산화 칼슘

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1. 개요

산화 칼슘은 화학식 CaO를 갖는 화합물로, 석회석이나 조개껍데기 등 탄산칼슘을 함유한 물질을 열분해하여 생산한다. 전 세계적으로 연간 약 2억 8300만 톤이 생산되며, 주로 제강, 건축, 화학 산업 등 다양한 분야에서 사용된다. 물과 반응하여 열을 발생시키며, 흡입하거나 피부에 접촉 시 자극을 유발할 수 있다. 과거에는 군사적 목적으로도 사용되었으며, 현재는 식품 첨가물, 배연 탈황, 이산화탄소 포집 등 다양한 용도로 활용된다.

산화 칼슘 - [화학 물질]에 관한 문서

일반 정보

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산화 칼슘의 이온 결정 구조. Ca²⁺ (흰색), O^2- (빨간색)

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흰색 산화 칼슘 분말 샘플

IUPAC 명칭	산화 칼슘
다른 이름	석회 생석회 소성 석회 미수화 석회 유리 석회 (건축) 가성 석회 펠블 석회 칼시아 산화 칼슘
화학식	CaO
몰 질량	56.0774 g/mol
외형	흰색 ~ 옅은 노란색/갈색 분말
냄새	무취

물성

밀도	3.34 g/cm³
용해도	수산화 칼슘을 형성하며 반응
용해도 (25°C)	1.19 g/L
용해도 (100°C)	0.57 g/L, 발열 반응
녹는점	2613 °C
끓는점	2850 °C (100 hPa)
pKa	12.8
용해도 (메탄올)	불용성
용해도 (다른 용매)	다이에틸 에터, 옥탄올에도 불용성
자기 감수율	−15.0×10⁻⁶ cm³/mol

구조

결정 구조	입방정계, cF8

열화학

표준 생성 엔탈피 (ΔH_f^Θ)	−635 kJ·mol⁻¹
엔트로피	40 J·mol⁻¹·K⁻¹

약리학

ATCvet 코드	P53AX18

위험성

신호어	위험
인화점	불연성
PEL	TWA 5 mg/m³
REL	TWA 2 mg/m³
IDLH	25 mg/m³
NFPA 704	건강: 3 화재: 0 반응성: 2 특수: W

다른 음이온	황화 칼슘 수산화 칼슘 셀렌화 칼슘 텔루르화 칼슘
다른 양이온	산화 베릴륨 산화 마그네슘 산화 스트론튬 산화 바륨 산화 라듐

ChemSpider ID	14095
UNII	C7X2M0VVNH
InChI	1/Ca.O/rCaO/c1-2
ChEBI	31344
ChEMBL	2104397
EC 번호	215-138-9
InChIKey	ODINCKMPIJJUCX-BFMVISLHAU
CAS 번호	1305-78-8
PubChem CID	14778
RTECS 번호	EW3100000
Gmelin	485425
KEGG	C13140
UN 번호	1910
표준 InChI	1S/Ca.O
표준 InChIKey	ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N
SMILES	O=[Ca]

2. 제조

전 세계 산화 칼슘(생석회)의 연간 생산량은 약 2억 8300만 톤에 달한다. 중국은 연간 약 1억 7000만 톤을 생산하여 세계 최대 생산국이며, 미국이 연간 약 2000만 톤으로 그 뒤를 잇는다.

생석회 1.0톤을 생산하기 위해서는 약 1.8톤의 석회석이 필요하다. 생석회는 물에 대한 친화력이 매우 높아 실리카겔보다 효율적인 건조제로 사용될 수 있다. 물과 반응할 때는 부피가 최소 2.5배 증가하는 특징이 있다.

하이드록시아파타이트 내 자유 산화 칼슘(CaO) 함량은 소성 온도와 시간이 길어짐에 따라 증가하는 경향을 보인다. 이는 소성 조건이 재료의 최종 구성에 영향을 미친다는 것을 보여준다. 산화 칼슘의 녹는점은 2572°C이다.

