염화 이온

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1. 개요

염화 이온(Cl⁻)은 염소 원자보다 전자가 하나 더 많은 음이온으로, 다양한 화학적 특성과 생물학적 역할을 수행한다. 염화 이온은 대부분의 경우 수용액에서 잘 녹으며, 산화될 수 있지만 환원되지는 않는다. 생물학적으로는 신진대사, 산-염기 균형, 삼투압 조절, 전해질 균형 유지 등에 중요한 역할을 하며, 위산(염산) 생성에도 필요하다. 자연계에서는 바닷물에 가장 많이 존재하며, 산업적으로는 염소-알칼리 공정, 제빙제, 다양한 화학 물질 생산 등에 활용된다. 유기 염화물은 클로로기로 작용하며, 휘발성 유기 염소 화합물은 용매로 사용되기도 한다. 한국에서는 전통적으로 천일염을 생산해 왔으며, 산업적으로 염화물을 활용하지만, 염화물 농도 증가는 환경 문제를 야기할 수 있어 관리가 필요하다.

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염화 이온
기본 정보
염화물 음이온
염화 이온
체계적 이름	염화물
IUPHAR 리간드	2339
CAS 등록 번호	16887-00-6
UNII	Q32ZN48698
PubChem	312
ChemSpider ID	306
KEGG	C00698
ChEBI	17996
ChEMBL	19429
Beilstein	3587171
Gmelin	14910
SMILES	[Cl-]
표준 InChI	1S/ClH/h1H/p-1
표준 InChIKey	VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M
속성
화학식	Cl−
염소 원자 수	1
짝산	염화 수소
열화학
엔트로피	153.36 J·K⁻¹·mol⁻¹
생성 엔탈피	−167 kJ·mol⁻¹
관련 정보
다른 음이온	플루오린화 이온 브로민화 이온 아이오딘화 이온
기타
영어 이름	chloride ion

2. 화학적 특성

염화 이온은 염소 원자가 전자를 하나 얻어 형성된 음이온으로, 염소 원자보다 크기가 크고 반자성을 띤다. 염화 이온(지름 167pm)은 염소 원자(지름 99pm)보다 훨씬 크다.^[5] 대부분의 경우 수용액에서 매우 잘 녹지만, 염화은, 염화납(II), 염화수은(I)과 같은 일부 염화물 염은 물에 약간만 녹는다.^[6]

염소는 -1, +1, +3, +5 또는 +7의 산화수를 가질 수 있으며, 여러 가지 중성 염소 산화물도 알려져 있다.

염소 산화수	이름	화학식	구조
−1	염화물	Cl⁻	염화물 이온
+1	차아염소산염	ClO⁻	차아염소산 이온
+3	염소산염		염소산 이온
+5	염소산염		염소산 이온
+7	과염소산염		과염소산 이온

금속염화물은 대부분 이온 결합성이 높아(염화나트륨 참조) 수중에서도 간단히 염화물 이온(음이온)과 금속 이온(양이온)으로 해리(전리)되어 물에 대한 용해도가 높다. 단, 1가의 은, 구리, 금, 수은, 탈륨의 염화물과 2가의 납, 백금의 염화물은 물에 잘 녹지 않는다.

또한, 고산화수의 전이금속이나 비금속 원소의 염화물은 공유 결합성이 지배적이며 기체 또는 휘발성이 높은 고체 또는 액체이다. 이러한 염화물은 수중에서 가수분해하여 옥소산과 염산을 생성한다.

이온 결합성이 높은 금속염화물(염화나트륨 참조)에 비휘발성인 진한 황산을 가하면 염화수소가 기체로 유리된다.

금속염화물과 유사한 것으로 암모늄이나 제4급 암모늄 등의 유기물과 염화물 이온에 의해 형성된 염, 그리고 아민 등 염기성 유기화합물과 염산에 의해 형성된 염(염산염)도 있다.

2. 1. 전자 구조

염화 이온(Cl⁻)은 지름이 167pm로, 99pm인 염소 원자(Cl)보다 훨씬 크다.^[5] 이는 염화 이온이 염소 원자보다 전자가 하나 더 많아, 원자핵의 결합력이 약해지기 때문이다. 염화 이온은 무색이며 반자성이다. 염화은, 염화납(II), 염화수은(I)과 같은 일부 염화물을 제외하고 대부분의 경우 수용액에서 매우 잘 녹는다.^[6] 수용액에서 염화 이온은 물 분자의 양성자 부분에 결합한다.

