬로그램 이상의 질소가 고정됩니다.

 반응의 평형위치와 여러 요소들은 암모니아 생성열과 비열에 의존하기 때문에 1914년과 1915년에 《전기 화학 잡지》에 연속으로 발표한 여러 개의 논문에서 하버 교수는 이 과정들을 아주 정확하게 확인하기 위해 수행했던 실험들을 광범위하게 서술하였습니다.

 오스트발트가 수정한 방법으로 암모니아를 질산으로 바꾸고 질산을 질산칼슘으로 바꾸므로, 질산칼슘을 생산하는 전체 비용들 사이의 비는 계산에 따르면 대략 다음과 같습니다.

 
 ● 노르웨이안 하이드로Norwegian Hydro : 100
 ● 하버 : 103
 ● 프랑크-카로Frank-Caro : 117


 위의 숫자들이 나타내듯이 처음 두 방법은 비슷하지만 나머지 하나는 약 15%정도 더 높습니다.

 그러나 세 방법 가운데 하버 교수의 방법이 유일하게 값싼 수력전력을 이용하고 독립적으로 작동할 수 있기 때문에 앞으로 모든 국가에 활용될 수 있습니다. 더욱이 필요한 만큼 적당한 규모로 만들 수 있고 매우 값싸게 암모니아를 생산하고 질산염을 만들 수 있기 때문에 인류의 영양 섭취 향상에 아주 중요한 기여를 했습니다.

 독일 하버 공장들, 특히 최근에 지어진 메르세부르크 근처의 레우나워크스는 최대의 생산량으로 독일에서 필요한 모든 질소비료의 대부분을 제공합니다. 더욱이 하버 교수의 방법은 이미 미국에서 널리 적용되고 있습니다.

 하버 교수님.
 왕립과학원은 수소와 대기질소를 직접 결합시키는 문제를 해결한 뛰어난 공로를 인정하여 1918년 노벨 화학상을 교수님께 수여합니다. 이 문제에 대한 해결책이 이전에도 여러 차례 시도되었지만 교수님이 처음으로 공업적 해결책을 제공하였고 농업의 표준과 인류복지를 향상시키는 매우 중요한 수단을 만들어 냈습니다. 교수님의 조국과 인류 전체를 위한 값진 승리를 축하드립니다. 이제 노벨재단 회장으로부터 상을 받으시기 바랍니다.
 

스웨덴 왕립과학원 Å.G. 엑스트란드
<당신에게 노벨상을 수여합니다|노벨 화학상|, 노벨 재단 엮음, 우경자·이연희 옮김>

 존재량

 질소는 지구 대기의 가장 많은 부분을 차지하여 건조 공기의 부피비로는 78.082%, 질량비로는 75.3%를 차지한다. 질소는 항성에서 핵융합으로 만들어지고 우주에서 질량비로 7번째로 많이 존재하는 원소로 추정된다. 

 질소 분자와 질소 화합물들은 Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer(FUSE)를 사용하여 천문학자들이 별 사이 공간에서 발견했다. 질소 분자는 토성의 위성인 타이탄의 얇은 대기의 주성분이고, 다른 행성의 대기에도 소량 존재한다.

 질소는 단백질, 핵산과 다른 분자들에 있기 때문에 모든 살아있는 유기체에서 발견된다. 식물을 건조시킨 후 남은 질량의 4% 가량이 질소이며, 인간의 몸에는 약 3%의 질소가 있다. 동물의 변에는 질소가 많은 양이 존재하는데 보통 요소urea, 요산uric acid, 암모늄 화합물로 존재한다. 이런 화합물들은 질소 화합물의 최종 산물이고, 모든 식물들에게 필수적인 영양소이다.
 
 질소는 많은 광물에도 천연적으로 존재하는데, 초석, 칠레초석, 노사(sal ammoniac, ammonium chloride)등이 그것이다. 이들 대부분은 흔하지 않은데, 그 이유는 이 광물들이 소량 물에 녹을 수 있기 때문이다.

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 화합물

 질소의 수화물 중에서 가장 윰명한 것은 암모니아ammonia(NH₃)이고, 하이드라진hydrazine(N₂H₄)도 자주 사용된다. 암모니아는 물보다 염기성을 띤다. 암모니아 수용액은 암모늄 이온ammonium ion(NH+
4)을 형상한다. 액체 암모니아(끓는점 240K)는 양쪽성물질(Brønsted-Lowry 산과 염기의 성질을 모두 가지고 있는 물질)이고 암모늄 이온과 함께 흔하진 않은 아마이드 이온amide ion(NH−
2)을 형성한다. 아마이드와 나이트라이드nitride(N³⁻)의 염이 알려져있지만 물에서 분해된다. 암모니아가 알킬 체인으로 치환된 1, 2, 3, 4차 알킬 암모니아alkyl amonia는 아민amine으로 부른다.

