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아산화 질소

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목차

1. 개요

아산화 질소는 무색의 기체로, 1772년에 처음 합성되었으며, "웃음 가스"로도 알려져 있다. 초기에는 오락용 약물로 사용되었고, 이후 험프리 데이비에 의해 마취 효과가 증명되어 의료용으로 발전했다. 현재는 치과, 수술 등에서 마취 보조제 및 진통제로 사용되며, 산업적으로는 반도체 제조, 로켓 연료, 차량 엔진 출력 증가 등에 활용된다. 아산화 질소는 지구 온난화와 오존층 파괴에 영향을 미치며, 과다 섭취 시 신경 독성 및 비타민 B12 결핍을 유발하는 등 위험성이 존재한다.

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아산화 질소 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
아산화 질소 - 공간 채우기 모델
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질소 산화물 - 차원 - 3D - 공
질소 산화물 - 차원 - 3D - 공
아산화 질소의 정형 형태
아산화 질소의 정형 형태
IUPAC 명칭아산화 질소
다른 이름웃음 가스
스위트 에어
질소의 프로톡사이드
하이포아질산 산화물
이질소 산화물
이질소 일산화물
식별
UNIIK50XQU1029
InChI1/N2O/c1-2-3
InChIKeyGQPLMRYTRLFLPF-UHFFFAOYAP
SMILESN#[N+][O-]
SMILES1'[N-]=[N+]=O'
표준 InChI1S/N2O/c1-2-3
표준 InChIKeyGQPLMRYTRLFLPF-UHFFFAOYSA-N
CAS 등록번호10024-97-2
ChemSpider ID923
ChEMBL'1234579'
DrugBankDB06690
PubChem CID'948'
UN 번호1070 (압축)
2201 (액체)
RTECSQX1350000
ChEBI'17045'
KEGGD00102
Beilstein 등록번호'8137358'
Gmelin 등록번호'2153410'
ATC 코드N01AX13
속성
화학식N₂O
몰 질량44.013 g/mol
외형무색 기체
밀도1.977 g/L (기체)
녹는점-90.86 °C
끓는점-88.48 °C
용해도1.5 g/L (15 °C)
기타 용해도에탄올, 다이에틸 에터, 황산에 용해됨
LogP0.35
굴절률1.000516 (0 °C, 101.325 kPa)
점성14.90 μPa·s
증기압5150 kPa (20 °C)
헨리 상수해당 없음
대기 중 OH 라디칼 반응 속도 상수해당 없음
자기 감수율-18.9·10⁻⁶ cm³/mol
구조
분자 모양선형, C∞v
쌍극자 모멘트0.166 D
열화학
생성 엔탈피+82.05 kJ/mol
엔트로피219.96 J/(K·mol)
약리학
ATC 코드 접두사N01
ATC 코드 접미사AX13
투여 경로흡입
생체 이용률해당 없음
대사0.004%
반감기5 분
단백질 결합해당 없음
배설호흡기
법적 지위해당 없음
미국 법적 지위해당 없음
미국 법적 지위 주석해당 없음
영국 법적 지위해당 없음
호주 법적 지위해당 없음
캐나다 법적 지위해당 없음
임신 범주해당 없음
호주 임신 범주해당 없음
위험성
외부 SDSIlo.org, ICSC 0067
GHS 그림 문자산화성 물질
GHS 신호어위험
H 문구H270
P 문구P220, P244, P282, P336, P317, P370+P376, P403, P410+P403
주요 위험해당 없음
NFPA 704건강: 2
화재: 0
반응성: 0
기타: OX
인화점불연성
LD50해당 없음
PEL해당 없음
관련 화합물
다른 질소 산화물일산화 질소
삼산화 이질소
이산화 질소
사산화 이질소
오산화 이질소
기타 화합물질산 암모늄
아자이드

2. 역사

아산화 질소는 1772년 영국의 자연철학자이자 화학자인 조지프 프리스틀리에 의해 처음 합성되었으며, 그는 이를 ''탈플로지스톤 질산 공기'' 또는 ''가연성 질산 공기''라고 불렀다.[14][15] 프리스틀리는 자신의 발견을 저서 ''공기의 여러 종류에 대한 실험과 관찰 (1775)''에서 발표했다.[16]

험프리 데이비는 아산화 질소의 진통 효과와 마취 가능성을 연구하여 1800년 ''연구, 화학 및 철학''이라는 책을 통해 발표했다.[17] 그는 아산화 질소를 흡입했을 때 나타나는 효과 때문에 "웃음 가스(laughing gas)"라는 별명을 붙였다.[18] 데이비의 발견에도 불구하고 아산화 질소가 실제 의료용 마취제로 사용되기까지는 시간이 걸렸으며, 그 사이 영국 상류층 사이에서는 "웃음 가스 파티"를 통해 오락용 약물로 소비되기도 했다.[19]

1844년 미국의 치과의사 호레이스 웰스는 가드너 퀸시 콜턴과 존 맹키 릭스의 도움을 받아 아산화 질소를 이용한 치아 발치 시술에서 마취제로서의 효과를 처음으로 시연했다.[21] 초기에는 시연 실패 등으로 널리 받아들여지지 않았으나,[23] 1863년부터 콜턴이 자신의 치과 협회에서 성공적으로 사용하면서 점차 보급되기 시작했다.[88][89]

그러나 아산화 질소는 단독으로 강력한 마취 효과를 내기에는 부족하여, 1846년 디에틸 에테르와 1847년 클로로포름 등 더 강력한 마취제가 등장하면서 주로 보조 마취제나 가벼운 시술에 사용되었다.[88] 1876년 조지프 토마스 클로버가 발명한 "가스-에테르 흡입기"는 아산화 질소와 다른 마취제를 병용하는 현대적 마취 방식의 기초를 마련했다.[89]

한편, 아산화 질소의 초기 대중화 과정에서 일부 돌팔이 약장수들이 이를 결핵 등 각종 질병에 대한 검증되지 않은 치료법으로 광고하며 오용하는 사례도 있었다.[24][25] 미국 최초의 상업적 생산자 중 한 명은 시인 에드거 앨런 포의 사촌인 조지 포였으며, 그는 가스를 최초로 액화하기도 했다.[20]

2. 1. 초기 발견 및 활용

아산화 질소는 1772년 영국의 자연철학자이자 화학자인 조지프 프리스틀리에 의해 처음 합성되었다. 그는 이 기체를 ''탈플로지스톤 질산 공기'' 또는 ''가연성 질산 공기''라고 불렀다.[14][15] 프리스틀리는 자신의 저서 ''공기의 여러 종류에 대한 실험과 관찰 (1775)''에서 철가루를 질산으로 적셔 가열하는 방법으로 아산화 질소를 얻었다고 밝혔다.[16]

1830년 험프리 데이비가 여성에게 웃음 가스를 투여하는 모습을 묘사한 풍자화 "Living Made Easy".


아산화 질소의 초기 활용은 토마스 베도스와 제임스 와트가 1794년에 공동 저술한 책 ''인공 공기의 의학적 사용 및 생산에 대한 고찰''을 통해 이루어졌다. 이 책에서 제임스 와트는 아산화 질소를 포함한 "인공 공기"를 생산하고 흡입하기 위한 새로운 기계와 장치를 소개했다. 토마스 베도스는 이 "인공 공기"를 흡입하여 결핵과 같은 폐 질환을 치료할 수 있다는 새로운 의학 이론을 제시했다.[88]

1798년, 토마스 베도스는 브리스틀의 핫웰스에 ''의료용 공기를 이용한 질병 완화를 위한 폐 기구''를 설립했다. 이곳에서 젊은 험프리 데이비는 가스 생산을 감독하며 다양한 기체를 실험하도록 권장받았다.[88] 데이비는 특히 아산화 질소 연구에 집중하여 1800년 ''연구, 화학 및 철학''이라는 책을 출판했다. 이 책에서 그는 아산화 질소의 진통 효과와 외과 수술에서의 마취 가능성을 언급했다.[17] 데이비는 아산화 질소를 흡입했을 때 나타나는 유쾌한 느낌 때문에 "웃음 가스(laughing gas)"라는 별명을 붙였다.[18]

험프리 데이비의 저서 ''연구, 화학 및 철학'' (1800) 중 아산화 질소의 마취 가능성을 언급한 페이지.


