이산화 질소

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1. 개요
2. 성질
- 2.1. 물리적 성질
- 2.2. 화학적 성질
3. 생성
- 3.1. 자연적 생성
- 3.2. 인위적 생성
4. 용도
5. 환경 영향
- 5.1. 대기 오염
- 5.2. 산성비
6. 건강 영향
- 6.1. 급성 중독
- 6.2. 만성 중독
7. 안전
참조

1. 개요

이산화 질소(NO₂)는 적갈색 기체로, 상온에서 사산화 이질소(N₂O₄)와 평형 상태로 존재하며, 온도가 높아질수록 이산화 질소의 비율이 증가한다. 극성 물질로 물에 잘 녹으며, 다양한 유기 용매에도 용해된다. 이산화 질소는 질산 제조, 화약류 제조, 로켓 연료 산화제 등 다양한 용도로 사용된다. 자연적으로는 일산화 질소의 산화, 번개, 화산 활동 등으로 발생하며, 인위적으로는 질산 납 가열, 금속과 진한 질산 반응, 암모니아 산화 등을 통해 생성된다. 대기 오염의 주요 원인 물질 중 하나로, 광화학 반응을 통해 오존 생성을 촉진하고 미세먼지 생성에 기여하며, 산성비의 원인이 되기도 한다. 인체에 흡입 시 호흡기 자극, 폐수종 등 심각한 건강 문제를 일으킬 수 있으며, 장기간 노출 시 폐 기능 변화를 유발할 수 있다.

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이산화 질소 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
이산화 질소 골격식 및 측정값
이산화 질소 공간 채움 모형
이산화 질소()는 낮은 온도에서 무색의 사산화 이질소()로 변환되고, 높은 온도에서 다시 이산화 질소로 되돌아감.
IUPAC 명칭	이산화 질소
다른 이름	사산화 이질소 질소(IV) 산화물 질소 이산화물
식별
CAS 등록번호	10102-44-0
UNII	S7G510RUBH
펍켐 아이디	3032552
켐스파이더 아이디	2297499
EINECS	233-272-6
유엔 번호	1067
ChEBI	33101
RTECS	QW9800000
Gmelin	976
스마일즈 표기법	N(=O)[O]
스마일즈 표기법2	'[N+](=O)[O-]'
표준 InChI	1S/NO2/c2-1-3
InChI	1/NO2/c2-1-3
표준 InChIKey	JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N
InChIKey	JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYAA
속성
화학식	NO
몰 질량	46.006 g/mol
외형	갈색 기체
냄새	염소와 유사함
밀도	1.880 g/L
녹는점	-9.3 °C
끓는점	21.15 °C
용해도	가수 분해됨
다른 용매에 대한 용해도	사염화 탄소()에 용해됨 질산에 용해됨 클로로포름에 용해됨
증기압	98.80 kPa (20 °C에서)
굴절률	1.449 (20 °C에서)
자기 감수율	+150.0·10⁻⁶ cm³/mol
구조
분자 모양	굽은형
점군	C_2v
열화학
표준 생성 엔탈피	+33.2 kJ/mol
엔트로피	240.1 J/(mol·K)
열용량	37.2 J/(mol·K)
위험성
GHS 신호어	위험
주요 위험	독성 물질, 산화제
NFPA 704	건강: 4 인화성: 0 반응성: 0 기타: OX
PEL	C 5 ppm (9 mg/m³)
REL	ST 1 ppm (1.8 mg/m³)
IDLH	13 ppm
LC50	30 ppm (기니피그, 1시간) 315 ppm (토끼, 15분) 68 ppm (쥐, 4시간) 138 ppm (쥐, 30분) 1000 ppm (생쥐, 10분)
LCLo	64 ppm (개, 8시간) 64 ppm (원숭이, 8시간)
관련 화합물
다른 질소 산화물	오산화 이질소 사산화 이질소 삼산화 이질소 일산화 질소 아산화 질소
다른 화합물	이산화 염소 이산화 탄소

