KRICT 한국화학연구원

화학 칼럼

질소, 너란 녀석은

어떤 존재?

글 | 심보경(경기도융합과학교육원 교육연구사)

지구 대기 상에 가장 많이 있는 기체가 무엇이라고 알고 있지요? 그렇습니다. 질소가 약 78%정도 차지하고 있다고 알려져 있습니다. 다른 별이나 행성과는 다르게 지구에는 질소와 산소가 공기 중 대부분을 차지하고 있지요. 산소는 여러 원소와 반응해서 모습을 많이 변화시키는데요. 질소 분자(N2)는 삼중결합으로 이루어져 있어 안정합니다. 우리 몸에서는 질소가 어떤 역할을 할까요?

예상하셨겠지만, 과자봉지에는 대체로 질소를 충전합니다. 한 때, 과자봉지에 과자보다 질소가 많이 들어있다고 질소를 사면 과자를 준다는 우스갯 소리가 있었던 적도 있지요. 많은 종류의 과자는 튀겨서 만들고 있습니다. 공기로 충전을 하게 되면 공기에 포함된 산소와 과자가 결합하여 산화과정을 거칠 수 있으므로, 반응성이 낮은 질소로 충전을 하는 것이지요. 게다가 습기 조절에도 도움을 줍니다. 눅눅한 과자가 아닌 바삭한 과자는 질소 덕분입니다.

질소 기체는 반응성이 낮고 일정 농도 이하에서는 무해합니다. 그러나 고농도의 질소가스가 유입이 되면 산소 분압이 낮아지면서 산소부족증으로 질식할 수 있습니다. 액체에 녹아 들어가는 기체의 양은 그 기체의 분압에 비례합니다. 일반적으로 우리가 호흡을 하며 들이마시는 질소는 큰 문제가 없으니 안심하셔도 됩니다.

물 속에서는 질소가 문제가 될 수 있어요. 물 속으로 깊이 들어갈수록 질소 분압이 증가하면서 질소마취가 시작될 수 있습니다. 질소의 농도가 높아지면 신경의 정보전달기능을 마비시켜 판단력을 흐리게 하는데요, 처음에는 술에 취한 듯 하다가 점점 기억력, 판단력, 추리력이 흐려지고 심하면 황홀감에 사로잡혀 위험상황에 대처를 못하는 경우가 생깁니다. 이를 질소마취라 합니다. 바닷 속에서는 간혹 이로 인한 문제가 발생하기도 합니다. 가급적 스쿠버다이빙을 하더라도 30m 이상의 깊이로는 잠수를 하지 않도록 권고하고 있어요.

급하게 올라오는 경우는 더 큰 문제 생기기도 합니다. 감압병이라고 아시나요? 잠수병으로 불리기도 합니다. 깊은 곳에 있던 사람이 올라오게 되면 질소 분압이 낮아지면서 혈액에서 폐로 질소가 빠져나오게 됩니다. 혈액 순환이 느린 조직에서는 미처 빠져나오지 못한 질소 기체가 기포를 만들게 되고, 기포들끼리 뭉쳐지면서 가느다란 혈관을 막게 되지요.

질소는 우리 몸에서 다앙한 형태로 흡수되지요. 질소는 아미노산, 단백질, DNA, RNA 들의 구성요소입니다. 아미노산은 단백질의 기본 구성 요소에요. 아미노기와 카복실기로 구성되어 있지요. 아미노산은 염기성인 아미노기(-NH2)와 산성인 카르복시기(COOH)를 모두 가지고 있는 화합물이에요. 단백질을 구성하는 주요 성분이지요. 붙어있는 작용기에 따라 여러 종류의 아미노산이 존재하며 아미노산이 일정한 순서에 의해 결합해서 단백질을 만듭니다. 아미노산이 결합할 때는 물이 빠져나오고, 이것을 펩타이드 결합이라 합니다.

자연에는 20개의 아미노산이 존재하고 있고, 체내에서 합성되는 경우도 있지만 반드시 음식으로 섭취해야만 되는 아미노산을 필수 아미노산이라고 합니다. 음식을 통해서 충분히 필수 아미노산이 공급되지 않으면 체내에서 단백질 합성이 어려워져요.

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공기 중에는 질소가 많지만, 질소 기체는 반응성이 작아 우리 몸에서 질소를 흡수하려면 질소화합물로 변환이 되어야 가능하지요. 이런 과정을 질소 고정이라고 합니다. 대기 중에 다량으로 존재하는 안정된 형태의 질소를 암모니아, 질산염, 이산화질소 등으로 변환하는 과정을 말합니다. 뿌리혹박테리아와 같은 세균은 콩과 식물의 뿌리에 뿌리혹을 만들어 식물과 공생하면서 대기중의 질소를 식물이나 미생믈이 이용 가능한 형태로 전환하는 것이지요. 질소 고정을 생물체만 하는 것이 아니라, 비료공장에서 질소와 수소를 반응시켜 암모니아를 합성하는 방법도 있습니다. 이를 가능하게 한 것이 보슈-하버 법이라는 공법이고요. 이 공법은 비료 제작에 사용되어 식량 생산력을 크게 증가시키게 된 계기가 되었지요.