아황산 나트륨

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1. 개요

아황산 나트륨은 이산화 황과 수산화 나트륨을 반응시켜 제조하거나, 탄산 나트륨 용액에 이산화 황을 혼합하여 산업적으로 생산되는 무기 화합물이다. 제지, 섬유, 수처리, 식품 산업 등 다양한 분야에서 환원제, 표백제, 방부제, 탈산소제 등으로 사용된다. 하지만, 섭취 시 알레르기 반응이나 천식을 유발할 수 있어, 미국 식품의약국(FDA)은 신선 식품에 아황산 나트륨 첨가를 규제하고 있다.

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아황산 나트륨 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
아황산 나트륨
무수물
수화물
IUPAC 명칭	아황산 나트륨
다른 이름	하이포 클리어 (사진) E221
식별 정보
ChemSpider ID	22845
ChEBI	86477
UNII	VTK01UQK3G
InChI	1/2Na.H2O3S/c;;1-4(2)3/h;;(H2,1,2,3)/q2*+1;/p-2
InChIKey	GEHJYWRUCIMESM-NUQVWONBAK
SMILES	[O-]S(=O)[O-].[Na+].[Na+]
표준 InChI	1S/2Na.H2O3S/c;;1-4(2)3/h;;(H2,1,2,3)/q2*+1;/p-2
표준 InChIKey	GEHJYWRUCIMESM-UHFFFAOYSA-L
CAS 등록번호	7757-83-7
PubChem	24437
RTECS	WE2150000
EINECS	231-821-4
속성
화학식	Na₂SO₃
몰 질량	126.043 g/mol
외형	흰색 고체
냄새	무취
밀도	2.633 g/cm³ (무수물) 1.561 g/cm³ (칠수화물)
용해도	27.0 g/100 mL (물, 20 °C)
다른 용매에 대한 용해도	글리세롤에 용해됨 암모니아, 염소에 불용해
녹는점	33.4 °C (칠수화물 탈수) 500 °C (무수물)
끓는점	분해됨
굴절률	1.565
pKa	~9 (칠수화물)
LogP	-4
구조
결정 구조	육방정계 (무수물) 단사정계 (칠수화물)
위험성
외부 SDS	ICSC 1200
인화점	비인화성
NFPA 704	건강: 2 화재: 0 반응성: 0
관련 화합물
다른 음이온	셀렌산 나트륨
다른 양이온	아황산 칼륨
관련 화합물	중아황산 나트륨 메타중아황산 나트륨 황산 나트륨

2. 제조

아황산 나트륨은 이산화 황을 수산화 나트륨 용액에 용해하거나^[13] 탄산 나트륨 용액으로 처리하여 제조할 수 있다.^[14]

2. 1. 실험실 제법

이산화 황과 수산화 나트륨을 용해하여 아황산 나트륨을 제조할 수 있다. 따뜻한 물에서 Na₂SO₃는 노란 고체로 침전된다. 이산화 황(SO₂)이 많아질수록 고체는 용해되어 다이설파이트(disulfite)가 되며 냉각 시 결정체를 이룬다.^[13] 반응식은 다음과 같다.

: SO₂ + 2 NaOH → Na₂SO₃ + H₂O

2. 2. 산업적 제법

이산화 황을 탄산 나트륨 용액과 섞어 산업적으로 제조한다.^[14]

일반적인 반응식은 다음과 같다.

:* SO₂ + Na₂CO₃ → Na₂SO₃ + CO₂

수산화 나트륨 용액을 이산화 황으로 처리하여 제조할 수도 있다. 따뜻한 물에서 반응시키면 Na₂SO₃는 처음에 흰색 고체로 침전된다. 더 많은 SO₂를 사용하면 고체가 용해되어 아황산 수소 나트륨이 생성되며, 냉각 시 결정화된다.^[2] 반응식은 다음과 같다.

:* SO₂ + 2 NaOH → Na₂SO₃ + H₂O

3. 용도

아황산 나트륨은 제지 산업, 섬유 산업, 수처리, 식품 첨가물, 사진 산업, 화학 산업 등 여러 분야에서 활용된다.

제지 산업: 펄프 및 제지 산업에서 주로 사용되며, 중밀도 섬유판(MDF) 생산에도 사용된다.
섬유 산업: 환원제로 작용하여 표백, 탈황, 탈염소제로 사용된다.
수처리: 탈산소제로서 증기 보일러의 부식 문제를 예방하고, 사진 산업에서는 현상액 산화 방지 및 정착액(싸이오황산 나트륨) 세척에 사용된다.
식품 첨가물: 환원성을 이용하여 건과의 변색 방지 및 육류 보존을 위한 방부제로 사용된다.
사진 산업: 현상액의 산화를 방지하고 정착액을 씻어내는 데 사용된다.
화학 산업: 웰먼-로드 공정에서 배가스 탈황에 사용되며, 술폰화 및 설포메틸화 시약, 티오황산 나트륨 생산에도 사용된다.

