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암모니아

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목차

1. 개요

암모니아는 고대 이집트에서 유래된 무색 기체로, 질소와 수소로 이루어져 있으며, 삼각뿔 형태의 분자 구조를 가진다. 8세기부터 연금술에서 다루어졌고, 1913년 하버-보슈법 개발로 대량 생산이 가능해졌다. 암모니아는 비료, 냉각제, 폭발물, 화학 제품 생산 등에 사용되며, 특히 비료의 원료로 널리 사용된다. 액체 암모니아는 용매로 사용되며, 암모니아수는 염기성을 나타낸다. 암모니아는 독성이 있어 안전에 유의해야 하며, 작업 시 보호 장비를 착용해야 한다.

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암모니아 - [화학 물질]에 관한 문서
암모니아
암모니아 분자의 입체 구조식
암모니아 분자의 입체 구조식
암모니아 분자의 볼-앤-스틱 모델
암모니아 분자의 볼-앤-스틱 모델
암모니아 분자의 공간 채움 모델
암모니아 분자의 공간 채움 모델
성질
구조
열화학
위험성
관련 화합물

2. 역사

고대부터 염화 암모늄을 얻는 방법은 알려져 있었는데, 염화 암모늄은 이집트의 태양신 암몬의 사원 근처에서 산출된다고 하여 "암몬의 염"이라고도 불렀다. '암모니아'와 '암모늄'이라는 이름도 여기에서 유래하였다.[244] '함모니아쿠스 살(Hammoniacus sal)'이라는 용어가 플리니우스의 《박물지》에도 등장한다.[245]

자비르 이븐 하이얀은 9세기에 암모니아에 대해 저술했다


8세기 무렵 중세 이슬람 연금술사들은 암모니아를 중요하게 다루어 기록하였다. 암모니아에 대한 실험 기록을 처음으로 남긴 사람은 자비르 이븐 하이얀이었다.[246] 13세기 들어 알베르투스 마그누스와 같은 유럽의 연금술사들이 이슬람의 기록을 받아들여 염화 암모늄을 다루기 시작하였다.[245] 15세기에는 바실리우스 발렌티누스가 염화 암모늄에 알칼리를 반응시켜 암모니아를 얻을 수 있음을 밝혀냈다. 중세 시대에 염화 암모늄은 황소의 발굽과 뿔을 증류시킨 뒤 함께 발생하는 탄산염을 염산으로 중화시켜 얻었는데, 이 시기의 "뿔의 정령"이라는 이름은 암모니아를 뜻했다.[245][247]

기체 상태의 암모니아는 1774년 조지프 프리스틀리가 처음으로 분리하였고, 그는 그것을 '알칼리성 공기'라고 불렀다.[248] 1777년 칼 빌헬름 셸레는 암모니아에 질소가 포함되어 있음을 밝혔고, 클로드 루이 베르톨레는 1785년경에 암모니아의 조성을 확정하였다.[249] 1880년대부터 상업적인 암모니아 생산이 시작되었는데, 이때는 암모니아를 석탄 건류 과정의 부산물로써 얻어냈다. 1913년 프리츠 하버와 카를 보슈가 개발한 하버-보슈법은 암모니아의 생산량을 크게 증가시켰다. 현재 암모니아는 공업적으로 가장 많이 생산되는 화합물 중 하나이다.[250]

이 고압 암모니아 반응기는 1921년 독일 루트비히스하펜(Ludwigshafen)의 바스프(BASF)에서 건설되었으며, 독일 카를스루에 대학교(University of Karlsruhe) 구내에 재건립되었다.


2019년 기준 세계 최대 암모니아 생산국은 중국으로 연간 약 5만 톤을 생산하며, 그 다음은 러시아, 인도, 미국, 인도네시아 순이다.[294] 한편, 대한민국에서는 과거 충주비료에서 액상 암모니아를 연간 1천 톤 생산할 수 있는 능력을 보유한 바 있었다. 2020년을 전후하여 그린 암모니아 생성 기술은 유럽과 일본 등에서 미래 자원 에너지로 지정되었다.[295][296][297][298][299]

3. 성질

암모니아 분자는 삼각뿔 형태이며, 질소 원자에 비공유 전자쌍이 존재하여 염기로 작용한다.[251] 원자가껍질 전자쌍 반발(VSEPR) 이론으로 예측 가능한 이 구조는 질소 원자가 sp3 혼성 오비탈을 이루고 있다고 설명한다.[252] 질소 원자의 비공유 전자쌍 때문에 양성자 받개 역할을 하며, 분자 구조로 인해 쌍극자 모멘트가 0이 아니므로 극성 분자이다. N-H 결합 길이는 1.014Å(0.1014 nm)이고, H-N-H 결합각은 107°이다.[241] 또한 수소 결합을 한다.

질소 원자의 진동


삼각뿔 꼭짓점의 질소 원자는 터널 효과에 따라 수소 원자로 이루어진 삼각형 밑면을 쉽게 통과한다. 질소 원자는 삼각뿔 밑면 위아래 양쪽에 안정적으로 위치하며, 두 위치를 이동할 때 에너지 장벽이 낮아 상하로 공명한다. 이 성질은 원자 시계에 이용된다.[253]

암모니아는 특유의 매운 냄새가 나는 무색의 기체이며, 공기보다 가볍다. 분자 간 강한 수소 결합으로 쉽게 액화되어 무색의 액체로 변하며, -33.1°C에서 끓고, -77.7°C에서 무색 결정으로 얼어붙는다.[24]

액체 암모니아 병


액체 암모니아 용액은 열역학적으로 매우 좁은 안정성 범위를 가진다. 이산화질소로의 산화 전위(''E''° (N2 + 6 [NH4]+ + 6 e− ⇌ 8 NH3))는 +0.04 V에 불과하다. 이산화질소로의 산화와 이수소로의 환원은 모두 느리다. 알칼리 금속 용액은 수일 동안 안정하며, 금속 아마이드와 이수소로 서서히 분해된다. 액체 암모니아를 이용한 연구는 대부분 환원 조건에서 수행된다. 액체 암모니아의 산화는 느리지만, 전이 금속 이온이 촉매로 존재하면 폭발 위험이 있다.

암모니아 분자는 질소 원자를 중심으로 3개의 수소 원자와 한 쌍의 비공유 전자쌍이 사면체 구조를 이룬다. 상온 상압에서 무색, 자극적인 냄새를 가진 가연성 기체이며, 물에 잘 녹아 염기성을 띤다.

다양한 산과 반응하여 암모늄염을 생성하고, 유기 반응에서 친핵체로 작용한다. 할로겐화알킬과 반응하여 아민을, 카르복실산 할로겐화물이나 카르복실산 무수물과 반응하여 아미드를 생성한다. 염화수소(염산) 근처에서는 염화암모늄(NH4Cl)의 백색 연기가 발생하고, 네슬러 시약에서는 갈색 침전이 생긴다. 젖은 리트머스 시험지를 푸르게 변화시킨다.

암모니아는 액화가 쉽고, 20℃에서 0.857 MPa(8.46기압)에서 액화한다. 끓는점이 -33℃로 높아, 추운 지역에서는 겨울철에 자연 액화될 수 있다. 액체 암모니아는 물과 비슷하게 다양한 물질을 용해하며, 액체 자체도 수용액과 유사한 성질을 보인다.

액체 암모니아 내에서는 약한 자체 이온화가 일어나며, -33℃(끓는점)에서 이온곱은 K_\mbox{s} = 10^{-32.5}이다.[193]

: 2NH3 <=> (NH4^+) + NH2^- ,

액체 암모니아의 흰색 용기. 일본에서는 내용물에 따라 도장 색깔이 정해져 있다.


액체 암모니아는 단체 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 유로피움 등을 용해한다. 세슘의 용해도가 매우 크며, 희박 용액은 용매화 전자에 의해 청색을 띠지만, 농후 용액은 금속 광택을 가진 청동과 같은 액체가 된다. 금속 나트륨 용액은 버치 환원 등에 이용되며, 고농도에서는 금속적인 전도 거동을 보인다.

유전율은 -33℃에서 22.4로 물보다 낮다. 무기염류의 용해도는 낮지만, 암모니아의 배위 능력에 따라 요오드화은(AgI) 등은 잘 녹는다.

