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질소란 무엇인가? 질소(Nitrogen)는 비금속 화학 원소로 기호는 N이고 원자번호는 7번입니다. 일반적으로 질소원자 2개가 결합하여 무색, 무미, 무취인 기체 상태로 존재합니다. 지구 대기에서 가장 많은 비중을 차지하며 그 양은 78.09%입니다. 지구상의 모든 생명체의 구성물이라고 표현되며 아미노산, 암모니아, 질산 그리고 시안화물과 같은 화합물을 구성하는 성분이기 도합니다. 질소는 지표상에서 화성암의 형태로도 존재합니다.

질소(Nitrogen)원자 특성은 15족, 2주기, p-구역이며 원소 분류는 비금속의 기체상태로 존재 합니다. 이러한 질소는 살아있는 생물체, 일반적으로 동물과 식물은 질소를 반드시 일정량 이상 섭취해야 생명을 유지할 수 있습니다. 동물의 경우에는 질소가 함유된 채소나 육류를 섭취함으로써 손쉽게 질소를 보충할 수 있고, 식물의 경우 동물보다는 다소 복잡한 과정을 거치게 됩니다.

질소분자의 결합을 끊고 생물이 흡수할 수 있는 화합물로 전환하는 것을 질소고정이라고 하는데, 자연계에서 이 역할을 하는 것은 박테리아와 같은 세균입니다. 흙 속에 존재하는 남조류에도 이러한 세균이 있죠. ‘뿌리혹박테리아’로 불리는 이 세균은 콩과(pea family) 식물의 뿌리에 붙어 포자를 만들고 식물에 암모니아를 공급하는 대신 탄화수소를 얻어 공생합니다. 

2-1. 질소 비료(화학 비료)

앞에 내용을 기억하신다면 식물의 경우는 일정량 이상의 질소를 섭취해야 합니다. 산업 혁명 이후 인구가 폭발적으로 증가하면서, 천연 비료로는 늘어난 인구만큼 작물의 생산량을 높일 수 없었습니다. 이에 따라 공기 중의 질소를 대량으로 고정할 방법이 필요해졌고, 이러한 방법으로 만들어진 비료를 질소 비료 혹은 화학 비료라고 부릅니다.

하지만, 이렇게 좋을 것만 같은 비료도 과다로 사용하면 문제가 발생합니다. 질소의 과다는 식물을 연약하게 하여 병충해에 쉽게 노출됩니다. 또한 토양을 산성화시켜 빗물에 의해 강이나 지하수로 흘러들어 질산오염을 초래할 수 있기에 적정 사용량을 지키면서 사용해야 합니다.

2-2. 아산화 질소(NO2), 이산화 질소(N2O)

아산화 질소(N2O)는 산암모늄을 열로 분해할 때 발생하는 기체입니다. 고체, 액체, 기체 모두 무색이며 물과 알코올에는 상당히 잘 녹습니다. 신기하게도 아산화질소를 흡입하면 얼굴 근육에 경련이 일어나 마치 웃는 것처럼 보이며, 사람들이 ‘웃음가스’라 부르는 이유입니다. 이러한 이유로 아산화질소는 인류 최초로 마취제로 사용되었습니다. 아산화질소는 마취효능이 약한 편이지만 냄새와 맛이 달콤해 지금도 치과에서 어린이용 마취제로 사용하거나 국소마취제의 보조제로도 이용됩니다.

이산화질소(NO2)는 아산화 질소(N2O)와 비슷한 구조를 가지지만 매우 많이 다릅니다. 이산화질소(N2O) 적갈색의 반응성이 큰 기체로서, 대기 중에서 일산화질소의 산화에 의해서 발생하며, 대기 중에서 휘발성유기화합물(VOCs)과 반응하여 오존을 생성하는 전구물질(precursor)의 역할을 합니다. 주요 배출원은 자동차와 파워 플랜트와 같은 고온 연소공정과 화학물질 제조공정 등이 있으며, 토양중의 세균에 의해 생성되는 자연적 현상이 있습니다. 연료를 태울때 이 물질은 발생되기에 저희 인체에 끼치즌 영향은 매우 좋지 않은 물질 입니다.

원자 구조는 비슷하지만 어떠한 구조를 가지느냐에 따라서, 장점이 될 수도 있고 단점이 될 수 도있는 비금속 화학 원소 원자 번호 7번 질소(Nitrogen)에 대해서 알아봤습니다. 

탄소란 무엇인가? 탄소는 지각을 구성하는 요소들 중에 15번째로 풍부하며, 우주에서 수소,헬륨, 산소 다음인 4번째로 풍부한 원소입니다. 이렇게 탄소는 풍부하며, 탄소 화합물로서 다양한 유기 화합물을 구성할 수도 있고, 상온 상태에서 중합체를 형성할 수도 있기 때문에 우리 삶은 탄소와 밀접한 관련이 있습니다. 예로서 탄소는 우리 몸에서 산소다음인 두 번째로 풍부한 원소(18.5%)입니다.

