암모니아

역사

고대부터 염화 암모늄을 얻는 방법은 알려져 있었는데, 염화 암모늄이 이집트의 태양신 암몬의 사원 근처에서 산출된다고 하여 이를 “암몬의 염”이라고 불렀다. ‘암모니아’라는 이름은 여기에서 유래한다. 비록 현대의 염화 암모늄과 같은 물질을 뜻하는지는 알 수 없지만 '함모니아쿠스 살(Hammoniacus sal)'이라는 용어가 플리니우스의 책에도 등장한다.
8세기 무렵 중세 이슬람 연금술사들은 암모니아를 중요하게 다루어 기록하였다. 암모니아에 대한 실험 기록을 처음으로 남긴 사람은 자비르 이븐 하이얀이었다. 13세기에 들어 알베르투스 마그누스와 같은 유럽의 연금술사들이 이슬람의 기록을 받아들여 염화 암모늄을 다루기 시작하였다. 15세기에는 바실리우스 발렌티누스가 암모니아를, 염화 암모늄에 알칼리를 반응시킴으로써 얻어낼 수 있음을 밝혀냈다. 중세 시대에 염화 암모늄은 황소의 발굽과 뿔을 증류시킨 뒤 함께 발생하는 탄산염을 염산으로 중화시켜 얻었는데, 이 시기의 “뿔의 정령”이란 이름은 암모니아를 뜻했다.
기체 상태의 암모니아는 1774년 조지프 프리스틀리가 처음으로 분리하였고, 그는 그것을 ‘알칼리성 공기’라고 불렀다. 1777년 칼 빌헬름 셸레는 암모니아에 질소가 포함되어 있음을 밝혔고, 클로드 루이 베르톨레는 1785년경에 암모니아의 조성을 확정하였다. 1880년대부터 상업적인 암모니아 생산이 시작되었는데, 이때는 암모니아를 석탄 건류 과정의 부산물로써 얻어냈다. 1913년 프리츠 하버와 카를 보슈가 개발한 하버-보슈법은 암모니아의 생산량을 크게 증가시켰다. 현재 암모니아는 공업적으로 가장 많이 생산되는 화합물 중 하나이다.

구조

암모니아의 분자 구조는 한 변이 1.63Å(0.163nm)인 정삼각형을 이루고 있는 3개의 수소 원자가 있고, 정삼각형의 중심으로부터 질소 원자가 0.38Å(0.038 nm)만큼 떠 있는 모양이다. 이러한 분자 구조를 삼각뿔형이라고 하며, 원자가껍질 전자쌍 반발(VSEPR) 이론을 통해 예측이 가능하다. 암모니아를 이루고 있는 질소 원자에는 비공유 전자쌍이 한 쌍 존재하는데, 이것으로 인해 암모니아는 양성자 받개, 즉 염기로 작용할 수 있다. 분자 구조로 말미암아 암모니아의 쌍극자 모멘트는 0이 아니게 되며, 따라서 암모니아는 극성 물질이 된다. N-H 결합의 길이는 1.014Å(0.1014 nm)이며 H-N-H의 결합각은 107°이다. 또한 암모니아는 수소 결합을 한다.
원자가 결합 이론으로 이 구조를 설명할 때 질소 원자는 sp³ 혼성 오비탈을 이루고 있다고 설명한다. 기본적으로 sp³ 혼성 오비탈을 이룰 경우 분자의 모양은 정사면체형이 되나, 암모니아의 경우 질소 원자의 하나의 s 오비탈과 3개의 p 오비탈이 혼성을 이루어 생성되는 4개의 sp³ 혼성 오비탈 중 하나는 비공유 전자쌍이 차지하고 있어서 이 비공유 전자쌍의 반발 효과로 인하여 H-N-H의 결합각이 완전한 정사면체 구조일 때의 109.5°보다 약간 줄어들게 된다.
삼각뿔의 꼭짓점이 있는 질소 원자는 터널 효과에 따라 수소 원자로 이루어진 삼각형의 밑면을 쉽게 빠져나갈 수 있다. 따라서 질소 원자의 안정적인 위치는 삼각뿔의 밑면을 기준으로 위아래 양쪽에 존재하며, 질소 원자가 두 위치를 이동할 때의 에너지 장벽이 크지 않기 때문에 질소 원자는 상하로 움직이는 공명을 하게 된다. 이 성질은 매우 정밀한 시계인 원자 시계에 이용된다.

화학적 성질

암모니아가 관여된 대부분의 반응은 크게 암모니아 첨가 반응, 암모니아 치환 반응, 산화·환원 반응으로 나눌 수 있다.

