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유기화합물 Organic Compound |
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1. 개요
尿 素 / urea(NH2)2CO
카바마이드(Carbamide), 카보닐 디아마이드(Carbonyl diamide), 디아미노메탄온(Diaminomethanone) 등으로 칭하기도 한다. 아세톤에서 양쪽의 메틸기(-CH3)를 아미노기(-NH2)로 치환한 꼴이다.
위 사진처럼 구형 결정을 이루는 것이 특징이며, 요소 하면 위 구슬 같은 결정을 떠올리는 사람이 많다.[1]
이름대로 오줌에 많이 들어 있는 물질로, 실험실에서 합성한 세계 최초의 유기화합물이라는 타이틀이 붙어 있다. 당시 독일 제국의 과학자이자 대학 교수인 프리드리히 뵐러(Friedrich Wöhler, 1800 ~ 1882)가 시안산암모늄(NH4OCN)을 가열하기만 했는데 요소가 튀어나왔다고.[2] 당시에는 '유기물은 절대로 인위적으로 합성할 수 없다'라는 생각을 부정한 것으로서, 그야말로 컬처쇼크였다. 이후 아스파탐, 비타민C 등이 합성에 성공하는 등 유기물을 합성하는 사례가 많아졌다. 유기 물질과 무기 물질을 구분하는 기준이 '인위적으로 합성할 수 있는가'가 아닌 이유도 이 요소처럼 인위적으로 합성할 수 있는 유기물이 허다하기 때문이다.
배설 과정에서 체내의 암모니아를 이산화 탄소를 비롯한 다른 물질과 합성하여 요소와 요산을 만들어 배출한다. 물을 상대적으로 구하기 쉬운 환경에서 사는 양서류와 포유류는 요소의 비율이 높고, 물을 상대적으로 구하기 힘든 환경에서 사는 석형류 계열[3]과 곤충 계열은 요산의 비율이 높다. 이것은 오르니틴 회로[4] 의 유무에 따라 갈린다. 어류는 물속에서 생활하는 특성상, 굳이 물에 가장 잘 녹는 암모니아를 요소나 요산으로 합성시킬 필요가 없기에 회로가 없다.
2. 생산
공업적으로도 체내와 같은 시스템으로 암모니아와 이산화 탄소를 이용해 합성한다. 암모니아의 가장 많은 수요처이기도 하다.일단 암모니아카바마이드(카밤산암모늄)를 만들고
2NH3 + CO2 ⇌ H2N-COONH4
이를 탈수시키는 과정을 거쳐 요소를 얻는다.
H2N-COONH4 ⇌ (NH2)2CO + H2O
암모니아 제조 공정에서 부산물로 대량의 이산화 탄소가 나오기 때문에 대부분의 요소 생산 공장은 암모니아 생산 공장 근처에 있다. 다만 간혹 석탄에서 이산화 탄소를 얻는 공장도 있기는 하다.
메탄산과 반응시켜 요소 수지를 만들기도 한다.
3. 용도
물에 녹이면 온도가 내려가는 흡열 반응[5]을 일으키기 때문에 질산암모늄과 함께 냉각 팩의 재료로도 쓰인다.한편 질소가 들어있으므로 비료로도 쓰인다. 시골에서는 오줌을 모아서 밭에 뿌리기도 한다고.[6] 삭히지도 않은 채 그냥 주면 큰일 나니 비료 준다고 식물에 오줌 싸거나 하지 말자.