주기율표 14족 2주기에 위치한 비금속 원소인 탄소는 가장 바깥쪽 원자 껍질에 4개의 전자를 가지고 있습니다. 4개의 빈 자리를 가지므로 매우 다양한 종류의 원소와 결합할 수 있어서 셀 수 없을 만큼 많은 화합물을 만들낼 수 있습니다.

이 화합물이 얼마나 많았으면, 이것만 연구하는 유기화학이라는 학문이 따로 있을 정도 입니다.

거기에 탄소원자의 배열 순서에 따라 여러 형태의 동소체를 가지며, 이 동소체별로도 물리적인 성질이 천차만별입니다.. 가전자가 4개이니 4중 결합도 있을 것처럼 보이지만, 너무 불안정해서 순식간에 떨어져 버립니다.

2-1. 연필심 흑연과 다이아몬드의 차이?

다이아몬드는 비금속원소광물로, 오직 탄소(C)로만 이뤄진 광물입니다. ‘탄소’를 생각하면 검은색을 떠올리기 마련인데요. 주변에서 흔히 볼 수 있는 연필심의 원료인 흑연 또한 탄소 원자로 구성되기 때문이죠. 하지만 모두가 알듯이 연필심은 검은 색깔부터 무른 성질까지 다이아몬드와 전혀 다른 특징을 갖고 있습니다. 

그것은 바로 탄소의 결합 구조입니다. 1개의 탄소 원자는 최대 4개의 다른 원자와 결합을 할 수 있습니다. 흑연은 탄소 원자가 다른 3개의 탄소 원자와 결합해 얇은 판 모양의 구조를 가집니다. 때문에 면 형태인 판 사이의 탄소결합이 쉽게 깨질 수 있고, 반면 다이아몬드는 하나의 탄소 원자가 다른 4개의 탄소 원자들과 수평, 수직으로 치밀하게 결합한 구조입니다.

이렇게 탄탄한 구조를 갖기 위해서는 적어도 지하 150km 깊이에서 매우 높은 온도와 압력을 받아야 하며, 오랜 시간 이러한 환경을 견디고 나서야 단단하고 영롱한 다이아몬드가 탄생할 수 있는 것 입니다.

2-2. 건전지에도 탄소가?

탄소는 원자 구성을 어떤 화합물과 적용하느냐에 따라 도체와 절연체 양쪽의 특성을 가집니다. 저희가 1차전지라고 부르는 아연-망간 건전지는 음극은 아연으로 이루어져 있고, 양극은 이산화망간과 탄소 막대로 이루어져 있습니다. 탄소의 도체및 저항성분을 이용한 것으로 흔히 탄소봉을 건저지 중앙에 놓고 +극으로 많이 사용 합니다.

2-3. 혈당측정도 탄소로?

혈당측정기 검사지 혹은 시트지라고도 부르는 이 시료는 탄소로 이루어져 있습니다. 검사지 시료 끝부분에 보면 4개의 줄들이 나와 있는데 이 각줄은 각각의 탄소의 구성 결합에 따라서 저항 성분이 달라 집니다. 즉, 저부분을 측정하고 끝부분에 혈액을 투척하여 저항성분에 값을 읽어 들여서 당을 측정하는 것입니다.

이 외에도 탄소는 철강, 화석연료 저희가 알고 있는 이산화탄소 등 많은 곳에 포함되어있으며, 기술 발전에 따라 탄소는 앞으로도 여러가지 형태로 사용될 것으로 보여 집니다. 지금 까지 쓰임이 많은 비금속 원자 탄소에 대해 알아 봤습니다.

붕소란 무엇인가? 붕소는 준금속 화학 원소로 원자번호 5번 입니다. 이 원자는 자연에서는 존재 하지 않고 붕산석이나 붕산염과 같은 광물로 산찰 됩니다. 이 붕소의 단단함은 어떻게 다루냐에 따라서 다이아몬드 다음으로 단단함을 가지기도 합니다. 색은 흑색에 가깝고 녹늑점은 2076°C, 끓는 점은 3927°C로 가공하기 위해서는 굉장히 높은 온도를 사용하여만 합니다.

5개의 전자들로 구성되어 있으며 지구 껍질에서의 존재비는 0.001%로 비교적 유니크한 물질 이지만, 저희 몸은 붕소를 가지고 있습니다. 성인에게 약 10mg정도 존재하며 특히 뼈에 많이 들어 있습니다.

