질산염

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1. 개요

질산염은 화학식 NO₃⁻로 표시되는 분자 이온으로, 질산의 짝염기이며, 중심 질소 원자가 세 개의 산소 원자에 의해 삼각 평면 구조로 둘러싸여 있다. 거의 모든 질산염은 물에 잘 녹으며, 질산염은 비료, 폭발물, 산업용 및 의약품 등 다양한 용도로 사용된다. 질산염은 고온에서 폭발물의 역할을 할 수 있으며, 수중 생태계와 인체에 유해한 영향을 미칠 수 있어 음용수 기준이 설정되어 있다. 질산염은 자연적으로 생성되기도 하지만, 인간 활동으로 인해 환경에 과도하게 축적될 수 있으며, 다양한 질산염 화합물과 질산염 광물이 존재한다.

2. 화학적 구조 및 성질

질산염 이온(NO₃^-)은 중심 질소 원자가 세 개의 산소 원자와 결합하여 삼각 평면 구조를 이루며, -1의 형식 전하를 띤다. 각 산소 원자는 -2/3의 전하를, 질소 원자는 +1의 전하를 가지며, 이들의 조합으로 전체 이온의 전하가 결정된다. 이러한 구조는 공명 현상을 통해 안정화되며, 음전하는 세 개의 산소 원자에 고르게 분산된다.^[33]

거의 모든 질산염은 표준 상태에서 물에 잘 녹는다. 이는 질산염 이온이 전리될 때 자유도 감소가 작기 때문이다.^[33]

2. 1. 화학적 구조

질산염 음이온은 하나의 중심 질소 원자가 세 개의 동일하게 결합된 산소 원자에 의해 삼각 평면 배열로 둘러싸여 있는 질산의 짝염기이다. 질산염 이온은 -1의 형식 전하를 갖는다. 이 전하는 세 개의 산소 각각이 -2/3의 전하를 띠고, 질소는 +1 전하를 띠는 형식 전하의 조합으로 인해 발생하며, 이 모든 것이 다원자 질산염 이온의 형식 전하로 합산된다. 이러한 배열은 일반적으로 공명의 예로 사용된다. 등전자 탄산염 이온과 마찬가지로 질산염 이온은 세 가지 공명 구조로 나타낼 수 있다.

질산 이온은 화학식 NO₃⁻로 표시되는 분자 이온으로, 분자량은 62.00이다. 질산의 짝염기이며, 1개의 질소 원자와 이를 둘러싼 3개의 등가적인 산소 원자가 평면 삼각형을 구성하고 있다. N−O 결합 거리는 거의 125pm이다. 전체적으로 1가의 음전하를 띠며, 각 산소 원자는 각각 -2/3, 질소 원자는 +1의 형식 전하를 가진다. 공명 구조의 예로 언급되는 것처럼, 음전하는 3개의 산소 원자 위에 동일하게 분산되어 있다.^[33]

2. 2. 화학적 성질

질산염() 음이온에서 중심 질소 원자의 산화수는 V (+5)이다. 이는 질소의 가장 높은 산화수에 해당한다. 질산 이온은 화학식 NO₃⁻로 표시되는 분자 이온으로, 분자량은 62.00이다. 질산의 짝염기이며, 1개의 질소 원자와 이를 둘러싼 3개의 등가적인 산소 원자가 평면 삼각형을 구성하고 있다. N−O 결합 거리는 거의 125pm이다. 전체적으로 1가의 음전하를 띠며, 각 산소 원자는 각각 −2/3, 질소 원자는 +1의 형식 전하를 가진다. 음전하는 3개의 산소 원자 위에 동일하게 분산되어 있다.^[33]

