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요소 (화학)

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목차

1. 개요

요소는 1727년 헤르만 부르하버에 의해 소변에서 처음 발견되었으며, 프리드리히 뵐러가 시안산암모늄을 가열하여 인공적으로 합성하는 데 성공하면서 유기화학 발전에 중요한 역할을 했다. 요소는 무색무취의 결정으로 포유류와 양서류의 소변에 많이 포함되어 있으며, 질소 비료, 요소 수지, 디젤 차량의 배기 가스 저감, 의료용 크림 등 다양한 용도로 사용된다. 하지만 피부, 눈, 호흡기에 자극을 줄 수 있으며, 과다 사용 시 환경 오염을 유발할 수 있다.

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요소 (화학) - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
요소 구조식
요소 구조식
요소 3D 볼 모델
요소 3D 볼 모델
요소 3D 공간 채움 모델
요소 3D 공간 채움 모델
요소 샘플
요소 샘플
선호 IUPAC 이름요소
시스템 이름탄산 다이아미드
발음요소 , 카바마이드
다른 이름카바마이드
카보닐다이아미드
카보닐다이아민
다이아미노메탄알
다이아미노메타논
IUPHAR 리간드4539
ChEBI16199
DrugBankDB03904
SMILESC(=O)(N)N
UNII8W8T17847W
KEGGD00023
InChI1/CH4N2O/c2-1(3)4/h(H4,2,3,4)
InChIKeyXSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYAF
ChEMBL985
표준 InChI1S/CH4N2O/c2-1(3)4/h(H4,2,3,4)
표준 InChIKeyXSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N
CAS 등록 번호57-13-6
PubChem1176
ChemSpider ID1143
RTECSYR6250000
Beilstein635724
Gmelin1378
속성
화학식CO(NH2)2
몰 질량60.06 g/mol
외관흰색 고체
밀도1.32 g/cm³
용해도545 g/L (25 °C에서)
다른 용매 용해도500 g/L 글리세롤
50 g/L 에탄올
~4 g/L 아세토나이트릴
녹는점133 ~ 135 °C
끓는점분해됨
pKb13.9
짝산우로늄
자기 감수율−33.4·10−6 cm³/mol
구조
쌍극자 모멘트4.56 D
열화학
표준 생성 엔탈피−333.19 kJ/mol
표준 자유 에너지−197.15 kJ/mol
약리학
ATC 코드 접두사B05
ATC 코드 접미사BC02
위험성
외부 물질안전보건자료ICSC 0595
인화점불연성
LD508500 mg/kg (경구, 쥐)
NFPA 보건1
NFPA 인화성1
NFPA 반응성0
관련 화합물
관련 기능싸이오요소
하이드록시카바마이드
기타 화합물과산화 요소
인산 요소
아세톤
탄산
Carbonyl fluoride

2. 역사

요소는 유기화학 역사상 매우 중요한 화합물로, 인간이 최초로 무기 화합물만으로 합성했다. 프리드리히 뵐러는 1828년에 사이안산암모늄의 수용액을 가열하여 요소가 생성되는 것을 확인했으며, 이 합성법은 뵐러 합성이라고 불린다.

당시 화학계에서는 유기 화합물은 생물체만이 만들 수 있다는 생기론이 정설이었지만, 뵐러의 실험은 이러한 통념을 뒤엎는 중요한 계기가 되었다.

2. 1. 발견

1727년 네덜란드의 과학자 헤르만 부르하버가 소변에서 요소를 처음 발견하였다.[143] 이 발견은 프랑스의 화학자 힐레르 루엘과 스코틀랜드의 화학자 윌리엄 크룩생크의 공로로도 여겨지기도 한다.[144] 부르하버는 다음 단계를 통해 요소를 분리했다:[145][146]

# 물을 끓여서 생크림과 비슷한 물질을 만든다.

# 남은 액체를 짜내기 위해 여과지를 사용한다.

# 기름진 액체 아래에서 고체가 형성될 때까지 1년을 기다린다.

# 기름기 있는 액체를 제거한다.

# 고체를 물에 녹인다.

# 재결정화를 통해 요소를 분리한다.

프리드리히 뵐러는 요소의 합성법을 발견했다.