데이비의 발견에도 불구하고 아산화 질소가 실제 마취에 사용되기까지는 44년이 더 걸렸다. 그 사이 아산화 질소는 1799년부터 영국 상류층 사이에서 "웃음 가스 파티"를 통해 오락용 약물로 인기를 끌었다. 흡입 시 몽롱하고 진정되는 느낌을 주거나, 때로는 행복감에 젖어 웃음을 터뜨리게 하는 효과 때문이었다.[19]

미국에서는 시인 에드거 앨런 포의 사촌인 조지 포가 초기 상업 생산자 중 한 명이었으며, 그는 아산화 질소를 처음으로 액화하기도 했다.[20]

아산화 질소를 환자 치료에 마취제로 처음 사용한 사람은 치과의사 호레이스 웰스였다. 그는 1844년 12월 11일, 가드너 퀸시 콜턴과 존 맹키 릭스의 도움을 받아 아산화 질소를 사용하여 고통 없이 치아 발치 시술을 시연하는 데 성공했다.[21] 웰스는 이후 몇 주간 코네티컷주 하트퍼드에서 처음 12~15명의 환자에게 아산화 질소를 성공적으로 사용했으며, 자신의 기록에 따르면 단 두 건의 실패 사례만 있었다.[22] 이러한 결과에도 불구하고, 1845년 1월 보스턴에서 열린 공개 시연이 부분적으로 실패하면서 그의 방법은 다른 치과의사들에게 즉시 받아들여지지 않았다.[23]

아산화 질소 마취법이 널리 사용되기 시작한 것은 1863년, 가드너 퀸시 콜턴이 코네티컷주 뉴헤이븐과 뉴욕시에 설립한 "콜턴 치과 협회"에서 이를 성공적으로 활용하면서부터였다.[88] 이후 3년 동안 콜턴과 동료들은 25,000명 이상의 환자에게 아산화 질소를 성공적으로 투여했다.[89]

그러나 아산화 질소의 초기 대중화는 일부 돌팔이 약장수들이 이를 결핵, 선병, 카타르 등 다양한 질병의 치료제로 허위 광고하며 오용하는 문제를 낳기도 했다.[24][25]

"웃음 가스"라는 이름의 유래에 대해서는, 마취 중인 환자의 표정이 이완되어 웃는 것처럼 보였기 때문이라는 설이 있다.

2. 2. 의료용 마취제로서의 발전

치과에서 사용되는 의료용 아산화 질소(N₂O) 탱크


아산화 질소는 1844년부터 마취제 및 진통제로 치과 및 수술 분야에서 사용되어 왔다.[88] 초기에는 고무 천으로 만든 호흡 주머니가 달린 간단한 흡입기를 통해 투여되었다.[89] 오늘날 병원에서는 자동화된 상대적 진통 기기를 사용하여 아산화 질소를 투여한다. 이 기기는 산소와 2:1 비율로 혼합된 아산화 질소 흐름을 정확하게 조절하여 전달하며, 마취 기화기와 의료용 인공호흡기를 포함한다.

아산화 질소는 약한 전신 마취제로 분류된다. 따라서 일반적으로 전신 마취 시 단독으로 사용되기보다는, 세보플루란이나 데스플루란과 같이 더 강력한 전신 마취제의 운반 가스(산소와 혼합된 형태)로 활용된다. 아산화 질소의 최소 폐포 농도는 105%이며, 혈액/가스 분배 계수는 0.46이다. 다만, 마취에 아산화 질소를 사용하면 수술 후 메스꺼움이나 구토의 위험이 증가할 수 있다는 보고도 있다.[90][91][92] 최근에는 전신 마취에서의 사용 빈도가 줄어드는 추세이다.[142]

치과에서는 환자가 의식을 유지한 상태에서 아산화 질소와 산소 혼합 기체를 흡입하도록 하는 비교적 간단한 기계를 사용한다. 이때 사용되는 기계는 항상 최소 30%의 산소를 포함하고 아산화 질소는 최대 70%를 넘지 않도록 특별히 설계된 상대적 진통 유량계이다. 환자는 시술 중에도 의식을 잃지 않으며, 치과의사의 질문이나 지시에 충분히 반응할 수 있다.[93] 이를 통해 마취 주사나 드릴 사용, 발치 등에 대한 환자의 공포심을 완화하는 데 도움을 준다.

아산화 질소 흡입은 출산, 외상, 구강 수술 및 급성 관상 동맥 증후군 (심장 마비 포함)과 관련된 통증을 완화하는 목적으로도 자주 사용된다. 특히 출산 중 통증 완화에 대해서는 산모에게 안전하고 효과적인 보조 수단으로 평가받고 있다.[94] 그러나 급성 관상 동맥 증후군에 대한 사용 효과는 아직 명확하게 밝혀지지 않았다.[95]

캐나다와 영국에서는 Entonox나 Nitronox라는 상품명으로 구급대원들이 현장에서 빠르고 효과적인 진통 가스로 흔히 사용한다. 50% 농도의 아산화 질소는 투여가 비교적 쉽고 안전하며 효과가 빠르게 사라져 진단을 방해하지 않기 때문에, 훈련받은 비전문 응급 구조대원이 병원 도착 전 응급 상황에서 사용하는 방안도 고려될 수 있다.[96]

2. 3. 오락용 사용 및 사회적 문제

수채화로 묘사된 19세기 웃음 가스 파티, 토마스 로울런드슨의 작품


흐로닝언의 푀엘레스트라트 근처에서 아산화 질소 사용 금지를 나타내는 거리 표지판


오락용 약물 사용의 잔재인 위핏 (작은 강철 용기), 네덜란드, 2017년


아산화 질소(N2O)의 오락적 흡입은 행복감과 약간의 환각을 유발할 목적으로 1799년 영국 상류층에서 "웃음 가스 파티"로 알려진 모임에서 시작되었다.[97] 19세기부터 의료 및 요리 목적으로 가스를 널리 사용할 수 있게 되면서 오락적 사용은 전 세계적으로 크게 확대되었다.

영국에서는 2014년 기준으로 야간 업소, 축제, 파티 등에서 약 50만 명의 젊은이들이 아산화 질소를 사용하는 것으로 추정되었다.[98] 영국의 광범위한 오락적 사용 실태는 2017년 바이스 다큐멘터리 ''웃음 가스 암시장 내부''를 통해 알려졌는데, 저널리스트 맷 셰이는 병원에서 약물을 훔쳐 판매하는 딜러들을 만나기도 했다.[99] 또한, 런던에서는 사용 후 버려진 아산화 질소 통이 쓰레기 문제로 부각되어 지역 사회의 불만을 사고 있다.[100]

많은 오락적 사용자들이 아산화 질소가 "안전한 하이"를 제공한다고 생각하지만, 과도하게 사용할 경우 신경계 손상을 일으킬 수 있으며, 치료하지 않으면 영구적인 손상을 남길 수 있다는 사실은 잘 알려져 있지 않다.[102] 호주에서는 아산화 질소 사용으로 인한 신경독성 및 응급실 방문 보고가 증가하면서 공중 보건 문제로 떠올랐고, 남호주 주에서는 2020년 아산화 질소 통 판매를 제한하는 법안을 통과시켰다.[107] 2024년에는 "갤럭시 가스"라는 이름으로 젊은이들 사이에서 오락적 사용이 다시 인기를 얻고 있는데, 이는 틱톡과 같은 소셜 미디어의 영향이 큰 것으로 분석된다.[103]

일본에서는 2015년부터 규제가 강화된 탈법 드럭의 대체 물질로 아산화 질소 남용이 시작되었다. 처음에는 "자전거 펑크 수리용" 등으로 목적을 위장하여 판매되었으나, 2016년 2월 의약품 의료기기법에 따른 지정 약물로 지정되어 의료용 등 허가된 목적 외의 판매, 소지, 사용이 금지되었다.[149] 대한민국에서도 비슷한 시기인 2016년, 아산화 질소를 약사법에 따른 지정 약물로 분류하여 관리를 시작했다.