점막 자극성이 강하며, 0.1% 이상 농도의 가스 흡입은 위험하다. 악취방지법에 따른 특정악취물질이며, 독극물 및 극물 취급법에서 극물로 지정되어 있다. 일본 고압가스보안법에서는 독성 및 가연성 가스로 지정, 흰색 보관용기에 "독성" 등을 빨간색으로 표시한다.[194] 액체 비산 시 위험하며, 눈에 들어가면 실명 가능성이 높다.[194] 고농도 가스 흡입은 자극 쇼크로 호흡 정지를 유발할 수 있다.[195] 혈중 농도 증가는 중추신경계에 작용하여 의식 장애를 일으킨다.

'''급성 독성'''[195]

  • 흡입 랫드 LC 2000ppm/4hr
  • 흡입 마우스 LC 4230ppm/4hr
  • 흡입 토끼 LC 7 mg/m3/1hr
  • 흡입 고양이 LC 7 mg/m3/1hr
  • 경구 랫드 LD 350 mg/kg


인체에서 섭취한 단백질이 간에서 분해될 때 암모니아가 생성되고 요소로 변화한다. 간 기능 저하 시 "땀에서 암모니아 냄새"를 느낄 수 있다.[196] 암모니아 흡입은 양에 따라 위험하므로 혈액 중 농도를 측정한다. 수산물 등은 환경수 중 농도를 측정한다.

공기 중 인화성은 알려져 있지 않다. 발화점은 651℃이며, 공기 중 16~25%에서 폭발성 가스가 생성된다. 액체 암모니아는 할로겐, 강산과 격렬히 반응하여 폭발·비산한다. 산소 중에서는 연소하여 질소산화물을 발생시킨다.[198]

암모니아는 물에 매우 잘 녹는다. 이는 극성 암모니아 분자가 극성이 더 강한 물 분자와 수소 결합을 형성하기 때문이다. 암모니아의 용해 과정은 다음과 같다.

: NH3(g) <=> NH3(aq)

암모니아 용해의 열역학적 특성은 다음과 같다.

\mathit{\Delta} H^\circ\mathit{\Delta} G^\circ\mathit{\Delta} S^\circ \mathit{\Delta} Cp^\circ
암모니아의 용해-34.13 kJ mol-1-10.05 kJ mol-1-81.2 J mol-1K-159 J mol-1K-1



암모니아수는 일부 해리하여 암모늄 이온(NH4+)과 수산화 이온(OH-)을 생성하여 염기성을 나타낸다.

: NH3(aq) + H2O(l) <=> NH4^+(aq) + OH^{-}(aq), Kb = 1.8 \times 10^{-5}

: \mbox{p}K_{b} = 4.75 \,



'''암모늄 이온'''()은 암모니아에 수소 이온이 배위 결합하여 생성되며, 암모니아수의 이온화에 의해서도 일부 생성되는 1가의 양이온이고, 오늄 이온의 일종이다. 정사면체형 구조를 취한다.

3. 1. 물리적 성질

암모니아는 표준 상태에서 특유의 자극적 냄새가 나는 무색의 기체로 존재한다. 밀도는 0.771g/l(리터당 그램)이며, 이는 공기의 0.5971배에 해당한다. 상온에서도 압축시키면 비교적 간단하게 액화시킬 수 있다. 쌍극자 모멘트는 1.48D이다. 녹는점은 -77.7°C, 끓는점은 -33.4 °C, 임계 온도는 132.5 °C이고, 임계 압력은 112.5atm이다. 생성열은 46.23kJ/mol(몰당 킬로줄), 융해열은 5.653kJ/mol, 기화열은 23.35kJ/mol이다.[241][253]

암모니아는 물에 잘 녹는 물질이다. 용액의 어는점에서 암모니아는 질량 퍼센트로 약 45퍼센트까지 녹을 수 있으며 표준 상태에서 암모니아는 질량 퍼센트로 약 30퍼센트까지 녹을 수 있다. 용해도는 0 °C의 물에 89.9g/100ml(100밀리리터당 그램), 20 °C의 물에 52.0g/100ml, 96 °C의 물에 7.4g/100ml이며 20 °C의 에탄올에서의 용해도는 14.8g/100ml이다. 에테르에도 녹는다.

암모니아의 온도별 증기압은 다음과 같다.[254]

온도-33 °C4.7 °C20 °C25.7 °C50.1 °C
증기 압력1atm5atm8atm10atm20atm



기체 암모니아는 무색의 액체로 변하며, -33.1°C에서 끓고, -77.7°C에서 무색의 결정으로 얼어붙는다.[24]

결정 대칭은 입방체이며, 피어슨 기호 cP16, 공간군 P213 No.198, 격자 상수 0.5125 nm이다.[25]

액체 암모니아는 −35 °C에서 22라는 높은 유전율(''ε'')을 가져 강한 이온화 능력을 보인다.[26] 액체 암모니아는 매우 높은 증발열(23.5 kJ/mol, 물은 40.65 kJ/mol, 메탄은 8.19 kJ/mol, 포스핀은 14.6 kJ/mol)을 가지며, 가압 또는 냉장 용기에 보관하여 운송할 수 있다. 그러나 표준 온도 및 압력에서 액체 무수 암모니아는 증발한다.[28]

포화 액체 암모니아의 열적 및 물리적 특성은 다음과 같다.[31][34]

포화 액체 암모니아의 열적 및 물리적 특성
온도
(°C)		밀도
(kg/m3)		비열
(kJ/(kg·K))		동점도
(m2/s)		열전도도
(W/(m·K))		열확산도
(m2/s)		프란틀 수체적 탄성률
(K−1)
−50703.694.4634.35×10−70.5471.74×10−72.6
−40691.684.4674.06×10−70.5471.78×10−72.28
−30679.344.4763.87×10−70.5491.80×10−72.15
−20666.694.5093.81×10−70.5471.82×10−72.09
−10653.554.5643.78×10−70.5431.83×10−72.07
0640.14.6353.73×10−70.5401.82×10−72.05
10626.164.7143.68×10−70.5311.80×10−72.04
20611.754.7983.59×10−70.5211.78×10−72.022.45×10−3
30596.374.893.49×10−70.5071.74×10−72.01
40580.994.9993.40×10−70.4931.70×10−72
50564.335.1163.30×10−70.4761.65×10−71.99



대기압에서 암모니아 ()의 열적 및 물리적 특성은 다음과 같다.[31][34]

대기압에서 암모니아 ()의 열적 및 물리적 특성
온도
(K)		온도 (°C)밀도
(kg/m3)		비열
(kJ/(kg·K))		점도
(kg/(m·s))		동점도
(m2/s)		열전도도
(W/(m·K))		열확산도
(m2/s)		프란틀 수
273-0.150.79292.1779.35×10−61.18×10−50.02201.31×10−50.90
32349.850.64872.1771.10×10−51.70×10−50.02701.92×10−50.88
37399.850.5592.2361.29×10−51.30×10−50.03272.62×10−50.87
423149.850.49342.3151.47×10−52.97×10−50.03913.43×10−50.87
473199.850.44052.3951.65×10−53.74×10−50.04674.42×10−50.84
480206.850.42732.431.67×10−53.90×10−50.04924.74×10−50.822
500226.850.41012.4671.73×10−54.22×10−50.05255.19×10−50.813
520246.850.39422.5041.80×10−54.57×10−50.05455.52×10−50.827
540266.850.37952.541.87×10−54.91×10−50.05755.97×10−50.824
560286.850.37082.5771.93×10−55.20×10−50.06066.34×10−50.827
580306.850.35332.6132.00×10−55.65×10−50.06386.91×10−50.817



액체 암모니아는 널리 연구된 비수성 이온화 용매이다. 가장 두드러진 특징은 알칼리 금속을 용해시켜 용매화된 전자를 포함하는 진한 색의 전기 전도성 용액을 형성하는 능력이다. 액체 암모니아에서의 많은 화학 반응은 수용액에서의 관련 반응과 유사하게 분류될 수 있다. 와 물의 물리적 특성을 비교하면 는 녹는점, 끓는점, 밀도, 점도, 유전율 및 전기 전도도가 더 낮다. 이러한 차이는 적어도 부분적으로 의 더 약한 수소 결합 때문이다. −50 °C에서 액체 의 이온 자기 해리 상수는 약 10−33이다.[31]

액체 암모니아 내 염의 용해도는 다음과 같다.