1828년 독일의 화학자 프리드리히 뵐러는 사이안산 은을 염화 암모늄으로 처리하여 인공적으로 요소를 합성했다.[147][148][149]

380px


이는 생물체의 개입 없이 무기 원료로부터 유기 화합물이 인공적으로 합성된 최초의 사례이다. 이 실험 결과는 생물의 화합물이 무생물의 화합물과 근본적으로 다르다는 이론인 생기론의 신뢰성을 암묵적으로 깨뜨렸다. 이러한 통찰력은 유기화학이 발전하는데 중요한 역할을 했다. 뵐러는 이 발견으로 유기화학의 선구자 중 한 명으로 자리매김했다.

2. 2. 역사적 제조



18세기 초, 헤르만 부르하버는 소변 증발물에서 요소를 발견했다. 1773년, 힐레르 루엘은 소변을 증발시키고 알코올로 여과하여 요소를 함유한 결정을 얻었다.[152] 칼 빌헬름 셸레는 소변을 농축된 질산으로 처리하면 결정이 침전된다는 사실을 발견하여 이 과정을 도왔다. 1799년, 양투안 프랑수아 프루크루아와 루이니콜라 보클랭은 질산화된 결정이 루엘의 물질과 동일함을 발견하고 "요소"라는 용어를 만들었다.[153][154] 옌스 야코브 베르셀리우스는 정제 방법을 개선했고,[155] 1817년 윌리엄 프라우트는 순수한 물질의 화학적 조성을 얻고 결정화했다.[156]

3. 특성

요소는 무색, 무취의 결정으로, 포유류와 양서류의 소변에 많이 포함되어 있다. 물에 쉽게 녹으며, 용해도는 108 g/100 mL (20 ℃)이다. 조해성을 가지며, 비선형 광학 현상을 나타낸다. 헥산 등 다양한 화합물과 안정적인 포접화합물을 만들 수 있고, 과산화수소와의 포접화합물(요소-과산화수소 첨가체, 약칭 UHP)은 고체 형태로 취급할 수 있는 산화제로 시판된다.

수용액에서 요소는 사이안산 암모늄과 천천히 평형을 이룬다. 이러한 제거 반응[106]은 아이소사이안산을 생성하며, 아이소사이안산은 단백질의 리신 N-말단 아미노기, 곁사슬의 아미노기, 아르기닌과 시스테인 곁사슬을 카바밀화할 수 있다.[107][108] 카바밀화가 일어날 때마다 단백질의 질량이 43 달톤씩 늘어나므로, 순수한 요소 용액은 신선하게 제조하여 사용해야 한다.[108]

가열하면 분해되어 암모니아, 비우렛, 시안산으로 변한다.

3. 1. 분자 및 결정 구조

요소 분자()는 고체 상태에서 평면 구조를 가지며, N 오비탈은 sp2 혼성화되어 있다.[96][97] 기체 상태[98] 또는 수용액 상태[97]에서는 C2 대칭을 갖는 비평면 구조이며, C–N–H와 H–N–H의 결합각은 평면 삼각형의 각 120°와 사면체형의 각 109.5° 사이의 중간값을 갖는다. 고체 요소에서 산소 중심은 두 개의 N–H–O 수소 결합에 참여한다. 결과적으로 밀도가 높고 에너지적으로 유리한 수소 결합 네트워크는 효율적인 분자 패킹을 대가로 하여 형성되었을 가능성이 높다. 구조는 매우 개방적이며 리본이 사각형 단면의 터널을 형성한다. 요소의 탄소는 sp2 혼성화된 것으로 설명되고, C-N 결합은 상당한 이중 결합 특성을 가지며, 카보닐 산소는 비교적 염기성이다. 요소의 높은 수용성은 물과 광범위하게 수소 결합을 할 수 있는 능력을 반영한다.

