5. 폭발물질 - Nitro compounds (니트로 화합물들)

대부분의 폭발성을 가진 화합물은, 폭발에 중요한 원소인 질소와 산소를 모두 가지고 있는  ‘니트로그룹’으로 불리는 NO2(이산화질산)를 포함하고 있어. 

강한 삼중 결합 구조를 갖는 질소(N2)는 대단히 안정적이어서 따로 떼어 놓으려면 엄청난 에너지가 필요한데, 반대로 말하면 ‘질소가스’가 생성될 때는 순간적으로 엄청난 결합 에너지가 폭발력으로 방출되는 거지. 

산소는 빠른 산화 반응을 이끌어 순간적인 강한 폭발력을 만드는 역할을 해. 만약 반응이 느리면, 가스가 새어나가고 열이 빠르게 배출돼 폭발력이 떨어지게 되지.

 

화약이 폭발하는 것을 화학 반응식으로 보면, 아래 반응식 왼쪽에 있는 고체 상태의 질산염(질산칼륨 KNO₃)과 탄소(숯), 황(S)이 기폭제 또는 열이나 충격 등의 외부 자극에 빠르게 발열 반응을 일으켜, 오른쪽의 질소를 포함한 8개의 가스 분자와 2의 고체 상태의 화합물을 만들어. 이때 순간적으로 발생하는 대량의 팽창하는 가스가 총알이나 대포를 밀어내 날아가게 하고, 고체 상태의 가루로 된 탄화칼륨(K₂CO₃)과 황화칼륨(K₂S)은 연기처럼 뿜어져 나오게 되지. 

 

  화약 반응식:

  4KNO3(s) + 7C(s) + S(s) → 3CO2(g)+ 3CO(g) + 2N2(g) + K2CO3(s) + K2S(s)

   질산칼륨(고체)+탄소(고체)+황(고체) →     

                                     이산화탄소(가스)+일산화탄소(가스)+질소(가스)+탄산칼륨(고체)+황화칼륨(고체)

 

폭발(explosion) 시 발생하는 파괴력은, 폭발 반응에서 생성되는 빠르게 팽창하는 가스에서 발생된  충격파(shock wave)에서 비롯돼. 일반적인 화약에서 발생하는 충격파는 초당 수백 미터 정도이고. TNT에서 발생되는 충격파는 초당 약 6000미터 정도 돼. 이때 발생하는 열(heat)은 가스의 팽창을 더 빠르게 하지. 

 

대표적인 폭발화합물들을 정리해 보면;

  흑색화약 (Black Powder):  가장 오래된 폭발물 중 하나인 흑색화약은 고대부터 중국, 아랍과 인도에서 사용되었으나 처음 성분이 기록된 것은 기원후 1000년경 이야. 중국에서는 1061년까지도 질산염과 황산관리를 정부에서 할 정도로 산업 기밀로 취급되었어. 유럽에는 13세기경 전파되었다고 알려져 있어. 흑색화약은 폭발력이 비교적 약하고 연소가 느려 건코튼이 발견되기 이전 심지에 불을 붙여 사용하던 화승총에 사용했는데, 영화에 보면 총을 쏠 때 탄산칼륨과 황화칼륨이 내는 검은 연기가 나는 것을 볼 수 있지. 19세기 건코튼이 발견된 이후 총을 비롯한 무기에는 연기가 나지 않고 폭발력이 강한 건코튼(Guncotton)을 원료로 한 무연화약을 사용하고, 흑색 화약은 주로 불꽃놀이나 신호탄에 쓰이고 있어.

