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암모늄 이온

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1. 개요

암모늄 이온은 암모니아(NH3)가 브뢴스테드 산과 반응하여 생성되는 약산성 양이온이다. 암모늄 이온은 암모늄염 형태로 존재하며, 다양한 염에서 발견된다. 암모늄염은 알칼리 수산화물과 가열 시 암모니아 기체를 방출하며, 네슬러 시약 등으로 검출할 수 있다. 암모늄 이온은 질소 원자와 수소 이온 간의 배위 결합으로 형성되며, 정사면체 구조를 갖는다. 암모늄 이온의 수소 원자가 유기기로 치환된 유기 암모늄 이온은 1차, 2차, 3차, 4차로 분류되며, 4차 암모늄 이온은 용해도 증가 등에 사용된다. 생물학적으로 암모늄은 동물의 대사 과정에서 생성되는 노폐물이며, 미생물에 의해 질산화되어 질소 흐름에 기여한다. 또한, 식물의 질소원으로 사용되지만, 과도한 암모늄은 생태계에 영향을 줄 수 있다. 암모늄 이온은 무거운 알칼리 금속 이온과 유사한 성질을 가지며, 고압 환경에서 금속으로 존재할 것으로 예상된다.

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암모늄 이온 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
암모늄 이온의 2차원 골격 구조
암모늄 이온의 2차원 골격 구조
암모늄 양이온의 볼-앤-스틱 모델
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암모늄 양이온의 공간 채우기 모델
암모늄 양이온의 공간 채우기 모델
IUPAC 명칭암모늄 이온
관용명암모늄
화학식NH4+
분자량18.03851 g mol−1
짝염기암모니아
식별 정보
CAS 등록번호14798-03-9
PubChem16741146
ChemSpider ID218
SMILES[NH4+]
InChI1/H3N/h1H3/p+1
InChIKeyQGZKDVFQNNGYKY-IKLDFBCSAZ
표준 InChI1S/H3N/h1H3/p+1
표준 InChIKeyQGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O
RTECS해당 없음
MeSH 명칭D000644
ChEBI28938
UNII54S68520I4
성질
pKa9.25
구조
분자 모양정사면체
위험성
주요 위험해당 없음
인화점해당 없음
자연 발화점해당 없음
관련 화합물
관련 화합물암모늄 라디칼 •NH4
기타 양이온포스포늄 • 아르소늄 • 하이드로늄 • 설포늄 • 플루오로늄 • 클로로늄 • 브로모늄 • 아이오도늄 • 카보늄 • 삼수소 양이온

2. 산-염기 반응

염산과 암모니아를 접촉시키면 염화암모늄의 백연이 형성된다.


암모늄 이온은 약염기인 암모니아가 브뢴스테드 산(양성자 주개)과 반응할 때 생성된다.

: H+ + NH3 → [NH4]+

암모늄 이온은 약산성이며, 브뢴스테드 염기와 반응하여 중성의 암모니아 분자로 돌아간다.

: [NH4]+ + B- → HB + NH3

따라서, 암모늄염의 진한 용액을 강염기로 처리하면 암모니아가 생성된다. 암모니아가 물에 녹으면, 아주 적은 양이 암모늄 이온으로 변환된다.

: H2O + NH3 ⇌ OH- + [NH4]+

암모니아가 암모늄 이온을 형성하는 정도는 용액의 pH에 따라 달라진다. pH가 낮으면 평형이 오른쪽으로 이동하여 더 많은 암모니아 분자가 암모늄 이온으로 변환된다. pH가 높으면(수소 이온 농도가 낮고 수산화 이온 농도가 높으면) 평형이 왼쪽으로 이동하여 수산화물 이온이 암모늄 이온에서 양성자를 빼앗아 암모니아를 생성한다.

암모늄 화합물의 형성은 기체상에서도 일어날 수 있다. 예를 들어, 암모니아 증기가 염화수소 증기와 접촉하면 염화암모늄의 흰 구름이 형성되고, 결국 표면에 얇은 흰 층으로 고체로 침전된다.

3. 암모늄염

암모늄 이온은 탄산암모늄, 염화암모늄, 질산암모늄 등과 같은 염에서 발견된다. 대부분의 단순한 암모늄염은 물에 매우 잘 녹는다. 헥사클로로백금산암모늄은 예외적으로 과거에 암모늄 검출 시험에 사용되었다.[3] 질산암모늄과 과염소산염의 암모늄염은 폭발성이 강하며, 이 경우 암모늄 이온은 환원제로 작용한다.