과립 형태의 요소 샘플


요소는 다공성 구조를 형성하는 경향으로 인해 많은 유기 화합물들을 가둘 수 있다. 소위 클라스레이트에서 유기 "게스트" 분자는 수소 결합된 요소 분자로 구성된 나선형이 서로 침투하여 형성된 통로에 고정된다. 이런 방식으로 요소-클라트레이트의 분리가 잘 조사되었다.[99] 요소 결정 구조에는 작은 분자가 들어가기에 적합한 크기의 공극이 있어, 요소는 헥산 등 다양한 화합물과 안정적인 포접화합물을 만든다. 과산화수소와의 포접화합물(요소-과산화수소 첨가체, 약칭 UHP)은 고체 형태로 취급할 수 있는 산화제로 시판된다.

3. 2. 화학적 성질

요소는 약염기(p''K''b = 13.9)이며,[93] 강산과 반응하여 산소 부분이 양성자화되어 우로늄염을 형성한다.[100][101] 또한 루이스 염기로 작용하여 유형의 금속 착물을 형성할 수 있다.[102]



요소는 말론산 에스터와 반응하여 바르비투르산을 생성한다.

가열하면 분해되어 암모니아, 뷰렛, 사이안산으로 변한다.

3. 2. 1. 열분해

용융된 요소는 약 152 °C에서 사이안산 암모늄으로 분해되고, 160 °C 이상에서는 암모니아와 아이소사이안산으로 분해된다.[104]

160 °C 이상으로 가열하면 아이소사이안산과 반응하여 뷰렛과 트라이유렛이 생성된다.[105][104]

더 높은 온도에서는 사이아누르산, 구아니딘, 멜라민을 포함한 다양한 축합 생성물로 전환된다.[105][104]

3. 2. 2. 수용액에서의 안정성

수용액에서 요소는 사이안산 암모늄과 천천히 평형을 이루는데, 이는 단백질의 카바밀화를 유발할 수 있다.[104]

3. 3. 물리적 성질

무색, 무취의 결정으로, 포유류와 양서류의 소변에 많이 포함되어 있다. 물에 쉽게 녹으며, 용해도는 108 g/100 mL (20 ℃)이다. 조해성을 갖는다. 비선형 광학 현상을 나타낸다. 가열하면 분해되어 암모니아, 비우렛, 시안산으로 변한다.

요소 결정의 구조에는 작은 분자가 들어가기에 딱 좋은 크기의 공극이 있다. 따라서 요소는 헥산 등 다양한 화합물과 안정적인 포접화합물을 만든다. 과산화수소와의 포접화합물(요소-과산화수소 첨가체, 약칭 UHP)은 고체 형태로 취급할 수 있는 산화제로 시판되고 있다.

4. 합성 및 제조

암모니아와 이산화탄소를 120℃, 150기압 이상에서 합성하거나,[78] 액체 암모니아와 드라이아이스를 혼합하여 요소를 만들 수 있다. 이 반응은 카바메이트(카르바민산암모늄)를 거친다.

: 2NH3 + CO2 -> NH2COONH4

: NH2COONH4 -> (NH2)2CO + H2O

황화카르보닐과 암모니아를 60~100℃에서 반응시키거나,[79] 포스겐과 암모니아 (아민)를 반응시켜서도 요소를 얻을 수 있다.

: 2NH3 + COS ->(NH2)2CO + H2S

: 2NH3 + COCl2 ->(NH2)2CO + 2HCl

4. 1. 실험실적 합성

요소는 포스젠과 1차 또는 2차 아민의 반응을 통해 실험실에서 합성할 수 있다. 이러한 반응은 아이소사이안산염 중간생성물을 통해 진행된다. 비대칭 요소는 1차 또는 2차 아민과 아이소사이안산염의 반응을 통해 얻을 수 있다.

프리드리히 뵐러는 1828년에 사이안산 암모늄의 수용액을 가열하여 요소가 생성되는 것을 확인했다. 이 합성법은 뵐러 합성이라고 불린다.