 질소 음이온에는 독성이 있는 아자이드azide(N−
3)가 있는데, 이산화 탄소와는 같은 수의 전자를 가지고 직선분자지만 철을 함유한 효소에 시안화 이온cyanide처럼 결합을 할 수 있다. 다른 분자는 같은 구조를 가지지만 상대적으로 반응성이 없고 마취제로 쓰이는 아산화 질소Nitrous oxide(일산화 이질소dinitrogen monoxide, N₂O)는 웃음 가스로도 알려져 있다. 아산화 질소는 질소 산화물 중의 한 형태이고, 보통 질소 산화물은 NOx로 많이 쓰인다. 산화 질소Nitric oxide(일산화 질소nitrogen monoxide, NO)는 자유 라디칼free radical이고 식물과 동물에서 신호 전달물질이다. 심혈관 시스템에서 신경전달물질로서 기능하는 일산화질소에 대한 연구로 로버트 퍼치고트, 루이스 이그내로, 페리드 머래드가 1998년 노벨 생리의학상을 수상한다. 다음은 1998년 노벨 생리의학상 연설문이다.

심혈관 시스템에서 신경전달물질로서 기능하는 일산화질소에 대한 연구 - 1998년 노벨 생리의학상
로버트 프랜시스 퍼치고트, Robert Francis Furchgott
루이스 이그내로, Louis J. Ignarro
페리드 머래드, Ferid Murad  

 전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
 로버트 피치고트 박사님, 루이스 이그내로 박사님, 그리고 페리드 머래드 박사님. 이 세분은 생체 내부에서 잠시 생성되었다가 사라지는 일산화질소가 세포들 간의 신호전달물질로서 기능한다는 사실을 각자의 연구로 발견하였습니다. 이는 전혀 예상치 못했던 일이며 아주 특별한 의미를 갖습니다. 이 발견으로 생의학 연구의 새로운 장이 시작되었으며, 앞으로도 새로운 지평이 열릴 것으로 기대됩니다.

 1980년부터 로버트 피치고트 교수님은 이 분야에 관한 연구를 시작하였습니다.1970년대만 해도 과학자들은 혈관 내벽의 내피세포들은 단지 수동적이며 보호적인 특성만을 갖고 있다고 생각했습니다. 하지만 퍼치고트 교수님은 혈관 내벽의 수축과 이완 작용이 뜻밖에도 내피세포의 존재 여부에 따라 달라진다는 것을 밝혔습니다. 박사님은 이른바 '샌드위치 실험법'이라는 기발한 방법으로 매우 중요한 연구 결과를 얻었으며 이것은 미래의 과학발전에 기반이 되었습니다.

 그는 이 샌드위치 실험법을 이용하여 대동맥 조각에서 일어나는 여러 반응을 조사하였습니다. 한 조각은 내피세포가 완벽하게 존재하였고, 다른 조각은 내피세포가 제거된 것이었습니다. 내피세포가 없는 경우에는 자극에 의한 수축작용이 일어난 반면, 내피세포가 있는 경우에는 수축도 이완도 일어나지 않았습니다. 그 두개의 조각을 붙여서 샌드위치 모델을 만들었을 때, 앞에서 동일한 자극은 수축 작용을 일으키지 않았으며, 오히려 이완 작용을 일으켰습니다. 퍼치고트 교수님은 이 연구를 통해 내피세포로부터 어떤 미지의 물질, 즉 어떤 인자가 생성되고 이것이 내피세포가 제거된 대동맥 조각에 수송됨으로써, 결국 이완작용이 야기된다는 결론에 도달했습니다.

 이 발견은 실로 대단한 것이었습니다. 이것은 내피세포 인자의 존재를 탐색하기 시작한 신호탄과도 같았습니다. 그 탐색에는 6년이라는 시간이 걸렸고, 여러 가설들이 세워졌습니다. 그 중 한 가지가 이 인자가 질소 함유 물질이라는 주장입니다. 이와 같은 가설의 배경에는 페리드 머래드 교수님의 연구가 한몫을 하고 있습니다. 그는 니트로글리세린이 대동맥 근육세포 내부에 존재하는 구아닐릴사이클라제 라는 효소를 활성화시켜 고리형 GMP(cyclic GMP, cGMP)를 증가시킨다고 했습니다. 그리고 이로 인해 이완작용이 일어난다는 사실을 밝혔습니다. 그리고 그는 여기에서 다음과 같은 아주 중요한 질문을 하였습니다. '니트로글리세린이 일산화질소를 방출함으로써 작용하는 것은 아닐까?' 그는 이 가설을 확인하기 위하여, 구아닐릴사이클라제를 포함한 근육조직을 준비하면서 일산화질소 기포를 넣어주는 간단한 과정을 하나 추가하였습니다. 그러자 cGMP의 생성이 증가되는 것을 확인할 수 있었습니다. 이로써 효소의 기능을 활성화시키는 의약품의 새로운 기전이 발견되었습니다.