용해도 (액체 100g 당 염 g)
초산암모늄253.2
질산암모늄389.6
질산리튬243.7
질산나트륨97.6
질산칼륨10.4
불화나트륨0.35
염화나트륨157.0
브롬화나트륨138.0
요오드화나트륨161.9
티오시안산나트륨205.5



액체 암모니아는 물보다는 약하지만 이온화 용매이며, 많은 질산염, 아질산염, 시안화물, 티오시안산염, 금속 사이클로펜타디에닐 착물 및 금속 비스(트리메틸실릴)아마이드를 포함한 다양한 이온 화합물을 용해시킨다.[31] 할로겐화물 염의 용해도는 플루오린화물에서 요오드화물로 증가한다. 질산암모늄의 포화 용액 ('''다이버스 용액''')은 암모니아 몰당 0.83몰의 용질을 함유하며, 25°C에서도 1bar 미만의 증기압을 갖는다.[32]

액체 암모니아는 모든 알칼리 금속과 전기 양성 금속, 예를 들어 Ca,[33] Sr, Ba, Eu 및 Yb (또한 전해질 공정을 사용하는 Mg[34])을 용해시킨다. 낮은 농도(<0.06 mol/L)에서 짙은 파란색 용액이 형성된다.

액체 암모니아 내부에서는 약한 자체 이온화가 있으며, -33℃(끓는점)에서의 이온곱은 다음과 같다.[193]

: 2NH3 <=> (NH4^+) + NH2^- , \quad K_\mbox{s} = 10^{-32.5}

액화된 암모니아는 바르히 환원의 용매로 사용된다. 증발열이 크기 때문에 (5.581 Kcal/mol), 냉장기·냉동기의 냉매로 이용되었으나, 소형 기기에서는 흡수식 냉동기를 제외하고는 대부분 프레온 등으로 대체되었다. 하지만 새로운 냉매에 비해 오존층 파괴 계수가 적다는 점에서 최근 이 용도로 재평가되고 있다.[213]

3. 2. 화학적 성질

암모니아는 염기성을 띠며, 산과 반응하여 암모늄염을 생성한다.[37] 예를 들어, 염산과 반응하면 염화암모늄을, 질산과 반응하면 질산암모늄을 생성한다. 완전히 건조된 암모니아 기체는 완전히 건조된 염화수소 기체와 반응하지 않으며, 반응을 위해서는 수분이 필요하다. 진한 암모니아와 염산 용액이 담긴 병을 열면 염화암모늄 구름이 생성되는 실험을 통해 이를 확인할 수 있다.

:: NH_3 + HCl \ \longrightarrow \ NH_4Cl

전이 금속과 배위 결합하여 착화합물을 형성할 수 있다. 예를 들어, 암모니아는 구리 이온에 배위되어 다음과 같은 반응을 일으킨다.

:: Cu^2+ \ + 4NH_3 \ \longrightarrow \ [Cu(NH_3)_4]^2+

사암모늄화 구리 ([Cu(NH3)4]2+)


암모니아는 루이스 염기로 작용하여 전자쌍을 제공하는 반응에 참여한다. 예를 들어, 삼플루오르화 붕소와 반응하는 경우는 다음과 같다.

::


삼암모니아와 플루오르화 붕소의 결합


암모니아는 강한 환원제로 작용할 수 있으며, 산화·환원 반응에 관여한다. 백금 촉매 존재 하에 암모니아는 일산화 질소로 산화된다.[257]

:: 4NH_3 \ + 5O_2 \ \longrightarrow \ 4NO \ + 6H_{2}O

촉매가 없는 경우, 암모니아는 산소와 반응하여 연소하며, 질소와 물을 생성한다.

:: 4NH_3 \ + 3O_2 \ \longrightarrow \ 2N_2 \ + 6H_{2}O

암모니아는 할로젠과 반응하여 산화되어 질소를 생성하고, 생성된 할로젠화 수소는 다시 암모니아와 결합하여 염을 만든다. 암모니아가 염소와 반응할 때의 반응식은 다음과 같다.

:: 2NH_3 \ + 3Cl_2 \ \longrightarrow \ 2N_2 \ + 6HCl

:: HCl \ + NH_3 \ \longrightarrow \ NH_{4}Cl

염소가 과잉으로 존재하면 폭발성의 황색 기름인 삼염화 질소가 생성될 수 있으므로 주의해야 한다.

:: NH_{4}Cl \ + 3Cl_2 \ \longrightarrow \ NCl_3 \ + 4HCl

3. 3. 액체 암모니아

액체 암모니아는 물과 비슷한 성질을 가지는 용매로, 다양한 물질을 용해할 수 있다. 특히 알칼리 금속, 알칼리 토금속 등을 용해하여 용매화 전자를 생성하는데, 이는 강한 환원제로 작용한다.[253] 예를 들어, 금속 나트륨을 액체 암모니아에 녹이면 버치 환원과 같은 유기 반응에 사용될 수 있다.

액체 암모니아는 다음과 같이 자동 이온화되어 암모늄 이온(NH4+)과 아마이드 이온(NH2-)을 생성한다.

::\ce{ 2NH_3 \ \rightleftarrows\ NH_4^+ \ + NH_2^-}

::\ce{ [NH_4^+] [NH_2^-] = 1.9 \times 10^{-33}} (-50°C)

액체 암모니아는 물보다 양성자를 잘 내놓지 않지만, 전자는 더 잘 받아들이기 때문에 NH2-, C2H5O- 등의 강한 염기성 물질이나 용매화 전자와 같은 강한 환원제를 다루는 데 적합하다. 그러나 산성 물질이나 산화제를 다룰 때는 물을 용매로 하는 것이 더 좋다.[253]

액체 암모니아는 −33 °C에서 22라는 높은 유전율을 가진다.[26] 또한, 매우 높은 증발열을 가지므로 가압 또는 냉장 용기에 보관하여 운송할 수 있다.[28]

액체 암모니아는 많은 질산염, 아질산염, 시안화물, 티오시안산염 등 다양한 이온 화합물을 용해시킨다.[31] 대부분의 암모늄 염은 액체 암모니아 용액에서 산으로 작용하며, 할로겐화물 염의 용해도는 플루오린화물에서 요오드화물로 갈수록 증가한다.

다음은 액체 암모니아에 대한 염의 용해도(g/100g)를 나타낸 표이다.

염용해도 (액체 암모니아 100g 당 염 g)
초산암모늄253.2
질산암모늄389.6
질산리튬243.7
질산나트륨97.6
질산칼륨10.4
불화나트륨0.35
염화나트륨157.0
브롬화나트륨138.0
요오드화나트륨161.9
티오시안산나트륨205.5



액체 암모니아는 모든 알칼리 금속과 전기 양성 금속 (예: Ca,[33] Sr, Ba, Eu, Yb)을 용해시킨다. 낮은 농도(<0.06 mol/L)에서는 짙은 파란색 용액이 형성되며, 이 용액은 금속 양이온과 용매화된 전자를 포함한다. 이러한 용액은 강력한 환원제이다.

다음은 액체 암모니아와 물에서의 표준 전극 전위를 비교한 표이다.

E° (V, 암모니아)E° (V, 물)
\ce{Li+ + e− <=> Li}−2.24−3.04
\ce{K+ + e− <=> K}−1.98−2.93
\ce{Na+ + e− <=> Na}−1.85−2.71
\ce{Zn(2+) + 2 e− <=> Zn}−0.53−0.76
\ce{2 [NH4]+ + 2 e− <=> H2 + 2 NH3}0.00—
\ce{Cu(2+) + 2 e− <=> Cu}+0.43+0.34
\ce{Ag+ + e− <=> Ag}+0.83+0.80


4. 제법

고대부터 염화 암모늄을 얻는 방법은 알려져 있었다. 염화 암모늄은 이집트의 태양신 암몬의 사원 근처에서 산출된다고 하여 “암몬의 염”이라고도 불렀으며, ‘암모니아’와 '암모늄'이라는 이름도 여기에서 유래하였다.[244]

8세기 무렵 중세 이슬람 연금술사들은 암모니아를 중요하게 다루었으며, 자비르 이븐 하이얀이 암모니아에 대한 실험 기록을 처음으로 남겼다.[246] 13세기 들어 알베르투스 마그누스와 같은 유럽의 연금술사들이 이슬람의 기록을 받아들여 염화 암모늄을 다루기 시작하였다.[245] 15세기에는 바실리우스 발렌티누스가 염화 암모늄에 알칼리를 반응시켜 암모니아를 얻을 수 있음을 밝혀냈다.

