질소의 영향 : 안정성, 활용 분야, 잠수병

질소 연관 분야

 

 눈에 보이지는 않지만 우리는 질소의 영향을 받으며 살아가고 있습니다. 오늘은 질소의 안정성, 활용 분야와 잠수병에 대해 알아보겠습니다.

 

질소의 안정성

 질소는 산소와 다르게 반응성이 크지 않습니다. 그 이유로는 3중 공유 결합을 형성하는 데 있습니다. 질소 원자는 최외곽에 전자 5개가 위치하고 있으며, 다른 많은 원소들과 달리 단일 결합이나 이중 결합뿐 아니라, 3쌍의 전자를 공유하는 삼중 결합을 하는 능력이 있습니다. 이 삼중 결합은 앞서 말한 두 가지 결합보다 훨씬 더 강한 결합이며, 이를 바탕으로 질소 분자를 안정성을 견고하게 합니다. 대표적인 예로 질소 가스(N2)에서 찾을 수 있는데, 여기서 각 질소 원자는 삼중 결합으로 이웃 원자와 결합되어 있습니다. 대기의 구성을 살펴보면 78%가 질소로 이루어져 있는 걸 확인할 수 있는데, 고작 21%를 차지하고 있는 산소가 여러가지 물질을 산화시키고, 화석 연료를 연소시키는 등 많은 화학 반응을 일으키는 것과 달리, 질소는 거의 대부분 안정적인 상태로 남아있습니다. 이 삼중 결합뿐 이외에도 홀로 남아 있는 전자들은 질소 핵 주위를 돌며 동적 균형을 유지하고, 원소를 불안정하게 할 수 있는 힘에 저항력을 갖춥니다. 이 예시는 암모니아(NH3)에서 확인할 수 있는데, 여기서 질소 원자는 3개의 수소 원자로 둘러싸여 있으며 각각 공유 결합을 형성합니다. 이렇듯, 질소의 단독쌍도 안정성을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 이런 원자 구조로부터 수 있는 화학 반응에 쉽게 참여하지 않는 질소의 불활성을 잘 알 수 있습니다.

 

질소의 활용 분야

 이렇게 안정적인 질소는 산업의 다양한 분야에서 활용됩니다. 우선 이 안정성을 바탕으로 반응에 민감한 재료와 공정을 문제없도록 보호하는 질소 블랭킷팅이라는 기술을 사용합니다. 이건 마트에 가서 과자를 하나만 사도 바로 알 수 있습니다. 과자 봉지를 뜯기 전에는 공기가 가득차 있는 것을 알 수 있는데, 이는 사실 질소로 포장되어 있는 것입니다. 질소를 사면 과자를 준다는 농담도 있지만, 이렇듯이 질소는 저장 용기, 반응기 또는 포장 환경 내에 불활성 대기 상태를 유지하여 물질을 보호해 줍니다. 과자로 대표되는 식품 산업뿐 아니라 무결함을 유지해야 하는 제약, 전자 산업에서 특히 중요합니다. 산소를 질소로 대체함으로써 산화, 오염 및 잠재적인 연소를 방지하는 보호막을 갖출 수 있습니다. 기체 조성을 조정하기만 해도 재료의 안정성을 보장하고, 유통기한을 연장하며, 제품과 공정의 품질을 보장할 수 있습니다. 블랭킷팅을 통해 활용되는 질소의 안정성은 산업 생산물의 품질과 신뢰성을 보호하는 조용한 수호자가 됩니다. 또한 극저온이 필요로하는 분야에서 질소의 탁월한 능력을 볼 수 있습니다. 정확한 온도 제어가 가장 중요한 액화천연가스(LNG) 생산에서도 필수적입니다. 효율적으로 저장하거나 운송하려면 가스가 액화될 수 있을 만큼의 낮은 온도로 유지시켜야 합니다. 극저온에서도 안정성을 유지하는 물질이 필요한데, 질소는 이런 극한의 상황에서도 구조나 화학적 특성에 문제 없는 상태로, 재료를 냉각하고 보존할 수 있습니다. 이렇듯 질소는 산업 영역에서 반드시 필요한 역할을 합니다.

 

질소의 영향인 잠수병

 질소는 우리에게 아픔을 가져다 주기도 합니다. 깊은 바다 속에서 잠수를 즐기다 물 밖으로 빠져 나왔을 때 종종 잠수병에 걸릴 수 있다는 이야기를 한 번쯤 들어 보셨을 겁니다. 바로 질소의 영향 때문입니다. 잠수부들이 바다 깊은 곳으로 내려갈 때 증가하는 수압으로 인해 질소가 혈액 속으로 용해됩니다. 이렇게 몸 속에서 증가된 질소는 처음에는 알코올로 인한 행복감과 유사한 마취 효과 정도만 발생시킵니다. 정확한 메커니즘이 완전히 밝혀지지는 않았지만 전문가들은 질소가 신경 자극 전달에 영향을 미쳐 인지 기능이 저하되고 의사 결정을 손상시킬 수 있다고 합니다. 두 번째로 질소는 마취 효과를 넘어 잠수병, 즉 "굴곡"이라고 알려진 현상까지 확장시킵니다. 잠수부들이 깊은 곳에서 오랜 시간을 보내면 신체 내부 조직에 질소가 계속 축적됩니다. 여기서 너무 빨리 높을 곳으로 올라가 수압이 낮아지면, 질소의 용해도가 낮아셔 질소 기포가 형성됩니다. 이렇게 되면 관절 통증, 어지러움, 그리고 심할 경우 생명을 위협하는 합병증이 발생할 수 있습니다. 그렇기 때문에 잠수병을 예방하기 위해서는 잠수 시에는 천천히 깊은 곳으로 잠수하고 복귀 시에는 천천히 상승하여 질소가 몸밖으로 배출할 수 있는 게 중요합니다. 그리고 정기적으로 잠수를 해야하는 분들이라면 보수적으로 계획을 세워, 잠수 시간을 모니터링하고 충분한 수면을 취해 신체에 질소가 축적되지 않도록 해야 합니다. 그리고 잠수 전, 후에 수분을 충분히 섭취하면 혈액량을 유지하여 질소를 배출하는 데 효과적입니다. 탈수를 유발하는 카페인과 알코올 섭취는 되도록이면 피해야 합니다.