이산화 황

3. 성질

이산화 황은 물에 잘 녹는 물질로, 환원 작용을 한다. 물이 있으면 이산화 황은 물질의 색을 탈색시키는데, 종이나 옷과 같이 섬세한 재료에 표백제로 유용하게 사용된다. 하지만 이 표백 효과는 대기 중의 산소가 환원된 염료를 다시 산화시켜 색을 복원하기 때문에 일반적으로 오래 지속되지는 않는다. 하수 처리 과정에서 이산화 황은 배출 전 염소 처리된 하수를 처리하는 데 사용되는데, 이는 이산화 황이 유리 염소 및 결합 염소를 염화물로 환원시키기 때문이다.^[32]

이산화 황은 물에 잘 녹지만, 적외선 분광법과 라만 분광법으로 관찰했을 때 아황산(H₂SO₃)은 거의 존재하지 않는다. 이산화 황 수용액은 물과 반응하여 중황산이온(HSO₃⁻)의 스펙트럼을 나타내며, 실제로 존재하는 환원제는 다음과 같다.

:SO₂ + H₂O ⇌ HSO₃⁻ + H⁺

이산화 황의 온도에 따른 용해도는 다음과 같다.^[69][70]

4. 발생

이산화 황은 자연적, 인위적 요인으로 발생한다.

자연적으로는 주로 화산 활동을 통해 발생하며, 인위적으로는 황을 함유한 연료(석탄, 석유 등)의 연소, 황화물 광석 제련, 황산 제조 공정 등에서 발생한다. 한국에서는 산업 시설, 자동차 배기가스 등이 주요 배출원이다.^[95]

4. 1. 자연 발생

4. 2. 인위적 발생

주로 EPA의 산성비 대책 프로그램 주도로 미국의 이산화 황 배출량은 1983년부터 2002년 사이에 약 33% 감소했다. 이는 배기가스의 황산화물 제거 기술(탈황 기술)이 발전하여 황을 포함하는 연료를 연소시켜도 황산화물을 회수할 수 있게 된 덕분이다. 특히 산화 칼슘은 이산화 황과 반응하여 아황산 칼슘이 되어 이산화 황을 흡착한다.

: CaO + SO2 -> CaSO3

2006년 현재, 중국이 세계에서 이산화 황을 가장 많이 배출하는 국가이다. 2005년 배출량은 25490000ton이었다. 이 배출량을 2000년 것과 비교하면 약 27% 증가했으며, 미국의 1980년 배출량에 해당한다.

5. 합성

이산화 황은 황을 태우거나 황을 포함한 물질을 연소할 때 생성되는 생성물이다.^[1]

:S₈ + 8 O₂ → 8 SO₂, ΔH = −297 kJ/mol

황화수소와 유기황 화합물의 연소도 이와 유사하게 진행된다.^[1]

:2 H₂S + 3 O₂ → 2 SO₂ + 2 H₂O

황화물 광석 배소(예: 황철석, 섬아연석, 진사(황화수은)) 과정에서도 SO₂가 방출된다.^[19]

:4 FeS₂ + 11 O₂ → 2 Fe₂O₃ + 8 SO₂

:2 ZnS + 3 O₂ → 2 ZnO + 2 SO₂

:HgS + O₂ → Hg + SO₂

:4 FeS + 7 O₂ → 2 Fe₂O₃ + 4 SO₂

이산화황은 규산칼슘 시멘트 제조 과정에서도 부산물로 생성될 수 있다. 이때 CaSO₄를 코크스와 모래와 함께 가열한다.^[20]

:2 CaSO₄ + 2 SiO₂ + C → 2 CaSiO₃ + 2 SO₂ + CO₂

실험실에서는 뜨거운 진한 황산을 구리 조각에 작용시켜 이산화황을 생성할 수 있다.

:Cu + 2 H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + 2 H₂O

주석도 진한 황산과 반응하지만, 주석(II)황산염을 생성하며, 이것은 나중에 360 °C에서 열분해되어 이산화주석과 무수 이산화황을 생성한다.

:Sn + H₂SO₄ → SnSO₄ + H₂

:SnSO₄ → SnO₂ + SO₂

아황산염과 산이 반응하면 이산화황이 생성된다.

:H⁺ + HSO₃^- → SO₂ + H₂O

6. 반응

이산화 황은 물과 반응하여 아황산을 생성하지만, 실제로는 중아황산이온(HSO₃^-) 형태로 존재한다.^[21]

이산화 황은 산화제 또는 환원제로 작용할 수 있다.

• 클라우스 공정에서 황화 수소에 의해 환원되어 원소 황을 생성하는 산화제로 작용한다.
• 할로겐에 의해 산화되어 염화술푸릴과 같은 술푸릴 할라이드를 생성하는 환원제로 작용한다.