하버-보슈법

18세기 후반에 암모니아가 질소와 수소로 이루어져 있다는 사실이 알려지면서 이러한 합성을 시도하는 경우가 많았는데, 모두 실패하였다. 20세기 초에 들어 발터 네른스트, 프리츠 하버 등이 이 반응의 열역학적 평형을 연구하여 반응이 가능하다는 것을 밝혔다.
1907년 하버는 암모니아 합성의 기초를 확립하였다. 하버는 질소와 수소를 촉매(산화 철과 약간의 세륨 및 크로뮴) 존재 하에 530℃, 290atm에 반응시키면 암모니아를 얻을 수 있음을 발견하였으나, 당시의 기술 수준으로는 합성에 필요한 조건인 고온과 고압을 조성하기가 힘들었다. 제1차 세계 대전 중에 폭발물을 만들기 위한 암모니아의 수요가 증가하면서, 1913년 칼 보슈는 하버의 방법을 공업적으로 적용하여 연 9천 톤의 최초의 공업적 암모니아 합성에 성공하였다. 이렇게 해서 개발된 하버-보슈법은 제1차 세계 대전 이후 많은 개선을 거쳐 오늘날의 상태에 이르고 있다.

그밖의 방법

클로드법(Claude Process)은 원래 약 1000atm의 고압 조건에서 합성 반응을 진행시키는 방법인데, 최근에는 340~650atm의 조건에서 반응을 진행시키는 방법도 개발되어 있다. 나머지 공정은 하버-보슈법과 거의 같다. 카잘레법(Casale Process)은 클로드법과 마찬가지로 450~600atm의 고압 조건에서 암모니아를 합성하는 방법이다. 그밖에 저압에서 암모니아를 합성하는 방법 역시 개발되어 있다.

전기화학적 합성법

효소에 의한 질소고정 반응 (전자와 ATP/ADP가 반응식에 참여)과 같이 전기화학촉매 반응을 이용한 비생물학적 공정이 최근에 친환경적 암모니아 생성 방법으로 연구되고 있다. 이 프로세스는 공기중의 질소와 물을 전기분해 하여 저온, 저압에서 비교적 간단하게 암모니아을 생성하는 방법이다.
산성 분위기에서의 반응식은 다음과 같다.
산화극: 3H₂O → 3/2O₂ + 6H⁺ + 6e⁻
환원극: N₂ + 6H⁺ + 6e⁻ → 2NH₃
전체반응: N₂ + 6H₂O + 6e⁻ → 2NH₃ + 3/2O₂

비료

암모니아는 합성 비료의 재료로 사용된다. 질소는 식물이 자라는 데 필수적인 원소 중 하나로, 자연적으로는 토양 속의 일부 세균이 공기 중의 질소를 질소 화합물로 고정하는 질소 고정이 일어나고, 이를 통하여 식물은 질소를 흡수할 수 있게 된다. 비료에 포함된 암모니아는 토양에 질소 공급원으로 작용하여 작물에게 풍부한 질소를 공급해 줄 수 있게 하며, 그 결과 작물 생산량이 증가하게 된다.
1828년 프리드리히 뵐러는 시안산암모늄을 사용하여 요소를 처음 합성하였다. 이것은 인류가 최초로 무기화합물만을 이용하여 유기화합물을 합성하는데 성공한 일이었다. 합성 유기화합물의 생성은 학문적으로 생기론에 결정적인 타격을 주었다. 이후, 제1차 세계대전 중 독일의 프리츠 하버가 공기 중의 질소를 고정해서 암모니아를 합성하는 방법을 찾아낸 후 요소를 대량으로 합성할 수 있게 되자, 농업 생산량 증대를 위한 합성 요소 비료를 만드는 산업이 발달하게 되었다.
1995년 생산된 요소 비료의 40%가 합성 암모니아를 원료로 제작되었다. 또한, 2004년 생산된 합성 암모니아 가운데 80%가 곡물 재배를 위한 비료의 재료로 사용되었으며, 암모니아의 생산에는 인류 전체가 소비하는 총 에너지의 1% 정도가 소요되고 있다.

냉각제

암모니아의 끓는점은 다른 기체에 비해서 비교적 높은 편이고 압축할 경우 쉽게 액화되는데다가 기화열이 비교적 크기 때문에 냉장고와 공기 조절 장치 등의 냉각제로 쓰여왔다. 미국에서는 약 120년 전부터 일본에서는 약 80년 전부터 냉각제로 사용되었고, 현재에도 널리 사용되어 1999년 미국에서 판매된 상용 냉동기의 80%가 암모니아를 냉각제로 사용하였다, 그러나 암모니아의 유독성때문에 가정용 냉장고 등에서는 암모니아를 대신해서 프레온이 주로 사용되었다. 하지만 프레온은 오존층 상공에서 오존을 분해한다는 사실이 밝혀져 전 세계적으로 사용을 금지하고 있다. 이 때문에 최근에는 다시 암모니아를 냉각제로 사용하는 냉동기에 대한 개발이 진행되고 있다.