2.1. 전통적인 방법

산화 칼슘은 주로 석회석이나 조개껍데기와 같이 탄산칼슘(CaCO₃; 광물 방해석)을 함유한 물질을 석회가마에서 열분해하여 생산한다. 이 과정은 재료를 섭씨 825°C 이상으로 가열하는 것으로, 소성 또는 석회소성이라고 부른다. 이 과정에서 이산화탄소(CO₂) 분자가 방출되고 산화 칼슘(CaO), 즉 생석회가 남게 된다.

:CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g)

이 화학 반응은 선사 시대부터 인류에게 알려진 몇 안 되는 반응 중 하나이다.

생석회는 안정적이지 않으며, 냉각되면 공기 중의 이산화탄소와 자발적으로 반응한다. 따라서 충분한 시간이 지나면 다시 탄산칼슘으로 되돌아가려는 성질을 가진다. 그러나 물을 가하여 소석회로 만들거나, 석회 반죽 또는 석회 모르타르 형태로 만들어 고정하면 이 반응을 멈출 수 있다.

3. 물리화학적 특성

산화 칼슘(CaO), 즉 생석회는 탄산칼슘(CaCO₃)을 825°C 이상으로 가열하는 소성 과정을 통해 생성된다. 이 열분해 반응 과정에서 이산화탄소(CO₂)가 방출된다.

: CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g)

생석회의 녹는점은 2572°C이다. 그러나 생석회는 안정적이지 않아 공기 중에 노출되면 이산화탄소와 자발적으로 반응하여 다시 탄산칼슘으로 돌아간다. 이러한 변화는 충분한 시간이 지나면 완전히 진행될 수 있다.

생석회는 물(H₂O)과 강하게 반응하며 많은 열을 방출한다. 이 반응을 통해 수산화칼슘(Ca(OH)₂), 즉 소석회가 생성되며, 반응 엔탈피 변화(Δ_rH)는 -63.7 kJ/mol이다.

: CaO(s) + H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq)

예를 들어, 물 1L에 생석회 약 3.1kg을 반응시키면 약 3.54MJ의 에너지가 방출된다. 이 과정에서 용액은 팽창하며 부피가 최소 2.5배 증가한다. 반응이 진행되어 열평형 상태에 도달하면 발열은 멈춘다.

물에 대한 강한 친화력 때문에 생석회는 실리카겔보다 더 효과적인 건조제로 사용될 수 있다.

4. 용도

산화 칼슘은 저렴하고 널리 사용 가능한 알칼리로서 다양한 분야에서 활용된다. 주요 용도는 제강 공정, 시멘트 제조, 건축 자재 생산, 토양개량제 등 산업 분야에서 광범위하게 사용된다. 또한 물과의 반응열을 이용한 발열체, 고온 발광을 이용한 라임라이트 조명, 식품첨가물, 석유화학 공정, 환경 정화 등 특수한 목적에도 쓰인다. 그 외 유리, 도자기, 카바이드 제조 등 여러 화학 공정의 원료 및 부원료로 사용되며, 건조제나 살충제로도 활용된다. 과거에는 시체 보존이나 고대 로마 콘크리트의 내구성 향상에도 기여했으며, 열화학적 열 저장 매체로서의 가능성도 연구되고 있다. 각 용도에 대한 자세한 내용은 하위 섹션에서 다룬다.