반추 동물(소 등의 위가 여러 개인 동물)을 키우는 농장에서는 사료의 단백질 함량을 뻥튀기시키기 위해 사료에 섞어 먹인다. 정말 말 그대로 하얀 알갱이를 사료에 섞어 주기도 하고, 물에 녹여 주기도 하고... 급여법은 다양하다. 반추 동물의 내장[7]에 있는 미생물 집단이 소가 섭취한 요소 및 탄수화물을 활용하여 아미노산을 합성하는 작용을 하기 때문에, 결과적으로 단백질을 먹는 것과 마찬가지의 효과를 낼 수 있다. 좋은 퀄리티의 단백질로 만든 사료는 꽤나 비싸기 때문에[8] 비단백태 질소화합물(NPN)과 함께 싸고 양질의 단백질(질소)를 보충하기 좋은 방법이다. 보통 질소 함량이 46% 전후인 것을 사용하는데, 같은 양의 단백질에 비해 이론상 280%의 효율성을 지니기 때문에 사실상 경제적으로 필수적이다. 그러나 요소 자체는 혈중에서 독성을 나타내는 물질이므로 과량을 급여하면 요소 중독 증상을 나타낼 수 있다. 반추위 속의 미생물의 작용에 의존하므로 미생물의 합성 능력을 초과하는 과량의 급여는 효과가 없다. 또한 내장 내 미생물 군집이 제대로 형성되기 전인 송아지에게는 급여하여도 효과가 낮다. 소에게 요소를 급여 시에 미생물의 활동을 보조하기 위해 고탄수화물 사료를 함께 급여하는 것이 좋다.
이 요소와 물을 혼합해서 만든 것이 바로 요소수다. 요소의 비율이 약 35% 이상 되도록 만드는데 이 요소수가 현재 SCR 방식 경유 및 천연가스 차량의 매연 배출 기준인 유럽 배출가스 기준을 만족시키는 데 들어가는 핵심적인 물질이다. 우리나라에선 자일대우버스 전 라인업이 이 방식을 유로 4 대응 때부터 사용하고 있어서 해당 차량 안에 이 요소수가 들어가는 탱크가 있다. 2021년 가을에는 중국이 자국 내 요소 부족 때문에 요소 수출을 금지하면서 대한민국의 중국산 요소 수입도 끊어져 난리가 난 적이 있었다.
화장품의 원료로도 사용된다. 요소는 피부나 각질, 손발톱을 부드럽게 하는 작용을 하기 때문에 크림 등 품목을 보면 요소가 우레아(urea)라고 성분에 표기되어 있다. 특히 건조해서 각질이 일어나는 피부나 갈라지는 건조성 주부 습진, 팔꿈치나 발바닥 굳은 살, 구부러지는 내성 발톱, 상한 머리카락 등 케라틴 성분(손, 발톱, 뿔 등 각질 조직 성분) 등 각종 각질 조직과 수분의 결합을 도와 습기를 유지하는 것을 돕는다. 건조한 피부와 각질을 부드럽게 하는 각질 연화제로 요소 크림(버질 크림, 반질 크림 등 각종 풋 케어 크림)이 쓰인다. 흔히 피부 보습제로 쓰이는 글리세롤보다 더 효과가 좋다. 보통 얼굴에는 10%, 손발용은 20% 농도. 이런 효과가 있기 때문에 옛날에는 곰삭힌 오줌을 피부 화장품으로 쓰기도 했다.
건축용 자재의 원료로도 쓰인다. 우레아폼이라고 하는 단열재/흡음재로 많이 쓰는데, 스티로폼이나 우레탄폼 대비 생산 원가도 저렴한 편이며 단열과 흡읍 효과도 좋은 편이다.
[1]
비료 중 요소 비료가 이렇게 생겼기 때문이다.
[2]
사실 시안산암모늄과 요소(CO(NH2)2)는 구조 이성질체다. 그래서 재배열이 일어난 것이다.
[3]
조류를 포함한
파충류
[4]
CO2 + H2O + 2NH3 → (NH2)2CO + 2H2O이고 3ATP가 소모된다.
[5]
사실 고체가 용해될 때 대부분 흡열 반응을 일으킨다. 다만 온도 하강 폭이 그렇게 크진 않아서 요소의 흡열량이 더 커 보이는 것.
[6]
소변과 대변을 분리해서 보도록 하는 곳은 대부분 분뇨를 삭혀서 비료로 만들려는 의도이다.
똥은 호기성 발효를 통해
두엄을 만드는 쪽이 효과적이고
오줌을 활용한 액비는 혐기성 발효를 시키는 쪽이 좋다고 한다.
[7]
일반적으로 제1 위이다.
[8]
사료 성분 중 단백질이 가장 비싸다. 저급의 단백질(섬유상단백질-깃털, 부리 등)을 갈아 넣은 것은 싸겠지만 그만큼 이용률과 소화율이 떨어져서 성장이 느리다.