7. 용도

이산화황은 황산 제조 과정의 중간 물질로, 접촉법을 통해 황산을 생산하는 데 가장 많이 사용된다.^[1] 1979년 미국에서는 2,360만 톤의 이산화황이 황산 제조에 사용되었는데, 이는 다른 용도로 사용된 15만 톤에 비해 압도적으로 많은 양이다.^[18] 대부분의 이산화황은 황을 연소시키거나 황철석 같은 황화물 광석을 가열하여 생산된다.^[18]

8. 환경에 미치는 영향

이산화황은 호흡기를 자극하여 기침, 천식, 기관지염 등의 질환을 유발한다.^[88] 0.5 ppm 이상에서 냄새를 감지하고, 30~40 ppm 이상에서는 호흡 곤란을 일으키며, 100 ppm 농도에 50~70분 이상 노출되면 위험하다. 400 ppm 이상인 경우 수 분 내에 생명이 위험할 수 있으며, 500 ppm을 초과하면 후각이 마비되어 오히려 악취를 느끼지 못하게 된다. 고농도 지역에 단시간 노출되는 것보다 저농도 지역에 장시간 노출되는 경우 피해가 더 크다.

대표적인 사례로 1961년경부터 발생한 일본의 4대 공해병 중 하나인 요코하마 천식(四日市ぜんそく)이 있다. 1960~70년대 일본 전역에 고농도 오염을 일으켰으나, 탈황 장치를 통해 공장 등의 고정 발생원과 석유 사용에 의한 오염이 개선되었다. 아시오마이산(足尾) 동산 광독 사건과 1952년 수 주일 만에 1만 명 이상이 사망한 런던 스모그 사건도 이산화황으로 인한 대기 오염의 심각성을 보여준다.

19세기 중반 크림 전쟁의 세바스토폴 전투에서는 영국군이 이산화황을 화학무기로 사용했을 가능성도 제기되고 있다.

2007년 현재, 일본의 이산화황 환경 기준은 1시간 값의 1일 평균이 0.04 ppm 이하이며, 1시간 값이 0.1 ppm 이하인 것으로 규정되어 있다.

8. 1. 대기 오염

8. 1. 1. 산성비

8. 1. 2. 호흡기 질환

8. 1. 3. 기후 변화

8. 2. 규제 및 저감 노력

9. 건강에 미치는 영향

이산화 황은 주요 대기오염 물질 중 하나로, 인간의 건강에 상당한 영향을 미친다.^[47] 일상생활에서 황을 포함한 연료(성냥, 석탄, 벙커C유) 연소 등을 통해 이산화 황에 노출될 수 있다.^[46]

이산화 황은 호흡기를 자극하여 기침, 천식, 기관지염 등의 질환을 유발한다.^[88] 0.5 ppm 이상에서 냄새를 감지할 수 있으며, 30~40 ppm 이상에서는 호흡 곤란을 일으킨다. 100 ppm 농도에 50~70분 이상 노출되면 위험하며, 400 ppm 이상인 경우 수 분 내에 생명이 위험해질 수 있다. 500 ppm을 초과하면 후각이 마비되어 오히려 악취를 느끼지 못한다. 고농도에 단시간 노출되는 것보다 저농도에 장시간 노출되는 경우 피해가 더 크다.

대표적인 이산화 황 중독 사례는 다음과 같다.

• 요코하마 천식: 일본의 4대 공해병 중 하나로, 1961년경부터 발생하여 1960~70년대에 일본 전역에 고농도 오염을 일으켰다.
• 아시오마이산(足尾) 동산 광독 사건
• 런던 스모그: 1952년 수 주일 만에 1만 명 이상이 사망한 사건이다.
• 크림 전쟁 (세바스토폴 전투): 영국군이 화학무기로 사용했을 가능성이 제기되고 있다.

10. 안전성

이산화 황은 식품 첨가물로 사용될 때 일부 천식 환자에게 알레르기 반응을 일으킬 수 있다.^[43] 아황산염에 대한 민감성 증상은 섭취 후 수 분 이내에 생명을 위협할 수 있는 호흡 곤란으로 나타나며, 비천식 환자에게도 피부염, 두드러기, 홍조, 저혈압, 복통, 설사, 아나필락시스 등의 다양한 증상을 유발할 수 있다.^[44][45]

고농도의 이산화 황을 흡입하면 호흡기 자극, 질식 등의 위험이 있다.^[46] 이산화 황은 주요 대기 오염 물질이며 인간의 건강에 상당한 영향을 미친다.^[47]

미국에서는 이산화 황 노출 기준을 다음과 같이 설정하고 있다.

11. 역사

이산화 황은 지구에서도 발견되며, 대기 중에 약 15 ppb의 매우 낮은 농도로 존재한다.^[11]

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