기체 상태의 암모니아는 1774년 조지프 프리스틀리가 처음으로 분리하였고, ‘알칼리성 공기’라고 불렀다.[248] 1777년 칼 빌헬름 셸레는 암모니아에 질소가 포함되어 있음을 밝혔고, 클로드 루이 베르톨레는 1785년경에 암모니아의 조성을 확정하였다.[249] 1880년대부터 상업적인 암모니아 생산이 시작되었는데, 이때는 석탄 건류 과정의 부산물로써 암모니아를 얻었다. 1913년 프리츠 하버와 카를 보슈가 개발한 하버-보슈법은 암모니아 생산량을 크게 증가시켰다.[250]

실험실에서는 암모니아수를 가열하거나, 염화암모늄과 수산화칼슘을 섞어 가열하여 암모니아를 생성할 수 있다. 암모니아는 물에 대한 용해도가 크고, 공기의 평균 분자량보다 작기 때문에, 흡습해도 상관없다면 상방치환으로 모을 수 있다.

4. 1. 공업적 제법 : 합성법

공업적으로 암모니아를 합성하는 데 가장 많이 사용되는 방법은 수소와 질소로부터 암모니아를 직접 합성하는 방법이다. 암모니아 합성 반응식은 다음과 같다.[258]

:: N_2 \ + 3H_2 \ \longrightarrow \ 2NH_3 \ + 100kJ

이 외에도 다음과 같은 방법들이 있다.[241][253]

  • 부생법(副生法): 석탄 건류 시 발생하는 가스액에서 회수한다.
  • 변성법: 칼슘 카바이드를 이용하여 칼슘 사이안아마이드(석회 질소)를 만든 후 여기에 수증기를 작용시켜서 암모니아를 얻는다. 반응식은 다음과 같다.


:: CaC_2 \ + N_2 \ \longrightarrow \ CaCN_2 \ + C

:: CaCN_2 \ + 3H_{2}O \ \longrightarrow \ CaCO_3 \ + 2NH_3

  • 고전압 방전법 (1905년, 비르켈란드-아이데법): 낙뢰와 같은 방법으로, 공기 중에서 방전시켜 질소와 산소로부터 일산화질소를 만들고 최종적으로 질산으로 만든다. 1905년에 실용화되었지만, 전력 소비가 매우 크다.[202]


:\mathrm{{N_2} + {O_2} \ \xrightarrow[3000^\circ{C}] \ \ 2NO \ \xrightarrow[600^\circ{C}] {O_2} \ 2NO_2 \ \xrightarrow {H_2O} \ 2NHO_3}

  • 석회질소법 (1906년, 프랑크-카로법): 1901년 독일인 프랑크와 카로가 개발한 방법으로, 탄화칼슘을 질화시켜 석회질소를 합성하는 방법이다. 소비 전력은 방전법의 1/4이다.[202]


:\mathrm{{CaO} \ \xrightarrow[2000^\circ{C}] {3C} \ \ CaC_2 \ \xrightarrow[1000^\circ{C}] {N_2} \ CaCN_2 \ \xrightarrow {3H_2O} \ 2NH_3}

  • 루테늄 촉매 (Ru-활성탄-K): 오자키, 아키카 등이 개발한, 하버-보슈법보다 온화한 조건에서 암모니아를 합성할 수 있는 루테늄 촉매를 이용한 합성법이다.[203][204]
  • C12A7 일렉트라이드: 알루미나 시멘트의 구성 성분을 사용하는 방법으로, 상압 320-400℃에서 합성이 가능하다.[205]
  • 몰리브덴 착체: 2010년에는 콩과식물의 효소 구조를 참고하여, 몰리브덴을 포함하는 촉매에 의해, 상온 상압에서 암모니아를 합성하는 방법이 발표되었다.[206][207]
  • 란탄 코발트 금속간 화합물 (LaCoSi): 귀금속 촉매를 사용하지 않는 방법이다.[208]
  • 암모니아 전해 합성
  • 몰리브덴 촉매 암모니아 합성: 상온에서 질소와 물과 환원제인 사마륨 요오다이드와 몰리브덴 촉매를 섞는 것만으로 암모니아를 합성할 수 있다. 2019년 발표.[209]
  • 수소 50℃＋질소＝암모니아 합성: 상수도나 해수에서 셀룰로스 나노섬유 전극이라는 수소로 잘 부서지지 않고 녹슬지 않는 전극을 사용하여 수소를 얻고, 수소를 50℃로 가열하여, 신촉매 Ru／CaH₂(루테늄 나노입자와 칼슘 하이드라이드의 복합체) Ca2+ (H-)2　Ca2+ (Cl-)2　염화칼슘(제설제·탈수제)을 사용하여 암모니아를 합성하는 방법. 2020년 발표.[210]

4. 1. 1. 하버-보슈법

18세기 후반에 암모니아가 질소와 수소로 이루어져 있다는 사실이 알려지면서 이러한 합성을 시도하는 경우가 많았는데, 모두 실패하였다. 20세기 초에 들어 발터 네른스트, 프리츠 하버 등이 이 반응의 열역학적 평형을 연구하여 반응이 가능하다는 것을 밝혔다.

1909년 하버는 공중 질소를 이용하여 암모니아를 합성하는데 성공하였다.[259][260][261] 고압과 고온을 견디는 기구를 별도로 만들었고 오스뮴을 촉매제로 사용하였다.[262] 그러나 아직 수율이 낮고 경제성이 떨어졌다. 칼 보슈와 함께 상업화를 위한 대량생산법을 개발한 후 1913년 9월부터 화학비료(질소비료)를 일일 20톤을 생산하였다. 제1차 세계대전 중에는 화약 제조에 필수적인 질소를 공급하기 위한 군수공장으로 전환되었기에 화학비료 생산은 주춤하였다.[263][264] 종전된 1918년 이후 생산법에는 많은 개선이 이루어졌고 오늘날의 상태에 이르고 있다.[250]

현재 암모니아의 공업적 생산은 하버-보슈법이 일반적이다. 실제 플랜트에서는 수소와 질소를 철 촉매 존재하에 25~35 MPa, 약 500℃에서 반응시키면[202] 암모니아가 생성된다. 반응식은 다음과 같다.

: N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3

4. 1. 2. 그 밖의 방법

클로드법(Claude Process)은 원래 약 1000atm의 고압 조건에서 합성 반응을 진행시키는 방법인데, 최근에는 340~650atm의 조건에서 반응을 진행시키는 방법도 개발되었다. 나머지 공정은 하버-보슈법과 거의 같다. 카잘레법(Casale Process)은 클로드법과 마찬가지로 450~600atm의 고압 조건에서 암모니아를 합성하는 방법이다. 그밖에 저압에서 암모니아를 합성하는 방법 역시 개발되어 있다.[250]

4. 1. 3. 생산 공정

18세기 후반에 암모니아가 질소와 수소로 이루어져 있다는 사실이 알려지면서 합성을 시도하는 경우가 많았지만, 모두 실패하였다. 20세기 초에 발터 네른스트, 프리츠 하버 등이 이 반응의 열역학적 평형을 연구하여 반응이 가능하다는 것을 밝혔다.[258]

1909년 하버는 공중 질소를 이용하여 암모니아 합성에 성공하였다.[259][260][261] 고압과 고온을 견디는 기구를 별도로 만들었고 오스뮴을 촉매제로 사용하였다.[262] 그러나 수율이 낮고 경제성이 떨어져, 칼 보슈와 함께 상업화를 위한 대량생산법을 개발한 후 1913년 9월부터 화학비료(질소비료)를 일일 20톤을 생산하였다. 제1차 세계대전 중에는 화약 제조에 필수적인 질소를 공급하기 위한 군수공장으로 전환되었기에 화학비료 생산은 주춤하였다.[263][264] 1918년 종전 이후 생산법에는 많은 개선이 이루어졌고 오늘날의 상태에 이르고 있다.[250]

암모니아 합성법에서는 우선 원료가 될 질소와 수소를 구하는 공정이 우선된다. 질소는 대기로부터 채취하여 얻어진다. 수소는 주로 천연 가스를 반응시켜 얻어낸다. 수소를 얻는 과정은 다음과 같다.[250]

  • 천연 가스의 황 성분은 촉매를 오염시킬 수 있기 때문에, 암모니아 생산 공정에 투입될 천연 가스는 탈황 과정을 거친다. 황 성분이 제거된 천연 가스는 수증기와 함께 니켈 촉매를 채운 관을 통과하고, 이 과정에서 대부분의 수소가 생산된다.
  • 위 과정에서 반응하지 않은 이산화 탄소는 메탄올, 아세톤, 액화 질소 등의 유기 용매에 흡수시켜 제거한다. 산화 탄소류는 이후 반응에서 사용되는 촉매를 오염시키기 때문에 제거해야 한다.
  • 이러한 과정을 거치면 수소 기체에는 약 0.1%의 이산화 탄소와 0.5%의 일산화 탄소가 남게 된다. 이들을 완전히 제거하기 위해서 약간의 수소와 반응시킨다.