2. 2. 반응성

염화 이온은 산화는 가능하지만 환원은 불가능하다. 염소알칼리 공정에서 첫 번째 산화는 염화 이온을 염소 기체로 전환하는 것이다. 염소는 차아염소산염(ClO⁻, 염소 표백제의 활성 성분), 이산화염소(ClO₂), 염소산염()(), 그리고 과염소산염()()을 포함한 다른 산화물과 옥시 음이온으로 더 산화될 수 있다.^[6]

산-염기 특성 측면에서 염화 이온은 염산의 p''K''_a 값이 음수라는 점에서 약염기이다. 염화 이온은 황산과 같은 강산에 의해 양성자화될 수 있다.^[6]

:NaCl + H₂SO₄ → NaHSO₄ + HCl

이온성 염화물 염은 다른 염과 반응하여 음이온을 교환한다. 염화 이온과 같은 할라이드 이온의 존재는 질산은을 사용하여 검출할 수 있는데, 염화 이온을 포함하는 용액에 질산은을 넣으면 흰색의 염화은 침전물이 생성된다.^[7]

:Cl⁻ + Ag⁺ → AgCl

검정(assay)에서 염화 이온의 농도는 염화이온 측정기를 사용하여 결정할 수 있다. 이 장치는 검정(assay)에서 모든 염화 이온이 위 반응을 통해 침전된 후 은 이온을 검출한다.^[7]

염화은 전극은 ex vivo^la 전기생리학에서 일반적으로 사용된다.^[8]

염소는 −1, +1, +3, +5 또는 +7의 산화수를 가질 수 있다. 여러 가지 중성 염소 산화물도 알려져 있다.

염소 산화수	−1	+1	+3	+5	+7
이름	염화물	차아염소산염	염소산염	염소산염	과염소산염
화학식	Cl⁻	ClO⁻
구조

3. 생물학적 역할

염화물은 신진 대사에 필요한 화학 물질이며, 신체의 산-염기 균형을 유지하는 데에도 쓰인다.^[30] 혈액에 존재하는 염화물의 농도는 콩팥(신장)에 의해 결정된다.

3. 1. 세포 기능 유지

염화 이온은 삼투압 조절, 전해질 균형, 산-염기 균형 유지 등 생리학적으로 매우 중요한 역할을 한다.^[11] 염화 이온은 모든 체액에 존재하며,^[12] 세포외액에서 가장 풍부한 음이온으로 세포외액 삼투압의 약 1/3을 차지한다.^[13]^[14]

염화 이온은 필수 전해질이며,^[15] 세포 항상성 유지와 뉴런에서의 활동전위 전달에 중요한 역할을 한다. 염화 이온은 염화물 채널(GABA_A 수용체 포함)을 통해 이동하며, KCC2 및 NKCC2 수송체에 의해 수송된다.

염화 이온은 (항상 그런 것은 아니지만) 일반적으로 세포외 농도가 더 높아 음의 역전 전위(포유류 세포의 경우 37°C에서 -61mV)를 갖는다.^[16] 대표적인 생물 종에서의 염화 이온 농도는 다음과 같다. 대장균과 출아 효모는 배지에 따라 10~200 mM, 포유류 세포는 5~100 mM, 혈장은 100 mM이다.^[17]

3. 2. 위산 생성

염화 이온은 위에서 염산 생성에 필요하다.^[18]

3. 3. 혈청 염화물

혈액 내 염화 이온 농도는 혈청 염화물이라고 하며, 콩팥(신장)에 의해 조절된다.^[30] 염화 이온은 일부 단백질의 구조적 구성 요소이며, 예를 들어 아밀라아제 효소에 존재한다. 이러한 역할 때문에 염화 이온은 필수 영양 광물(원소 이름인 염소로 표기) 중 하나이다. 혈청 염화물 수치는 주로 신장에서 네프론을 따라 존재하는 다양한 수송체를 통해 조절된다.^[19] 사구체에서 여과되는 염화 이온의 대부분은 근위 세뇨관과 원위 세뇨관 모두에서 능동 수송과 수동 수송 모두를 통해 재흡수된다(주로 근위 세뇨관).^[20]

4. 자연에서의 존재와 순환

염화물은 자연계에 널리 분포하며, 주로 해수에 다량 존재한다. 염화 이온은 바닷물에서 주로 발견되며, 농도는 19400mg/L이다.^[9] 이보다 적은 양이지만 더 높은 농도로 특정 내륙해와 지하 염수정에서 발견되는데, 유타주의 그레이트솔트호와 이스라엘의 사해가 대표적이다.^[10]

대부분의 염화물 염은 물에 잘 녹는 성질을 가지고 있어, 염화물을 포함하는 광물은 건조한 기후나 지하 깊은 곳에서 주로 발견된다.