전 세계적으로 아산화 질소 남용으로 인한 질식 및 사망 사고가 보고되고 있다.[150] 또한, 흡입이 원인이 되어 아급성 연합성 척수 변성증을 발병하여 반신불수 증상을 일으킨 사례도 있다.[151]

각국 정부는 아산화 질소의 오락적 사용을 규제하고 있다.

  • 영국: 2016년 향정신성 물질법에 따라 오락적 목적의 생산, 공급, 수입, 수출이 불법화되었고, 2023년 11월 8일부터는 1971년 약물 남용법에 따라 C급(Class C) 약물로 분류되어 소지 자체가 금지되었다. 위반 시 최대 2년의 징역형 또는 무제한 벌금에 처해질 수 있다.[101][138] 2015년 8월에는 램버스 자치구 의회가 자체적으로 오락 목적 사용을 금지하고 위반자에게 최대 1000GBP의 즉결 벌금을 부과하기 시작했다.[137]
  • 미국: 연방법상 아산화 질소 소지는 합법이며 DEA의 규제 대상은 아니다.[139] 그러나 FDA가 식품, 의약품 및 화장품법에 따라 규제하며, 인간 소비를 목적으로 판매하거나 유통하는 것은 "오용" 조항에 따라 처벌될 수 있다. 많은 주에서 자체 법률로 소지, 판매, 유통을 규제하며, 특히 미성년자에게 유통하거나 특별 면허 없이 판매할 수 있는 양을 제한한다. 예를 들어 캘리포니아에서는 오락적 사용을 위한 소지가 금지되어 있으며 경범죄로 간주된다.[140]
  • 뉴질랜드: 보건부는 아산화 질소를 처방약으로 지정하고, 처방전 없는 판매나 소지를 의약품법 위반으로 간주하여 금지하고 있다. 이는 주로 오락적 사용을 겨냥한 조치로 해석된다.[136]
  • 인도: 의료용 마취 목적으로 대형 실린더에서 소형 휴대용 탱크로 아산화 질소를 옮기는 것은 합법이다.[135]
  • 일본: 2016년 2월부터 지정 약물로 관리하여 의료 등 목적 외 판매, 소지, 사용을 금지하고 있다.[149]
  • 대한민국: 2016년부터 약사법상 지정 약물로 관리하고 있다.

3. 물리화학적 성질

아산화 질소(N2O)는 상온에서 희미하고 달콤한 냄새가 나는 무색의 기체이다. 일반적으로는 반응성이 낮지만, 고온에서는 산소를 내놓아 다른 물질의 연소를 돕는 조연성을 나타낸다. 이러한 성질 때문에 꺼져가는 불씨를 다시 살릴 수 있다. 또한 약한 마취 작용이 있어 흡입 마취제로 사용되기도 한다. 실온에서는 비교적 안정하지만 온도가 올라가면 반응성이 증가하여 다른 물질과 반응한다.

3. 1. 물리적 성질

아산화 질소(N2O)는 상온에서 희미하고 달콤한 냄새가 나는 무색 기체이다. 녹는점은 -70.16°C, 끓는점은 -88.48°C이며, 비중은 공기를 1로 기준했을 때 2.530이다. 액체나 고체 상태에서는 흰색을 띠며, 상온에서 승화하는 성질이 있다. 물과 알코올에는 잘 녹는다.

N2O는 배위 결합으로 연결된 산소 라디칼을 방출하여 연소를 돕는 성질(조연성)이 있어, 꺼져가는 불씨를 다시 살릴 수 있다.

실온에서는 비교적 안정하여 반응성이 낮지만, 온도가 높아지면 반응성이 증가한다. 예를 들어, 187°C에서 소듐 아마이드(NaNH2)와 반응하여 아지드화 나트륨(NaN3)을 생성한다.

:2NaNH2 + N2O → NaN3 + NaOH + NH3

이 반응은 폭약의 원료로 사용되는 아지드 화합물을 생산하기 위해 상업적으로 이용된다.[26]

3. 2. 화학적 성질

아산화 질소(N2O)는 상온 상압에서 희미하고 달콤한 냄새와 단맛이 나는 무색의 반자성 기체이다. 상온에서는 비교적 안정적이며 반응성이 낮아 물이나 할로겐과는 반응하지 않는다[145][146]. 형식적으로는 아질산의 무수물에 해당하지만, 실제 물과 반응하지 않는 등 성질은 다르다[145][146]. 질소 원자의 산화수는 형식적으로 +1이지만, 분자 구조를 고려하면 말단 질소는 0, 중앙 질소는 +2로 볼 수 있다.

배위 결합된 산소 라디칼을 방출하는 능력이 있어 조연성을 띤다. 이 때문에 나무 조각, 석탄, 석유 등은 공기 중에서보다 아산화 질소 내에서 더 잘 연소하며[146], 꺼져가는 불씨를 다시 살릴 수도 있다. 상온에서는 안정적이지만 온도가 상승하면 반응성이 증가한다. 예를 들어, 187°C에서는 소듐 아미드(NaNH2)와 반응하여 폭약의 원료로 사용되는 아지드화 나트륨(NaN3)을 생성하는 반응이 상업적으로 이용된다[26].

`2 NaNH2 + N2O → NaN3 + NaOH + NH3`

고온에서는 알칼리 금속이나 유기물 등과도 연소 반응을 일으킨다[146]. 또한, 흡입 마취제로 사용될 정도의 마취 작용이 있다.

환경적인 측면에서 아산화 질소는 지구 온난화를 심화시키는 주요 온실 기체 중 하나이다. 이산화 탄소와 비교했을 때 약 250배[146]에서 300배[147](100년 GWP)에 달하는 강력한 온실 효과를 지니고 있어, 교토 의정서에서도 배출량 규제 대상으로 포함되었다. 또한, 2009년 미국 해양대기청 연구팀은 아산화 질소가 당시 오존층 파괴에 가장 큰 영향을 미치는 물질임을 밝혀 과학 저널 『사이언스』에 발표하기도 했다. 대기 중 아산화 질소 농도는 약 310 ppb 수준이며, 주요 발생원으로는 연료 연소 과정, 농업에서의 질소 비료 사용, 질산 제조와 같은 화학 공업 공정, 그리고 토양 등에서 일어나는 유기물의 미생물 분해 과정 등이 있다.