이 과정을 거쳐 얻어진 수소는 촉매 존재 하에 질소와 반응하여 암모니아를 생성하게 된다. 이때, 반응이 일어나는 조건은 사용하는 방법에 따라서 달라진다.

현재 암모니아의 공업적 생산은 하버-보슈법이 일반적이다. 실제 플랜트에서는 수소와 질소를 철 촉매 존재하에 25~35 MPa, 약 500℃에서 반응시키면 암모니아가 생성된다.[202]

4. 2. 그 밖의 공업적 제법


  • 부생법: 석탄 건류 시 발생하는 가스액에서 암모니아를 회수한다.[241][253]
  • 변성법: 칼슘 카바이드를 이용하여 칼슘 사이안아마이드(석회 질소)를 만든 후 여기에 수증기를 작용시켜서 암모니아를 얻는다.[241][253]

:: CaC_2 \ + N_2 \ \longrightarrow \ CaCN_2 \ + C

:: CaCN_2 \ + 3H_{2}O \ \longrightarrow \ CaCO_3 \ + 2NH_3

4. 3. 실험적 제법

실험실에서 암모니아를 제조할 때는 암모늄염을 염기성 용액과 함께 가열한다.[241] 반응식은 다음과 같다.

:: 2NH_{4}Cl \ + Ca(OH)_2 \ \longrightarrow \ 2NH_3 \ + CaCl_2 \ + 2H_{2}O

:: (NH_4)_{2}SO_4 \ + 2NaOH \ \longrightarrow \ 2NH_3 \ + Na_{2}SO_4 \ + 2H_{2}O

질화 금속을 가수분해하여 암모니아를 얻을 수도 있다.[253] 반응식은 다음과 같다.

:: Mg_{3}N_2 \ + 6H_{2}O \ \longrightarrow \ 3Mg(OH)_2 \ + 2NH_3

4. 4. 전기화학적 합성법

최근에는 전기화학촉매 반응을 이용한 친환경적인 암모니아 생성 방법이 연구되고 있다. 이 방법은 공기 중의 질소와 물을 전기분해하여 저온, 저압에서 암모니아를 생성하는 방법이다.[265][266][267][268] 각 극 부위 및 전체 반응식은 다음과 같다.

  • 산화극: 3H2O → 3/2O2 + 6H+ + 6e-
  • 환원극: N2 + 6H+ + 6e- → 2NH3
  • 전체반응: N2 + 3H2O → 2NH3 + 3/2O2


암모니아는 전기화학적으로 합성될 수 있다. 필요한 것은 질소(대기 중 질소도 가능)와 수소(물)의 공급원뿐이며, 사용 현장에서 생성이 가능하다. 재생에너지의 이용 가능성은 제로 배출 생산의 가능성을 만든다.[143][144]

'녹색 암모니아'는 물의 전기분해와 같이 탄소 배출이 없는 원료에서 생산된 수소로부터 생산된 암모니아를 일컫는다. 이러한 원료에서 생산된 암모니아는 지구 기후변화에 전혀 기여하지 않는 액체 연료로 사용될 수 있다.

또 다른 전기화학적 합성 방식은 리튬 질화물의 환원적 생성을 포함하는데, 이는 양성자 공급원(수소가 될 수 있음)이 주어지면 암모니아로 양성자화될 수 있다. 이 공정 개발 초기에는 에탄올이 그러한 공급원으로 사용되었다. 이 화학 반응의 최초 사용은 1930년에 보고되었는데, 에탄올 중 리튬 용액을 사용하여 최대 1000 bar의 압력에서 암모니아를 생산하였다.[145] 1994년, Tsuneto 등은 테트라히드로퓨란에서 리튬 전착을 사용하여 적당한 압력에서 합리적인 패러데이 효율로 암모니아를 합성하였다.[146] 이후 연구에서는 전기화학적 암모니아 합성을 위해 에탄올-테트라히드로퓨란 시스템을 더욱 탐구하였다.[147][148] 단순히 질소 환원 반응에 대한 양성자 전달을 매개하는 것 이상으로, 에탄올은 전해질 변환에 영향을 미치고 고체 전해질 계면의 형성에 기여하여 전반적인 반응 효율을 향상시키는 다면적인 역할을 하는 것으로 밝혀졌다.[149][147]

2020년, 용매에 무관한 기체 확산 전극이 반응성 리튬에 대한 질소 수송을 개선하는 것으로 나타났다. 암모니아 생산 속도는 최대 30 ± 5 nmol/s/cm2, 패러데이 효율은 주변 온도 및 1 bar 압력에서 최대 47.5 ± 4%에 달했다.[150]

에탄올은 테트라알킬 포스포늄 염으로 대체될 수 있다.[151] 연구 결과, 주변 온도에서 0.5- bar 수소와 19.5-bar 질소 분압 하에서 69 ± 1% 패러데이 효율 실험에서 암모니아 생산 속도는 53 ± 1 nmol/s/cm2였다.[151]

2022년, 연속 흐름 전해조에서 리튬 매개 공정을 통해 암모니아가 생산되었으며, 수소 기체도 양성자 공급원임을 보여주었다. 이 연구에서는 1 bar 및 상온에서 −6 mA/cm2의 전류 밀도에서 61 ± 1%의 패러데이 효율로 암모니아를 합성하였다.[152]

5. 분석법

암모니아는 특유의 냄새로 쉽게 확인할 수 있다. 공기 중에 5 ppm 이상 있을 경우 냄새로 확인이 가능하다.[269] 이 외에 염산과 반응하여 염화암모늄의 흰 연기를 생성하는 것을 이용하거나, 구리와 반응하여 암모늄화구리([Cu(NH3)4]2+)를 형성하는 것을 이용할 수도 있다.[270]

염산-암모니아 반응. 염산과 암모니아가 만나면 염화암모늄이 흰 기체 형태로 형성된다.


대한민국의 대기공정시험법에서는 인도페놀법이나 중화적정법을 사용하여 암모니아를 정량한다.[271][272] 인도페놀법은 페놀-니트로프루시드 나트륨 용액과 차아염소산 나트륨 용액을 가하고 암모늄 이온과 반응하여 생성하는 인도 페놀류의 흡광도를 측정하는 방법이다. 중화적정법은 분석용 시료 용액을 황산으로 적정하는 방법이다.

실험실에서는 다음과 같은 방법을 사용하기도 한다.[273]

  • 네슬러 시약을 이용하는 방법: 공기 중에 미량으로 존재하는 암모니아를 검출할 때 사용한다. 검지관에 네슬러 시약을 넣고 색 변화를 비교하거나, 암모니아를 황산 용액에 흡수한 후 네슬러 시약을 넣어 색 변화를 비교한다.
  • 과잉의 황산 용액에 흡수시킨 후 수산화 나트륨 용액으로 적정하는 방법: 보통량으로 존재하는 암모니아를 정량할 때 사용한다. 메틸 오렌지 또는 브로모페놀 블루를 지시약으로 사용한다.
  • 이밖에 흡수액의 전기 전도도를 측정하거나, 적외선의 흡수 정도를 분석하는 방법, 연소열을 측정하는 방법 등이 이용된다.


암모니아와 암모늄염은 매우 미량이라도 네슬러 시약을 첨가하면 쉽게 검출할 수 있으며, 미량의 암모니아 또는 암모늄염이 존재하면 뚜렷한 황색을 띤다. 암모늄염에 포함된 암모니아의 양은 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH)으로 염을 증류하여 정량적으로 추정할 수 있으며, 발생된 암모니아는 일정량의 표준 황산에 흡수되고, 과량의 산은 용량 분석법으로 결정한다.

6. 용도

암모니아는 다양한 산업 분야에서 널리 사용된다. 특히 비료, 냉매, 폭발물 제조 등에 중요한 역할을 한다.

암모니아는 질소와 수소 화합물로, 1909년 독일의 프리츠 하버가 공기 중의 질소를 이용한 암모니아 합성법을 개발한 이후 농업, 산업, 환경 등 여러 분야에서 중요한 역할을 하고 있다.