4. 2. 산업적 생산

산업용 요소는 합성 암모니아와 이산화 탄소로부터 생산된다. 암모니아 제조 공정에서는 탄화수소(주로 천연 가스이며, 석유 파생물이나 석탄은 덜 흔함)를 연소시켜 열을 발생시키며, 부산물로 대량의 이산화 탄소가 생성되므로, 요소 생산 공장은 거의 항상 암모니아가 제조되는 장소 옆에 위치한다.[157]

카밤산 암모늄 연탄을 사용한 요소 공장, 고정 질소 연구실 (1930년 경)


1922년에 특허를 받은 이 기본적인 공정은 발견자인 카를 보슈와 빌헬름 마이저(Wilhelm Meiser)의 이름을 따서 보쉬-마이저 요소 공정이라고 불린다.[158] 이 과정은 두 가지 주요 평형 반응으로 구성되며, 반응물의 전환이 완료되지 않는다.

첫 번째는 카밤산염의 형성이다. 고온, 고압에서 액체 암모니아와 기체 이산화 탄소의 빠른 발열 반응으로 카밤산 암모늄이 생성된다.[105]

: (110 atm 및 160 °C에서 Δ''H'' = −117 kJ/mol)[105][159]

두 번째는 요소 전환이다. 카밤산 암모늄이 요소와 물로 더 느린 흡열 분해가 일어난다.

: (160~180 °C에서 Δ''H'' = +15.5 kJ/mol)[105][159]

암모니아와 이산화 탄소가 요소로 전환되는 과정은 전반적으로 발열 반응이며, 첫 번째 반응에서 나온 반응열이 두 번째 반응을 촉진한다. 요소 생성에 유리한 조건(고온)은 카밤산 생성 평형에 불리한 영향을 미친다. 과정에 대한 조건은 타협적이다. 두 번째 반응에 필요한 고온(약 190 °C)이 첫 번째 반응에 미치는 부정적인 영향은 첫 번째 반응에 유리한 고압(140~175 bar) 하에서 공정을 수행함으로써 상쇄된다. 기체 이산화 탄소를 이 압력으로 압축하는 것이 필요하지만, 암모니아는 암모니아 생산 공장에서 액체 형태로 얻을 수 있으며, 이를 시스템에 펌핑하는 방식이 훨씬 더 경제적이다. 느린 요소 생성 반응 시간이 평형에 도달하려면 넓은 반응 공간이 필요하므로, 대규모 요소 공장의 합성 반응기는 거대한 압력 용기가 되는 경향이 있다.

요소의 전환이 불완전하기 때문에 요소는 카밤산 암모늄을 포함한 전환되지 않은 반응물로부터 분리되어야 한다. 다양한 상업용 요소 공정은 요소가 형성되는 조건과 전환되지 않은 반응물을 추가로 처리하는 방법에 따라 특징지어진다.

초기의 "직접" 요소 공장에서 반응물 회수(재활용의 첫 번째 단계)는 시스템 압력을 대기압으로 낮춰 카밤산염이 분해되어 암모니아와 이산화 탄소로 돌아가도록 하는 방식으로 이루어졌다. 원래는 암모니아와 이산화 탄소를 재압축하여 재활용하는 것이 경제적이지 않았기 때문에, 적어도 암모니아는 질산 암모늄이나 황산 암모늄과 같은 다른 생성물을 제조하는 데 사용되었고, 이산화 탄소는 대개 낭비되었다. 이후의 공정 계획에서는 사용되지 않은 암모니아와 이산화 탄소를 재활용하는 것이 실용적이게 되었다. 이는 1940년대부터 1960년대에 개발되어 현재는 "기존 재활용 공정(conventional recycle process)"이라고 불리는 "전체 재활용 공정(total recycle process)"을 통해 수행되었다. 반응 용액의 압력을 단계적으로 낮춘 다음(먼저 18~25 bar, 그 다음은 2~5 bar) 각 단계에서 증기로 가열된 카밤산염 분해기를 통과시킨 다음, 생성된 이산화 탄소와 암모니아를 강하 필름 카밤산염 응축기에서 재결합시키고, 카밤산염 용액을 다시 요소 반응 용기로 펌핑하여 진행한다.[105]