4. 1. 분포

염화 이온은 주로 바닷물에서 발견되며, 그 농도는 19400mg/L이다.^[9] 이보다 적은 양이지만 더 높은 농도로 특정 내륙해와 지하 염수정에서 발견되는데, 유타주의 그레이트솔트호와 이스라엘의 사해가 대표적이다.^[10]

대부분의 염화물 염은 물에 잘 녹기 때문에, 염화물을 포함하는 광물은 일반적으로 건조한 기후나 지하 깊은 곳에서만 풍부하게 발견된다. 염화물을 포함하는 광물에는 할라이트(염화나트륨 NaCl), 실바이트(염화칼륨 KCl), 비스쇼파이트(MgCl₂∙6H₂O), 카널라이트(KCl∙MgCl₂∙6H₂O), 카이니트(KCl∙MgSO₄∙3H₂O) 등이 있다. 또한 클로라파타이트와 소달라이트와 같은 증발암 광물에서도 발견된다.

4. 2. 염화물 농도와 환경 문제

염화물 이온 농도 증가는 수생 및 육상 환경 모두에서 여러 가지 생태적 영향을 미칠 수 있다. 하천의 산성화에 기여하고, 이온 교환을 통해 토양 내 방사성 금속을 이동시키며, 수생 식물과 동물의 사망률과 번식에 영향을 미치고, 이전에는 담수 환경이었던 곳에 염수 생물의 침입을 촉진하며, 호수의 자연적인 혼합을 방해할 수 있다.^[22] 염화 나트륨은 비교적 낮은 농도에서도 미생물 종의 구성을 변화시키는 것으로 나타났다. 또한 질산염 제거와 수질 보전에 필수적인 미생물 과정인 탈질화 과정을 방해하고, 유기물의 질산화 및 호흡을 억제할 수 있다.^[22]

5. 산업적 이용

염소알칼리 공업은 세계 에너지 소비의 큰 부분을 차지한다. 이 공정은 고농도의 염화나트륨 수용액을 염소와 수산화나트륨으로 전환하는데, 이들은 많은 다른 물질과 화학 물질을 만드는 데 사용된다.

5. 1. 염소-알칼리 공정

염화 나트륨(NaCl) 수용액을 전기분해하여 염소 기체(Cl₂)와 수산화나트륨(NaOH)을 생산하는 공정이다. 생산된 염소와 수산화나트륨은 다양한 화학 물질 및 제품 생산의 원료로 사용된다. 염소알칼리 공업은 세계 에너지 소비의 큰 부분을 차지한다. 이 공정에는 다음 두 가지 병렬 반응이 포함된다.

:2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻

:2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻

5. 2. 염화물을 이용한 생산

염화 나트륨(화학식 : NaCl)은 물에 녹으면 Na⁺와 Cl⁻ 이온으로 나뉜다. 염화칼슘, 염화마그네슘, 염화칼륨과 같은 염은 의료 치료부터 시멘트 생성에 이르기까지 다양한 용도로 사용된다.^[4]

염화칼슘(CaCl₂)은 방의 습기를 제거하기 위해 펠릿 형태로 판매되는 염이다. 염화칼슘은 비포장 도로 유지 및 신규 건설을 위한 도로 기반 강화에도 사용된다. 또한 얼음에 적용될 때 녹는점을 낮추는 데 효과적이기 때문에 제빙제로 널리 사용된다.^[23]

6. 유기 염화물

sp³ 탄소의 염화물은 안정적인 공유 결합 화합물을 형성한다. 이러한 저분자량 탄소 염화물은 휘발성이 높아 과거에 용매로 널리 사용되었다. 유기 화합물에 결합된 염소 원자는 '클로로기'(chloro group|클로로기^영어)라고 불리며, 다양한 유기 반응에서 이탈기로 작용한다.^[1]

6. 1. 클로로기 (Chloro group)

화합물 명명법에서 유기 염화물이 가지는 Cl^-는 1가의 작용기로 취급되며, '''클로로기'''(chloro group|클로로기^영어)라고 불린다. 또한, 몇몇 유기 반응에서는 이탈기로 작용한다. sp³ 탄소 또는 sp² 탄소에 치환된 클로로기는 이탈하기 쉽고, 이러한 유기 염화물은 탈리 반응의 기질로 유용하다. 윌리엄슨 합성과 같은 친핵성 치환 반응에서도 sp³ 탄소 위의 클로로기가 이탈기가 된다. 합성 및 반응에 대해서는 할로겐화알킬, 할로겐화아릴도 참조한다.

6. 2. 휘발성 유기 염소 화합물

sp³ 탄소의 염화물은 안정적인 공유결합 화합물을 형성한다. 이러한 저분자량 탄소 염화물은 휘발성이 높아 과거에 용매로 널리 사용되었다.