 

  건코튼(Guncotton):   1845년, 스위스 화학자 쇤바인(Schoenbein)이 발견했어. 지금과 같은 실험실이 따로 없었으니 부엌에서 질산과 황산의 혼합물을 실험 했는데, 이때 흘린 산혼합물을 대충 닦은 면으로 만든 앞치마를 말리려고 스토브 위에 놓은 게 폭발해 건코튼을 우연하게 발견했어. 혼합산(HNO₃ : H₂SO₄)에 면솜을 담갔다 세척 및 중화하는 비교적 단순한 과정으로 면솜을 이루는 수산기(OH)를 질산기로(NO2)로 치환해, 폭발성이 강한 건코튼(니트로셀룰로오스)을 만들 수 있어. 과학의 역사를 쓴 책을 보면 우연한 발견이라는 뜻의 ‘Serendipity’ 라는 단어를 많이 보게 돼. 하지만 모든 우연한 과학적 발견의 뒤에 늘 엄청난 노력과 천재성이 있듯이, 그 우연한 발견을 하기 전에 쇤바인이 했을 수없이 많은 실험과 폭발이 발생했을 때 역추론을 통해 폭발물 성분과 조건을 찾아낸 과정을 단순히 우연이라고 말할 순 없어. 이 발견만으론 건코튼을 상품으로 만들 수 없어 정작 쇤바인은 큰돈을 벌지는 못했지만, 이후 더 안전하게 만들고 건코튼이 발생하는 충격파(shock wave)의 강도나 속도가 총을 비롯한 무기에 사용하기 적당하게 조정하는 개발을 통해 현재 대부분의 총기용 화약은 건코튼을 원료로 한 무연화약이야.  

 

  TNT (Trinitrotoluene):  동일한 화학식 C7H7NO2, 즉 이성질체(isomer)인 p-nitrotoluene와 P-aminobenzoic acid는 똑같은 원소가 같은 수로 이루어져 있지만 각각의 원소들이 어떻게 어울리냐에 따라 하나는 폭발성이 강하고 다른 하나는 비폭발성으로 자외선 차단제 성분으로 쓰여.

이 p-nitrotoluene에 질산 두 개가 더 붙어 모두 세 개의 질산이 폭발력을 최대화 한 화합물이 TNT야. 

 

  다이너마이트(Dynamite):   글리세롤(Glycerol)의 OH 기를 NO2로 바꾼것이 Nitroglycerin이야. 폭발력이 강해 화약의 50배에 가까운 가스압을 만드는 폭탄인데, 한편으론 인체 섭취 시 혈관을 팽창시켜 협심증 치료제로도 쓰여. 

동물성 기름에서 추출된 글리세롤을 황과 질산염에 섞어 물에 넣으면 니트로글리세린이 기름처럼 떠올라. 액체인 니트로그리세린은 불안정해서 쉽게 폭발하는데 노벨이 여러 실험 끝에 규조토(Kieselguhr)와 섞어 안전하고 크기조절이 가능한 분말로 만들어 큰돈을 벌었어. 

 

 

질산화합물은 파괴적인 목적의 폭발물로만 쓰이는 것이 아니라, 아이러니하게도 그 반대로 식량 생산을 혁신적으로 증가시킨 비료로도 쓰여. 파괴와 생명의 양면성을 가지고 있어. 비료는 암모늄 질산염과 요소 등의 화합물로, 물에 용해되어 식물의 단백질과 엽록소를 만드는데 필수적인 질소를 공급해 줘. 그러나 비료로 사용한다고 해서 질산의 폭발성이 없어지는 것은 아니어서 1947년 텍사스에서 암모늄 질산염 비료를 적재한 배에 화재가 발생했을 때 산소를 차단해 진화하려고 배의 덮개를 덮었는데, 밀폐된 공간에 순간적으로 온도가 치솟으며 비료가 폭발해 500명 이상 사망하는 사고도 있었어.  

 

질산을 만들기 위해서는 암모니아(NH3)가 필요한데, 천연 암모니아는 자연에 거의 존재하지 않아. 1913년 독일 화학자 프리츠 하버(Fritz Haber)가 대기 중의 질소(N₂)와 수소(H₂)를 반응시켜 암모니아를 합성하는 방법을 상용화 하기 전까지는 칠레의 아타카바 사막에 퇴적된 질산나트륨을 황산과 반응시켜 구해왔어. 한때 칠레의 주요 수출품이었고 전체 세계의 비료 생산에 사용하는 암모니아의 ⅔를 공급했어.