거의 모든 질산염은 표준 상태에서 물에 녹는다.^[33] 질산염은 고온에서 폭발물의 행동으로 입증되듯이 잠재적으로 강력한 산화제이며, 질산 암모늄() 또는 화약에서 충격파에 의해 주요 폭발물이 점화될 때 폭발한다. 그러나 적색 발연 질산() 또는 농축 질산()과 달리, 중성 또는 높은 pH에서 수용액에 용해된 질산염은 약한 산화제일 뿐이며, 미생물이 없는 상태에서 무균 또는 무균 조건에서 안정적이다. 산화력을 높이기 위해서는 산성 조건과 높은 농도가 필요하며, 이 조건에서 질산염은 질산으로 변환된다. 이러한 거동은 전기화학에서 산화 환원 (redox)의 일반적인 이론과 일치한다. 즉, 산화력은 산성 조건에서 악화되는 반면, 환원제의 힘은 염기성 조건에서 강화된다. 이는 네른스트 방정식과 해당 산화 환원 반응을 사용하여 그린 푸르베 다이어그램(E_h–pH 다이어그램)을 통해 설명할 수 있다. 산화제의 환원 동안 산화 상태가 감소하고 반응에 의해 물에 과량 방출된 산화 이온()은 산성 조건 ()에서 더 쉽게 양성자화되어 르 샤틀리에의 원리에 따라 환원 반응을 오른쪽으로 유도한다.

한편, 질산염은 탈질 세균이 생존에 필요한 에너지를 전달하기 위해 강력한 말단 전자 수용체로 사용된다. 무산소 환경 조건에서 질산염은 원핵생물 미생물 (세균 및 고세균)이 호흡하는 데 사용하는 가장 강력한 전자 수용체이다.

탈질 과정의 첫 번째 단계에서 용존 질산염 ()은 세균의 효소 촉매 작용에 의해 촉매적으로 산화 환원되어 아질산염 ()으로 환원된다. 수용액에서 용존 아질산염, N(III)는 질산염, N(V)보다 강력한 산화제인데, 이는 더 적은 전자를 수용해야 하고 산화 환원이 질산염의 산화 환원보다 화학 반응 속도론적으로 덜 방해받기 때문이다.

생물학적 탈질 과정 동안 아질산염의 추가 환원은 또 다른 강력한 산화제인 일산화 질소 (NO)를 생성한다. NO는 미오글로빈에 고정되어 붉은 색상을 강조할 수 있다. NO는 중요한 생물학적 세포 신호 분자이며 혈관 확장 과정에 관여하지만, 생물학적 조직에서 유리 라디칼을 생성하여 조직의 분해 및 노화 과정을 가속화할 수도 있다. NO에 의해 생성된 활성 산소 종(ROS)은 혈관 기능 장애 및 죽상 경화증과 관련된 조건인 산화 스트레스에 기여한다.^[2]

3. 검출

질산염 음이온은 이온 크로마토그래피(IC)를 통해 수용액에 함께 존재하는 다른 음이온과 함께 분석된다. IC는 간편하고 수성 시료에 존재하는 모든 음이온을 동시에 분석할 수 있다는 장점이 있다.^[3] 질산염을 특정 검출하기 위해서는 질산염을 아질산염으로 산화 환원시키는 방법이 사용된다. 이 반응은 구리-카드뮴 물질을 통해 수행된다.^[3] 시료는 유동 주입 분석기에 주입되며, 생성된 아질산염 함유 유출액은 발색 또는 전기화학적 검출을 위한 시약과 결합된다.^[3] 이러한 분석법 중 가장 널리 사용되는 것은 그리스 시약을 이용하는 방법으로, 아질산염을 자외선-가시광선 분광 분석에 적합한 짙은 색의 아조 염료로 변환한다.^[3] 이 방법은 아질산염의 산성화로부터 유도된 아질산의 반응성을 이용한다. 아질산은 방향족 아민과 선택적으로 반응하여 디아조늄 염을 생성하며, 이는 다시 두 번째 시약과 결합하여 아조 염료를 생성한다.^[3] 검출 한계는 0.02 ~ 2 μM이다.^[3] 이러한 방법은 생물학적 시료에 매우 적합하게 적용되었다.^[4]

4. 생성

질산염은 건조한 환경에서 대규모 매장, 특히 질산나트륨의 주요 원료인 질산염광물 형태로 자연적으로 발견된다.