특이한 과정으로, 암모늄 이온은 아말감을 형성한다. 이러한 물질은 염화암모늄 용액에 나트륨 아말감을 첨가하여 제조하며,[3] 이 아말감은 결국 분해되어 암모니아수소를 방출한다.[4]

3. 1. 암모늄염의 검출

암모늄염은 알칼리 수산화물과 반응하여 특징적인 냄새를 가진 암모니아 기체를 방출한다.[3]

암모니아는 염산(HCl)과 반응하여 염화암모늄의 흰 연기를 생성하며, 황산구리(II) 용액과 반응하면 진한 파란색의 슈바이처 시약을 생성한다.

네슬러 시약을 사용하면 염기성 환경에서 밀리언 염기의 아이오딘화물로 알려진 갈색 침전물이 생성되어 암모늄 이온을 검출할 수 있다.

다음은 침전 반응을 이용한 암모늄 이온 검출 방법이다.

  • 염화백금산을 사용하면 헥사클로로백금산암모늄(IV)의 노란색 침전물이 생성된다.
  • 아질산코발트나트륨을 사용하면 아질산코발트암모늄의 노란색 침전물이 생성된다.
  • 주석산수소칼륨을 사용하면 주석산수소암모늄의 흰색 침전물이 생성된다.

4. 구조와 결합

암모니아질소 원자에 있는 비공유 전자쌍(고립 전자쌍)은 양성자와 배위 결합을 형성한다.[1] 그 후, 네 개의 N-H 결합은 모두 동등하며, 극성 공유 결합이다.[1] 이 이온은 정사면체 구조를 가지며,[1] 메테인과 붕소수소화물 음이온과 등전자성을 가진다.[1] 크기 측면에서 암모늄 양이온(''r''이온 = 175pm)은 세슘 양이온(''r''이온 = 183pm)과 유사하다.

5. 유기 암모늄 이온

암모늄 이온의 수소 원자는 알킬기 또는 다른 유기기로 치환되어 치환된 암모늄 이온(IUPAC 명명법: 아미늄 이온)을 형성할 수 있다. 유기기의 수에 따라 암모늄 양이온은 1차, 2차, 3차 또는 4차로 불린다. 4차 암모늄 양이온을 제외하고, 유기 암모늄 양이온은 약산이다.

암모늄 이온을 형성하는 반응의 예로는 디메틸아민((dimethylamine영어)과 산이 반응하여 디메틸암모늄(dimethylammonium) 양이온을 생성하는 반응이 있다.



4차 암모늄 양이온은 질소 원자에 4개의 유기기가 결합되어 있으며, 질소 원자에 결합된 수소 원자가 없다. 테트라-''n''-부틸암모늄 양이온과 같은 이러한 양이온은 때때로 나트륨 또는 칼륨 이온을 대체하여 관련 음이온의 유기 용매에서의 용해도를 높이는 데 사용된다. 1차, 2차 및 3차 암모늄 염도 같은 기능을 하지만 친유성이 낮다. 또한 상전이 촉매 및 계면활성제로도 사용된다.

6. 생물학

암모늄은 암모니아화 작용과 분해자에 의해 생성되며, 질산화를 통해 생태계의 질소 순환에 기여한다.


암모늄 이온(NH₄⁺)은 동물의 대사 과정에서 생성되는 노폐물이다. 어류나 수생 무척추동물은 물속으로 직접 배설한다. 포유류, 상어, 양서류요소 회로를 통해 독성이 덜한 요소로 전환하여 배설한다. 조류, 파충류, 육상 달팽이요산으로 전환하여 고체 형태로 배설함으로써 물 손실을 최소화한다.[25]

암모늄은 질소를 필요로 하는 생화학 반응을 매개하는 효소에 사용되기 때문에, 일부 미생물과 식물에게 중요한 질소 공급원이다.[5] 특히 저산소 토양에서 자라는 식물에게 중요하다. 그러나 곡물에게는 독성을 나타내기 때문에 단일 질소원으로 사용되는 경우는 드물다.[26]

암모늄은 산화를 통해 질산화 과정을 거쳐 질산염아질산염으로 전환될 수 있다.[6] 이 과정은 ''니트로소모나스'', ''니트로박터'', ''니트로솔로부스'', ''니트로스피라'' 등에서 흔히 볼 수 있는 독립 영양의 한 형태이다.