4.1. 산업 분야

* [[제철]]: 주요 용도는 전로제강법(BOS) 공정이다. 강철 1톤당 약 30kg에서 50kg의 산화 칼슘이 사용된다. 이는 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃과 같은 산성 산화물을 중화시켜 염기성 용융 슬래그를 만드는 역할을 한다.
* [[건축]] 및 [[토목]]:
* 시멘트 제조 공정의 핵심 원료이다.
* 분쇄된 생석회는 약 0.6g/cm3에서 1 밀도의 기포 콘크리트 블록 생산에 사용된다.
* 생석회와 소석회(수산화칼슘)는 점토를 함유한 토양의 하중 지지력을 높이는 토양개량제로 사용된다. 이는 미세하게 분쇄된 실리카 및 알루미나와 반응하여 시멘트처럼 굳는 성질을 가진 규산칼슘과 알루미네이트를 생성하기 때문이다.
* 선토기 신석기 시대 B 시대 인류가 바닥재 등에 석회석 기반 회반죽을 사용했다는 고고학적 증거가 있다. 이러한 석회-재 바닥은 19세기 후반까지 사용되었다.
* 고대 로마 콘크리트의 뛰어난 내구성은 부분적으로 생석회 사용에 기인한다. 고온 혼합 과정에서 생성된 거시적 크기의 석회 클라스트는 콘크리트에 균열이 생겼을 때 물과 반응하여 탄산칼슘으로 재결정화되면서 균열을 메우는 자가 치유 기능을 한다.
* [[화학]] 및 [[제조]]:
* 유리, 알루미늄 칼슘 시멘트, 유기 화학 물질 생산에 소량 사용된다.
* 도자기, 유리의 부원료로 사용된다.
* 카바이드(탄화칼슘) 및 수산화칼슘 생산의 원료이다.
* 바이오디젤 생산 시 염기로 사용되고 있다.
* [[제지업|제지]]: 크라프트 펄프 공장의 화학적 회수 과정에서 탄산나트륨으로부터 수산화나트륨을 재생하는 데 사용된다.
* [[광업]]: 압축 석회 카트리지는 생석회의 발열 특성을 이용해 암석을 파쇄하는 데 사용된다. 암석에 뚫은 구멍에 밀봉된 생석회 카트리지를 넣고 물을 주입하면, 발생하는 증기와 수화된 고체의 부피 팽창으로 암석이 갈라진다. 다만, 매우 단단한 암석에는 효과가 제한적이다.
* [[환경]]:
* 산화칼슘 고체 스프레이나 슬러리는 배연탈황 공정에서 배기 가스 중의 이산화황을 제거하는 데 사용될 수 있다.
* 칼슘 루핑이라는 공정을 통해 배기 가스에서 이산화탄소를 포집하는 데 사용될 수 있다 (탄소 포집 및 저장).
* [[에너지]] 및 [[조명]]:
*

* 물과 반응하여 수산화칼슘을 형성하면서 상당한 열 에너지를 방출하는 발열 반응을 일으킨다 (ΔH_r = −63.7 kJ/mol of CaO).
::CaO (s) + H₂O (l) ⇌ Ca(OH)₂ (aq)
* 이 발열 반응은 자가 가열 캔, 야외 요리 등 편리한 휴대용 열원으로 활용된다. 1리터의 물은 약 3.1kg의 생석회와 결합하여 3.54 MJ의 에너지를 생성할 수 있다.
* 생석회를 2400°C로 가열하면 강렬한 빛을 방출하는데, 이를 라임라이트라고 한다. 전기 조명이 발명되기 전까지 극장 공연 등에서 널리 사용되었다.
* 기타:
* 생석회와 소석회는 식수 처리에 사용된다.
* 석유화학 공업에서는 수분 감지 페이스트의 재료로 쓰인다. 산화칼슘과 페놀프탈레인의 혼합물로 만들어지는데, 연료 저장 탱크에 물이 존재하면 산화칼슘이 물과 반응하여 생성된 수산화칼슘이 강한 염기성을 띠므로 페놀프탈레인을 선명한 자주색(분홍색)으로 변화시켜 물의 존재를 시각적으로 나타낸다.
* 도가니의 내화성 내벽 재료로 사용된다.
* 식품첨가물로서 FAO에 의해 산도 조절제, 밀가루 처리제, 팽창제(발효제)로 알려져 있으며, E 번호는 E529이다.
* 과거에는 생석회가 시체의 분해를 가속한다고 잘못 알려졌으나, 실제로는 오히려 보존을 촉진할 수 있다. 다만 분해 과정에서 발생하는 악취를 제거하는 데는 도움이 될 수 있어 이러한 오해가 생긴 것으로 추정된다.