물론 칼슘, 마그네슘과 같이 뼈를 구성하는 성분은 아니지만 뼈의 성장에 관여하는 효소를 돕습니다. 즉 뼈와 다른 미네랄의 손실을 막아주어 여성에 경우는 골다공증의 예방, 면역력과 염증의 치유능력을 정상화 시키기도 합니다.

붕소의 쓰임새는 순수환 용도로는 별로 이용되지 않으나, 붕소와 다른 원소를 이용한 화합물은 우리 주변에서 자주 활용 됩니다.  

탄소, 질소와 화합물을 형성한 탄화붕소, 질화붕소는 다이아몬드보다 단단해 방탄조끼, 군용 차량, 금속 연마제 등으로 널리 사용되고 있습니다. 유리에 산화붕소를 첨가하면 열팽창률이 낮아져 견고해집니다. 붕소는 값비싼 물질이 아니어서 대부분의 유리컵은 산화붕소를 이용한 내열 처리가 되어 있습니다.

DAWONMEDAX라는 회사에서 개발한 BNTC방식에도 붕소의 원리를 이용합니다. BNCT(붕소 중성자 포획) 치료에 쓰이는 붕소는 붕소-10(10B)이며, 정상세포에 비해 암세포에 선택적으로 모이는 붕소물질의 특성을 이용한 것으로, 붕소의 농도가 정상조직이나 혈액보다 암세포 내에서 3배 이상 높고 이에 따라 중성자를 더 많이 흡수할 수 있을 때 적용 가치가 커지는 것을 이용합니다.

암환자에게 붕소 약물을 주입하면, 암세포가 붕소를 선택적으로 섭취하여 함유하게 되고

이 상태에서 의료용 가속기를 활용하여 발생시킨 중성자를 암 세포에 조사하면 인체에는 무해한 중성자가 인체를 통과하면서 붕소를 함유한 암세포에서만 핵분열이 발생하여 고 에너지의 2차 입자들에 의해 정상세포의 손실 없이 암세포만 사멸된다고 합니다.

일본에서 우리나라에 붕소 공급을 요청한 적이 있습니다. 그 이유는 바로 붕소가 원자로 냉각에 사용되기 때문 입니다.

붕소는 핵분열을 막는데 꼭 필요한 감속재로 원자로 냉각에 꼭 필요하기에 과거에 일본이 붕소의 공급을 요청한적이 있습니다.

앞서 내용을 언급했듯이 저희 몸에는 미량의 붕소를 가지고 있습니다. 그렇다면 붕소를 많이 먹는게 좋을까?  붕소 결핍에 의한 증상은 크게 문제 되지 않으며, 보통 붕소는 과일, 채소, 콩, 감자 등에 포함되어 있어 충분한 보충이 되고 있다고 보면 됩니다.

칼슘, 마그네슘성분이 과다할 때, 붕소의 함량이 높은 물을 복용하면 붕소의 증가가 동반될 수 있습니다. 과다할 경우는 오심, 구토, 설사, 피부염, 기면, 소변으로 칼슘손실 증가, 에스트로겐 호르몬의 감소와 같은 독성 증상이 생길 수도 있으며, 진통제, 항생제, 비충혈제거제, 항히스타민제, 지사제, 제산제, 살충제, 먼지 등에 붕소의 함량이 많으므로 장기적 사용은 좋지 않다고 합니다.

높은 곳에 올라갈 수록 온도가 높다?

요즘은 중앙히터가 있지만 과거에 교실 풍경을 보면 옹기종기 난로 옆에 붙어 있었습니다. 이는 어떠한 열을 발생시키는 물체에 가까이 가면 따듯하고 멀어지면 추워진다는 뜻입니다.  

그렇다면, 위 그림처럼 B건물보다 A건물 꼭대기가 태양에 더 가까우니 따듯한거 아닌가?라는 생각을 해볼 수 있는데 이는 꼭 틀린 말은 아닙니다. 하지만 공기, 지구복사에너지, 중력, 공기밀도 등 여러가지 조건에 따라서 달라지게 됩니다.

열을 가진 모든 물체는 복사를 통해 열을 내보내거나 흡수합니다. 이러한 원리로 지구 표면이 따듯해지는 이유는 해빛이 직접 공기를 달궈서 더워지기보다는 지표면이 햇볕을 받아 더워지면서 발산하는 복사열이 대기의 온도를 높이면서 더워 집니다.

지구의 표면이 해빛을 흡수한 뒤 흡수한 만큼의 에너지를 복사에너지 형태로 대기 속으로 내보내는 것입니다. 공기는 지표가 발산한 복사열을 받아서 일정 에너지를 머금고 대기권 안으로 갇히게 되고, 공기는 해가 지표면을 비춰주는 낮과 그렇지 않은 밤의 온도차이를 보상해주게 됩니다. 즉, 태양이 없는 밤에도 어느 정도 온도가 유지되는 이유가 지표면의 에너지를 흡수한 공기 때문 입니다.