폭발물

질산암모늄은 섭씨 200도 정도의 상태에서도 비교적 안전하나 석유 등의 연료와 함께 있을 때에는 강력한 산화제로 작용하여 폭발을 일으킨다. 1947년 미국의 텍사스시티 항에 정박 중이던 질산암모늄 적재 선박에서 화재가 발생하면서 폭발이 일어나 인근 1천여 채의 건물이 파손되고, 580여명의 사람들이 희생되는 사건이 일어나기도 하였다. 질산암모늄의 이런 성질을 이용하여 제조된 폭탄을 “비료 폭탄”이라고 하는데, 2011년 노르웨이 테러에서 범인이 사용하기도 하였다.
제 1차 세계 대전 중에 독일은 칠레로부터의 초석 수입이 중단되자 마침 비료 생산을 위해 세워져 있던 암모니아 공장을 통해 폭약을 제조하기도 하였다.

질소 대사의 노폐물

암모니아는 생명체가 단백질을 통해서 에너지를 얻는 과정에서 노폐물로 생성된다. 암모니아는 독성을 가진 물질이기 때문에 빠르게 체외로 배출시켜야 한다. 그러나 암모니아는 낮은 농도로 유지되어야 생체에 해를 끼치지 않기 때문에 암모니아의 형태로 배출하기 위해서는 많은 양의 물이 필요하다. 이런 이유로, 암모니아 형태의 배출은 수생 생물에서만 볼 수 있다. 육상 생물의 경우 물이 부족한 환경에 서식하기 때문에 배출하는 데 많은 양의 물이 필요한 암모니아의 형태로는 배출이 불가능하다. 따라서 육상 생물은 암모니아를 독성이 약한 다른 질소 노폐물로 전환시켜서 일시적으로 저장한 후 배출한다.
포유류를 비롯한 양서류 성체, 상어, 몇몇 경골어류 및 거북이는 암모니아를 요소의 형태로 바꾸어 배출한다. 요소는 간에서 암모니아와 이산화탄소를 결합하여 만들어지고, 암모니아에 비해 10만 배가량 독성이 약하다. 따라서 적은 양의 물로도 배출이 가능하다. 곤충을 비롯한 뱀, 새 및 파충류 등은 요산의 형태로 배출한다. 요산의 경우 요소보다 합성하는 데 많은 에너지가 사용되지만, 더 적은 양의 물로도 배출할 수 있다는 장점이 있다.

안전성

암모니아는 체내의 신진 대사 작용 과정 가운데 하나인 시트르산 회로를 억제하여 혐기성 당분해, 혈당, 혈액 유산증이 증가한다고 밝혀져 있다. 암모니아는 주로 크렙스 회로를 저해하고, 유해 수준의 암모니아는 산화대사에 영향을 미친다. 이 때문에 암모니아에 중독되면 신경독성이나 소화독성을 보이게 된다.

허용 농도

암모니아는 유독성 기체이기 때문에, 세계 대부분의 나라에서는 작업장이나 일상 생활에서 허용될 수 있는 농도 기준을 정하여 관리하고 있다. 허용 농도는 15분 간 접촉하는 경우의 단시간 허용 농도(short term exposure limit, STEL)와 8시간 작업 시간을 기준으로 하는 시간당 평균 접촉 질량(time weight average concentration, TWA)으로 구분되는데, 암모니아의 경우 STEL은 35 ppm, TWA는 25 ppm 정도이다.
미국의 경우에는 직업 안전 건강 관리청(Occupational Safety and Health Administration, OSHA) 의 규정에 의해 허용 농도가 관리되며, 대한민국의 경우 산업안전보건법에 따라 관리된다.

작업 안전

암모니아는 공기보다 가벼워 환기할 경우 빠르게 확산되므로 암모니아 냄새를 맡으면 작업장을 환기하여 위험을 예방할 수 있다. 암모니아가 유출될 수 있는 환경에서 작업할 때에는 보호 장비를 착용하고, 환기가 잘 되지 않는 곳에서는 호흡기 보호구를 착용하여야 한다. 또한 인화의 위험이 있으므로 화기를 멀리하여야 하며, 작업후에는 손을 철저히 씻고, 오염된 의류를 씻어야 한다.