화합물 명명법에서 유기 염화물이 가지는 Cl^-는 1가의 작용기로 취급되며, '''클로로기'''(chloro group|클로로기^영어)라고 불린다. 또한, 몇몇 유기 반응에서는 이탈기로 작용한다. sp³ 탄소 또는 sp² 탄소에 치환된 클로로기는 이탈하기 쉽고, 이러한 유기 염화물은 탈리 반응의 기질로 유용하다. 윌리엄슨 합성과 같은 친핵성 치환 반응에서도 sp³ 탄소 위의 클로로기가 이탈기가 된다. 합성 및 반응에 대해서는 할로겐화알킬, 할로겐화아릴도 참조한다.

7. 기타 염화물

무기 염화물 외에 암모늄이나 제4급 암모늄 등의 유기물과 염화물 이온으로 형성된 염, 아민 등 염기성 유기화합물과 염산으로 형성된 염(염산염)도 있다.

7. 1. 무기 염화물

염화 나트륨(화학식 : NaCl)이라 불리는 식탁용 소금이 물에 녹으면, Na⁺ 와 Cl⁻ 이온으로 나뉜다.

금속염화물은 대부분 이온 결합성이 높아(염화나트륨 참조) 물속에서도 간단히 염화물 이온(음이온)과 금속 이온(양이온)으로 해리(전리)되어 물에 대한 용해도가 높다. 단, 1가의 은, 구리, 금, 수은, 탈륨의 염화물과 2가의 납, 백금의 염화물은 물에 잘 녹지 않는다.

이온 결합성이 높은 금속염화물(염화나트륨 참조)에 비휘발성인 진한 황산을 가하면 염화수소가 기체로 유리된다.

7. 2. 암모늄염 및 염산염

금속염화물과 유사한 것으로 암모늄이나 제4급 암모늄 등의 유기물과 염화물 이온에 의해 형성된 염, 그리고 아민 등 염기성 유기화합물과 염산에 의해 형성된 염(염산염)도 있다.

참조

_[1] 웹사이트 Chloride ion - PubChem Public Chemical Database https://pubchem.ncbi[...] National Center for Biotechnology Information
_[2] 서적 Chemical Principles 6th Ed. Houghton Mifflin Company
_[3] 서적 Longman Pronunciation Dictionary Longman
_[4] 서적 Chemistry IBID
_[5] 웹사이트 Size of Atoms http://chemed.chem.p[...] 2022-03-03
_[6] 서적 Chemical Principles Cengage Learning 2013
_[7] 웹사이트 Testing for halide ions - Group 0 and testing ions - GCSE Chemistry (Single Science) Revision - WJEC https://www.bbc.co.u[...] 2022-03-03
_[8] 서적 Patch Clamping: An Introductory Guide to Patch Clamp Electrophysiology Wiley & Sons
_[9] 웹사이트 Chloride and Salinity https://www.ldeo.col[...] 2023-01-08
_[10] 서적 Chemistry of the elements Pergamon Press 1984
_[11] 논문 Chloride ions in health and disease
_[12] 논문 The distribution of total body chloride in man
_[13] 논문 Chloride: The queen of electrolytes? 2012-04-01
_[14] 논문 "I don't get no respect": the role of chloride in acute kidney injury 2019-03-01
_[15] 논문 Molecular Structure and Physiological Function of Chloride Channels http://physrev.physi[...] 2002-04-01
_[16] 웹사이트 Equilibrium potentials http://www.d.umn.edu[...]
_[17] 웹사이트 Cell Biology by the Numbers: What are the concentrations of different ions in cells? http://book.bionumbe[...] 2017-03-24
_[18] 웹사이트 Blood (Serum) Chloride Level Test https://web.archive.[...] 2010-04-30
_[19] 논문 Hyperchloremia – Why and how https://www.revistan[...] 2016-07-01
_[20] 웹사이트 Electrolytes https://pubmed.ncbi.[...] StatPearls Publishing 2020
_[21] 서적 Handbook of Alkali-Activated Cements, Mortars and Concretes Woodhead Publishing 2015-01-01
_[22] 서적 Encyclopedia of Inland Waters Academic Press 2009-03-19
_[23] 웹사이트 Common Salts http://hyperphysics.[...] Georgia State University
_[24] 웹사이트 Chlorides https://web.archive.[...] 2018-04-14
_[25] 웹사이트 Chloride ion - PubChem Public Chemical Database https://pubchem.ncbi[...] National Center for Biotechnology Information 2021-11-30
_[26] 서적 Chemical Principles 6th Ed. Houghton Mifflin Company
_[27] 문서 塩素よりも電気陰性度が高いフッ素と反応した塩素化合物、例えばClFは一フッ化塩素と称し塩化物ではない。
_[28] 웹인용 Chloride ion - PubChem Public Chemical Database https://pubchem.ncbi[...] National Center for Biotechnology Information
_[29] 서적 Chemical Principles 6th Ed. https://archive.org/[...] Houghton Mifflin Company
_[30] 웹인용 보관된 사본 https://web.archive.[...] 2010-04-30

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