질산염아질산염질소 동화 작용을 통해 다시 암모늄 이온으로 환원될 수 있으며,[10] 환원된 암모늄 이온은 단백질DNA 합성에 이용된다.[11]

질산화가 느리거나 억제되는 저산소 토양에서는 암모늄 이온이 축적될 수 있다.[12] 균근은 식물과 균류 간의 공생 관계에서 암모늄 이온 이동의 주요 요인 중 하나이다.[13]

6. 1. 인간에 대한 영향

최근 몇 년 동안 가축 배설물의 휘발과 비료 사용량 증가로 인해 대기 중 암모늄 침착량이 증가했다.[16] 순 일차 생산이 종종 질소에 의해 제한되기 때문에 암모늄 수준의 증가는 이에 의존하는 생물 군집에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 질소 함량의 증가는 식물 성장을 증가시키는 것으로 나타났지만, 토양 인 수준을 악화시켜 미생물 군집에 영향을 미칠 수 있다.[17]

7. 금속

암모늄 양이온은 무거운 알칼리 금속 양이온과 매우 유사한 성질을 가지며, 종종 가까운 등가물로 간주된다.[18][19][20] 암모늄은 매우 높은 압력 하에서, 예를 들어 거대 행성천왕성해왕성의 내부와 같이, 금속(전자 바다 속의 이온)으로 작용할 것으로 예상된다.[19][20]

일반적인 조건에서는 암모늄은 순수한 금속으로 존재하지 않지만, 아말감( 수은과의 합금)으로는 존재한다.[21]

참조

[1] RedBook
[2] 논문 Chapter 12 - The Global Cycles of Nitrogen, Phosphorus and Potassium https://www.scienced[...] Academic Press 2024-03-08
[3] 웹사이트 Pseudo-binary compounds http://www.hull.ac.u[...] 2007-10-12
[4] 백과사전 Ammonium Salts http://www.vias.org/[...]
[5] 논문 Chapter 12 - The Global Cycles of Nitrogen, Phosphorus and Potassium https://www.scienced[...] Academic Press 2024-03-08
[6] 논문 Microbiological regulation of the biogeochemical nitrogen cycle / Regulación microbiana del ciclo bíogeoquímico del nitrógeno https://www.jstor.or[...] 1982
[7] 논문 The Nitrogen Balance of Arctic Tundra: Pathways, Rates, and Environmental Implications https://acsess.onlin[...] 1975-01
[8] 논문 Seasonal patterns of ammonium and nitrate uptake in nine temperate forest ecosystems https://doi.org/10.1[...] 1984-10-01
[9] 서적 Biology http://archive.org/d[...] San Francisco : Benjamin Cummings 2002
[10] 논문 Assimilatory and Dissimilatory Nitrate Reduction: Perspectives and Methodology for Simultaneous Measurement of Several Nitrogen Cycle Processes https://www.jstor.or[...] 1981
[11] 논문 Arginine and nitrogen storage https://www.scienced[...] 2008-12-01
[12] 논문 Constrained preferences in nitrogen uptake across plant species and environments https://onlinelibrar[...] 2011-03
[13] 논문 Arbuscular mycorrhiza and nitrogen: implications for individual plants through to ecosystems https://doi.org/10.1[...] 2015-01-01
[14] 논문 Ammonia and ammonium fluxes between photolithotrophs and the environment in relation to the global nitrogen cycle https://nph.onlineli[...] 1992-05
[15] 논문 Root growth as a function of ammonium and nitrate in the root zone https://onlinelibrar[...] 1993-03
[16] 논문 Global Estimates of Inorganic Nitrogen Deposition Across Four Decades https://agupubs.onli[...] 2019-01
[17] 논문 Effects of Nitrogen Addition on Plant Properties and Microbiomes Under High Phosphorus Addition Level in the Alpine Steppe 2022-06-20
[18] 서적 Inorganic Chemistry Academic Press/De Gruyter
[19] 논문 Does metallic ammonium exist? 1975-11-20
[20] 논문 Metallic Ammonium 1954-02-03
[21] 논문 Lecture demonstration of ammonium amalgam 1929-10-01
[22] 문서 代置命名法においては、NH4+はアザニウム(azanium)と呼ばれる。
[23] 웹사이트 Pseudo-binary compounds http://www.hull.ac.u[...]
[24] 백과사전 Ammonium Salts http://www.vias.org/[...]
[25] 서적 Biology Pearson Education, Inc
[26] 논문 NH4+ toxicity in higher plants: a critical review http://www.utsc.utor[...]
[27] 서적 Inorganic Chemistry Academic Press
[28] 논문 Does metallic ammonium exist? https://www.nature.c[...] Nature Publishing Group 2012-01-13
[29] 논문 Metallic Ammonium https://articles.ads[...] Wiley-Blackwell for the Royal Astronomical Society 2012-01-13
[30] RedBook



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