아자이드화 나트륨
1. 개요
아자이드화 나트륨은 화학식 NaN₃을 갖는 이온성 고체로, 에어백, 의약품, 유기 및 무기 합성 등 다양한 분야에서 활용된다. 빌리체누스 공정, 나트륨 아미드법, 히드라진법 등을 통해 제조되며, 강산과 반응하여 유독한 아자이드화 수소 기체를 생성한다. 열역학적으로 불안정하여 융점 부근에서 분해되며, 물에 잘 녹고 약염기성을 띤다. 치명적인 독성을 가지고 있어 섭취 시 저혈압, 실명, 간 괴사 등을 유발하며, 자살 목적으로 오용되는 사례도 보고된다.
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| IUPAC 명칭 | 아자이드화 나트륨 |
|---|---|
| 다른 이름 | 트리니트리드화 나트륨 Smite Azium |
| CAS 등록번호 | 26628-22-8 |
|---|---|
| ChemSpider ID | 30958 |
| ChEMBL | 89295 |
| ChEBI | 278547 |
| UN 번호 | 1687 |
| RTECS | VY8050000 |
| PubChem | 33557 |
| 화학식 | NaN3 |
|---|---|
| 분자량 | 65.0099 g/mol |
| 외형 | 무색 ~ 흰색 고체 |
| 냄새 | 무취 |
| 밀도 | 1.846 g/cm³ (20 °C) |
| 용해도 (물) | 38.9 g/100 mL (0 °C) 40.8 g/100 mL (20 °C) 55.3 g/100 mL (100 °C) |
| 용해도 (메탄올) | 2.48 g/100 mL (25 °C) |
| 용해도 (에탄올) | 0.22 g/100 mL (0 °C) |
| 다른 용매에 대한 용해도 | 암모니아에 매우 잘 녹음 벤젠에 약간 녹음 다이에틸 에터, 아세톤, 헥산, 클로로포름에 녹지 않음 |
| 녹는점 | 275 °C (격렬하게 분해됨) |
| pKa | 4.8 |
| 결정계 | 육방정계, hR12 |
|---|---|
| 공간군 | R-3m, No. 166 |
| 표준 생성 엔탈피 | 21.3 kJ/mol |
|---|---|
| 표준 깁스 자유 에너지 | 99.4 kJ/mol |
| 엔트로피 | 70.5 J/mol·K |
| 열용량 | 76.6 J/mol·K |
| GHS 그림 문자 | ' ' |
|---|---|
| GHS 신호어 | 위험 |
| H 문구 | '' |
| P 문구 | '' |
| NFPA 704 | 건강: 4 화재: 1 반응성: 3 |
| 인화점 | 300 °C |
| LD50 | 27 mg/kg (경구, 쥐/마우스) |
| PEL | 해당 없음 |
| IDLH | N.D. |
| REL | C 0.1 ppm (HN3 기준) [피부] C 0.3 mg/m³ (NaN3 기준) [피부] |
| 관련 음이온 | 사이안화 나트륨 |
|---|---|
| 관련 양이온 | 아자이드화 칼륨 아자이드화 암모늄 |
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아자이드 -
지도부딘
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아자이드 -
아자이드화 납(II)
아자이드화 납(II)은 폭발성이 강한 납의 아자이드 화합물로, 질산 납(II) 용액과 아자이드화 나트륨의 반응으로 제조되며 뇌관으로 사용되었으나 현재는 사용량이 감소하고 안전한 보관 및 처리에 대한 연구가 진행 중이다. -
무기 화합물 -
산화 수은(II)
산화 수은(II)는 화학식 HgO를 갖는 수은의 산화물로, 350°C에서 수은을 가열하거나 질산수은(II)를 열분해하여 생성되며, 수은 생산, 수은 전지 음극 재료로 사용되지만 독성이 강하다. -
무기 화합물 -
염화 암모늄
염화 암모늄은 분자량 53.50의 흰색 결정성 고체 화합물로, 물에 잘 녹고 가열 시 암모니아와 염화 수소 기체로 분해되며, 비료, 전지 전해액, 융제, 의약품, 식품 첨가물 등 다양한 용도로 사용된다. -
나트륨 화합물 -
몬모릴로나이트
몬모릴로나이트는 층상구조 점토광물로 이온 교환 능력과 높은 수분 흡수력을 가지며, 토목공학, 유화 작용, 티크소트로피 등의 특징을 보이고, 알칼리성 토양 및 열수 변질 작용으로 생성되어 다양한 산업 분야와 환경 정화에 활용되며 인체 건강 및 환경 영향에 대한 연구가 진행 중이다. -
나트륨 화합물 -
염화 나트륨
염화 나트륨은 염화물 이온과 나트륨 이온으로 구성된 백색 고체 이온 결정으로, 짠맛을 내며 융점은 800.4℃이고, 다양한 용도로 사용되며 겨울철 제설에도 활용되는 정염의 일종이다.