2. 성질

이산화 질소는 온도에 따라 다양한 형태로 존재하는, 화학 반응성이 큰 물질이다. 적갈색 기체 상태로 존재하며, 온도가 낮아지면 액체나 고체 상태가 되는데, 이때는 대부분 사산화 이질소 형태로 존재한다.^[52] 녹는점은 -9.3 °C, 끓는점은 21.3 °C이다. 상자성을 띠며, 이황화 탄소, 클로로폼 등에 녹는다.^[53] 물에 잘 녹는 극성 물질이다.^[53]

이산화 질소는 오존과 달리 바닥 상태에서 짝을 짓지 않은 전자를 하나 가지고 있어 이중항 상태를 나타낸다.^[12] 이러한 특징 때문에 자유 라디칼로 간주되기도 하며, 화학식은 종종 ^•NO₂로 표기된다.

2. 1. 물리적 성질

사산화 이질소와 평형을 이루는 이산화 질소는 21.3 °C 이상에서는 적갈색 기체, 그 이하에서는 황갈색 액체 상태로 존재한다.^[52]^[42] -9.3 °C(녹는점) 이하에서는 대부분 사산화 이질소(N₂O₄) 형태로 존재한다.^[52] 상자성을 띠는 분자이며,^[52] 질소 원자와 산소 원자 사이의 결합 길이는 1.188Å(다른 자료에는 119.7pm^[44])이고, 결합각은 126°(다른 자료에는 134°^[44])이다. 이황화 탄소, 클로로폼 등에 용해되며,^[53] 액체 상태에서는 염소, 브로민, 아이오딘 등을 용해할 수 있다.^[53] 극성 물질이므로 물에 잘 녹는다.^[53]

이산화 질소(NO₂), 니트로늄 이온(NO₂⁺), 아질산 이온(NO₂⁻)의 결합각과 결합 길이는 아래 표와 같다.^[44]

화학식	O-N-O 결합각 (°)	N-O 간 거리 (Å)
니트로늄 이온(NO₂⁺)	180	1.154
NO₂	134	1.197
아질산 이온(NO₂⁻)	115	1.236

2. 2. 화학적 성질

두 개의 이산화 질소 분자가 반응하면 사산화 이질소 분자가 되며, 이는 다음과 같은 평형 상태에 놓여있다.^[52]^[53]

:2 NO₂ ⇄ N₂O₄

위 반응에서 평형은 온도가 높아질수록 이산화 질소 쪽으로 이동한다. 27 °C에서는 21.24%만이 이산화 질소의 형태로 존재하나, 60 °C에서는 약 50%가 이산화 질소의 형태로 존재하고 100 °C에서는 90%, 150 °C에서는 거의 모든 분자가 이산화 질소의 형태로 존재한다.^[53]

이산화 질소가 관여된 반응은 대표적으로 다음과 같다.^[52]^[54]

600°C 이상으로 가열할 경우 일산화 질소와 산소로 해리된다.

::2NO₂ ⇄ 2NO + O₂

일산화 질소와 반응할 경우 삼산화 이질소를 생성한다.
물과 반응하여 다음과 같은 평형을 이룬다.

::2 NO₂ + H₂O ⇄ H⁺ + NO₃^- + HNO₂

::3 HNO₂ ⇄ H⁺ + NO₃^- + 2NO + H₂O

저온에서는 이산화 질소(NO₂)가 무색 기체인 사산화 이질소(N₂O₄)로 가역적으로 전환된다.

: 2 NO₂ ⇌ N₂O₄

이 발열 평형 반응의 엔탈피 변화는 ΔH = −57.23 kJ/mol이다.^[14]

150 K에서는 이산화 질소(NO₂)가 산소를 방출하며 흡열 반응(ΔH = 14 kJ/mol)을 통해 분해된다.

: 2 NO₂ → 2 NO + O₂

NO₂는 물과 반응하여 질산과 아질산을 생성한다. 이 반응은 암모니아로부터 질산을 산업적으로 생산하는 오스트발트법의 한 단계이다.^[16]

이산화 질소는 이량체인 사산화 이질소와 평형 상태에 있다.