4. 생성 방법

아산화 질소를 생산하는 다양한 방법이 사용된다.[45]

4. 1. 산업적 방법

아산화 질소를 생산하는 다양한 방법이 사용된다.[45]

아산화 질소 생산


산업적으로는 주로 질산 암모늄[45]을 약 250°C에서 주의 깊게 가열하여 제조한다. 이 과정에서 질산 암모늄은 아산화 질소와 수증기로 분해된다.[46]

: NH₄NO₃ → 2 H₂O + N₂O

다양한 인산염 염을 첨가하면 약간 낮은 온도에서 더 순수한 기체를 얻는 데 도움이 될 수 있다. 다만, 이 반응은 제어하기 어려워 폭발의 위험이 있다.[47]

또한, 질산 및 아디프산 생산 공정에서도 아산화 질소가 배출된다. 특히 아디프산 생산 시 발생하는 배출은 시클로헥사논의 질화 반응에서 파생된 니트로산 중간체가 분해되면서 나온다.[65][75][76]

4. 2. 실험실적 방법

아산화 질소를 생산하는 다양한 방법이 사용된다.[45]

암모늄 질산염의 분해는 이 기체를 제조하는 흔한 실험실 방법이다. 마찬가지로, 질산 나트륨과 황산 암모늄 혼합물을 가열하여 얻을 수 있다.

: 2 NaNO3 + (NH4)2SO4 → Na2SO4 + 2 N2O + 4 H2O

또 다른 방법으로는 요소, 질산 및 황산의 반응이 있다.

: 2 (NH2)2CO + 2 HNO3 + H2SO4 → 2 N2O + 2 CO2 + (NH4)2SO4 + 2 H2O

염산 히드록실아민은 아질산 나트륨과 반응하여 아산화 질소를 생성한다. 아질산염을 히드록실아민 용액에 첨가하면 유일한 부산물은 소금물이다. 그러나 히드록실아민 용액을 아질산염 용액에 첨가하면(아질산염 과잉), 유독한 고차 질소 산화물도 형성될 수 있으므로 주의가 필요하다.

: NH3OHCl + NaNO2 → N2O + NaCl + 2 H2O

질산(HNO3)을 염화 주석(II)(SnCl2)과 염산(HCl)으로 처리하는 방법도 있다.

: 2 HNO3 + 8 HCl + 4 SnCl2 → 5 H2O + 4 SnCl4 + N2O

5. 용도

아산화 질소는 다양한 분야에서 활용되고 있다. 의료 분야에서는 마취제 및 진통제로 사용되며, 특히 치과 치료나 출산 시 통증 완화에 도움을 준다. 산업 분야에서는 반도체 제조 공정이나 적외선 분석 등에 이용된다. 로켓 및 미사일의 산화제로도 사용되는데, 다른 산화제에 비해 독성이 낮고 상온에서 안정적이라는 장점이 있다. 자동차 레이싱에서는 엔진 출력을 순간적으로 높이기 위한 나이트러스 옥사이드 시스템의 핵심 요소로 사용되기도 한다. 또한, 식품 첨가물로 승인받아 휘핑 크림이나 요리용 스프레이의 추진제로 널리 쓰이며, 특정 요리 기법인 에스푸마에도 활용된다.

5. 1. 의료용

의료용 마취제로 이용된다.

불안에 대한 행동 실험에서, 낮은 용량의 아산화 질소는 효과적인 불안 완화제이다. 이러한 항불안 효과는 GABAA 수용체의 활성 증가와 관련이 있으며, 이는 GABAA 수용체 수용체 길항제에 의해 부분적으로 역전된다. 이를 반영하여, 벤조디아제핀의 불안 완화 효과에 내성을 가진 동물들은 아산화 질소에도 부분적인 내성을 보인다.[34] 실제로, 사람에게 30% 아산화 질소를 투여했을 때, 벤조디아제핀 수용체 길항제는 "하이"한 느낌에 대한 주관적인 보고를 감소시켰지만, 정신 운동 학습 수행 능력은 변경하지 않았다.[35][36]

아산화 질소는 1844년부터 마취제 및 진통제로 치과 및 수술에 사용되어 왔다.[88] 초창기에는 고무 천으로 만든 호흡 주머니로 구성된 간단한 흡입기를 통해 가스를 투여했다.[89] 오늘날에는 자동화된 상대적 진통 기기를 통해 병원에서 가스를 투여하는데, 이 기기에는 정확하게 투여량이 조절되고 호흡으로 작동되는 2:1 비율의 산소와 혼합된 아산화 질소 흐름을 전달하는 마취 기화기와 의료용 인공호흡기가 있다.

아산화 질소는 약한 전신 마취제이므로 일반적으로 전신 마취에 단독으로 사용되지 않고, 세보플루란 또는 데스플루란과 같은 보다 강력한 전신 마취제의 캐리어 가스(산소와 혼합)로 사용된다. 최소 폐포 농도는 105%이고 혈액/가스 분배 계수는 0.46이다. 마취에 아산화 질소를 사용하면 수술 후 메스꺼움 및 구토의 위험이 증가할 수 있다.[90][91][92] 최근에는 전신 마취에서는 잘 사용되지 않는 추세이다.[142]

치과에서는 진정 목적으로 산소와 함께 흡입하는 방식으로 사용된다. 환자가 의식이 있는 상태에서 흡입할 수 있도록 아산화 질소/산소 혼합물을 제공하는 더 간단한 기계를 사용하는데, 이는 항상 최소 30%의 산소와 최대 70%의 아산화 질소가 포함된, 특별히 설계된 상대적 진통 유량계로 인식되어야 한다. 환자는 시술 내내 의식을 유지하며, 치과의사의 질문과 지시에 응답할 수 있는 충분한 정신 능력을 유지한다.[93] 이를 통해 마취 주사나 드릴 연마, 발치 등의 공포심이 완화된다.

아산화 질소 흡입은 출산, 외상, 구강 수술 및 급성 관상 동맥 증후군 (심장 마비 포함)과 관련된 통증을 완화하기 위해 자주 사용된다. 출산 중 사용은 출산 여성에게 안전하고 효과적인 보조제로 나타났다.[94] 급성 관상 동맥 증후군에 대한 사용은 이점이 알려져 있지 않다.[95]

캐나다와 영국에서는 Entonox와 Nitronox가 구급대원(미등록 실무자 포함)에 의해 빠르고 매우 효과적인 진통 가스로 일반적으로 사용된다. 50% 아산화 질소는 진통제로 투여하는 것이 비교적 쉽고 안전하다는 점을 고려할 때, 훈련된 비전문 응급 구조자에 의해 병원 전 환경에서 사용을 고려할 수 있다. 또한 효과가 빠르게 가역적이므로 진단을 방해하지 않는다.[96]

2014년 치료 저항성 우울증에 대한 이중 맹검 시험에서는 24시간 후에 40%의 사람이 증상을 절반 이상 경감했다는 연구 결과가 있다.[148] 케타민과 마찬가지로, NMDA 수용체를 억제함으로써 항우울 작용을 발휘하는 것으로 여겨진다.[148]

5. 2. 산업용

반도체 제조 공정에 이용된다. 또한 적외선 분석에도 활용된다.

=== 로켓 및 미사일 추진제 ===

아산화 질소는 로켓 모터의 산화제로 사용될 수 있다. 다른 산화제보다 독성이 적고 실온에서 안정적이어서 보관 및 비행 시 안전성이 높다. 밀도가 높고 낮은 압력에서 저장이 가능하여(저온 유지 시) 고압 가스 시스템과 경쟁력이 있다.[78]

1914년 미국의 로켓 개척자 로버트 고다드는 특허에서 액체 연료 로켓의 추진제로 아산화 질소와 가솔린 조합을 제안했다.[79] 아산화 질소는 여러 하이브리드 로켓(액체 또는 기체 산화제와 고체 연료 사용) 설계에서 산화제로 선택되었다. 하이드록실 말단 폴리부타디엔(HTPB) 연료와의 조합은 스페이스십원 등에 사용되었다. 또한 다양한 플라스틱을 연료로 사용하는 아마추어 로켓 및 고출력 로켓에서도 활용된다.