2. 구조
아자이드화 나트륨은 이온성 고체이다. 능면체와 육방정계의 두 가지 결정 형태를 가진다. 두 형태 모두 층상 구조를 갖는다. 아자이드 음이온(N₃⁻)은 각 형태에서 매우 유사하며, N-N 거리가 1.18 Å인 중심대칭이다. 나트륨 이온(Na⁺)은 팔면체 구조를 갖는다. 각 아자이드는 6개의 나트륨(Na⁺) 중심과 연결되어 있으며, 각 말단 질소 중심에 세 개의 Na-N 결합이 있다.
3. 제조
빌리체누스 공정은 아자이드화 나트륨을 합성하는 일반적인 방법으로, 액체 암모니아에서 두 단계로 진행된다. 첫 번째 단계에서 암모니아는 금속 나트륨에 의해 나트륨 아미드로 변환된다.
:2 Na + 2 NH3 → 2 NaNH2 + H2
이 반응은 금속 나트륨이 암모니아의 프로톤에 전자를 제공하여 수소 기체로 환원되는 산화 환원 반응이다. 나트륨은 액체 암모니아에 쉽게 녹아 용매화 전자를 생성하며, 이로 인해 용액은 파란색을 띤다. 이 반응으로 Na+ 및 NH2- 이온이 생성된다.
두 번째 단계에서 나트륨 아미드는 아산화 질소와 결합한다.
:2 NaNH2 + N2O → NaN3 + NaOH + NH3
이 반응은 2004년 기준 연간 약 250톤의 아자이드화 나트륨을 생산하는 산업적 경로의 기초가 되었으며, 에어백 사용 증가로 인해 생산량이 증가했다.
아자이드화 나트륨을 제조하는 다른 방법은 다음과 같다.
* 나트륨 아미드법 (고온법, 중온법, 저온법): 나트륨 아미드와 아산화 질소를 반응시킨다.
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고온법은 나트륨 아미드 분말과 아산화 질소를 150-250℃에서 가열한다. 중온법은 유동 파라핀에 나트륨 아미드를 현탁시켜 150-180℃에서 가열한다. 저온법은 나트륨 아미드를 액체 암모니아에 녹여 10-30℃에서 아산화 질소를 불어넣는다.
* 히드라진법: 아질산 나트륨과 히드라진을 반응시킨다.
:NaNO2 + N2H4 → NaN3 + 2 H2O
수화 히드라진에 수산화 나트륨 또는 나트륨 메톡시드 등의 나트륨 알콕시드의 알코올 용액을 첨가하고, 아질산 에틸 등의 액상 아질산 알킬을 첨가하는 방법도 있다.
:N2H4·H2O + NaOH + R-ONO → NaN3 + R-OH + 3H2O
:N2H4·H2O + R-ONa + R'-ONO → NaN3 + R-OH + R'-OH + H2O
히드라진법은 나트륨 아미드법에 비해 공정이 간단하고 폭발 위험성은 적지만, 경제성이 낮고 생성되는 아자이드화 나트륨 결정의 순도가 낮다. 부생성물 생성률이 높아 고순도 제품을 얻기 위해서는 재결정 등의 정제 조작이 필요하다.
* 질산 나트륨과 나트륨 아미드를 반응시킨다.