:2NO₂ ⇄ N₂O₄, ΔH = -45.53 kJ/mol

르샤틀리에의 원리에 의해, 이 평형은 고온이 될수록 이산화 질소 쪽으로 치우친다.

이산화 질소는 이산화황과 반응하여 일산화 질소와 삼산화황을 생성한다.

: NO₂ + SO₂ → NO + SO₃

또한 물(냉수)과 반응하면 질산과 아질산이 생성된다. 이 반응은 산성비의 원인이 되고 있다.

: 2NO₂ + H₂O → HNO₃ + HNO₂

3. 생성

이산화 질소는 다양한 방법으로 생성될 수 있다.

건조한 분말 형태의 질산 납을 산소 존재 하에 가열한다.^[53]
질산염화물을 산화시킨다.
질산을 안정화시킨 다음 가열하여 분해를 촉진한다.
질산을 탈수하여 질산니트로늄을 생성한 후 열분해한다.
구리와 같은 금속으로 진한 질산을 환원시킨다.^[15]
일산화 질소를 공기 중에서 산화시킨다.
암모니아를 백금 촉매와 함께 850 ℃에서 공기 산화시킨다.
진한 질산에 구리나 은과 같은 금속을 반응시킨다.

3. 1. 자연적 생성

일산화 질소(NO)가 공기 중의 산소와 반응하여 이산화 질소가 생성된다.^[14]

: 2 NO + O₂ → 2 NO₂

NO₂^영어는 성층권 유입, 박테리아 호흡, 화산 활동, 번개와 같은 자연적인 원인으로 환경에 유입된다. 이산화 질소는 지구 대기에서 미량 기체가 되며, 태양광을 흡수하고 대류권의 화학 반응, 특히 오존 농도를 조절하는 역할을 한다.^[24] 지구 규모로 보았을 때 생물 활동이 이산화 질소 발생원의 대부분을 차지한다.

3. 2. 인위적 생성

건조한 분말 형태의 질산 납을 산소 존재 하에 가열하거나, 일부 금속 질산염을 열분해하면 이산화 질소가 생성된다.^[53]^[13]

구리와 같은 금속에 진한 질산을 반응시켜 환원시키면 이산화 질소를 얻을 수 있다.^[15]

오스트발트법을 통한 암모니아 산화는 산업적 이산화 질소 생산 방법이며, 이는 질산 생산의 첫 단계이기도 하다.^[16]

이산화 질소는 대부분의 연소 과정에서 생성된다. 높은 온도에서 질소와 산소가 결합하기 때문이다. 일반인에게 가장 큰 이산화 질소 발생원은 내연기관이다.^[8] 자동차 등 교통수단은 실외 이산화 질소 농도에 영향을 미치며,^[25] 실내에서는 담배 연기,^[26] 부탄 및 등유 난로, 스토브 등이 이산화 질소를 발생시킨다.^[27]

니즈니 타길 제철소(Nizhniy Tagil Iron and Steel Works) 상공의 "여우꼬리"

산업체 근로자들은 직업성 폐질환 위험에 노출될 수 있으며,^[6] 농업 노동자는 사일로에서 분해되는 곡물로 인해 "사일로 채우기 작업자 질환"이라는 폐 손상을 입을 수 있다.^[30]^[31]

4. 용도

이산화 질소(Nitrogen dioxide^영어)는 다양한 산업 분야에서 활용된다. 질산 제조의 중간체, 화약류 제조 시 질산화제, 아크릴산 에스테르의 중합 금지제로 사용된다.^[21] 로켓 연료의 산화제로도 사용되는데, 예를 들어 적색 발연 질산에 사용된다.^[23] 타이탄 로켓에서 제미니 계획 발사에 사용되었고, 우주왕복선의 조종 추진기와 여러 행성으로 보내진 무인 우주 탐사선에도 사용되었다.^[23]

5. 환경 영향

이산화 질소는 1970년대까지 배출량이 계속 증가했지만, 이후 배출가스 규제 등으로 연평균 농도는 거의 변화가 없는 상황이다. 그러나 일본에서는 간선도로 주변을 중심으로 환경 기준 달성이 미흡하며, 대기오염방지법에 의해 특정 물질로 지정되어 규제하고 있다.^[8]