단일 추진제 로켓으로도 사용될 수 있다. 촉매를 사용하여 577°C 온도로 가열하면 발열 반응을 통해 질소와 산소로 분해된다.[80] 이때 많은 열이 방출되므로, 촉매 작용보다는 열에 의한 자동 분해가 주된 반응이 된다. 진공 추력기에서 단일 추진제로서 최대 180초의 비추력( ''I''sp )을 제공할 수 있다. 이는 히드라진 추력기(단일 추진제 또는 이중 추진제 로켓과 사산화 이질소 사용)보다 낮은 비추력이지만, 독성이 낮다는 장점 때문에 유용한 대안이 된다. 화학 로켓 엔진의 연료 및 추진제로서 히드라진 계열을 대체하여 에탄올 등과 조합하는 방안이 검토되고 있다. 자기 점화성이 없어 별도의 점화 장치가 필요해 구조가 복잡해지는 단점이 있지만, 독성이 낮아 안전하고 취급이 용이하며, 융점이 낮아 우주 공간에서 얼지 않는다는 장점이 있다.

아산화 질소의 점화는 압력에 매우 민감하다. 약 600°C, 21 기압(309 psi)의 조건에서 폭연한다.[81] 600 psi 압력에서는 6 줄의 에너지로도 점화되지만, 130 psi에서는 2,500 줄의 에너지로도 점화가 어려울 수 있다.[82][83]

=== 내연 기관 부스터 ===

나이트러스 옥사이드 시스템 참조.

차량 레이싱에서는 흔히 "니트러스"라고 불리며, 연소 시 추가 산소를 공급하여 엔진이 더 많은 연료를 태워 출력을 높이는 데 사용된다. 아산화 질소는 열분해 시 공기보다 산소 분압이 높은 혼합 기체를 생성하므로, 연료-공기 혼합기에 첨가하면 과급기와 유사한 효과를 낸다. 또한 열분해 과정이 흡열 반응이므로, 혼합기를 냉각시켜 중간 냉각기와 같은 효과도 발휘한다. 산화력은 과산화 수소와 비슷하며, 공기 중의 산소보다는 훨씬 강력하다. 저압 및 저온에서는 불연성이지만, 약 300°C에서 분해되면 공기보다 많은 산소를 공급한다. 다른 연료와 혼합 시 폭발 위험이 있다.

압축된 액체 상태로 저장된다. 엔진 흡기 매니폴드에서 액체 아산화 질소가 기화하면서 증발열을 흡수하여 흡기 온도를 크게 낮춘다. 이로 인해 공기 밀도가 높아져 더 많은 연료-공기 혼합기가 실린더로 유입될 수 있다. 분사 방식은 흡기 매니폴드 전/후 분사 또는 실린더 직접 분사(직접 포트 분사) 등이 있다.

이 기술은 제2차 세계 대전 당시 루프트바페가 GM-1 시스템을 통해 항공기 엔진 출력을 높이는 데 사용한 바 있다. 원래는 표준 항공기의 고고도 성능 향상을 목표로 했으나, 기술적 제약으로 인해 초고고도에서만 제한적으로 사용되었다. 주로 고고도 정찰기, 고속 폭격기, 고고도 요격기 등 특수 목적 항공기에 적용되었다. 일부 루프트바페 항공기에는 또 다른 엔진 출력 증강 시스템인 MW 50(메탄올 기반의 수분 분사 방식)이 함께 장착되기도 했다.

왕복 엔진에서 아산화 질소를 사용할 때 주요 문제점 중 하나는 과도한 출력으로 인한 엔진 손상 가능성이다. 엔진 내부 부품이 충분히 강화되지 않으면 심각한 손상을 입거나 파괴될 수 있다. 특히 가솔린 엔진에서는 적절한 작동 온도와 연료량을 유지하여 조기 점화(노킹)를 방지하는 것이 중요하다.[84] 하지만 관련된 문제의 대부분은 단순한 출력 증가보다는, 아산화 질소 분해로 인해 실린더 내 압력이 과도하게 높아지는 데서 비롯된다. 높아진 압력과 온도는 피스톤, 밸브, 실린더 헤드 등의 부품을 녹이거나 변형, 파손시킬 수 있다.

자동차용 액체 아산화 질소는 의료용과 약간 다르다. 흡입 등 오용을 막기 위해 소량의 이산화 황(SO2)이 첨가되기도 한다.[85]

=== 기타 ===

다양한 식재료를 무스 형태로 만드는 에스푸마 조리법에 사용되는 가스로도 쓰인다.

5. 3. 식품 첨가물

식품 등급의 아산화 질소(N2O) 휘핑 크림 차저


아산화 질소는 식품 첨가물로 사용이 승인되었으며(E 넘버: E942), 특히 에어로졸 스프레이 추진제로 널리 쓰인다. 휘핑 크림 용기나 요리 스프레이에서 흔히 볼 수 있다.

이 기체는 지방 화합물에 매우 잘 녹는 특성이 있다. 압력을 가한 에어로졸 휘핑 크림 용기 안에서는 지방 크림에 녹아 있다가, 용기 밖으로 나오면서 기체로 변해 거품을 만든다. 이 방식으로 만든 휘핑 크림은 원래 액체 부피의 4배까지 부풀어 오르는데, 이는 공기를 넣어 만들 때(2배)보다 훨씬 많은 양이다. 또한, 공기와 달리 아산화 질소는 크림의 변패를 막는 효과도 있다. 이산화 탄소는 물에 녹으면 산성을 띠기 때문에 휘핑 크림을 응고시키고 탄산음료 같은 느낌을 주어 사용하지 않는다.

하지만 아산화 질소로 만든 휘핑 크림은 거품이 매우 풍성한 대신 불안정하여, 30분에서 1시간 정도 지나면 다시 액체 상태로 돌아가는 단점이 있다.[86] 따라서 만든 즉시 먹지 않는 음식을 장식하는 데는 적합하지 않다.

2016년 12월 미국에서는 에어로졸 휘핑 크림 부족 사태가 발생하기도 했다. 크리스마스 및 휴가 시즌에 휘핑 크림 사용량이 급증하는 시기였는데, 8월 말 플로리다에 위치한 에어 리퀴드 사의 아산화 질소 생산 시설에서 폭발 사고가 일어나 공급에 차질이 생겼기 때문이다. 에어 리퀴드 사는 남은 아산화 질소 물량을 식품 회사보다는 의료 기관에 우선 공급했다.[87]

한편, 레시틴 유화제와 여러 종류의 기름으로 만드는 요리 스프레이의 경우, 아산화 질소 외에 식품 등급의 에탄올이나 프로판을 추진제로 사용하기도 한다.

6. 위험성 및 안전

아산화 질소는 유용하게 사용되기도 하지만, 여러 가지 위험성을 가지고 있어 취급 및 사용에 주의가 필요하다. 인체에 대한 독성 문제, 특정 조건에서의 폭발 가능성, 그리고 환경 문제를 유발할 수 있다.

인체에 미치는 영향으로는 장기간 또는 과다 노출 시 산소 부족 및 신경 독성을 유발할 수 있으며, 특히 비타민 B12 결핍을 초래하여 심각한 신경학적 손상을 일으킬 수 있다.[119][120] 의료 환경에서의 직업적 위험뿐만 아니라, 최근 사회적 문제가 되는 아산화 질소의 오락적 사용은 심각한 건강 문제 및 사망 사고로 이어질 수 있어 각별한 주의가 요구된다.[101][102][107][149][150]

또한, 아산화 질소는 강한 산화제로서 특정 조건, 예를 들어 연료와의 혼합이나 오염, 급격한 압력 변화 등이 발생하면 폭발할 수 있는 위험성을 지닌다.[126][127][81]

환경적으로는 지구 온난화 지수가 높은 주요 온실 가스 중 하나이며,[57] 오존층 파괴에도 기여하는 물질로 알려져 있어[133] 배출량 관리가 중요한 과제로 떠오르고 있다.