:NaNO3 + 2NaNH2 → NaN3 + 2NaOH
4. 화학 반응
아자이드화 나트륨은 강산과 반응하여 매우 유독한 기체인 아자이드화 수소(HN3)를 생성한다.
: H+ + N3- → HN3영어
수용액에서는 아자이드화 수소와 평형을 이룬다.
: N3- + H2O ⇌ HN3 + OH-영어, K = 10−4.6
아자이드화 나트륨은 아질산(HNO2)으로 처리하여 파괴할 수 있다. 이때 아질산은 불안정하여 수용액에서 빠르게 분해되므로, 현장 반응으로 제조된 것을 사용해야 한다. 이 반응은 생성된 일산화 질소(NO) 기체 또한 유독하며, 아질산 생성을 위한 산 첨가 순서가 잘못되면 유독성 기체인 아자이드화 수소가 생성되므로 주의해야 한다.
: 2 NaN3 + 2 HNO2 → 3 N2 + 2 NO + 2 NaOH영어
아자이드화 나트륨은 생성 엔탈피가 양수이며, 열역학적으로 불안정하다. 융점 부근에서 다음과 같은 반응이 일어나 질소와 나트륨으로 분해된다.
: 2NaN3 -> 2Na + 3N2영어
갑자기 가열하면 폭발 위험성이 있지만, 중금속 원소의 아자이드와 비교하면 충격에 의한 폭발성은 없다. 이는 나트륨이 매우 강한 전기 양성을 띠는 원소이기 때문이다.
물에 매우 잘 녹으며(17 ℃에서 42g/100ml), 약염기성을 띤다. 이황화 탄소나 많은 금속과 반응하여 폭발성이 높은 아자이드를 형성하며, 산과 반응하여 폭발성과 자극적인 냄새를 지닌 유독 가스인 아자이드화 수소를 발생시킨다.
아자이드 이온 N3−는 직선형 구조를 가지며 공명하고, N−N 결합 거리는 1.15Å이다.
: N^{2-} - N^+ \equiv N <-> N^- = N^+ = N^- <-> N \equiv N^+ - N^{2-영어}
5. 이용
아자이드화 나트륨은 오셀타미비르(타미플루) 등 다양한 의약품 합성에 사용되는 중요한 의약 중간체이며, 자동혈구계산기계, 방부제, 살균제, 자동차 에어백, 농업용 살충제 및 살균제 등으로 사용된다.
과거 에어백에는 산화제, 아자이드화 나트륨, 점화제, 촉진제 등이 혼합되어 있었다. 자동차 충돌 시 전자 제어 장치에 의해 이 혼합물이 폭발한다.
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이 반응은 아자이드화 나트륨을 약 300°C로 가열해도 발생한다. 이때 생성되는 나트륨은 잠재적 위험성이 있어, 자동차 에어백에서는 질산 칼륨, 이산화 규소 등과 반응시켜 무해한 규산나트륨으로 변환된다. 현대 항공기 비상 탈출 슬라이드에는 여전히 아자이드화 나트륨이 사용되지만, 최신 자동차 에어백에는 니트로구아니딘, 질산 구아니딘 등 덜 민감한 폭발물이 사용된다. 일본에서는 2000년부터 인체 및 환경에 대한 영향을 고려하여 자동차 에어백에 아자이드화 나트륨 사용이 금지되었다.
아자이드화 나트륨은 폭발 위험성 때문에 산업 규모의 유기 합성에서는 제한적으로 사용된다. 실험실에서는 할로젠화물 치환 반응을 통해 아자이드 작용기를 도입하는 데 사용된다. 이후 아자이드 작용기는 에탄올에서 또는 수소화 알루미늄 리튬으로 환원되거나, 트리페닐포스핀과 같은 3급 포스핀을 이용한 Staudinger 반응, 라니 니켈 또는 황화 수소와 피리딘을 통해 변환될 수 있다.