5. 1. 대기 오염

이산화 질소(NO₂)는 대기 오염의 주요 원인 중 하나이다. 일산화 질소가 산화되어 발생하며, 내연기관이나 부탄, 등유 난로와 스토브 등 연소 과정에서 주로 생성된다.^[8] 고온에서 질소와 산소가 결합하여 생성되기도 한다.^[8]

이산화 질소는 대기 중에서 다른 질소산화물(NOx)과 함께 물, 산소 등과 반응하여 산성비의 원인이 되며, 이는 호수와 숲 등 생태계를 파괴한다.^[40] 또한, 이산화 질소 농도가 높아지면 식물 성장을 방해하여 농작물 수확량 감소를 유발할 수 있다.^[41]

이산화 질소는 광화학 반응을 통해 오존(O₃) 생성을 촉진하여 대기 오염을 악화시킨다. 질소산화물(NOx)의 주요 구성 성분으로서 미세먼지 생성에도 영향을 준다. 대기 중 이산화 질소 농도가 증가하면 시야를 가리고 햇빛을 차단하여 식물 성장을 저해한다.

일본에서는 대기오염방지법에 의해 이산화 질소를 특정 물질로 지정하여 규제하고 있다. 1970년대까지 이산화 질소 농도는 계속 증가했지만, 이후 배출가스 규제와 자동차 증가 추세가 균형을 이루면서 연평균 농도는 거의 변화가 없는 상황이다. 그러나 간선도로 주변에서는 여전히 환경 기준 달성이 미흡한 상황이다.

5. 2. 산성비

이산화 질소(NO₂)는 물과 반응하여 질산과 아질산을 생성한다.^[16] 이 반응은 오스트발트법의 한 단계이다.^[16] 이 반응은 대기 중의 낮은 NO₂ 농도에서는 매우 느리지만, NO₂가 표면에 흡수되면 진행된다. 이러한 표면 반응은 실외 및 실내 환경에서 기체 HNO₂(HONO)를 생성하는 것으로 생각된다.^[17]

대기 중 이산화 질소와 다른 질소산화물(NOx)이 물, 산소 및 기타 화학 물질과 반응하여 산성비를 형성하며, 이는 호수와 숲과 같은 민감한 생태계에 피해를 준다.^[40] 이산화 질소 농도가 높으면 식물의 성장이 저해되고 농작물 수확량이 감소할 수도 있다.^[41]

6. 건강 영향

이산화 질소(NO₂)는 호흡 상피의 상피액(ELF)으로 확산되어 용해된다. 그곳에서 ELF의 항산화 및 지질 분자와 화학적으로 반응한다. 이산화 질소의 건강 영향은 반응 생성물 또는 그 대사산물, 즉 반응성 질소 종과 반응성 산소 종에 의해 발생하며, 이는 기관지 수축, 염증, 감소된 면역 반응을 유발하고 심장에도 영향을 미칠 수 있다.^[32]

인체 건강 영향에 대해서는 주로 호흡기계에 대한 영향이 알려져 있다. 이산화 질소는 환경기준이 정해져 있으며, “1일 평균값이 0.04~0.06 ppm 범위 이하일 것, 또한 해당 지역에 대해서는 원칙적으로 현황 수준을 유지하거나 이를 크게 상회하지 않을 것”이라고 규정하고 있다.

6. 1. 급성 중독

고농도의 이산화 질소에 단기간 노출되면 기도가 강하게 자극받는다. 눈과 목에 자극, 가슴 답답함, 두통, 메스꺼움, 점차적인 무력감이 나타날 수 있다.^[55] 심한 증상은 노출 후 5~7시간 뒤에도 나타날 수 있으며, 청색증, 호흡 곤란, 불규칙한 호흡, 나른함 등이 동반될 수 있다. 치료받지 않으면 폐수종으로 인해 사망할 수 있다.^[55]