질산염은 질소 공급원과 자유 에너지원으로 암모니아 또는 요소를 사용하여 자연 환경에서 많은 종의 질산화 세균에 의해 생성된다. 화약에 사용되는 질산염 화합물은 광물 질산염 공급원이 없는 경우, 오줌과 배설물을 이용한 다양한 공업 발효 과정을 통해 역사적으로 생산되었다.

지구의 질소와 산소가 풍부한 대기에서 번개가 치면 질소 산화물의 혼합물이 생성되며, 이들은 아질산 이온과 질산 이온을 형성하고, 빗물이나 강수#숨은 증착을 통해 대기에서 씻겨 내려간다.

질산염은 질산으로부터 산업적으로 생산된다.^[1]

5. 용도

질산염은 질산으로부터 산업적으로 생산된다.^[1] 질산염 화합물은 광물 질산염 공급원이 없는 경우, 오줌과 배설물을 이용한 다양한 공업 발효 과정을 통해 역사적으로 생산되기도 했다. 지구의 질소와 산소가 풍부한 대기에서 번개가 치면 질소 산화물이 생성되며, 이들은 아질산 이온과 질산 이온을 형성하고 빗물이나 강수#숨은 증착을 통해 대기에서 씻겨 내려간다.

질산염은 생태계에서 식물의 성장과 발달을 지원하며, 생물 다양성과 생태학적 균형에 기여한다.^[9]

5. 1. 농업

질산염은 높은 용해도와 생분해성으로 인해 농업에서 비료로 사용된다. 주요 질산염 비료는 암모늄, 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 염이다. 이 목적으로 연간 수십억 킬로그램이 생산된다.^[1] 질산염은 많은 식물에게 질소의 주요 공급원이며,^[5] 단백질, 핵산 및 기타 중요한 유기 분자를 합성하는 데 사용되는 필수 영양소이다.^[5] 또한 식물에서 뿌리 성장, 개화 및 잎 발달과 같은 과정을 조절하는 신호 분자 역할도 한다.^[7]

질산염은 토양 비옥도와 작물 수확량을 향상시키므로 농업에 유익하지만, 과도하게 사용하면 영양분 유출, 수질 오염 및 수생 생태계의 사(死)지대 확산을 초래할 수 있다.^[8] 따라서 생산성과 환경 관리의 균형을 유지하는 지속 가능한 농업 방식이 필요하다.

5. 2. 화약 및 폭발물

질산염은 산화제로 사용되며, 특히 폭발물에서 탄소 화합물의 빠른 산화를 유발하여 다량의 가스를 방출하게 한다(예: 화약).^[1]

5. 3. 산업

질산염은 질산으로부터 산업적으로 생산된다.^[1]

5. 4. 의약품

의학 분야에서 니트로글리세린, 이소소르비드 디니트레이트, 이소소르비드 모노니트레이트와 같은 질산염 유도 유기 에스터는 급성 관상 동맥 증후군, 심근 경색, 급성 폐부종의 예방 및 관리에 사용되는 니트로혈관확장제이다.^[10] 아질산 아밀도 이 종류의 약물에 속한다.

5. 5. 사진

과거 질산염은 필름의 재료인 니트로셀룰로스로 사용되었다.^[1] 그러나 높은 가연성으로 인해, 1950년에 영화 제작 스튜디오들은 셀룰로스 아세테이트 안전 필름으로 전환했다.

6. 독성 및 안전성

질산염은 과도하게 섭취하거나 환경에 노출될 경우 독성을 나타낼 수 있다. 질산염의 독성에 대한 두 가지 주요 우려는 다음과 같다.

메트헤모글로빈혈증: 질산염은 체내에서 아질산염(NO₂^-)으로 환원될 수 있는데, 아질산염은 헤모글로빈을 산화시켜 메트헤모글로빈혈증을 유발할 수 있다.^[11]^[12]
니트로사민 형성: 질산염 환원 세균에 의해 환원된 질산염은 아질산염의 전구체가 되고, 아질산염은 다시 발암성 니트로사민의 전구체가 된다.^[11]^[12]

이 외에도 질산염은 수생 생태계에 독성을 나타낼 수 있으며, 과도한 질산염은 물고기에게 치명적일 수 있다.