아자이드화 나트륨은 폭약으로 사용되는 납 아자이드, 은 아자이드 등 다른 무기 아자이드 화합물의 전구체이다. 이러한 아자이드 화합물은 아자이드화 나트륨보다 조기 폭발에 더 민감하여 활용 분야가 제한적이다. 납 아자이드와 은 아자이드는 아자이드화 나트륨과 각각의 질산염(주로) 또는 아세트산염 간의 이중 치환 반응을 통해 생성할 수 있다. 아자이드화 나트륨은 수용액에서 특정 알칼리 토금속 염화물(예: 염화 바륨, 염화 스트론튬)과 반응하여 아자이드화 바륨, 아자이드화 스트론튬을 생성할 수 있으며, 이들 역시 비교적 민감한 1차 폭발성 물질이다. 이러한 아자이드는 용액에서 조심스럽게 건조하여 회수할 수 있다.
아자이드화 나트륨은 유용한 탐침 시약이자 생화학 용액의 항균 보존제로 사용된다. 과거에는 머큐로살과 클로로부탄올이 생화학 용액 보존을 위한 아자이드 대체제로 사용되기도 했다.
아자이드화 나트륨은 락토퍼옥시다아제의 즉각적인 억제제로, 락토퍼옥시다아제에 의해 촉매되는 125I 단백질 방사성 동위원소 표지 실험을 중단하는 데 유용하다.
병원과 실험실에서는 살균제로 사용되며, 특히 벌크 시약 및 표준 용액에서 그람 음성균의 시토크롬 산화효소를 억제하여 정균제 역할을 한다. 그러나 일부 그람 양성균(연쇄상구균, 폐렴 연쇄구균, 젖산균)은 본질적으로 내성을 갖는다.
농업에서는 뿌리혹선충(Meloidogyne incognita)이나 나선선충(Helicotylenchus dihystera)과 같은 토양 병원균 방제에 사용된다. 또한 돌연변이 유발 물질로 사용되어 벼, 보리, 귀리 등 식물 품종 개량에 활용된다.
유기 합성 화학에서는 할로겐화 알킬로부터 유기 아자이드를 제조할 때 친핵체로 사용된다.
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다른 금속 아자이드 화합물 합성, 순수 나트륨 및 질소 획득, 수질 분석에서 윙클러-아자이드화 나트륨 변법으로 용존 산소량(DO) 측정 시 아질산에 의한 방해를 막기 위해 사용된다. 이산화황, 아황산 분석 시에도 아질산에 의한 방해를 막기 위해 사용된다.
에이즈 치료제인 아지도티미딘의 원료이며, 아자이드화 수소, 아자이드화 수소산 에스테르, 아자이드의 원료이다. 물리화학적 측정에서 시료 셀(sample cell)과 참조 셀(reference cell)이 있는 측정 장치(ITC·DSC)는 참조 셀에 아자이드화 나트륨을 사용하여 방부제 역할을 한다.
6. 안전성
아자이드화 나트륨은 시안화물과 유사한 독성을 가지며, 극소량으로도 증상을 유발할 수 있다. 섭취하거나 흡입하면 추체외로 증상, 저혈압, 실명, 간 괴사, 사이클릭 GMP 수치 증가를 유발할 수 있다. 심한 경우 경련, 의식불명, 호흡 부전 등을 일으켜 사망에 이를 수 있으며, 뇌와 폐의 부종이 발생할 수 있다.
아자이드화 나트륨은 위산과 반응하여 아자이드화 수소를 생성하므로, 섭취 시 치료자에게 2차 피해를 줄 위험이 있다. 일본에서는 의료진에게 "현기증", "두통", "눈의 통증" 등의 2차 피해가 발생한 사례가 보고되었다.
아자이드화 나트륨 용액은 금속과 반응하여 충격에 민감하고 폭발성이 있는 금속 아자이드 침전물을 생성할 수 있다. 따라서 실험실에서 아자이드화 나트륨 용액을 다룰 때는 비금속 용기를 사용하고, 폐기 시에는 배수구를 통해 하수 시스템으로 직접 버리지 않도록 주의해야 한다. 배관 시스템의 금속과 반응하여 수년 동안 축적될 수 있는 고도로 민감한 금속 아자이드 결정을 형성할 수 있기 때문이다.