4.2. 환경 분야

산화칼슘 고체 스프레이나 슬러리는 배연탈황 공정에서 배기 가스 내 이산화황(SO₂)을 제거하는 데 사용될 수 있다. 또한 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술 중 하나인 칼슘 루핑 공정에서 배기 가스의 이산화탄소(CO₂)를 포집하는 데 산화칼슘이 활용될 수 있다. 생석회와 소석회(수산화칼슘)는 식수 처리에 사용된다.

4.3. 기타 용도

식품첨가물로 사용되며, FAO에서는 산도 조절제, 밀가루 처리제, 발효제로 분류한다. E 번호는 E529이다.

산화칼슘을 2400°C로 가열하면 강렬한 빛을 내는데, 이를 이용한 조명을 라임라이트라고 한다. 19세기 중반부터 20세기 초반까지 전기 조명이 발명되기 전, 특히 극장 공연 등에서 널리 사용되었다.

석유 산업에서는 연료 저장 탱크의 수분 감지용 페이스트에 사용된다. 이 페이스트는 산화칼슘과 페놀프탈레인의 혼합물로, 물과 반응하여 생성된 수산화칼슘의 염기성 때문에 페놀프탈레인이 붉은 자주색이나 분홍색으로 변색되어 물의 존재를 알려준다.

산화칼슘은 물과 반응할 때 많은 열을 발생시키는 발열 반응을 이용해 편리한 휴대용 열원으로 사용된다. 물 1리터는 약 3.1kg의 생석회와 반응하여 수산화칼슘을 만들면서 3.54 MJ의 에너지를 방출한다. 이 원리는 자가 발열 캔이나 포장 식품(도시락, 청주, 비상식품, 전투식량 등)을 데우는 데 활용된다. 불 없이도 가열할 수 있어 화기 사용이 어려운 상황에 유용하다. 여러 회사에서 이러한 방식의 발열팩이나 조리 키트를 판매하고 있다.

과거에는 무기로도 사용되었다. 기원전 80년 로마 공화국의 장군 세르토리우스는 히스파니아의 부족을 상대로 석회 가루를 날려 질식시키는 방법을 사용했으며, 서기 178년 후한에서도 농민 반란 진압에 유사한 전술이 쓰였다. 또한 그리스의 불의 성분 중 하나로 추정되는데, 물과 반응 시 150°C 이상으로 온도가 올라가 연료에 불을 붙이는 역할을 했을 것으로 보인다. 중세 해전에서는 영국 해군이 프랑스 해군 함대에 생석회를 던져 눈을 멀게 하여 승리했다는 기록이 데이비드 흄의 저서 『잉글랜드 역사』에 남아 있으며, "석회 박격포"와 같은 형태로 적선에 투척되었을 가능성도 제기된다.

그 외에 건조제나 살충제로도 사용된다.

5. 대한민국 내 생산 및 소비

전 세계 산화 칼슘 생산량은 연간 283이다. 중국의 생산량이 가장 많아 연간 약 170이며, 다음으로 미국이 약 20을 생산한다.

6. 안전 및 법규

생석회는 물과 반응 시 높은 열을 발생시키므로 취급에 주의가 필요하며, 이 열로 인해 주변의 가연성 물질이 점화될 수 있다.

과거 소방법에 따라 제3류 위험물로 지정되었으나, 1989년 소방법 개정으로 위험물 분류에서는 제외되었다. 그러나 현행 관련 법규에 따라, 산화 칼슘 함유량 80% 이상인 생석회를 500kg 이상 저장하거나 취급하는 경우 관할 소방서에 신고해야 할 의무가 있다.

6.1. 건강 영향

산화 칼슘(생석회)는 물과 매우 활발하게 반응하는 성질 때문에 인체에 해로운 영향을 미칠 수 있다.

흡입하거나 젖은 피부 또는 눈에 접촉하면 심한 자극을 일으킨다. 흡입 시 초기에는 기침, 재채기, 호흡곤란 증상이 나타날 수 있으며, 심할 경우 비중격에 구멍이 생기는 비중격 천공, 복통, 메스꺼움, 구토를 동반하는 화상으로 이어질 수 있다.