반응물을 회수하여 재사용하기 위한 "기존 재활용 공정"은 1960년대 초에 네덜란드의 스타미카본이 개발한 "스트리핑 재활용 공정"으로 대체되었다. 이 공정은 반응 용기의 전체 압력 또는 그에 가까운 압력에서 작동한다. 이를 통해 다단계 재활용 방식의 복잡성이 줄어들고, 카밤산염 용액에서 재활용되는 물의 양이 줄어드는 데, 이는 요소 전환 반응의 평형과 전반적인 공장 효율에 부정적인 영향을 미친다. 실제로 모든 신규 요소 제조 공장은 스트리퍼를 사용하고 있으며, 전체 재활용 요소 제조 공장 중 다수는 스트리핑 재활용 공정으로 전환되었다.[105][160]

기존 재활용 공정에서는 전체 압력을 낮추어 카밤산염 분해를 촉진하고, 이로 인해 암모니아와 이산화 탄소의 분압이 낮아져 이러한 기체를 요소 생산 용액으로부터 분리할 수 있다. 스트리핑 재활용 공정은 카밤산염 분해를 촉진하기 위해 반응물 중 하나의 분압만을 낮춤으로써 전체 압력을 낮추지 않고도 비슷한 효과를 얻는다. 기존 재활용 공정에서 암모니아와 함께 이산화 탄소 가스를 요소 합성 반응기에 직접 공급하는 대신, 스트리핑 재활용 공정에서는 먼저 이산화 탄소를 스트리퍼로 보낸다. 스트리퍼는 다량의 기체-액체 접촉을 제공하는 카밤산염 분해제이다. 이를 통해 유리된 암모니아가 씻겨나가고 액체 표면의 분압이 낮아지며 카밤산염 응축기로 직접 이동(이 역시 전체 시스템 압력 하에서)하게 된다. 거기에서 재구성된 카밤산 암모늄 액체는 요소 생산 반응기로 전달된다. 그렇게 되면 기존 재활용 공정의 중간 압력 단계가 제거된다.[105][160]

5. 생물학적 역할

섭취한 음식물이나 근육 단백질의 이화작용으로 생성된 아미노산은 신체에서 에너지원으로 산화될 수 있으며, 이 과정에서 요소와 이산화탄소를 생성한다.[46] 산화는 전이효소에 의해 아미노기가 제거되면서 시작되며, 제거된 아미노기는 요소 회로로 이동한다. 간에서 아미노산이 대사 노폐물로 전환되는 첫 단계는 α-아미노 질소를 제거하는 것이며, 이 과정에서 암모니아가 생성된다. 암모니아는 독성이 있으므로 어류는 즉시 배설하고, 조류는 요산으로 전환하며, 포유류는 요소로 전환한다.[47]

암모니아(NH3)는 질소 화합물 대사의 일반적인 부산물이다. 암모니아는 요소보다 작고, 휘발성이 강하며, 이동성이 높다. 암모니아가 축적되면 세포 내 pH가 독성 수준으로 상승한다. 따라서 많은 생물체는 암모니아를 요소로 전환하는데, 이 합성에는 에너지 비용이 발생한다. 요소는 실질적으로 중성이고 물에 잘 녹기 때문에 신체가 과잉 질소를 운반하고 배설하는 데 안전하다.

요소는 혈액에 녹아(혈액 검사 참고 범위는 2.5~6.7 mmol/L) 신장을 통해 소변으로 배설된다. 소량의 요소는 땀 (염화나트륨과 물과 함께)으로도 배설된다.

물에서 아민기는 물 분자에 의해 느리게 치환되어 암모니아, 암모늄 이온, 중탄산 이온을 생성한다. 따라서 오래된 소변은 신선한 소변보다 냄새가 더 강하다.

