원소로 보는 화학사 Vol. 005 ‘원자번호 7번 질소를 소개합니다’

지난번 ‘원소로 보는 화학사’에서는 원자번호 6번 ‘탄소’를 소개해드렸는데요. 오늘은 원자번호 7번 ‘질소’에 관한 흥미진진한 화학이야기를 들려드릴게요.

원자번호 7번 ‘질소’를 소개합니다!

질소(nitrogen)는 지구 대기의 무려 78%를 차지합니다. 게다가 식물이 생장하는데 필요한 비료의 필수 요소이자 동물의 몸을 구성하는 아미노산의 핵심 원소이기도 한데요. 이렇게 질소는 지구와 그리고 지구에 사는 모든 생명체에 반드시 필수적인 원소이기 때문에 질소를 다량으로 함유하는 식품과 비료 등은 매우 중요한 물질일 수 밖에 없습니다.

‘질소’가 발견되기까지의 과정, 그리고 원소명의 유래

질소를 처음 발견한 사람은 영국의 화학자이자 의사, 식물학자이기도 한 러더퍼드(Daniel Rutherford)입니다. 질소를 처음 발견했을 당시 그는 질소가 독성의 공기나 부패한 공기라고 생각했는데요. 그 이유는 그가 공기의 연소 반응에 대해 연구하던 도중 놀라운 장면을 목격했기 때문입니다. 그는 연소 반응을 하고 남은 기체가 있는 공간 속에 넣은 쥐가 질식해서 죽은 것을 발견했는데요. ‘질소(Nitrogen)’라는 원소명의 유래는 그리스어의 니트론(nitron: 1,4-다이페닐-3-아닐리노다이하이드로트라이아졸을 조용히 산화시키면 얻어지는 메소 이온 화합물)과 genes(생성되다)에서 왔습니다. 그리고 한자어의 ‘질소(窒素)‘라는 이름도 ‘질식시키는 성질’이라는 뜻에서 붙여진 이름이죠. 나중에 밝혀진 사실이지만 러더퍼드가 목격한 장면은 연소로 인해 산소가 모두 소모되어 나온 것이었고, 기체에 관한 연구가 부족했던 그 당시에는 이를 생명체를 ‘질식’시키는 기체라고 잘못 판단한 것입니다.

‘질소’는 어디에 사용될까요?

비료의 3대 요소

살아있는 생물체, 일반적으로 동물과 식물은 질소를 반드시 일정량 이상 섭취해야 생명을 유지할 수 있습니다. 그럼 동물과 식물은 각각 어떻게 질소를 보충할까요? 동물의 경우에는 질소가 함유된 채소나 육류를 섭취함으로써 손쉽게 질소를 보충할 수 있습니다. 그럼 식물의 경우에는 어떤 방법으로 질소를 보충할까요? 식물의 경우 동물보다는 다소 복잡한 과정을 거치게 되는데요. 질소분자의 결합을 끊고 생물이 흡수할 수 있는 화합물로 전환하는 것을 질소고정이라고 하는데요. 자연계에서 이 역할을 하는 것은 박테리아와 같은 세균입니다. 흙 속에 존재하는 남조류에도 이러한 세균이 있죠. ‘뿌리혹박테리아’로 불리는 이 세균은 콩과(pea family) 식물의 뿌리에 붙어 포자를 만들고 식물에 암모니아를 공급하는 대신 탄화수소를 얻어 공생합니다. 그렇다면 콩과 식물이 아닌 다른 식물은 어떨까요? 콩과 식물을 제외한 다른 식물은 땅속에 녹아 있는 질소를  통해 이를 보충하는 수밖에 없는데요. 비료의 역할이 바로 여기 있는 것이죠. 질소는 인, 칼륨과 함께 비료의 3대 요소로 꼽힙니다. 그래서 땅속에 질소가 얼마나 있는지가 농사에 적합한 토질인지 아닌지를 판가름하는 기준이 되기도 합니다.

액체 질소

질소는 양이 많고 안정적이며 반응성이 낮아 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 특히 영하 196℃ 이하에서 액화되어 액체 질소가 되는데요. 이는 아이스크림을 만들 때나 저온 조리를 할 때 사용될 뿐 아니라, 식품 공업, 전자, 초전도체, 물질의 동결과 보존 등의 과학 분야에도 널리 사용됩니다.

최초의 마취제

치과에 가서 진료를 받을 때 마취를 한 적 있으신가요? 치과 진료에 최초로 사용된 마취제. 그 마취제에 활용된 질소 산화물은 바로 아산화질소인데요. 이것을 마시면 사람을 웃게 하면서 고통을 잊게 한다고 하여 ‘웃음 가스’라고도 부릅니다. 블로그지기도 어렸을 적 기억을 돌아보면 치과 진료받으러 가는 것을 너무나도 싫어했었는데요. 지금 생각해보면 그나마 치과 진료를 받을 때 마취제로 인해 고통을 덜어준 것이니 정말 고마운 존재네요.

오늘은 식량 증산을 가능케 한 공헌자 ‘질소’ 원소를 소개해드렸습니다. 다음 ‘원소로 보는 화학사’에서는 인체에 꼭 필요한 미네랄 원소인 ‘요오드(아이오딘)’에 대해서 소개해드릴게요. 많이 기대해 주세요!

<내용 출처> 누구나 쉽게 배우는 원소 (그림으로 배우는 118종 원소 이야기)/원소의 세계사 (주기율표에 숨겨진 기상천외하고 유쾌한 비밀들)/원소가 뭐길래 (일상 속 흥미진진한 화학 이야기)/Big Questions 118 원소 (사진으로 공감하는 원소의 모든 것)