6. 1. 독성

아산화 질소(N2O)는 약간의 독성을 가지고 있으며, 장기간 또는 반복적으로 노출될 경우 산소 부족으로 이어질 수 있다.[27][28] 마취 목적으로 사용할 때 높은 농도가 필요할 수 있어 산소결핍증을 일으킬 우려가 있다. 이 기체를 흡입하면 얼굴 근육에 경련이 일어나 마치 웃는 것처럼 보일 수 있다.

N2O 흡입의 효과는 개인차가 있을 수 있으나[31][32], 일반적으로 다음과 같은 상태를 유발할 수 있다:[33]

  • 중독
  • 행복감 또는 불쾌감
  • 공간 및 시간 감각 상실
  • 통증 감수성 감소

소수의 사용자는 제어할 수 없는 발성 및 근육 경련을 경험하기도 한다. 이러한 효과는 일반적으로 N2O 공급원을 제거하면 몇 분 안에 사라진다.[33]
신경 독성아산화 질소는 신경 독성이 있으며, 특히 상당량을 습관적으로 장기간 섭취하면 치료하지 않을 경우 영구적인 손상 가능성이 있는 신경학적 손상을 유발할 수 있다.[107][102] 다른 NMDA 수용체 길항제와 마찬가지로 N2O는 장기간(수 시간) 노출 시 쥐에게 올니 병변과 같은 뇌 손상을 유발할 수 있다는 보고가 있다.[108][109][110][111] 그러나 N2O는 일반적으로 신체에서 빠르게 배출되기 때문에 다른 NMDA 수용체 길항제보다 신경 독성이 덜할 가능성이 있다.[112] 쥐 실험에서 단기 노출은 회복 가능한 경미한 부상만 유발했으며, 신경 세포 사망은 지속적인 노출 후에만 관찰되었다.[108] 또한 저산소증으로 인해 신경 독성이 유발될 수 있는데, 이는 산소가 포함되지 않은 비의료용 제제(예: 휘핏)를 사용할 때 특히 위험하다.[113][114]

과다 사용자(한 번에 400g 또는 200L 이상의 N2O 가스 사용) 또는 빈번한 사용자(매일 또는 매주 정기적 사용)는 말초 신경 병증의 징후인 운동 실조(보행 이상) 또는 감각 이상(손발의 따끔거림, 무감각 등)을 보일 수 있으며, 이는 만성 독성을 나타낸다.[115] 일본에서는 아산화 질소 흡입이 원인이 되어 아급성 연합성 척수 변성증을 발병하여 반신불수 증상을 일으킨 사례도 보고되었다.[151]
비타민 B12 결핍아산화 질소에 장기간 노출되면 비타민 B12 결핍이 발생할 수 있다. N2O는 산화를 통해 비타민 B12의 코발라민 형태를 비활성화하기 때문이다.[119] 기존에 비타민 B12 결핍이 있는 사람이 N2O 마취에 노출되면 며칠 또는 몇 주 이내에 심각한 신경학적 증상(감각 신경 병증, 척수 병증, 뇌병증)이 나타날 수 있다. 증상은 고용량의 비타민 B12로 치료하지만 회복은 느리고 불완전할 수 있다.[120] 정상적인 비타민 B12 수치를 가진 사람들은 충분한 저장량을 가지고 있어 반복적이고 장기간 노출(N2O 남용)이 아닌 한 N2O의 영향을 무시할 수 있다. N2O 마취를 사용하기 전에 비타민 B12 결핍 위험 요인이 있는 사람들의 비타민 B12 수치를 확인하는 것이 권장된다.[121]
직업적 위험아산화 질소는 외과의사, 치과의사, 간호사 등 의료 종사자에게 심각한 직업적 위험이 될 수 있다. N2O는 인체 내에서 거의 대사되지 않으므로(0.004%), 환자가 내쉰 가스가 제대로 환기되지 않는 환경에서는 진료실 직원에게 중독을 일으키고 만성적인 노출을 유발할 수 있다. 폐가스 축적을 방지하기 위해서는 지속적인 신선한 공기 환기 시스템 또는 N2O 가스 제거 시스템이 필요할 수 있다. 미국 국립 산업안전 보건 연구원(NIOSH)은 의료, 치과 및 수의학 분야에서 마취 가스 투여 시 작업자의 N2O 노출 관리를 권고하며,[104] 유출된 마취제에 대한 권장 노출 기준(REL)을 25 ppm (46 mg/m3)으로 설정했다.[105]

아산화 질소에 노출되면 인지 능력, 시청각 예민함, 손재주의 단기적 손상과 공간 및 시간 감각 상실을 유발하여 사용자가 사고 부상의 위험에 처하게 된다.[106][33] 또한, 주변 아산화 질소에 대한 직업적 노출은 DNA 합성을 방해하여 DNA 손상과 관련이 있다는 연구 결과가 있으며, 이는 용량 의존적이다.[116][117][118]
기타 위험순수한 아산화 질소를 흡입하는 것은 산소 결핍을 유발하여 저혈압, 실신, 심지어 심장 마비를 초래할 수 있다. 이는 사용자가 가스통이나 기타 흡입 시스템에 연결된 스트랩 마스크를 사용하여 대량의 N2O를 지속적으로 흡입하거나, 호흡을 오래 참는 경우 발생할 수 있다.

쥐를 대상으로 한 몇몇 실험 연구에 따르면 임신한 암컷이 아산화 질소에 만성적으로 노출되면 발달 중인 태아에게 유해한 영향을 미칠 수 있다.[122][123][124]
오락적 사용의 위험성아산화 질소의 오락적 사용은 심각한 건강 문제로 이어질 수 있다. 많은 사용자들이 아산화 질소가 "안전한 환각"을 제공한다고 잘못 생각하지만, 과도한 소비는 신경학적 손상을 일으킬 수 있으며, 치료하지 않으면 영구적인 신경학적 손상을 초래할 수 있다.[102] 호주에서는 신경독성 및 응급실 입원 보고가 증가하면서 오락적 사용이 공중 보건 문제로 부상했으며, 일부 주에서는 판매를 제한하는 법안이 통과되었다.[107] 영국에서도 오락적 사용이 확산되어 2023년에는 소지 자체가 금지되고 클래스 C 약물로 분류되었다.[101] 일본에서도 2015년부터 남용 사례가 보고되어 2016년 지정 약물로 지정, 의료용 외 목적의 판매, 소지, 사용이 금지되었다.[149] 세계적으로 질식 및 사망 사고가 보고되었으며,[150] 남용으로 인한 심각한 건강 문제 발생 사례가 지속적으로 보고되고 있다.

6. 2. 폭발 위험

아산화질소는 강한 산화성을 가지고 있어 산소와 접촉할 경우 폭발할 위험이 있다.

