암모니아의 특성 및 물리적, 화학적 성질

암모니아의 특성은?

암모니아(Ammonia)는 질소와 수소로 이루어진 화합물로 분자식은 NH3입니다. 끓는점이 약 -33도이므로 실온에서 기체 상태로 존재합니다. 특유의 자극적인 냄새가 나며 무색입니다. 대기중에 소량이 존재하며, 강한 부식성이 있는 맹독성 물질이며, 물에 잘 흡수되는 특성이 있습니다. 따라서 고농도의 암모니아에 노출될 경우, 점막에 급격히 흡수되어 세포 조직을 치명적인 수준으로 파괴하기 때문에 눈, 코, 입, 귀를 막고 신속히 현장을 이탈해야 합니다.

 

20세기 초에 프리츠 하버가 공기 중의 질소를 이용한 암모니아 합성법을 개발하였고 이를 통해 요소 비료를 대량생산 하게 되었습니다. 암모니아는 냉매, 용매, 소독세정제로 이용되고 합성수지 제조 등 화학공업의 다양한 분야에 널리 사용되고 있습니다.

암모니아의 물리적 성질

암모니아는 표준 상태에서 특유의 자극적 냄새가 나는 무색의 기체로 존재합니다. 밀도는 673.1kg/m3 이며,상온에서도 압축시키면 비교적 간단하게 액화시킬 수 있습니다. 녹는점은 -77.7 ℃, 끓는점은 -33 ℃, 임계온도는 132.4 ℃, 임계압력은 112.8atm입니다.

 

암모니아는 물에 잘 녹는 물질입니다. 용액의 어는점에서 암모니아는 질량 퍼센트로 약 45퍼센트까지 녹을 수 있으며 표준 상태에서 암모니아는 질량 퍼센트로 약 30퍼센트 까지 녹을 수 있습니다. 용해도는 0℃ 의 물에 89.9g/100ml, 20℃ 의 물에 52.0g/100ml, 96℃ 의 물에 7.4g/100ml입니다. 암모니아의 물리적 성질은 부분적으로 수소결합에 영향을 받습니다.

 

암모니아의 화학적 성질

대부분의 반응은 크게 암모니아 첨가반응, 암모니아 치환반응, 산화 환원 반응으로 나눌 수 있습니다.

 

그중, 암모니아의 산화 환원 반응은 암모니아에 포함된 질소의 산화상태가 바뀌는 반응과 수소가 해리되는 반응으로 나눌 수 있으며, 전자의 예로는 다음과 같이 백금 촉매의 존재 하에 암모니아가 일산화질소로 산화되는 반응을 들 수 있습니다.

 

4 NH3 + 5 O2 → 4 NO + 6 H2O

 

촉매가 존재하지 않는다면 암모니아는 산소로 인하여 연소되어 질소와 물을 내놓으며, 이 과정에서 소량의 질산 암모늄, 이산화 질소 등이 생성되기도 합니다.

 

4 NH3 + 3 O2 →  2 N2 + 6 H2O

 

암모니아와 금속 산화물의 반응 또한 질소가 산화되는 반응이며, 다음은 암모니아가 산화구리(II)와 반응하는 경우입니다.

 

3CuO + 2NH3 → 3Cu + 3H2O + N2

암모니아의 생성법

1. 공업적 합성법 : 하버-보슈법

공업적으로 암모니아를 합성하는 데에 가장 많이 사용되는 방법은 수소와 질소로부터 암모니아를 직접 합성하는 방법입니다. 암모니아 합성 반응식은 다음과 같이 간단합니다.

 

N2 + 3 H2 → 2 NH3 + 100kJ

 

암모니아가 질소와 수소로 이루어져 있다는 사실이 알려지면서 이러한 합성법을 시도하는 경우가 많았는데, 20세기 초 발터 네른스트, 프리츠 하버등이 이 반응의 열역학적 평형을 연구하여 반응이 가능하다는 것을 밝혔습니다.

