암모니아 생소한 화합물

 

암모니아(영어: ammonia)는 질소와 수소로 이루어진 화합물이다. 분자식은 NH3이다. 상온에서는 특유의 자극적인 냄새가 나는 기체 상태로 존재한다. 대기 중에도 소량 포함되어 있으며, 천연수에 미량 함유되어 있기도 하다. 토양 중에도 세균의 질소 유기물의 분해 과정에서 생겨난 암모니아가 존재할 수 있다.[2] 대표적인 반자성체 중 하나이다.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.[3] 비록 현대의 염화 암모늄과 같은 물질을 뜻하는지는 알 수 없지만 '함모니아쿠스 살(Hammoniacus sal)'이라는 용어가 플리니우스의 책에도 등장한다.[4]

8세기 무렵 중세 이슬람 연금술사들은 암모니아를 중요하게 다루어 기록하였다. 암모니아에 대한 실험 기록을 처음으로 남긴 사람은 자비르 이븐 하이얀이었다.[5] 13세기에 들어 알베르투스 마그누스와 같은 유럽의 연금술사들이 이슬람의 기록을 받아들여 염화 암모늄을 다루기 시작하였다.[4] 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.[4][6]

기체 상태의 암모니아는 1774년 조지프 프리스틀리가 처음으로 분리하였고, 그는 그것을 ‘알칼리성 공기’라고 불렀다.[7] 1777년 칼 빌헬름 셸레는 암모니아에 질소가 포함되어 있음을 밝혔고, 클로드 루이 베르톨레는 1785년경에 암모니아의 조성을 확정하였다.[8] 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.[9]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.[2] 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.[10] 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.[2] 또한 암모니아는 수소 결합을 한다.원자가 결합 이론으로 이 구조를 설명할 때 질소 원자는 sp3 혼성 오비탈을 이루고 있다고 설명한다.[11] 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.[12]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.[12]
암모니아는 표준 상태에서 특유의 자극적 냄새가 나는 무색의 기체로 존재한다. 밀도는 0.771g/l(리터당 그램)이며, 이는 공기의 0.5971배에 해당한다. 상온에서도 압축시키면 비교적 간단하게 액화시킬 수 있다. 쌍극자 모멘트는 1.48D이다. 녹는점은 -77.7℃, 끓는점은 -33.4℃, 임계 온도는 132.5℃이고, 임계 압력은 112.5atm이다. 생성열은 46.23kJ/mol(몰당 킬로줄), 융해열은 5.653kJ/mol, 기화열은 23.35kJ/mol이다.

암모니아는 물에 잘 녹는 물질이다. 용액의 어는점에서 암모니아는 질량 퍼센트로 약 45퍼센트까지 녹을 수 있으며 표준 상태에서 암모니아는 질량 퍼센트로 약 30퍼센트까지 녹을 수 있다. 용해도는 0℃의 물에 89.9g/100ml(100밀리리터당 그램), 20℃의 물에 52.0g/100ml, 96℃의 물에 7.4g/100ml이며 20℃의 에탄올에서의 용해도는 14.8g/100ml이다. 에테르에도 녹는다. 암모니아의 물리적 성질은 부분적으로 수소 결합에 영향을 받는다.[2][12]

암모니아의 온도별 증기압은 다음과 같다.[13]
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.[9]

 

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.[9]
암모니아의 검출 방법에는 여러 가지가 있다. 가장 일반적인 방법 가운데 하나는 특유의 냄새를 확인하는 것이다. 암모니아는 공기 중에 5 ppm 이상 있을 경우 쉽게 냄새로 확인할 수 있다.[20] 이 외에 염산과 반응하여 염화암모늄을 형성하는 것을 이용하거나, 구리와 반응하여 암모늄화구리([Cu(NH3)4]2+)를 형성하는 것을 이용할 수도 있다.[21]

대기 중 물질의 농도를 확인하는 대한민국의 대기공정시험법에서는 페놀-니트로프루시드 나트륨 용액과 차아염소산 나트륨용액을 가하고 암모늄이온과 반응하여 생성하는 인도 페놀류의 흡광도를 측정하여 암모니아를 정량하는 인도페놀법이나, 분석용 시료용액을 황산으로 적정하여 암모니아를 정량하는 중화적정법이 사용된다.[22][23]

실험실에서는 다음과 같은 보다 간단한 방법을 사용하기도 한다.[24]

공기 중에 미량으로 존재하는 암모니아를 검출하고자 할 때는 검지관에 네슬러 시약을 넣고 색이 변하는 정도를 비교하거나, 암모니아를 황산 용액에 흡수시킨 후 네슬러 시약을 넣어 색이 변하는 정도를 비교한다.
보통량(普通量)으로 존재하는 경우 과잉의 황산 용액에 흡수시킨 후 이를 수산화 나트륨 용액으로 적정한다. 이때, 지시약은 메틸 오렌지 또는 브로모페놀 블루를 사용한다.
이밖에 흡수액의 전기 전도도를 측정하거나, 적외선의 흡수 정도를 분석하는 방법, 연소열을 측정하는 방법 등이 이용된다.
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.[25]

1828년 프리드리히 뵐러는 시안산암모늄을 사용하여 요소를 처음 합성하였다. 이것은 인류가 최초로 무기화합물만을 이용하여 유기화합물을 합성하는데 성공한 일이었다.[26] 합성 유기화합물의 생성은 학문적으로 생기론에 결정적인 타격을 주었다.[27] 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.[28]

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.[29]
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.[30], 그러나 암모니아의 유독성때문에 가정용 냉장고 등에서는 암모니아를 대신해서 프레온이 주로 사용되었다. 하지만 프레온은 오존층 상공에서 오존을 분해한다는 사실이 밝혀져 전 세계적으로 사용을 금지하고 있다.[2] 이 때문에 최근에는 다시 암모니아를 냉각제로 사용하는 냉동기에 대한 개발이 진행되고 있다.[30]