백반 (화학)
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1. 개요
백반(Alum)은 다양한 금속 이온을 포함하는 복염의 일종으로, 고대부터 여러 산업 분야에서 사용되어 왔다. 역사를 거슬러 올라가면 이집트에서 명반 대체물을 얻었으며, 고대 그리스, 로마 시대에도 염색과 의학 등 다양한 용도로 활용되었다. 중세 시대에는 연금술사들이 백반과 녹반을 명확히 구분하지 못하기도 했다. 특히 이슬람 황금 시대에는 염색 산업의 매염제로 널리 사용되었으며, 1700년대 초에는 화학적 조성이 밝혀지면서 다양한 종류로 분류되었다.
백반은 금속 이온의 종류에 따라 여러 가지로 나뉘며, 칼륨 명반, 나트륨 명반, 암모늄 명반 등이 대표적이다. 알루미늄 기반 명반 외에도 크롬 명반, 철 명반 등 다양한 종류가 존재한다. 백반은 물에 잘 녹고 수렴성이 있으며, 가열하면 결정수를 잃고 무정형 분말로 변하는 성질을 가지고 있다.
백반은 매염제, 방수제, 소화제, 피혁 무두질제 등 다양한 용도로 사용되었으며, 탁한 물을 정화하는 데에도 사용되었다. 식품, 의약품, 화장품 등 다양한 분야에서 활용되며, 특히 동남아시아에서는 전통적인 땀 억제제와 데오드란트로 사용된다. 또한, 학교 과학 실험에서도 널리 사용된다.
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2. 역사
명반은 고대부터 알려진 물질이다. 이집트 서부 사막은 고대에 명반 대체물의 주요 공급지였다. 고대 그리스의 헤로도토스는 이집트 명반을 귀중한 상품으로 언급했다. 레스보스섬에서는 명반석에서 칼륨 명반을 생산한 것이 고고학적으로 증명되었다. 로마 제국 시대의 대 플리니우스는 《박물지》에서 '알루멘(alumen)'이라고 불리는 물질에 대한 자세한 설명을 남겼다. 플리니우스는 '알루멘'의 한 형태가 자연적으로 땅에서 발견되었으며, 이를 '살수고테레'(salsugoterrae)라고 불렀다고 전한다.
플리니우스는 여러 종류의 '알루멘'을 언급했지만, 모두 어느 정도의 수렴성을 가지며 염색과 의학에 사용되었다고 기록했다. 그중 '스키스톤'(schiston)이라고 불리는 명반은 "흰색 실 모양으로 갈라진다"고 묘사되었는데, 이는 명반 셰일 등에서 자연적으로 형성되는 황산철과 황산알루미늄으로 구성된 염일 가능성이 있다.
중세 시대에는 연금술사들이 백반과 녹반(황산철)을 명확하게 구별하지 못했다. 이슬람 황금 시대 동안 이슬람 국가에서 백반은 염색 산업에서 가장 흔한 매염제였다. 백반은 차드 지역의 주요 수출품이었으며, 이집트와 모로코를 거쳐 유럽으로 수출되었다.
18세기 초, G. E. 슈탈은 황산과 석회석을 반응시키면 일종의 명반이 생성된다고 주장했으나, 요한 하인리히 포트와 안드레아스 지기스문트 마르그라프에 의해 수정되었다. 마르그라프는 알루미나를 황산에 용해하고 가성가리 또는 암모니아를 첨가하여 명반 결정을 얻을 수 있음을 보여주었다. 1767년, 토르베른 베르그만은 황산알루미늄을 명반으로 변환하려면 칼륨 또는 암모늄 황산염이 필요하며, 나트륨 또는 칼슘은 작동하지 않는다는 것을 관찰했다. 1797년, 루이 니콜라 보클랭은 일반 명반의 조성을 결정했으며, 장-앙투안 샤프탈은 여러 종류의 명반을 분석하여 보클랭의 결과를 확인했다.
2. 1. 한국의 명반
1664년, 히고국 출신의 낭인 와타나베 고로에몬이 분고국 쓰루미 마을(현재의 오이타현 벳푸시 쓰루미)의 유노하나에서 명반 제조에 성공했다. 당시 명반 제조는 대규모였고, 와타나베의 명반 제조는 채산성이 맞지 않아 철수했지만, 그 뒤를 이어 명반 제조에 도전한 와키야 기스케가 상업 기반을 갖추는 데 성공했다. 일본에 유통되던 청나라산 명반을 에도 막부와의 교섭을 통해 몰아내고, 모리번의 특산품으로 만들었다. 그러나 국제 경쟁력은 없었고, 일본산 명반은 메이지 유신 이후 급속히 자취를 감췄다.[11]3. 종류
명반은 포함된 금속 이온에 따라 다양한 종류로 나뉜다. 일반적인 형태는 이며, 여기서 는 알칼리 금속 또는 암모늄, 는 삼가 양이온 금속이며, 은 흔히 12이다.