합성 암모니아는 비료의 재료, 냉각제, 폭발물의 재료로 사용되며, 암모늄염, 질산, 요소 등의 합성 원료로도 쓰인다. 디젤 자동차의 배기가스 정화를 위한 요소수 제조에도 사용되며, 화학 공업 원료, 암모니아수 제조, 용매, 화력발전소 연료, 아이스크림 제조, 반도체 및 전자부품 제조 등 다양한 분야에서 활용된다.[283]

제1차 세계 대전 중에는 독일이 칠레로부터의 초석 수입이 중단되자 비료 생산용 암모니아 공장을 통해 폭약을 제조하기도 하였다.[284]

질산암모늄은 섭씨 200도 정도에서는 비교적 안전하나, 석유 등 연료와 함께 있으면 강력한 산화제로 작용하여 폭발을 일으킨다.[281] 1947년 미국 텍사스시티 항에 정박 중이던 질산암모늄 적재 선박에서 화재가 발생하여 폭발, 인근 1천여 채의 건물이 파손되고 580여 명이 희생되었다. 2011년 노르웨이 테러에서는 “비료 폭탄”이라 불리는 질산암모늄 폭탄이 사용되었다.[281]

2011년 노르웨이 테러. 질산암모늄을 이용한 폭탄이 사용되었다.

6. 1. 비료

암모니아는 합성 비료의 재료로 사용된다.[275] 질소는 식물이 자라는 데 필수적인 원소 중 하나인데,[274] 자연적으로는 토양 속의 일부 세균이 공기 중의 질소를 질소 화합물로 고정하는 질소 고정이 일어나고, 이를 통하여 식물은 질소를 흡수할 수 있게 된다. 비료에 포함된 암모니아는 토양에 질소 공급원으로 작용하여 작물에게 풍부한 질소를 공급해 줄 수 있게 하며, 그 결과 작물 생산성이 증가하게 된다.[275]

1909년, 독일의 프리츠 하버가 공기 중의 질소를 이용한 암모니아 합성법을 찾아냈고,[279][280] 1913년부터는 이 합성법을 통해 요소를 대량으로 생산할 수 있게 되었다. 이후 농업 생산량 증대를 위한 합성 요소 비료를 만드는 산업이 발달하게 되었다.[281]

2004년 생산된 합성 암모니아 가운데 80%가 곡물 재배를 위한 비료의 재료로 사용되었으며,[282] 1995년 생산된 요소 비료의 40%가 합성 암모니아를 원료로 제조되었다.[282] 2008년도 일본 국내 암모니아 생산량은 1,244,083t, 소비량은 403,841t이다.[211] 전 세계 연간 암모니아 생산량(2010년)은 1억 6천만 t이며, 그 중 8할이 비료용이라고 알려져 있다.[212] 미국에서는 2019년 기준으로 암모니아의 약 88%가 염, 용액 또는 무수물 형태의 비료로 사용되었다.[69] 미국에서 사용되는 농업용 질소의 30%는 무수 암모니아 형태이며, 전 세계적으로 매년 1억 1천만 톤이 사용된다.[71]

6. 2. 냉각제

암모니아는 끓는점이 다른 기체에 비해 비교적 높고 압축하면 쉽게 액화되며 기화열이 커서 냉장고와 공기 조절 장치 등의 냉매로 쓰여왔다.[283] 미국에서는 약 120년 전부터, 일본에서는 약 80년 전부터 냉각제로 사용되었으며, 현재에도 널리 사용되어 1999년 미국에서 판매된 상용 냉동기의 80%가 암모니아를 냉각제로 사용하였다.[283] 이처럼 암모니아는 증발 특성 때문에 유용한 냉매이다.[67]

그러나 암모니아는 유독성 때문에 가정용 냉장고 등에서는 프레온이 주로 사용되었다. 하지만 프레온은 오존층 상공에서 오존을 분해한다는 사실이 밝혀져 전 세계적으로 사용을 금지하고 있다.[241] 이러한 이유로 최근에는 다시 암모니아를 냉각제로 사용하는 냉동기에 대한 개발이 진행되고 있다.[283]

무수 암모니아는 높은 에너지 효율과 저렴한 비용 때문에 산업용 냉동 설비와 빙상장에서 널리 사용된다. 그러나 독성이 있고 부식 방지 부품이 필요하다는 단점 때문에 가정용 및 소규모 용도로는 사용이 제한적이다. 암모니아는 현대적인 증기 압축 냉동 외에도 흡수식 냉장고에서 수소와 물과 혼합되어 사용된다. 지열 발전소에서 점점 중요해지고 있는 칼리나 사이클은 암모니아-물 혼합물의 넓은 비등 범위에 의존한다.

암모니아 냉매는 국제 우주 정거장의 라디에이터에도 사용되는데, 내부 온도를 조절하고 온도 의존 실험을 가능하게 하는 루프에 사용된다.[73][74] 암모니아는 전 과정에서 액체 상태를 유지할 수 있을 만큼 충분한 압력을 받는다. 단상 암모니아 냉각 시스템은 각 쌍의 태양 전지판의 전력 전자 장치에도 사용된다.

배출된 CFC 및 HFC가 강력하고 안정적인 온실 가스라는 사실이 발견되면서 냉매로서 암모니아의 잠재적 중요성이 증가했다.[75]

증발열이 크기 때문에 (5.581 Kcal/mol) 냉장기·냉동기의 냉매로 이용되었으나, 소형 기기에서는 흡수식 냉동기를 제외하고는 대부분 프레온 등으로 대체되었다. 하지만 새로운 냉매에 비해 오존층 파괴 계수가 적다는 점에서 최근 이 용도로 재평가되고 있다.[213] 또한 인공위성 등의 우주 개발용 기기의 냉각에도 많이 사용되고 있다.

6. 3. 폭발물

질산암모늄은 섭씨 200도 정도의 상태에서도 비교적 안전하나 석유 등의 연료와 함께 있을 때에는 강력한 산화제로 작용하여 폭발을 일으킨다.[281] 1947년 미국의 텍사스시티 항에 정박 중이던 질산암모늄 적재 선박에서 화재가 발생하면서 폭발이 일어나 인근 1천여 채의 건물이 파손되고, 580여 명의 사람들이 희생되는 사건이 일어나기도 하였다. 질산암모늄의 이런 성질을 이용하여 제조된 폭탄을 “비료 폭탄”이라고 하는데, 2011년 노르웨이 테러에서 범인이 사용하기도 하였다.[281]

제1차 세계 대전 중에 독일은 칠레로부터의 초석 수입이 중단되자 마침 비료 생산을 위해 세워져 있던 암모니아 공장을 통해 폭약을 제조하기도 하였다.[284]

6. 4. 그 밖의 용도

암모늄염, 질산, 요소 등의 합성 원료로 사용된다.[282] 요소수 제조 원료로 사용되어 디젤 자동차의 배기가스 정화에 사용된다. 화학 공업 원료, 암모니아수 제조, 용매, 화력발전소 연료, 아이스크림 제조, 반도체 및 전자부품 제조 등 다양한 분야에서 활용된다.[283]

7. 용매로서의 특성

액체 암모니아는 물과 에탄올의 중간 정도 성질을 가지는 용매로 사용될 수 있다. 이온성 물질을 녹이는 능력은 물보다 약하지만, 공유 결합성 물질을 녹이는 능력은 물보다 뛰어나다. 액체 암모니아는 자동 이온화될 수 있으나, 그 비율은 물에 비해서 현저하게 낮다. 반응식은 다음과 같다.[253]

:: 2NH_3 \ \rightleftarrows\ NH_4^+ \ + NH_2^-

:: [NH_4^+] [NH_2^-] = 1.9 \times 10^{-33} (-50°C)

액체 암모니아에 알칼리 금속, 알칼리 토금속 등을 녹이면 농도가 낮을 경우 용액이 청색을 띠고, 농도가 높을 경우 청동색을 띠게 된다. 알칼리 금속의 경우 10~20몰랄농도까지도 녹을 수 있다. 금속을 액체 암모니아에 녹일 경우 다음과 같은 평형 반응이 진행되어 전자가 금속으로부터 떨어져 나와 암모니아 분자로 둘러싸인 용매화 전자가 생성된다.[253]

:: M \ \rightleftarrows\ M_{(am)}^+ \ + e_{(am)}^-

:: 2M \ \rightleftarrows\ M_{2(am)}

:: e_{(am)}^- \ + M \ \rightleftarrows\ M_{(am)}^-

반응식에서 아래 첨자 (am)은 분자가 암모니아 분자로 둘러싸여 용매화된 상태를 나타낸다. 이러한 상태에 있는 용액은 불안정하지만, 촉매가 없는 한 다음과 같은 반응이 매우 느리게 진행되어 금속 아마이드와 수소 기체를 형성한다.[253]