5. 1. 질소 배설

아미노산의 산화나 암모니아로부터 요소 회로를 통해 많은 생물들의 신체에서 요소가 합성된다. 요소 회로에서 암모니아와 L-아스파르트산에서 공여된 아미노기는 요소로 전환되고, L-오르니틴, 시트룰린, L-아르기니노석신산, L-아르기닌은 중간생성물로 역할을 한다.[135] 요소 생성은 간에서 일어나며, ''N''-아세틸글루탐산에 의해 조절된다.[135]

물고기는 암모니아를 즉시 체외로 배출하고, 새는 요산으로 전환하며, 포유류는 요소로 전환한다.[135] 포유류, 양서류, 일부 어류는 암모니아를 요소 형태로 전환하여 배설한다.[51] 조류와 파충류는 요산 형태로 질소를 배설한다.[51]

5. 2. 삼투 조절

연골어류는 삼투압 조절을 위해 요소와 트리메틸아민옥사이드를 삼투압 조절 물질로 체내에 축적한다.[82]

5. 3. 사람의 신체

요소는 간에서 아미노산이 분해될 때 생성되는 암모니아를 요소 회로를 통해 합성된다. 암모니아는 독성이 있기 때문에, 물고기는 이를 직접 배출하고, 새는 요산으로, 포유류는 요소로 전환한다.[135]

요소는 콩팥에서 순환 및 배출되어 혈압 및 혈장 내 나트륨 이온 농도를 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 네프론의 역류 교환 시스템에서 요소는 물과 중요 이온의 재흡수를 돕는다. 요소는 네프론의 내측 수질 집합관에서 재흡수되어,[136] 헨레 고리의 얇은 하행각을 둘러싼 수질 간질의 삼투압을 높여 물의 재흡수를 돕는다.

요소 수송체 2의 작용으로 재흡수된 요소의 일부는 다시 얇은 하행각으로 흘러 들어가,[137] 집합관을 거쳐 소변으로 배설된다. 신체는 항이뇨 호르몬의 제어를 통해 고농도의 소변을 생성하여 수분 손실을 막고, 혈압을 유지하며, 혈장 내 나트륨 이온 농도를 적절하게 유지한다.

6. 용도

요소는 다양한 용도로 사용된다. 디젤 엔진 차량의 배기가스 중 질소 산화물(NOx)을 줄이기 위해 디젤 배기액(DEF)의 성분으로 사용되는데, 이는 요소 32.5%와 탈이온수 67.5%로 구성된다. DEF는 배기가스에 분사되어 질소 산화물을 무해한 질소와 물로 분해한다.[2]

요소는 비교적 저렴한 질소 공급원이므로 동물 사료의 성분으로 사용되어 성장을 촉진한다.[127] 염화나트륨(암염)을 대체하여 도로 제빙에 사용되기도 하지만, 암염이나 염화칼슘보다 효과는 떨어진다.[128]

나이어, 비트 등 제모제의 주요 성분이며, 공장에서 생산되는 프레첼의 갈변제, 피부 크림,[129] 보습제, 헤어 컨디셔너, 샴푸의 성분으로도 사용된다. 인공강우 제제[130], 건조 화학 소화기 충전물에 사용되는 방염제, 치아 미백 제품, 식기 세척액의 성분이기도 하다.

그 밖에도 당을 에탄올로 발효시키는 효모의 영양소, 해양 영양 실험에서 플랑크톤이 사용하는 영양소, 가죽 접착제 첨가제, 섬유 염색 첨가제[131], 비선형 광학의 광학 매개 변수 발진기[132][133] 등으로 활용된다.