 지난 100여 년 동안, 급성통증 치료를 위해 니트로글리세린을 사용해왔음에도 불구하고 알지 못했던 실질적인 작용원리가 드디어 밝혀진것입니다. 페리드 머래드 교수님의 이 실험은, 퍼치고트 교수님이 내피 세포 인자를 발견하기 몇 년 전에 이루어졌습니다. 이 실험은 새로운 지식을 창출해 냈고, 이 지식은 후에 내피세포 인자들의 탐색에 견인차 역할을 하게 됩니다.

 올해 노벨 생리의학상의 세번째 수상자인 루이스 이그내로 교수님 역시 이 탐색의 과정에서 많은 과학적 업적을 남겼습니다. 머래드 교수님의 발견에서 영감을 얻은 이그내로 교수님은 일산화질소가 혈관 내벽을 이완시킨다는 것을 알게 되었습니다. 박사님은 1980년대 전반기를 지나는 동안 이 인자들에 대해 많은 것을 알게 되었습니다. 이런 업적은 로버트 퍼치고트 교수님과 거의 동시에, 그러나 독립적으로 이루어졌습니다. 그 인자의 실체는 점점 명확해져 갔습니다. 퍼치고트 교수님은 1986년 여름 미국 미네소타주 로체스터의 메이오 클리닉에서 열린 학술 회의중에 내피세포 인자에 대한 결론에 도달하게 됩니다. 그 회의에서 퍼치고트 교수님은, 몇몇 발견을 근거로 그 인자가 일산화질소와 동일하다고 결론지었습니다. 그리고 이그내로 교수님도 같은 회의에서 이에 대한 지지 발표를 하였습니다. 여기서 한걸음 더 나아가 이그내로 교수님은 아주 흥미로운 실험을 하였습니다. 그는 물질들이 각자 독특한 분광을 보인다는 것을 이용하여 분광분석법을 시도하였습니다. 그리고 환원형태의 헤모글로빈이 내피세포 인자와 반응할 때의 분광이 일산화질소와 반응할 때의 분광과 동일하다는 것을 확인하여 그 인자가 일산화질소임을 명확히 밝혀냈습니다.

 이제 탐구는 끝났습니다. 그리고 마침내 내피세포 인자에 대한 수수께끼가 풀렸습니다. 내부에서 잠시 생성되었다가 사라지는 기체가 우리 몸의 세포 사이에서 신호전달물질로서 작용하고 있었던 것입니다. 이 새로운 발견은 우리에게 니트로글리세린의 작용 기전을 설명해주었습니다.고혈압과 급성통증에 보편적으로 사용되던 이 약물의 기전을 이제야 알게 된 것입니다. 고혈압을 앓던 알프레드 노벨 박사님은 "니트로글리세린을 처방받았네. 의사들은 화학자나 일반인들이 두려워하지 않도록 하기 위해 니트로글리세린을 트리니트린이라고 부르고 있다네" 라고 기록하였습니다. 그리고 노벨 박사님은 니트로글리세린이 두통을 야기한다는 사실을 알고 있었기 때문에 의사의 지시를 따르지 않았습니다. 내피세포 인자인 일산화질소를 발견함으로써 새로운 치료법이 임상에 적용되기 시작했습니다. 심한 염증 질환의 진단법도 개선되었으며, 신약 개발의 새로운 가능성도 열렸습니다. 일산화질소와 관련된 연구는 1986년 이후 지금까지 계속되며 양적으로도 그 규모가 매우 방대합니다. 

 로버트 퍼치고트 교수님, 루이스 이그내로 교수님, 그리고 페리드 머래드 교수님.
 세분이 심혈관계에서 일산화질소가 신호전달물질로 작용하고 있다는 것을 발견함으로써 오랫동안 사용된 질소 함유 혈관확장제의  실제 기전이 설명되었습니다. 뿐만 아니라 이 발견은 다양한 질병의 환자들을 치료하고 진단하는 데 새로운 장을 열었다는 큰 의미도 있습니다. 세분의 발견이 의학연구의 새로운 시대를 연것입니다.

 카롤린스카 연구소의 노벨의원회를 대표하여 따뜻한 축하의 말씀을 전해드립니다. 이제 앞으로 나오셔서 국왕 전하로부터 올해의 노벨 생리의학상을 받으시기 바랍니다. 

카롤린스카 연구소 노벨 생리 의학 위원회 스탠 린달
<당신에게 노벨상을 수여합니다|노벨 생리의학상|, 노벨 재단 엮음, 유영숙·권오승·한선규 옮김>