:: e_{(am)}^- \ + NH_3 \ \rightarrow \ 1/2H_2 \ + NH_2^-

용매화 전자가 존재하는 용액은 강력한 환원제로 작용할 수 있고, 따라서 암모니아에 금속이 녹은 용액은 암모니아에 녹는 유기 화합물의 환원 반응을 진행시키는 데 적합하다.[253]

암모니아는 물에 비해서 양성자를 잘 내놓지 않는 반면 전자는 더 잘 취한다. 따라서 액체 암모니아는 NH2-, C2H5O- 등의 강한 염기성 물질이나 용매화 전자와 같은 강한 환원제를 다루는 데 적합하다. 그러나 산성 물질이나 산화제를 다룰 때는 물을 용매로 하는 것이 더 적합하다.[253]

8. 생물학에서의 암모니아

암모니아는 생명에 필수적이며,[154] 아미노산과 핵산 등 생명체의 기본 구성 요소를 만드는 데 필요하다. 그러나 암모니아는 독성이 강하기 때문에, 자연은 암모니아를 운반하는 매개체를 사용한다. 세포 내에서는 글루탐산이, 혈류에서는 글루타민이 이 역할을 한다.[155]



암모니아는 생체 대사 노폐물이자 생물권 전체의 대사 입력물이며, 생명 시스템에 중요한 질소 공급원이다. 대기 중에는 질소가 풍부하지만(75% 이상), 대부분의 생물은 대기 질소를 이원자 형태(N2 기체)로 사용할 수 없다. 따라서 질소 고정은 단백질의 구성 요소인 아미노산 합성에 필수적이다. 일부 식물은 부패 물질에 의해 토양에 포함된 암모니아 및 기타 질소성 폐기물에 의존하고, 질소 고정 콩과식물과 같은 다른 식물들은 리조비아 박테리아와의 공생 관계를 통해 대기 질소로부터 암모니아를 생성한다.[157]

사람의 경우, 고농도의 암모니아를 흡입하면 치명적일 수 있다. 암모니아에 노출되면 두통, 부종, 기억력 저하, 경련, 혼수상태 등이 나타날 수 있는데, 이는 암모니아가 신경독성을 갖기 때문이다.[158]

암모니아는 동물의 정상적/비정상적 생리학 모두에서 역할을 한다. 정상적인 아미노산 대사를 통해 생합성되며, 고농도에서는 독성을 띤다. 간은 요소 회로를 통해 암모니아를 요소로 전환하는데, 간경변과 같은 간 기능 장애는 혈중 암모니아 농도를 증가시켜 고암모니아혈증을 유발할 수 있다. 오르니틴 트랜스카르바밀라아제와 같은 요소 회로 효소의 결함 역시 고암모니아혈증을 일으킨다. 고암모니아혈증은 간성뇌병증의 혼란과 혼수, 그리고 요소 회로 결함 및 유기산뇨증 환자에게 흔한 신경 질환에 영향을 준다.[160]

암모니아는 동물의 산-염기 균형에도 중요하다. 글루타민에서 암모늄이 생성된 후, α-케토글루타르산은 두 개의 중탄산염 이온으로 분해되어 식이성 산의 완충제로 사용될 수 있다. 암모늄은 소변으로 배설되어 순 산 손실을 유발하며, 암모니아는 신장 세뇨관을 가로질러 확산, 수소 이온과 결합하여 추가적인 산 배설을 가능하게 한다.[161]

8. 1. 세균에 의한 질소 고정

질소 고정이란 대기 중의 질소를 반응성이 높은 암모늄염, 질산염, 아질산염 등의 형태로 바꾸는 것을 의미하는데, 자연에서는 대부분 질소고정세균과 같은 세균들이 일으키고 있다. 이들은 대기 중의 질소를 수소와 결합시켜 암모니아 형태로 바꾼다. 반응식은 다음과 같다.[275]

:: N_2 \ + 8e^- \ + 16ATP \ \longrightarrow \ 2NH_3 \ + H_2 \ + 16ADP \ + 16P_i

이렇게 생성된 암모니아는 토양에 존재하는 수소 이온과 반응하여 암모늄 이온이 되고, 암모늄 이온 중 일부는 직접 식물에 흡수되어 사용되거나 질화 세균에 의해 질산염 형태로 식물에 흡수되거나, 탈질화 세균에 의해 다시 대기 중의 질소 형태로 바뀐다.[275]

대표적인 질소고정세균은 콩과식물의 뿌리에 뿌리혹을 만드는 뿌리혹박테리아이다. 이 세균은 뿌리혹 속에 있어 식물과 공생하며 공기 중의 질소를 고정시킨다.[285] 농작물 생산량 감소의 주요 원인 중 하나가 토양 내 질소 함량 저하인데, 이때 콩과식물을 심어 질소 함량을 향상시키기도 한다.

8. 2. 신진대사의 노폐물

암모니아는 생명체가 단백질을 통해 에너지를 얻는 과정에서 생기는 노폐물이다. 암모니아는 독성이 있어 빠르게 몸 밖으로 내보내야 한다. 암모니아는 낮은 농도로 유지되어야 생체에 해가 없기 때문에 암모니아 형태로 배출하려면 많은 양의 물이 필요하다. 따라서 암모니아 형태로 배출하는 것은 주로 수생 생물에서 볼 수 있다. 육상 생물은 물이 부족한 환경에서 살기 때문에 많은 물이 필요한 암모니아 형태로 배출하기 어렵다. 대신 독성이 약한 다른 질소 노폐물로 바꿔 일시적으로 저장했다가 배출한다.[286]

포유류, 양서류 성체, 상어, 일부 경골어류, 거북이는 암모니아를 요소 형태로 바꾼다. 요소는 간에서 암모니아와 이산화탄소를 결합해 만들어지며, 암모니아보다 독성이 10만 배 정도 약하다. 그래서 적은 양의 물로도 배출할 수 있다. 곤충, 뱀, 새, 파충류 등은 요산 형태로 배출한다. 요산은 요소보다 합성하는 데 에너지가 많이 들지만, 더 적은 양의 물로도 배출할 수 있다는 장점이 있다.[286]

암모늄 이온은 동물의 신진대사 과정에서 만들어지는 독성 노폐물이다. 어류와 수생 무척추동물은 암모늄 이온을 물속으로 직접 배출한다. 포유류, 상어, 양서류는 요소 회로를 통해 독성이 덜하고 저장하기 쉬운 요소로 전환한다. 조류, 파충류, 육상 달팽이는 대사 과정에서 생긴 암모늄을 요산으로 바꾼다. 요산은 고체이기 때문에 물 손실을 최소화하며 배출할 수 있다.[162]

9. 안전성

암모니아는 염기성을 띠는 맹독성 물질로, 부식성이 강하고 생체 조직에 자극적이다.

암모니아 과다혈증의 증상


암모니아 증기는 날카롭고 자극적이며 톡 쏘는 냄새가 나서 잠재적인 위험을 경고한다. 평균 냄새 역치는 5ppm으로, 위험 수준보다 훨씬 낮다. 고농도의 암모니아 가스에 노출되면 폐 손상과 사망으로 이어질 수 있다.[126]

암모니아는 시트르산 회로를 억제하여 혐기성 당분해, 혈당, 혈액 유산증을 증가시킨다. 주로 크렙스 회로를 저해하고, 유해 수준의 암모니아는 산화 대사에 영향을 미쳐 신경독성이나 소화독성을 유발한다.[287]

미국 직업안전보건청(OSHA)은 환경 공기 중 암모니아 가스에 대한 15분 노출 한계를 부피 기준 35ppm, 8시간 노출 한계를 부피 기준 25ppm으로 설정했다.[126] (NIOSH)는 즉시 건강 또는 생명에 위험한 수준(IDLH)을 500ppm에서 300ppm으로 낮췄다.[126]

액체 암모니아는 흡습성이 있고 부식성 화상을 유발할 수 있어 위험하다. 무수 암모니아는 독성(T) 및 환경 유해성(N) 물질로 분류되며, 가연성이 있어 공기와 16~25% 농도로 폭발성 혼합물을 형성할 수 있다. 암모니아에 반복 노출되면 냄새에 대한 감도가 낮아져, 100ppm 농도에서도 감지하지 못할 수 있다. 무수 암모니아는 구리 및 아연 함유 합금을 부식시키므로 황동 피팅은 기체 취급에 적합하지 않으며, 액체 암모니아는 고무와 특정 플라스틱도 부식시킬 수 있다.