 

하버는 공중질소를 이용하여 암모니아를 합성하는데 성공하였고, 고압과 고온을 견디는 기구를 별도로 만들어 오스뮴을 촉매제로 사용하였습니다. 그러나 수율이 낮고 경제성이 떨어져 칼 보슈와 함께 상업화를 위한 대량 생산법을 개발하여 1913년 부터 화학비료(질소비료)를 일일 20톤을 생산 하였으며, 제1차 세계대전 중에는 화약제조에 필수적인 질소를 공급하기 위한 군수공장으로 전화되었다가 종전된 1918년 이후 생산법에는 많은 개선이 이루어졌고 오늘날의 합성법이 만들어 졌습니다.

 

생산 공정

합성법에는 우선 연료가 될 질소와 수소를 구하는 공정이 우선입니다. 질소는 대기로부터 채취하여 얻어지며, 수소는 주로 천연가스를 반응시켜 얻어냅니다. 수소를 얻는 과정은 다음과 같습니다.

 

천연가스의 황 성분은 촉매를 오염시킬 수 있기 때문에, 암모니아 생산 공정에 투입될 천연가스는 탈황 과정을 거친 천연가스여야 합니다. 황성분이 제거된 천연 가스는 수증기와 함께 니켈 촉매를 채운 관을 통과하고, 이 과정에서 대부분의 수소가 생산 되며, 반응식은 다음과 같습니다.

 

CH4 + H2O  →  CO + 3 H2

CO + H2O →  CO2 + H2

 

위 과정에서 반응하지 않은 이산화 탄소는 메탄올, 아세톤, 액화질소 등의 유기 용매에 흡수시켜 제거 합니다.

산화 탄소류는 이후 반응에서 사용되는 촉매를 오염시키기 떄문에 제거 되어야 합니다. 이러한 과정을 거치고 나면 수소기체에는 약 0.1퍼센트의 이산화탄소와 0.5퍼센트의 일산화 탄소가 남게 됩니다. 이들을 완전히 제거하기 위해서 약간의 수소와 반응 시킵니다.

 

CO + 3 H2  → CH4 + H2O

CO2 + 4 H2  → CH4 + 2 H2O

 

이 과정을 거쳐 얻어진 수소는 촉매 존재 하에서 질소와 반응하여 다음과 같이 암모니아를 생성하게 됩니다. 이때 반응이 일어나는 조건은 사용하는 방법에 따라서 달라집니다.

 

N2 + 3 H2 → 2 NH3

 

2. 그 밖의 방법

클로드 법은 원래 약 1000atm의 고압조건에서 합성반응을 진행시키는 방법, 최근에는 340~650atm의 조건에서 반응을 진행시키는 방법도 개발되었다. 카잘레 법 역시 450~600atm의 고압조건에서 암모니아를 합성하는 방법입니다.

 

부생법은 석탄 건류 시 발생하는 가스액에서 회수하는 것이며, 변성법은 칼슘 카바이드를 이용하여 칼슘 사이안아마이드를 만든 후 여기에 수증기를 작용시켜 암모니아를 얻습니다.

 

실험적 제법으로는 암모늄염을 염기성 용액과 가열시켜서 얻는 방법이 있으며, 질화 금속을 가수분해하는 방법 또한 있습니다.

 

전기화학적 합성법은 전기화학촉매 반응을 이용한 비생물학적 공정이며 최근에 친환경적 암모니아 생성 방법으로 연구되고 있습니다. 이 프로세스는 공기중의 질소와 물을 전기분해하여 저온, 저압에서 비교적 간단하게 암모니아를 생성하는 방법입니다.

암모니아의 사용용도

• 비료
• 냉각제 ; 암모니아의 끓는 점은 다른 기체에 비해서 비교적 높은 편이고, 압축할 경우 쉽게 액화하며 기화열이 비교적 크기 때문에 냉장고와 공기조절 장치 등의 냉각제로 쓰여왔습니다. 그러나 암모니아의 유독성 때문에 가정용 냉장고 등에서는 암모니아를 대신해서 프레온이 주로 사용되었습니다. 하지만 프레온은 오존층 상공에서 오존을 분해한다는 사실이 밝혀져 전 세계적으로 사용을 금지하고 있으므로, 최근에는 다시 암모니아를 냉각제로 사용하는 냉동기에 대한 개발이 진행되고있습니다.
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