피부, 특히 수분이 있는 피부에 닿으면 물과의 반응으로 열이 발생하여 따가움, 염증, 심하면 화상을 입을 수 있다. 눈에 접촉했을 경우에도 심각한 자극과 손상을 유발할 수 있다.

생석회 자체는 불에 타는 물질(가연성 물질)로 분류되지는 않지만, 물과 반응할 때 발생하는 높은 열 때문에 주변의 다른 가연성 물질에 불을 붙일 수 있는 위험이 있다.

7. 역사적 배경

선토기 신석기 시대 B 시기 인류가 바닥재 및 기타 용도로 석회석 기반 회반죽을 사용했다는 고고학적 증거가 있다. 이러한 석회-재 바닥은 19세기 후반까지 사용되었다.

고대 로마 콘크리트의 내구성은 생석회를 재료로 사용한 것에 부분적으로 기인하는 것으로 밝혀졌다. 고온 혼합과 결합된 생석회는 특징적으로 취성인 나노 입자 구조를 가진 거시적 크기의 석회 클라스트(clast)를 생성한다. 콘크리트에 균열이 생기면 구조적으로 약한 석회 클라스트를 통과하여 균열이 발생한다. 물이 이러한 균열에 들어가면 탄산칼슘으로 재결정화될 수 있는 칼슘 포화 용액이 생성되어 균열을 신속하게 채운다.

생석회는 역사적으로 무기로도 사용되었다. 기원전 80년, 로마 장군 세르토리우스는 접근하기 어려운 동굴에 피신한 히스파니아의 카라키타니(Characitani)족을 물리치기 위해 부식성 석회 가루를 이용해 질식시키는 연기를 사용했다. 서기 178년에는 중국에서 무장 농민 반란을 진압하는 데 유사한 방법이 사용되었는데, '석회 수레'에 부챗살을 장착하여 군중에게 석회석 가루를 날려 보냈다.

생석회는 그리스의 불의 성분이었을 가능성도 제기된다. 생석회가 물과 접촉하면 온도가 150°C 이상으로 올라가 연료에 불을 붙였을 수 있기 때문이다.

데이비드 흄은 그의 저서 『잉글랜드 역사』에서 헨리 3세 초기 통치 시절, 잉글랜드 해군이 생석회 가루를 프랑스 함선에 던져 병사들의 눈을 멀게 함으로써 침입한 프랑스 함대를 격파했다고 기록했다. 생석회는 중세 해전에서 적선에 던지는 "석회 박격포"와 같은 형태로 사용되었을 가능성이 있다.

19세기 중반부터 20세기 초반까지는 산화칼슘을 2400°C까지 가열하면 강렬한 빛을 내는 성질을 이용한 라임라이트가 가스등의 발광체로 사용되었다. 이는 전기 조명이 발명되기 전까지 특히 극장에서 널리 쓰였다.

역사적으로 생석회가 시체의 분해를 가속한다고 잘못 알려지기도 했으나, 실제로는 오히려 보존을 촉진할 수 있다. 다만 생석회가 분해 과정에서 발생하는 악취를 줄이는 데 도움이 될 수 있어 이러한 오해가 생긴 것으로 추정된다.

8. 대체 물질

석회석은 농업, 용융제, 황 제거 등 여러 용도에서 생석회 대신 사용될 수 있다. 석회석은 생석회보다 반응성이 낮고 반응 속도도 느리다는 단점이 있을 수 있지만, 가격이 훨씬 저렴하다는 장점이 있다. 소석고는 산업용 석고와 모르타르를 대체할 수 있다. 시멘트, 시멘트 킬른 더스트, 플라이애시, 석회 킬른 더스트 등은 일부 건설 용도에서 생석회 대신 사용될 수 있다. 수산화마그네슘은 pH 조절 용도로, 산화마그네슘은 제강 과정에서 용융제로서 돌로마이트 생석회를 대체할 수 있다.