암모니아는 할로겐과 격렬하게 반응하여 삼요오드화 질소를 생성하고, 에틸렌 옥사이드의 폭발적인 중합을 일으킨다. 또한 금, 은, 수은, 게르마늄 또는 텔루륨 화합물 및 스티빈과 함께 폭발성 뇌관 화합물을 형성한다.

점막에 대한 자극성이 강하며, 농도 0.1% 이상의 가스를 흡입하면 위험하다. 악취방지법에 따른 특정악취물질이며, 독극물 및 극물 취급법에서도 극물로 지정되어 있다. 일본에서는 고압가스보안법에 따라 독성 및 가연성 가스로 지정되어 있으며, 흰색 보관용기에 "독성" 등의 주의 사항을 빨간색으로 표시하도록 규정되어 있다.[194] 액체 상태의 암모니아가 눈에 들어가면 실명될 수 있으며,[194] 고농도 가스 흡입은 쇼크로 인한 호흡 정지를 유발할 수 있다.[195]

'''급성 독성'''[195]

  • 흡입 랫드 LC 2000ppm/4hr
  • 흡입 마우스 LC 4230ppm/4hr
  • 흡입 토끼 LC 7 mg/m3/1hr
  • 흡입 고양이 LC 7 mg/m3/1hr
  • 경구 랫드 LD 350 mg/kg


인체에서 섭취한 단백질은 간에서 분해되는 과정에서 암모니아가 생성되고, 더 나아가 요소로 변화한다. 간 기능 저하 시 땀에서 암모니아 냄새가 날 수 있다.[196]

9. 1. 독성

암모니아는 염기성을 띠는 맹독성 물질로, 강한 부식성과 물에 잘 흡수되는 특성이 있어 생체 조직에 매우 자극적이다.[242] 고농도의 암모니아에 노출될 경우 점막에 급격히 흡수되어 세포를 파괴하므로 매우 위험하다.

암모니아를 삼킬 경우 입, 목, 위장에 화상을 입히며, 심하면 사망할 수 있다. 목 통증, 구토, 설사 등을 유발하며,[288] 점액질과 상부 기도 조직에 심한 손상을 준다. 타는 듯한 느낌, 기침, 헐떡거림, 후두염, 숨 가쁨, 두통, 구토, 설사 등을 유발하며, 발작, 후두 부종, 기관지 부종, 화학 물질에 의한 폐렴, 폐수종이 발생할 수 있다.[288] 신속하게 처치하지 않으면 질식사할 수 있으며,[289] 장기간 노출 시 눈, 간, 신장, 허파 손상을 일으킬 수 있다.[288]

피부 접촉 시 염기에 의한 부식으로 통증, 발적, 심각한 염증 또는 3도 화상을 일으킬 수 있다. 피부 흡수는 몸 전체에 영향을 줄 수 있으며, 장기간 노출 시 피부염을 유발할 수 있다.[288] 눈에 접촉 시 흐릿한 시야, 발작, 통증, 심각한 조직 화상 및 손상을 일으켜 일시적 또는 영구적 실명을 유발할 수 있다.[288] 두피에 접촉하면 탈모가 발생할 수 있다.

농도에 따른 증상은 다음과 같으며, 사람에 따라 차이가 있을 수 있다.[290]

농도증상
5ppm특유의 냄새가 난다.[269]
6-20ppm눈 자극과 호흡기계에 문제를 일으킨다.[269]
40-200ppm두통, 메스꺼움, 식욕 감퇴, 기도와 코, 목구멍 자극이 일어난다.[269]
400ppm목에 자극을 준다.
700ppm눈이 상할 수 있다.
1700ppm기침을 하고, 숨을 쉬기가 힘들어진다. 순간적인 호흡 곤란을 겪기도 한다.
2500~4500ppm조금만 노출되어도 치명적일 수 있다.
5000ppm 이상호흡 정지로 인하여 사망한다.



암모니아는 자극성이 강하며, 농도가 높을수록 자극이 심해진다. 허용 노출 한계는 25ppm이며, 500ppm 이상이면 생명에 치명적이다.[44]

인체 내 암모니아는 혈액을 통해 간에서 처리되지만,[224] 간 질환 등으로 처리 기능이 저하되면 고암모니아혈증을 일으켜 뇌 손상 등 심각한 영향을 미친다.[225]

9. 2. 허용 농도

암모니아는 유독성 기체이므로, 세계 대부분의 나라에서는 작업장이나 일상 생활에서 허용될 수 있는 농도 기준을 정하여 관리하고 있다. 허용 농도는 15분 간 접촉하는 경우의 단시간 허용 농도(STEL)와 8시간 작업 시간을 기준으로 하는 시간당 평균 접촉 질량(TWA)으로 구분되는데, 암모니아의 경우 STEL은 35 ppm, TWA는 25 ppm 정도이다.[283]

대한민국의 경우 산업안전보건법에 따라 암모니아의 허용 농도를 관리한다.[292] 미국의 경우에는 직업 안전 건강 관리청(Occupational Safety and Health Administration, OSHA)의 규정에 의해 허용 농도가 관리된다.[291]

암모니아는 자극성 물질이며 농도가 높아질수록 자극이 증가한다. 허용 노출 한계(permissible exposure limit)는 25 ppm이며, 부피 기준 500 ppm을 넘으면 치명적이다.[44]

9. 3. 작업 안전

암모니아는 염기성을 띠는 맹독성 물질로 부식성이 강해 생체 조직에 자극적이며, 물에 잘 흡수된다.[242] 고농도 암모니아는 점막에 흡수되어 세포를 파괴하므로, 노출 시 눈, 코, 입, 귀를 막고 신속히 현장을 이탈해야 한다.

암모니아는 공기보다 가벼워 환기 시 빠르게 확산되므로, 냄새를 맡으면 작업장을 환기하여 위험을 예방할 수 있다.[269] 암모니아 유출 가능성이 있는 환경에서는 보호 장비를 착용하고, 환기가 잘 되지 않는 곳에서는 호흡기 보호구를 착용해야 한다. 인화 위험이 있으므로 화기를 멀리하고, 작업 후에는 손을 철저히 씻고 오염된 의류를 세척해야 한다.[293]

농도에 따른 증상은 다음과 같으며, 사람에 따라 차이가 있을 수 있다.[290]

농도증상
5ppm특유의 냄새가 난다.[269]
6-20 ppm눈 자극과 호흡기계에 문제를 일으킨다.[269]
40-200 ppm두통, 매스꺼움, 식욕 감퇴, 기도와 코, 목구멍 자극이 일어난다.[269]
400 ppm목에 자극을 준다.
700 ppm눈이 상할 수 있다.
1700 ppm기침을 하고, 숨을 쉬기가 힘들어진다. 순간적인 호흡 곤란을 겪기도 한다.
2500~4500 ppm조금만 노출되어도 치명적일 수 있다.
5000 ppm 이상호흡 정지로 인하여 사망한다.


9. 4. 응급 조치

증상응급 조치
호흡곤란오염 지역에서 벗어나 인공호흡을 하고 산소를 공급한다.
피부 접촉15분 이상 비누와 물로 씻고 의사의 진료를 받는다.
눈 접촉15분 동안 많은 양의 물로 씻고 의사의 진료를 받는다.
섭취입안을 물로 헹구고 구토를 하지 않도록 유지한 후 의사의 진료를 받는다.

[293]

10. 국가별 생산량

2019년 기준 세계 최대 암모니아 생산국은 중국으로 연간 약 5만 톤을 생산하며, 러시아, 인도, 미국, 인도네시아가 그 뒤를 따르고 있다.[294] 대한민국에서는 과거 충주비료에서 액상 암모니아를 연간 1천 톤 생산할 수 있는 능력을 보유한 적이 있었다.[295] 2020년을 전후하여 유럽과 일본 등에서는 그린 암모니아 생성기술을 미래 자원 에너지로 지정하고 연구 개발에 투자하고 있다.[296][297][298][299]

암모니아는 무기 화합물 중 생산량이 가장 많은 물질 중 하나이다. 2020년 세계 생산량은 1억 6천만 톤(고정 질소 1억 4천 7백만 톤)으로 추산되었다.[140] 생산량은 때때로 '고정 질소' 단위로 표시된다. 국가별로는 중국이 26.5%를 차지했고, 그 뒤를 러시아 11.0%, 미국 9.5%, 인도 8.3%가 차지했다.[140]

11. 철

철(Fe)이 철 모델 복합체에서 질소의 암모니아 환원 촉매 반응을 매우 안정적인 조건에서도 수행하는 데 적절하다는 연구 결과가 보고되어 학계에서 긍정적으로 조사하고 있다.[300][301][302]

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