미국 환경 보호청(EPA)은 미국의 안전한 식수법에 따라 식수 내 질산염의 최대 오염 수준을 10mg/L (10ppm)으로 설정했다.^[18] 식품 첨가물에 관한 FAO/WHO 합동 전문가 위원회(JEFCA)는 질산염 이온의 허용 일일 섭취량(ADI)을 체중 1kg 당 0–3.7mg으로 설정했다.^[19]

6. 1. 메트헤모글로빈혈증

질산염(Nitrate^영어, NO₃^-)은 체내에서 아질산염(Nitrite, NO₂^-)으로 환원될 수 있다. 아질산염은 헤모글로빈 내 헴의 Fe²⁺를 Fe³⁺으로 산화시켜 메트헤모글로빈혈증을 유발한다.^[11]^[12] 메트헤모글로빈혈증은 혈액의 산소 운반 능력을 저하시켜 청색증을 일으킬 수 있다.

특히 4개월 미만의 유아는 체중 당 더 많은 물을 마시고, NADH-사이토크롬 b5 환원 효소 활성이 낮으며, 메트헤모글로빈으로 더 쉽게 전환되는 높은 수준의 태아 헤모글로빈을 가지고 있어 위험이 더 크다.^[13] 또한, 유아는 세균에 의한 아질산염 생성으로 인해 위장염을 앓은 후 위험이 증가한다.^[13]

우물물이나 음식을 통한 질산염 및 아질산염 섭취가 유아 메트헤모글로빈혈증의 가장 흔한 원인 중 하나이다.

하지만 질산염 외에도 선천성 심장 질환,^[16] 설사 감염, 단백질 불내성, 중금속 독성^[17] 등 다른 요인으로 인해 청색증이 발생할 수 있다.^[14]^[15]

6. 2. 니트로사민 형성

질산염 환원 세균의 미생물 활동에 의해 환원된 질산염은 물과 하부 위장관에서 아질산염의 전구체가 된다. 아질산염은 발암성 니트로사민의 전구체이다.^[11]^[12]

아질산염(NO₂^-) 섭취량은 주로 섭취하는 가공육의 양과 이러한 육류 (베이컨, 소시지 등)의 보존을 위해 첨가되는 질산염 (NO₃^-)의 농도에 의해 결정된다. 아질산염이 육류 보존에 주로 사용되는 질소 화합물이지만, 질산염 또한 사용되며 미생물에 의해 또는 소화 과정에서 아질산염으로 변환될 수 있다. 이는 타액에 용해되고 구강 미생물군과 접촉하는 것에서 시작된다. 아질산염은 발암성 니트로사민의 형성을 유발한다.^[28] 니트로사민 형성은 보존 과정에서 항산화제인 비타민 C와 비타민 E의 알파-토코페롤 형태를 사용하면 억제할 수 있다.^[29]

6. 3. 수생 생태계 독성

과도한 질산염은 육지 근처의 담수 또는 기수 생태계에서 물고기에게 치명적인 농도에 이를 수 있다. 질산염은 암모니아보다 독성이 훨씬 적지만,^[20] 30ppm 이상의 질산염 수치는 일부 수생 종의 성장을 저해하고, 면역 체계를 손상시키며, 스트레스를 유발할 수 있다.^[21]

수생 생태계에서 질산염 농도가 과도한 경우, 주요 원인은 과도한 질산염 비료를 사용한 농업 또는 조경 지역의 표면 유출과 폐수 배출이다. 그 결과 발생하는 부영양화와 조류 번성은 저산소증과 생물학적 사막을 초래한다. 질산염은 총 용존 고형물의 구성 요소로, 수질의 지표로 널리 사용된다.

지면에 근접한 담수역 및 삼각강에서는 질산염 농도 상승이 일어날 수 있으며, 이는 물고기의 폐사의 원인이 된다. 질산염은 암모니아나 아질산염보다 독성이 낮지만,^[34] 농도가 30ppm에 달하면 성장을 저해하거나 면역계를 저해할 수 있으며, 수생 생물에게 악영향을 미친다.