3. 1. 주요 명반
알루미늄 기반 명반은 일가 양이온에 의해 명명된다. 다른 알칼리 금속과 달리 리튬은 명반을 형성하지 않는데, 이는 리튬 이온의 작은 크기 때문으로 여겨진다.
가장 중요한 명반은 다음과 같다.
- 칼륨 명반 - "칼리 명반" 또는 단순히 "명반"이라고도 함[3]
- 나트륨 명반 - "소다 명반" 또는 "SAS"라고도 함[5]
- 암모늄 명반[6]
- 구운 명반 - 무수 황산알루미늄칼륨 (화학식: KAl(SO4)2)[4]
많은 삼가 양이온 금속이 명반을 형성할 수 있다. 명반의 일반적인 형태는 X2(SO4)2·12H2O (X = 알칼리 금속 또는 암모늄)이며, 가장 중요한 예는 크롬 명반(KCr(SO4)2·12H2O)으로, 크롬과 칼륨의 진한 보라색 결정성 이중 황산염이며 무두질에 사용되었다.
일반적으로 명반은 알칼리 금속 원자가 클수록 더 쉽게 형성된다. 이 규칙은 1902년 Locke에 의해 처음 언급되었으며, 삼가 양이온 금속이 세슘 명반을 형성하지 않으면 다른 알칼리 금속이나 암모늄과도 명반을 형성하지 않는다는 것을 발견했다.
3. 2. 기타 명반
| 구분 | 광의 | 일반식 | 협의 | 화학식 |
|---|---|---|---|---|
| 철 명반 | 철을 포함하는 명반[7] | MFe(SO₄)₂·12H₂O (M=K, Rb, Cs, NH₄ 등)[7] | 칼륨철 명반 (황산철(Ⅲ)칼륨) | KFe(SO₄)₂[7] |
| 암모늄 철 명반 | colspan="2" | | NH₄Fe(SO₄)₂·12 H₂O 또는 NH₄[Fe(H₂O)₆](SO₄)₂·6 H₂O[8] | ||
| 크롬 명반 | 크롬을 포함하는 명반[9] | MCr(SO₄)₂·12H₂O (M=K, Na, Rb, Cs, Tl, NH₄ 등)[9] | Chrome alum영어 | CrK(SO₄)₂·12H₂O[9] |
| Pickeringite|고토 명반영어 | colspan="2" | | MgSO₄·Al₂(SO₄)₃·22(H₂O)[10] |
4. 화학적 성질
알루미늄 기반 명반은 몇 가지 공통적인 화학적 성질을 지닌다. 물에 녹으면 약간 단맛이 나고, 파란색 리트머스 종이를 붉은색으로 변화시키는 산성을 띤다. 명반은 규칙적인 팔면체 모양으로 결정화되며, 각 금속 이온은 6개의 물 분자에 둘러싸여 있다. 명반을 가열하면 액체 상태가 되고, 계속 가열하면 결정수가 제거되면서 염이 거품을 내고 부풀어 오른다. 결국에는 무정형 분말이 남는다. 명반은 수렴성이 있다.
4. 1. 결정 구조
명반은 α-, β-, γ-의 세 가지 다른 결정 구조 중 하나로 결정화된다. 최초의 X선 결정 구조는 1927년 제임스 M. 코크와 로렌스 브래그에 의해 보고되었으며, 이는 동형 치환 위상 복원 기술을 개발하는 데 사용되었다.4. 2. 용해도
다양한 백반의 물에 대한 용해도는 크게 다르다. 나트륨 백반은 물에 쉽게 용해되는 반면, 세슘과 루비듐 백반은 용해도가 낮다.온도에 따른 백반의 용해도 (물 100 단위당 용해되는 백반의 양)는 다음과 같다.
| 온도 (°C) | 암모늄 백반 | 칼륨 백반 | 루비듐 백반 | 세슘 백반 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 2.62 | 3.90 | 0.71 | 0.19 |
| 10 | 4.50 | 9.52 | 1.09 | 0.29 |
| 50 | 15.9 | 44.11 | 4.98 | 1.235 |
| 80 | 35.20 | 134.47 | 21.60 | 5.29 |
| 100 | 70.83 | 357.48 | - | - |
5. 용도
명반은 매염제, 방수제, 소화제, 피혁 무두질제, 침전제 등 다양한 용도로 사용된다. 고대 로마 시대부터 사용되었으며, 양질의 우물이 없는 경우 질이 나쁜 물에 명반을 넣어 불순물을 침전시켜 음용수로 사용하기도 했다. 또한, 겨드랑이의 제한·방취제로도 사용되었다. 천연 명반은 '''백반'''이라고도 불리며, 그 수렴 작용, 살균 작용으로 세안, 구강 청정에 사용되기도 했다.
온도의 변화에 따라 용해도가 크게 변하는 성질이 있어, 용해도 곡선이나 단결정 생성의 화학 실험에 자주 사용된다.
