질소(窒素←일본어: 窒素 짓소[*], 영어: nitrogen 나이트러전[*])는 비금속 화학 원소로, 기호는 N(←라틴어: nitrogenium 니트로게니움[*])이고 원자 번호는 7이다. 일반적으로 색깔, 냄새, 맛이 없는 기체 상태로 존재한다. 질소는 지구 대기의 78 퍼센트를 차지하며, 모든 생명 조직의 구성물이다. 또한 질소는 아미노산, 암모니아, 질산 그리고 시안화물과 같은 중요 화합물을 구성하는 물질이기도 하다.
물리적 성질[편집]
질소 원자의 성질[편집]
바닥상태에서의 질소 원자의 전자 배치는 1s22s22p3이다. 전기 음성도는 폴링 척도로 3.0이며, 이는 질소가 속해 있는 15족 원소 중에서는 가장 높은 값이다. 질소의 순차적 이온화 에너지는 다음과 같다.
-
| 차수 |
1차 |
2차 |
3차 |
4차 |
5차 |
6차 |
| 이온화 에너지 |
14.54eV |
29.605eV |
47.426eV |
77.450eV |
97.863eV |
551.925eV |
질소 원자의 이온화 에너지는 비교적 높은 편이며, 이는 질소 원자가 상온에서 화학 반응 중에서도 단원자 양이온을 잘 만들지 않는 원인이 된다. 그러나 N3-과 같은 단원자 음이온은 만들 수 있다.[3]
원자핵의 성질[편집]
자연적으로 발견되는 동위 원소는 14N, 15N가 있고, 그중 14N이 대부분을 차지하고 있다. 12N, 13N, 16N, 17N는 방사성 동위 원소이다. 이들은 매우 불안정하여 빠르게 붕괴한다.[1] 12N와 13N는 양전자를 내놓으며 붕괴(β+ 붕괴)한다. 12N의 반감기는 0.0125초이며, 13N는 9.93분이다. 16N과 17N는 전자를 내놓으며 붕괴(β- 붕괴)한다. 16N의 반감기는 7.35초이며, 17N은 4.14초이다. 12N, 13N, 16N, 17N는 반감기가 너무 짧아 분석에 활용하기 힘들다.[3]
질소 분자의 성질[편집]
질소는 주로 상온에서 이원자 분자를 이루고 있는 냄새, 색깔, 맛이 없는 기체의 형태로 존재한다. 녹는점은 -210°C, 끓는점은 -195.79°C이다. 임계 온도는 -147.1°C이며 임계 압력은 33.5atm이다. 0°C, 1atm에서 밀도는 1.25057g/L이다. 고체 상태의 질소는 육방정계 형태의 결정이다. 질소는 무극성 분자로서,[4] 물에는 약간 녹고, 용해도는 온도가 증가할수록 감소한다. 알코올에도 약간 녹지만 다른 용매에는 녹지 않는 경우가 대부분이다.[1]
방전으로 활성화할 수 있으며, 이 경우 활성 질소라 불린다. 활성 질소는 부분적인 전하를 띠고 있으며 불안정하고, 화학적으로 반응성이 높다. 시간이 지나면 금빛의 잔광을 내며 보통의 상태로 돌아간다.[3] 원자핵의 반지름은 약 10-4Å이다. 이원자 분자 상태로 존재할 때 질소 원자 간 거리는 1.0976Å이다. 바닥상태의 이원자 분자에서 질소 원자 간의 결합은 하나의 시그마 결합과 두 개의 파이 결합으로 구성되어 있는 삼중 결합이다.[2] 결합 에너지는 942kJ/mol이다.[5]
화학적 성질[편집]
질소가 가질 수 있는 산화수는 -3에서 +5까지로 넓은 편이다. 각각의 산화수는 모두 안정한 화합물을 만들 수 있다. 이원자 분자 상태로 존재하는 질소는 삼중 결합을 포함하고 있어 3000°C 이상으로 가열해도 약간의 해리가 일어날 뿐이다. 상온에서 반응성이 크지 않지만 고온에서는 대부분의 비금속, 금속과 반응할 수 있다.[2]
다른 원소와의 반응[편집]
질소의 다른 원소와의 반응은 다음과 같은 것이 있다.[2]
활성 질소의 반응[편집]
방전으로 인해 생성되는 활성 질소는 화학적으로 반응성이 일반 질소에 비해 더 높으며, 반응식에서는 N2*로 표기된다. 활성 질소는 다음과 같은 반응에 연계되어 있다.[3]
- 6 Na + N2* → 2 Na3N
- 2 NO + N2* → 2 N2 + O2
- HC≡CH + N2* → 2 HCN
|