추진체 오작동 사고에서 볼 수 있듯이, 아산화 질소는 연료나 부품 오염과 결합될 때 폭발을 일으킬 수 있다. 소량의 아산화 질소와 연료 혼합물은 워터 해머 현상과 유사한 효과(때때로 "디젤링"이라고 불림)로 인해 폭발할 수 있는데, 이는 기체의 단열 압축으로 인한 급격한 온도 상승이 분해 온도에 도달하기 때문이다.[126] 스테인리스 스틸이나 알루미늄과 같은 일부 일반적인 건축 자재조차도 아산화 질소와 같은 강한 산화제와 반응하여 연료 역할을 할 수 있다. 마찬가지로, 시스템 내 오염 물질도 단열 압축에 의해 점화될 수 있다.[127] 실제로 배관 내 아산화 질소가 분해되어 대형 탱크가 폭발한 사고 사례도 보고된 바 있다.[81]

6. 3. 환경 문제

장기 지속 온실 가스의 대기 중 농도 추이


아산화 질소(N2O)는 지구 온난화 지수(GWP)가 높은 온실 가스이다. 100년 기준으로 분자당 이산화 탄소(CO2)보다 대기 중 열 포집 능력이 265배 더 높으며,[57] 일산화 탄소보다는 약 20배 높다. 그러나 대기 중 농도가 CO2의 1/1,000 미만으로 낮기 때문에, 전체 온실 효과에 대한 기여도는 이산화 탄소의 1/3 미만이며 메탄보다도 낮다.[128] 대기 중 N2O의 약 40%가 인간 활동에서 비롯되므로,[65] 아산화 질소 배출 제어는 온실 가스 감축 노력의 중요한 부분이다.[129]

2016년까지 10년간의 N2O 배출원 및 흡수원에 대한 전 지구적 분석에 따르면, 연평균 17 TgN/yr (테라그램 질소, 연간 1,700만 톤)의 배출량 중 약 40%가 인간 활동에서 발생했으며, 배출량 증가는 주로 농업 확장에서 비롯된 것으로 나타났다.[8][9] 인간 활동으로 발생하는 아산화 질소의 대부분은 농부가 질소 기반 비료를 사용하거나 동물의 배설물이 분해될 때 발생하는 농업의 온실 가스 배출이다. 이러한 농업 부문 배출량 감축은 기후 변화 정치에서 중요한 쟁점이 될 수 있다.[130]

아산화 질소는 화석 연료 연소 시 부산물로도 방출되며, 방출량은 사용된 연료에 따라 다르다. 또한 질소 비료 합성에 사용되는 질산 제조 과정이나, 나일론 등 합성 섬유의 원료인 아디프산 생산 과정에서도 배출된다.[131]

대기 중 아산화 질소 농도 증가는 과거 세노만-투로니아 경계 사건 동안의 극심한 지구 온난화의 가능한 원인 중 하나로 지목되기도 한다.[132]

아산화 질소는 오존층 파괴에도 영향을 미친다. 2009년 연구에 따르면, N2O 배출은 가장 중요한 단일 오존 파괴 배출원이며 21세기에도 그럴 것으로 예상된다.[133][134]

7. 환경에 미치는 영향

아산화 질소(N2O)는 지구 대기의 미량 성분이며, 지구 질소 순환의 활성 부분이다. 전 세계 여러 지역에서 수집된 대기 샘플 분석에 따르면, 2017년 아산화 질소의 대기 중 농도는 330 ppb를 넘어섰다.[53] 이는 산업 혁명 이전인 1750년경의 270 ppb에 비해 20% 이상 증가한 수치이다.[55] 또한, 연간 약 1 ppb씩 농도가 증가하고 있으며, 이러한 증가 속도는 최근 수십 년 동안 더욱 빨라지고 있다.[54]

아산화 질소는 오존 파괴 지수(ODP)가 0.017[56]이며, 100년 기준 지구 온난화 지수(GWP)는 이산화 탄소의 273배에 달하는 강력한 온실 가스이다.[57] 대기 중 체류 시간은 약 116년으로 추정된다.[58]

2022년 IPCC는 1980년부터 2019년 사이 대기 중 아산화 질소 농도가 31.0 ± 0.5 ppb (10%) 증가했으며, 이는 주로 인간 활동으로 인한 자연 질소 순환의 교란 때문이라고 보고했다. 특히 합성 비료와 가축 분뇨의 사용, 그리고 토지 기반 농업과 화석 연료 연소로 인한 질소 침전이 주요 원인으로 지목되었다.[58] 아산화 질소는 온실 효과를 유발하고 오존층 파괴에도 영향을 미치는 주요 물질 중 하나이다.

7. 1. 온실 효과

아산화 질소(N2O)는 지구 온난화를 심화시키는 주요 온실 가스 중 하나이다.[57] 분자 하나당 100년 기준으로 이산화 탄소(CO2)보다 약 265~273배 더 강력하게 대기 중 열을 가두는 능력을 가져 지구 온난화 지수(GWP)가 매우 높다.[57] 하지만 대기 중 농도가 이산화 탄소의 1/1,000 미만으로 낮기 때문에, 전체 온실 효과에 대한 기여도는 이산화 탄소의 1/3 미만이며 메탄보다도 낮다.[128] 그럼에도 불구하고, 대기 중으로 배출되는 아산화 질소의 약 40%가 인간 활동에 의한 것이므로[65], 아산화 질소 배출을 통제하는 것은 온실 가스 감축 노력의 중요한 부분이다.[129]

아산화 질소(N2O)는 세계 각지의 기지에서 Advanced Global Atmospheric Gases Experiment(AGAGE)에 의해 하부 대기(대류권)에서 측정된다. 농도는 ppb로 오염되지 않은 월간 평균 몰 분율로 표시된다.


1978년 이후 아산화 질소 대기 농도


2000년 이후 아산화 질소 대기 연간 성장률




아산화 질소는 지구 대기의 미량 성분이며, 지구 질소 순환의 일부이다. 전 세계 여러 지역에서 수집된 대기 샘플 분석 결과, 2017년 아산화 질소의 대기 중 농도는 330 ppb를 넘어섰다.[53] 이는 산업 혁명 이전인 1750년경의 270 ppb에 비해 20% 이상 증가한 수치이다.[55] 또한, 연간 약 1 ppb씩 농도가 증가하고 있으며, 이러한 증가 속도는 최근 수십 년 동안 더욱 빨라지고 있다.[54]

아산화 질소의 주요 대기 특성은 다음과 같다.

속성값
오존 파괴 지수 (ODP)0.017[56] (CCl3F = 1)
지구 온난화 지수 (GWP: 100년)273[57] (CO2 = 1)
대기 중 체류 시간116 ± 9년[58]



2022년 IPCC 보고서에 따르면, 1980년부터 2019년까지 대기 중 N2O 농도가 31.0 ± 0.5 ppb (10%) 증가한 주요 원인은 인간 활동으로 인한 자연 질소 순환의 교란이다. 특히 합성 비료와 가축 분뇨 사용, 그리고 토지 기반 농업 및 화석 연료 연소로 인한 질소 침전이 큰 영향을 미쳤다.[58] 2016년을 기준으로 한 10년간의 분석 결과, 연평균 아산화 질소 배출량 17 TgN/yr (연간 1,700만 톤의 질소) 중 약 40%가 인간 활동에서 비롯되었으며, 이러한 배출량 증가는 주로 농업의 확장 때문인 것으로 나타났다.[8][9]

인간 활동에 의한 아산화 질소 배출의 대부분은 농업 부문에서 발생한다. 농경지에 질소 기반 비료를 사용하거나 동물의 배설물이 분해될 때 아산화 질소가 배출된다. 이러한 농업 관련 배출량을 줄이는 문제는 기후 변화 정치에서 중요한 쟁점이 되고 있다.[130]

아산화 질소는 화석 연료 연소 과정에서도 부산물로 배출되며, 배출량은 사용된 연료의 종류에 따라 다르다. 또한, 질소 비료 생산에 필요한 질산 제조 공정이나, 나일론과 같은 합성 섬유의 원료인 아디프산 생산 과정에서도 배출된다.[131]

과거 지질 시대의 기후 변화 연구에서는 대기 중 아산화 질소 농도 증가가 세노만-투로니아 경계 사건 당시의 극심한 지구 온난화의 원인 중 하나였을 가능성이 제기되기도 했다.[132]