6. 1. 농업

전 세계 산업적 요소 생산량의 90% 이상이 질소 비료로 사용된다.[105] 요소는 일반적으로 사용되는 모든 고체 질소 비료 중에서 질소 함량이 가장 높다. 따라서 질소 영양소 단위당 운송 비용이 낮다. 합성 요소의 가장 흔한 불순물은 뷰렛인데, 이는 식물의 생장을 방해한다. 요소는 토양에서 분해되어 암모늄 이온()을 생성한다. 암모늄 이온은 식물의 뿌리를 통해 흡수된다. 일부 토양에서는 암모늄이 세균에 의해 산화되어 질산염()을 생성하며, 질산염도 역시 질소가 풍부한 식물의 영양소이다.

요소 비료를 생산하는 방글라데시의 공장


질소 화합물이 대기와 지표면을 흐르는 빗물(유거수)로 손실되는 것은 낭비적이고 환경에 해롭기 때문에 농업용 비료의 효율성을 높이기 위해 요소를 개량하기도 한다. 질소 방출을 늦추는 완효성 비료를 만드는 기술로는 요소를 불활성 밀봉제에 캡슐화하거나 요소를 요소-폼알데하이드 화합물과 같은 유도체로 전환하는 방법 등이 있다. 이러한 유도체는 식물의 영양 요구 사항에 맞는 속도로 암모니아로 분해된다.

6. 2. 산업

요소는 폼알데하이드 기반 수지 제조에 사용되는 원료이다. 포름알데히드계 수지(UF, MUF, MUPF 등)는 파티클보드, 섬유판, OSB, 합판 등 목재 기반 패널에 주로 사용된다.

요소는 질산과 반응하여 질산 요소(요소질산염)를 만들 수 있는데, 이는 고성능 폭발물로 공업적으로 사용되거나 일부 즉석 폭발 장치에 사용된다.

염화칼슘과 달리 금속 부식성이 없어 항공기의 기체나 활주로에 살포하는 결빙방지제로도 사용된다.

6. 3. 자동차

요소는 디젤 엔진 차량에서 발생하는 배기 가스 중 질소 산화물(NOx) 오염물질을 줄이기 위해 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템에 사용된다. 이러한 시스템을 사용하는 트럭과 자동차는 디젤 배기액(요소수)을 공급받아야 하는데, 이는 물에 요소를 넣은 용액인 애드블루로도 판매된다.[2]

SCR 시스템에서 요소는 먼저 가수분해를 통해 암모니아로 전환된다.

:CO(NH2)2 + H2O → 2 NH3 + CO2

이 암모니아는 배기 시스템에 분사되어 질소 산화물과 반응하여 촉매 변환기 내에서 질소 가스와 물로 전환된다.[113]

:4 NO + 4 NH3 + O2 → 4 N2 + 6 H2O

6. 4. 의료

요소 함유 크림은 피부의 수분 보충을 촉진하는 국소 피부과 제품으로 사용된다.[116] 40% 농도의 요소는 건선, 피부건조증, 손톱진균증, 어린선, 습진, 각화증, 각질피부증, 굳은살 및 각질에 사용된다.[116][117] 폐쇄 드레싱으로 덮는 경우 40% 농도의 요소 제제를 비수술적 손톱 제거에 사용할 수도 있다. 40% 농도의 요소는 손톱판의 세포간 기질을 용해한다.[116][117] 건강한 손톱 부분에는 영향을 미치지 않으므로 질병에 걸린 손톱이나 영양실조가 있는 손톱만 제거한다.[118] 이 약물(카바마이드 과산화물)은 귀지 제거제로도 사용된다.[119]

요소는 이뇨제로도 연구되었다. 1892년에 W. 프리드리히 박사가 처음 사용했다.[120] 2010년에 ICU 환자를 대상으로 한 연구에서는 요소를 사용하여 정상혈량성 저나트륨혈증을 치료하였으며, 안전하고, 저렴하며 간단한 것으로 밝혀졌다.[121]

탄소-14(14C)나 탄소-13(13C)으로 표지된 요소는 요소 호흡 검사에 사용되는데, 이는 소화성 궤양과 관련된 사람의 위와 십이지장에서 헬리코박터 파일로리(''Helicobacter pylori'') 세균의 존재를 감시하는 데 사용된다. 이 검사는 요소에서 암모니아를 생성하는 반응을 통해 헬리코박터 파일로리가 생성하는 특징적인 효소인 유레이스를 검출한다. 이렇게 하면 세균 주변 위 환경의 pH가 증가(산성도가 감소)한다. 헬리코박터 파일로리와 유사한 세균종은 유인원, 개, 고양이(큰고양이 포함)와 같은 동물에서 동일한 검사를 통해 확인할 수 있다.