사진 현상의 정착 처리액에서 경막 처리제로 명반이 사용된다. 특히 필름 감광면의 장수명화가 요구되는 경우 크롬명반을 사용하여 정착 처리 후에 초경막 처리를 하는 경우가 있다.
알럼석이라는 명칭으로, 고형물이나 연고에 배합되어, 수렴 작용, 살균 작용으로부터 제한·데오드란트(방취) 제품에 사용된다.
5. 1. 전통적 용도
백반은 고대부터 여러 산업 공정에서 중요하게 사용되어 왔다. 특히, 칼륨 명반은 탁한 액체를 정화하는 응집제, 염료의 매염제, 가죽 태닝 등에 사용되었다.- 의약품 및 화장품: 백반은 지혈제로 사용되어 면도 후 출혈을 막는 데 사용되며, 수렴제로도 사용된다. 또한, 땀 억제제 및 데오드란트로 사용되며, 개방된 상처와 궤양에 대한 전통 의학에도 사용된다. 동남아시아에서는 ''타와스''(tawas)로 알려져 있으며, 전통적인 땀 억제제, 데오드란트, 그리고 개방된 상처 및 궤양 치료에 사용된다. 결정체는 가루로 갈아서 사용한다.
- 식품: 베이킹파우더 및 피클 제조와 같은 식품 준비 과정에 사용된다.[2] 뿌리채소, 고구마, 밤의 잿물 제거, 조림 시 재료의 형태 유지, 가지 절임의 색상 유지, 성게 가공 시 형태 붕괴 방지 및 보존 등에도 사용된다.
- 염색: 전통적인 직물 염색에서 매염제로 사용되었다. 인도네시아와 필리핀에서는 ''타와스'', 소금, 붕사, 유기 안료 용액을 사용하여 금 장식품의 색상을 변경했다.
- 기타: 종이와 천을 방염 처리하는 데 사용된다. 일본 미술에서는 명반과 아교를 물에 녹여 ''도사''(礬水|반수일본어)라는 액체를 만들어 종이 사이징에 하도막으로 사용했다. 필리핀에서는 명반 결정을 태워 바바이란이 물그릇에 떨어뜨려 점을 치는 의식에 사용했다.
5. 2. 현대적 용도
칼륨 명반은 탁한 액체를 정화하는 응집제로 사용되어 왔다. 여전히 수처리에 널리 사용된다.식품 분야에서는 뿌리채소나 고구마, 밤의 아쿠 제거,[2] 조림 등을 만들 때 형태가 무너지는 것을 방지하는 데 사용된다. 가지 절임에서는 색소인 안토시아닌의 색을 안정화하여 보라색을 유지하는 작용이 있으며, 성게 가공 시 형태 붕괴 방지 및 보존을 위한 첨가물로도 사용된다.
의약품으로는 약국에서 구할 수 있는 지혈 펜슬이나 이발소 등에서 구할 수 있는 명반 블록 형태로 지혈제로 사용되어 면도 후 출혈을 막는 데 사용된다. 또한 수렴제로도 사용되며, 향료가 없는 데오드란트(땀 억제제)로 직접 사용되기도 한다. 천연 명반은 백반이라고도 불리며, 수렴 작용, 살균 작용으로 세안, 구강 청정에도 사용되었다.
황산알루미늄칼륨 또는 황산알루미늄암모늄 형태의 명반은 뜨거운 물에 농축하여 보석상과 기계공이 알루미늄, 구리, 황동, 금, 은 및 스테인리스 스틸로 만들어진 물건에 부러진 경화된 강철 드릴 비트를 용해하는 데 정기적으로 사용된다.
일본화에서는 화지에 그림 물감이 스며드는 것을 방지하기 위해 명반과 아교의 혼합액인 「반수(どうさ)」를 화지에 바른다.
원예에서는 수국의 발색에 사용된다. 안토시아닌의 색을 안정화하여 선명한 청색을 발색시키는 작용이 있다.
6. 학교에서의 사용
학교에서는 주로 과학 학습에 사용된다.
초등학교 5학년 실험에서 수용액을 만들 때 소금을 녹인 소금물과 함께 사용되는 경우가 많다.[1] 여기서 말하는 "과학 실험"은 2021년 신흥출판사 게이린칸의 교과서를 참고한다.[1]
참조
[1]
Youtube
The Hidden Killers of the Victorian Home
https://www.youtube.[...]
Sterling Documentaries
2018-01-27
[2]
웹사이트
焼ミョウバンに関するよくあるご質問
http://general.kenei[...]
健栄製薬HP
[3]
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[4]
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[5]
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[6]
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[7]
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[8]
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2020-07-09
[9]
간행물
2020-07-09
[10]
간행물
2020-07-09
[11]
웹사이트
明礬製造の歴史
https://www.japal.or[...]
日本薬事法務学会
2020-04-02
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