아산화 질소는 온실 효과뿐만 아니라 오존층 파괴에도 영향을 미친다. 2009년 연구에 따르면, N2O 배출은 현재 가장 중요한 단일 오존 파괴 원인이며, 21세기 내내 이러한 경향이 지속될 것으로 예측된다.[133][134]

7. 2. 오존층 파괴

아산화 질소(N2O)는 오존층 파괴에도 관련이 있다.[133][134] 2009년 연구에 따르면, N2O 배출은 가장 중요한 단일 오존 파괴 배출원이며, 21세기에도 가장 큰 배출원으로 남을 것으로 예상되었다.[133][134] 아산화 질소의 오존 파괴 지수(ODP)는 0.017이다. 이는 트리클로로플루오로메탄(CCl3F)의 ODP 값을 1로 기준했을 때의 상대적인 값이다.[56]

7. 3. 발생원

아산화 질소(N2O)는 자연적으로도 발생하지만, 인간의 활동으로 인해 대기 중 농도가 크게 증가하고 있다. 이는 지구 온난화와 오존층 파괴에 영향을 미치는 중요한 온실 가스이다.
자연적 발생원아산화 질소는 지구 질소 순환의 자연적인 과정에서 생성되는 미량 기체이다. 주요 자연 발생원은 토양과 해양의 미생물 활동이다. 특히 다음과 같은 미생물 과정을 통해 아산화 질소가 발생한다.

  • 질산화 (Nitrification): 토양이나 물 속의 미생물이 암모니아(NH3)를 아질산염(NO2−)과 질산염(NO3−)으로 산화시키는 과정에서 일부 아산화 질소가 생성된다.
  • 탈질산화 (Denitrification): 산소가 부족한 환경에서 미생물이 질산염(NO3−)을 이용하여 호흡하면서 질산염을 질소 기체(N2)로 환원시키는데, 이 과정의 중간 생성물로 아산화 질소가 발생한다.


이러한 자연 발생 과정은 토양의 종류, 산도, 유기물 함량, 온도, 수분 등 다양한 환경 요인의 영향을 받는다.
인위적 발생원인간 활동은 아산화 질소 배출의 주요 원인으로 작용하며, 전체 배출량의 약 40%를 차지하는 것으로 추정된다.[8][9] 주요 인위적 발생원은 다음과 같다.

  • 농업 활동: 가장 큰 비중을 차지하는 배출원이다. 질소 비료의 사용, 가축의 분뇨 처리 과정, 농경지 관리 등에서 다량의 아산화 질소가 배출된다.[58] 특히 합성 비료 사용 증가는 토양 미생물의 질소 순환 과정을 변화시켜 아산화 질소 생성을 촉진한다.
  • 산업 공정: 질산(HNO3) 생산과 아디프산(Adipic acid) 생산 공정에서 부산물로 아산화 질소가 배출된다.[131] 질산은 주로 비료 생산에 사용되며, 아디프산은 나일론과 같은 합성 섬유 제조에 사용된다.
  • 화석 연료 연소: 발전소, 산업 시설, 자동차 등에서 석탄, 석유, 천연가스와 같은 화석 연료를 연소할 때도 아산화 질소가 발생한다.[58]
  • 폐기물 처리: 생활 하수 및 산업 폐수 처리 과정, 폐기물 소각 등에서도 아산화 질소가 배출될 수 있다.


IPCC는 1980년부터 2019년까지 대기 중 아산화 질소 농도가 10% (31.0 ± 0.5 ppb) 증가했으며, 이는 주로 합성 비료와 가축 분뇨 사용 증가 등 인간 활동에 의한 자연 질소 순환 교란 때문이라고 보고했다.[58] 2016년 기준으로 지난 10년간의 연평균 아산화 질소 배출량은 약 17 TgN/yr(연간 1,700만 톤의 질소에 해당)에 달하며, 이 중 인간 활동에 의한 기여분은 약 40%이며, 주로 농업 부문의 확장과 관련이 깊다.[8][9]

8. 법적 규제

대한민국에서는 2011년경부터 영국 등지에서 유행한 '풍선 가스', '시바 가스' 등의 이름으로 아산화 질소가 남용되기 시작했다. 이는 일본에서도 2015년부터 규제가 강화된 탈법 드럭을 대신하여 남용되는 경향을 보였다. 이에 대한민국 정부는 2016년 2월, 아산화 질소를 의약품 의료기기법에 따른 지정 약물로 지정하여 의료용 등 허가된 목적 외의 판매, 소지, 사용을 전면 금지하였다.[149]

다른 여러 국가에서도 아산화 질소의 오용 및 남용을 막기 위해 법적 규제를 시행하고 있다.

국가별 아산화 질소 규제 현황
국가규제 내용근거 법률/기관비고
일본의료용 등 목적 외 판매, 소지, 사용 금지 (2016년~)의약품 의료기기법 (지정 약물)탈법 드럭 대체 남용 문제로 규제 강화[149]
영국오락 목적 생산, 공급, 수입, 수출 금지 (2016년~).
소지 금지 (2023년 11월 8일~, 클래스 C 약물 분류).		향정신성 물질법 (2016),
1971년 약물 남용법 (2023)		2015년 런던 램버스 자치구 등 일부 지역 자체 금지 조치 시행.
소지 시 최대 2년 징역 또는 무제한 벌금.[101][137][138]
미국연방법상 소지는 합법.
식품의약국(FDA)이 인간 소비 목적 판매/유통 규제.
주(州)별 규제 상이 (예: 캘리포니아주는 오락 목적 소지 금지 및 경범죄 처벌).		식품, 의약품 및 화장품법 (FDA), 주법마약 단속국(DEA) 관할 아님.[139][140]
호주사우스오스트레일리아주에서 통(canister) 판매 제한 (2020년~).주법신경 독성 및 응급실 입원 증가로 공중 보건 문제 부상.[107]
뉴질랜드처방전 없는 판매 및 소지 금지.의약품법 (뉴질랜드 보건부)처방약으로 분류.[136]
인도의료용 마취 목적으로 대형 실린더에서 소형 휴대용 탱크로 옮기는 것은 합법.-[135]



이러한 규제는 아산화 질소의 오락적 사용으로 인한 질식 사고, 사망 사례, 신경 독성 문제[150][151] 등에 대응하기 위한 조치이다. 특히 영국에서는 2017년 바이스 다큐멘터리를 통해 병원에서 약물을 훔쳐 판매하는 암시장이 조명되기도 했으며,[99] 길거리에 버려지는 아산화 질소 통 문제도 사회적 불만을 야기했다.[100] 호주에서도 신경독성 및 응급실 입원 보고가 증가하면서 공중 보건 문제로 부상했다.[107]

9. 아산화 질소(웃음 가스)를 다룬 가상 작품


  • 007 카지노 로얄: 마지막 대결 장면에서 룰렛대가 아산화 질소를 분무하는 장치로 등장한다. 회전판이 떠올라 가스를 분무하고 벽에 부딪혀 폭발한다. 카지노 손님들은 크게 웃지만 정상적으로 행동하는데, 이는 실제 아산화 질소 흡입 효과와는 다르다.
  • 택시 NY: 주인공이 범죄 조직의 자동차 정비 공장에 침입했을 때, 가연성 가스로 오인하여 엔진 출력 향상용 아산화 질소 봄베를 연다. 가스를 마시고 웃음을 터뜨리지만 정상적으로 행동한다.
  • 잘 부탁해 메카독: 레이스를 위해 나이트러스 옥사이드 시스템을 장착하는 이야기가 나온다. 이때 아산화 질소에 대한 설명이 등장하며, 항상 웃는 캐릭터를 보고 "아산화 질소를 마셨냐?"고 놀리는 장면이 있다.
  • 완전범죄: 작품 속 피해자인 헤다를 살해하는 데 사용된다.

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