6. 5. 기타


  • 디젤 배기 유체(DEF)의 성분으로, 32.5%의 요소와 67.5%의 탈이온수로 구성된다. DEF는 디젤 차량의 배기 가스에 분사되어 위험한 질소 산화물(NOx) 배출물을 무해한 질소와 물로 분해한다.
  • 동물 사료의 성분으로, 성장을 촉진하는 비교적 저렴한 질소 공급원 역할을 한다.[127]
  • 도로 제빙에 사용되는, 부식되지 않는 암염 대체제이다. 전통적인 암염이나 염화 칼슘보다 효과는 떨어지지만, 애완 동물에게 친화적인 소금 대체품의 주요 성분으로 자주 사용된다.[128]
  • 나이어, 비트 등 제모제의 주요 성분이다.
  • 공장에서 생산되는 프레첼의 갈변제이다.
  • 일부 피부 크림,[129] 보습제, 헤어 컨디셔너, 샴푸에 들어가는 성분이다.
  • 다른 염들과 함께 인공강우 제제로 사용된다.[130]
  • 일반적으로 요소-중탄산 칼륨 혼합물과 같은 건조 화학 소화기 충전물에 사용되는 방염제이다.
  • 다양한 치아 미백 제품의 성분이다.
  • 식기 세척액의 성분이다.
  • 당을 에탄올로 발효시키는 효모의 영양소인 인산 이암모늄과 함께 사용된다.
  • 지구공학적 목적으로 해양 영양 실험에서 플랑크톤이 사용하는 영양소이다.
  • 가죽 접착제의 작업 온도와 개방 시간을 연장하기 위한 첨가제이다.
  • 직물 염색 또는 인쇄용 염색조에 대한 용해성 향상 및 수분 유지 첨가제로 사용된다.[131]
  • 비선형 광학의 광학 매개 변수 발진기로 사용된다.[132][133]
  • 균일 침전법에서 암모니아 또는 암모늄 이온의 공급원으로 사용된다.[85] 가열 하에서 요소의 가수분해 반응은 다음과 같다.

: (NH₂)₂CO + H₂O → 2NH₃ + CO₂

pH 조절을 수반하는 침전 생성 시 기체 암모니아를 대체한다.[86][87]

  • 옥살산과 반응하여 요소 옥살산염 침전을 형성한다. 이는 옥살산 또는 요소 검출에 사용된다.[88]

7. 부작용

요소는 피부, 눈, 호흡기에 자극을 줄 수 있다. 비료 형태의 요소가 피부에 반복적으로 또는 장기간 닿으면 피부염이 생길 수 있다.[140] 혈액 내 요소 농도가 높으면 해로울 수 있다. 정상적인 사람의 소변에서 발견되는 저농도 요소를 섭취하는 것은 물을 추가로 섭취하면 위험하지 않다. 낙타, 설치류, 개와 같은 많은 동물들은 사람보다 더 농축된 소변을 배설하는데, 이는 요소 양이 더 많을 수 있음을 의미한다.

요소는 독소를 생성하는 조류 대증식을 일으킬 수 있으며, 비료를 뿌린 토양의 유출수에 요소가 존재하면 독성 조류 대증식이 증가하는 데 영향을 줄 수 있다.[141]

요소를 녹는점 이상으로 가열하면 분해되어 독성 가스를 발생시키고, 강산화제, 아질산염, 무기 염화물, 아염소산염, 과염소산염과 격렬하게 반응하여 화재와 폭발을 일으킨다.[142]

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