고농도의 질산염은 조류의 증식 또한 일으킨다. 칼륨, 인산염, 질산염 등의 영양소가 증가하면 부영양화의 원인이 된다. 이는 저산소증 상태의 원인이 되기도 하며, 생태계에서 특정 생물이 다른 것보다 압도적으로 증식하는 현상의 방아쇠가 된다.

질산염은 정화조에서 물을 정화할 때의 부산물이며, 동물이나 사람의 배설물이 분해된 후에 생성된다. 수질은 수원에 따라 영향을 받는다. 부패물은 지상의 수원이나 대수층을 거쳐 수원 근처로 유입된다. 이 때문에, 빗물 외를 주된 수원으로 하는 호수 등은 그러한 과정에 의한 질산염 농도의 증가가 일어날 수 있다.

6. 4. 음용수 기준

미국 환경 보호청(EPA)은 미국의 안전한 식수법에 따라 식수 내 질산염의 최대 오염 수준을 10mg/L (10ppm)으로 설정했다.^[18]

식품 첨가물에 관한 FAO/WHO 합동 전문가 위원회(JEFCA)는 질산염 이온의 허용 일일 섭취량(ADI)을 체중 1kg 당 0–3.7mg으로 설정했다.^[19]

7. 식이 질산염

시금치, 루꼴라와 같은 잎채소와 사탕무 주스에는 질산염()이 많이 함유되어 있다. 식수 또한 주요한 질산염 섭취원이다.^[31]

질산염 섭취는 혈장 질산염 농도를 2~3배 빠르게 증가시키며, 2주 이상 유지될 수 있다. 증가된 혈장 질산염은 산화 질소(NO) 생성을 증가시킨다. 산화 질소는 근육 혈류 조절 및 미토콘드리아 호흡 등 여러 작용에 관여하는 생리적 신호 분자이다.^[27]

아질산염 () 섭취량은 주로 가공육(베이컨, 소시지 등)의 양과 육류 보존을 위해 첨가되는 질산염 ()의 농도에 의해 결정된다. 아질산염은 발암성 니트로사민 형성을 유발한다.^[28] 니트로사민 생성은 항산화제인 비타민 C와 비타민 E의 알파-토코페롤 형태를 사용함으로써 억제될 수 있다.^[29]

고혈압 치료를 위한 DASH 식단은 일반적으로 높은 수준의 질산염을 함유하고 있으며, 타액에서 먼저 아질산염으로 환원된 후 산화 질소(NO)를 형성한다.^[31]

8. 환경에 미치는 영향

생태계에서 질산염 침착은 인간 활동, 특히 농업에서 질소 비료의 광범위한 사용과 화석 연료 연소로 인한 배출로 인해 크게 증가했다.^[23] 전 세계적으로 연간 약 1억 9500만 미터톤의 합성 질소 비료가 사용되며, 질산염이 이 양의 상당 부분을 차지한다.^[24] 미국, 중국, 인도 등 집약적인 농업이 이루어지는 지역에서는 헥타르당 질소 비료 사용량이 200킬로그램을 초과할 수 있다.^[24]

증가된 질산염 침착의 영향은 식물 군락뿐만 아니라 토양 미생물 개체군에도 미친다.^[25] 토양 화학 및 영양 역학의 변화는 질소 고정, 질화 및 탈질화와 같은 자연적인 질소 순환 과정을 방해하여 미생물 군집 구조와 기능의 변화를 초래할 수 있다. 이러한 변화는 영양 순환과 전반적인 생태계 건강에 영향을 미칠 수 있다.^[26]

9. 주요 질산염 화합물

다음은 주요 질산염 화합물이다.

10. 질산염 광물

광물학에서 질산염으로 이루어진 광물을 '''질산염 광물'''이라고 한다. 초석(KNO₃), 칠레 초석(NaNO₃) 등이 있다.

일반적으로 일본에서는 습도가 높기 때문에 질산염 광물은 존재하지 않는다고 생각되었지만, 일부에서는 산출 기록이 존재한다(칠레 초석 문서 참조).

참조

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