이산화 질소(NO₂) 급성 중독은 드물다. 100~200 ppm 농도에서는 코와 목에 가벼운 자극이 나타나며, 250~500 ppm에서는 폐부종을 일으켜 기관지염이나 폐렴으로 이어질 수 있다. 1000 ppm 이상의 고농도에서는 폐에 고인 체액으로 인해 질식하여 사망할 수 있다.^[33]^[34] 일시적인 기침, 피로, 메스꺼움 외에는 노출 당시 증상이 없는 경우가 많지만, 수 시간 후 폐 염증으로 인해 부종이 발생한다.^[33]^[34]

피부나 눈에 노출된 경우, 생리식염수로 해당 부위를 세척해야 한다. 흡입한 경우에는 산소를 공급하고, 기관지 확장제를 투여할 수 있다. 질소계 화합물이 적혈구의 헤모글로빈에 영향을 미쳐 발생하는 메트헤모글로빈혈증 징후가 보이면 메틸렌블루를 투여할 수 있다.^[35]^[36]

6. 2. 만성 중독

저농도의 이산화 질소(NO₂^영어)에 장기간 노출되면 폐 기능 변화가 발생할 수 있다.^[38] 가스레인지를 사용하여 요리하는 것은 실내 공기 질 저하와 관련이 있다. 가스 연소는 가정 환경 전체에서 이산화 질소 농도 증가를 초래할 수 있으며, 이는 호흡기 질환과 관련이 있다.^[9]^[10] 이산화 질소(NO₂)에 노출된 어린이는 천식으로 인해 병원에 입원할 가능성이 더 높다.^[39]

이산화 질소는 호흡 상피의 상피액(ELF)으로 확산되어 용해된다. 그곳에서 ELF의 항산화 및 지질 분자와 화학적으로 반응한다. 이산화 질소의 건강 영향은 반응 생성물 또는 그 대사산물, 즉 반응성 질소 종과 반응성 산소 종에 의해 발생하며, 이는 기관지 수축, 염증, 감소된 면역 반응을 유발하고 심장에도 영향을 미칠 수 있다.^[32]

7. 안전

이산화 질소는 유해 물질이므로 취급에 주의해야 한다. 증기는 기도를 강하게 자극하며, 액체 상태의 이산화 질소는 피부나 눈에 심각한 부식을 일으킬 수 있다.^[55]

7. 1. 흡입

증기는 기도를 강하게 자극한다. 눈과 목에 자극, 가슴의 긴장, 두통, 구역질, 점차적인 무력함이 일어날 수 있다. 심각한 증상은 5~7시간 후에도 일어날 수 있으며 청색증, 호흡 곤란, 불규칙한 호흡, 나른함이 있을 수 있다. 치료받지 않는 경우 폐수종으로 인하여 결과적으로 사망할 수 있다.^[55]

이산화 질소(NO₂)에 대한 급성 피해는 드물다. 100~200 ppm은 코와 목의 가벼운 자극을 유발할 수 있으며, 250~500 ppm은 폐수종을 일으켜 기관지염이나 폐렴으로 이어질 수 있다. 1000 ppm 이상의 농도에서는 폐에 고인 체액으로 인한 질식으로 사망에 이를 수 있다. 일시적인 기침, 피로 또는 메스꺼움을 제외하고는 노출 당시에는 종종 증상이 나타나지 않지만, 수 시간이 지나면 폐의 염증으로 인해 부종이 발생한다.^[33]^[34]

흡입한 경우에는 산소를 공급하고, 기관지 확장제를 투여할 수 있으며, 질소계 화합물이 적혈구의 헤모글로빈에 영향을 미쳐 발생하는 메트헤모글로빈혈증 징후가 있으면 메틸렌블루를 투여할 수 있다.^[35]^[36]

7. 2. 피부 접촉

액체 상태의 이산화 질소에 노출될 경우 심각한 부식이 발생할 수 있다.^[55]

7. 3. 눈 접촉

액체 상태의 이산화 질소는 눈에 심각한 부식을 일으킬 수 있다. 이산화 질소에 노출될 위험이 있는 사람은 콘택트 렌즈를 착용해서는 안 된다.^[55]

참조

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