대류 현상을 예로 한가지 더 설명 드리면, 높은 온도의 공기는 위로 낮은 온도의 공기는 밑으로 향하는게 대류 현상입니다. 어떠한 물을 끓이게 되면, 불에 닿아있는 냄비의 아랫부분의 물이 데워져 위로 올라가고 위쪽의 상대적으로 덜 덥혀진 물들이 아래 쪽으로 내려가며 순환하여 전체 물을 고르게 덥히는 현상과 같습니다.

아래쪽에서 덥혀진 공기층이 위로 계속올라가면, 상층부의 공기가 더 따듯해야 하지만 이는 공기밀도에 영향이 있습니다. 지구의 중력이 약한 상층부로 올라갈 수록 공기의 입자가 희박해지고 압력이 낮아집니다. 즉, 공기가 팽창하게 되고 내부의 입자들이 주변 공기층을 밀어내며 더 넓은 영역을 차지하려고 하는 것으로 일을 하며, 에너지를 소비하게 됩니다.

복사에너지로 부터 얻은 에너지를 잃게 되면서 공기의 온도는 낮아지게 됩니다. 결국 높은 산에서 온도가 낮은 이유는 태양과의 거리가 좁혀져 얻는 에너지보다 지표에서 멀어져 약해지는 복사열이 더 크기 때문입니다.(지구와 태양과의 거리는 약 1억 5000만km 이며, 에베레스트산은 8.8km 거리의 백분율은 0.000059%)

결론 

1. 지구의 온도는 태양에너지가 아닌 지구 복사에너지로 결정 된다.

2. 더운 공기가 위로올라 가더라도 공기가 팽창 하면서 에너지를 잃게 되며, 이는 온도가 낮아짐을 의미 한다.

3. 지구와 태양과의 거리는 약 1억 5000만km로 고지대로 가더라도 태양에너지에 대한 차이는 미미하다.

1.Be(베릴륨)이란?

원자번호 4번인 베릴륨은 독성을 가지고 있는 1급 발암물질이며, 가볍고 단단한 은백색 금속입니다. 경금속 중에서는 녹는점이 가장 높으며, 단맛이 난다고 합니다. 실제 많은 과학자들이 정말 단맛인지 목숨을걸고 맛을 보다가 폐질환을 앓고 사망했다는 이야기가 있을정도로 독성이 강한 물질입니다.

4개의 전자를 가지고 있는 베릴륨은 2가 양이온으로써 2가 음이온과 1:1로 결합하여 다른 많은 물질들과 화학적 결합을 쉽게 할 수 있습니다. 이러한 점으로 생활속에서 순수한 베릴륨 금속을 찾아 보기는 쉽지 않습니다. 우리가 가장 쉽게 접할 수 있는 베릴륨은 다른 원자들과 결합된구조로 많이 찾아 볼 수 있습니다.

2. 독성은 있지만 버릴 수 없다?(탄성력, X선 통과)

베릴륨(Beryllium)을 가공하려면 이를 가루로 만들어야 합니다. 이 때 가루들이 폐로들어 가게 되면 베릴륨증으로 폐질환을 일으키게 됩니다. 실제로는 치과용 재료로 많이 사용되었으며, 현재는 베릴륨 함량을 0.02%로 이하로 기준을 낮추 었지만 여전히 안전하지 않다는 의견들이 많이 있습니다. 과거에 독일에서는 베릴륨의 독성을 이용하여 무기로도 사용했었습니다. 이러한 위험한 물질인 베릴륨을 사용할 수 밖에 없는 이유는 탄성력과 X선이 통과할 수 있기 때문입니다.

2-1. 베릴륨의 탄성력

보통의 스프링이 85만번을 눌렀다 펴면 탄성회복력을 잃어버리는 반면 베릴륨 합금은 200억 번의 진동에도 끄떡없다고 합니다. 

이러한 베릴륨의 장점으로 시계의 부품이나 혹은 베릴륨구리 골프체등 장시간의 탄성력 유지가 필요한 제품에 많이 사용됩니다.

2-2 베릴륨의 X선 통과

화학적으로 알류미늄과 비슷한 성질을 보이며 가벼운 베릴륨은 X-선과 고에너지 입자를 흡수하지 않고 잘 통과시키기 때문에 X선관의 창, 방사광 및 입자물리학 실험 장치의 필터나 창으로 사용 됩니다.

이러한 특징을 가지고 있는 베릴륨은 우주선이나, 항공쪽 분야에서도 많이 사용되고 있습니다만, 환경오염 문제로 인해 다른 금속으로 많이 대체 되고 있는 베릴륨은 향후 안전하게 가공될 수 있는 물질인지 의문이 들게 합니다.