그 외에도 광석의 부유선광법, 오일 회수, 염료 제조, 세제, 알데히드 및 케톤의 정제 및 단리, 화장품 및 의약품의 방부제, 배연 탈황 과정 등에도 사용된다.^[9]

3. 1. 제지 산업

아황산 나트륨은 주로 펄프 및 제지 산업에 사용된다.^[15]^[4] 중밀도 섬유판(MDF) 생산을 위해 나무를 섬유로 열역학적으로 변환(''해섬'')하는 데에도 사용된다.^[5]

3. 2. 섬유 산업

아황산 나트륨은 환원제로서 섬유 산업에서 표백, 탈황 및 탈염소제로 사용된다.^[4]

3. 3. 수처리

아황산 나트륨은 탈산소제로서 증기 보일러에 들어가는 물을 처리하여 부식 문제를 예방하고,^[16] 사진 산업에서는 현상액이 산화되지 않게 하며 필름과 사진 전용 인화지 유화액으로부터 정착액(싸이오황산 나트륨)을 씻어내는 데 사용된다.^[16]

3. 4. 식품 첨가물

아황산 나트륨은 환원성을 띄는 특징이 있어 건과류의 변색을 막거나 육류를 보존하기 위한 방부제로 사용된다.^[15] 식품에서는 갈변 방지, 산화 방지 및 보존료(방부제)로 쓰인다.^[9] 건조 과일이 퇴색되는 것을 막고, 육류 보존, 와인의 산화 방지에도 사용된다.

3. 5. 사진 산업

아황산 나트륨은 탈산소제로서, 사진 산업에서 부식 문제를 예방할 목적으로 스팀 보일러에 들어가는 물을 처리하기 위해 사용된다.^[16] 또한 현상액이 산화되지 않게 하고 필름과 사진 전용 인화지 유화액으로부터 정착액(싸이오황산 나트륨)을 씻어낸다.

사진 산업에서 현상액의 산화를 방지하기 위한 보존제로, 또는 정착액(싸이오황산 나트륨)을 필름 등에서 씻어내는 데 사용된다. 싸이오황산 나트륨과 마찬가지로 단체 할로겐을 할로겐화수소로 변환하는 성질을 가지며, 사진 제작이나 수영장의 염소 농도를 감소시키는 데 사용된다.

3. 6. 화학 산업

아황산 나트륨은 주로 제지 산업에서 사용된다.^[15] 중밀도 섬유판(MDF)을 생산하기 위해 나무를 섬유로 열역학적으로 변환하는 데에도 사용된다.^[5]

탈산소제로서 증기 보일러에 공급되는 물을 처리하여 부식 문제를 방지하는 데 사용되며,^[16] 사진 산업에서는 현상액이 산화되지 않게 하고 필름과 사진 전용 인화지 유화액으로부터 정착액(싸이오황산 나트륨)을 씻어낸다.^[16]

환원제의 성질을 이용하여 섬유 산업에서 표백, 탈황 및 탈염소제로 사용된다(예: 수영장). 말린 과일의 변색을 방지하고 육류를 보존하기 위한 보존료로 사용될 때 이러한 환원 특성이 활용된다.

웰먼-로드 공정은 배가스 탈황을 위해 아황산 나트륨을 사용하며, 술폰화 및 설포메틸화 시약, 티오황산 나트륨 생산에도 사용된다.

3. 7. 기타 용도

아황산 나트륨은 제지 산업에서 주로 사용된다.^[15] 사진 산업에서는 탈산소제로서 부식 문제를 예방하기 위해 스팀 보일러에 들어가는 물을 처리하는 데 사용되며,^[16] 현상액이 산화되지 않게 하고 필름과 사진 전용 인화지 유화액으로부터 정착액(싸이오황산 나트륨)을 씻어낸다.

또한 환원제, 표백제, 탈황제, 염소제거제로 수영장과 섬유공업에 사용된다. 환원 작용을 이용하여 건과의 변색을 막고 육류 보존을 위한 방부제로도 쓰인다. 싸이오황산 나트륨 생성에도 사용된다.

웰먼-로드 공정에서는 배가스 탈황을 위해 아황산 나트륨을 사용한다. 티오황산나트륨과 마찬가지로 단체 할로겐을 할로겐화수소로 변환하는 성질이 있어, 사진 제작이나 수영장의 염소 농도 감소에 사용된다.

그 외에도 광석의 부유선광법, 오일 회수, 염료 제조, 세제 등에 사용된다. 알데히드와 반응하여 아황산수소 부가물을, 케톤과 반응하여 술폰산을 생성하며, 알데히드나 케톤의 정제 및 단리에 사용되기도 한다.

식품에서는 갈변 방지제, 산화 방지제, 보존료(방부제)로 사용된다.^[9] 건조 과일의 퇴색을 방지하거나 육류 보존, 와인의 산화 방지제로도 사용된다. 화장품의 방부제(크림, 헤어 컬러)로도 사용되며,^[9] 의약품 중에서는 겐타마이신, 메토클로프라미드, 독시사이클린, 제네릭 프로포폴 등에 사용되는 경우가 있다.^[9] 배연 탈황 과정에서 이산화황 흡수 세정액에도 포함된다.

4. 화학적 성질

아황산 나트륨은 물에 녹아 아황산수소나트륨(NaHSO₃)을 생성하며, 이는 나트륨 이온과 아황산수소 이온으로 구성된 염 혼합물이다. 포화 수용액의 pH는 약 9이다.

4. 1. 환원성

아황산 나트륨은 주로 순한 환원제로 사용된다. 7수화 결정은 따뜻하고 건조한 공기 중에서 풍해되며, 공기 중에서 산화되어 황산 나트륨을 형성한다. 무수 형태는 공기에 의한 산화에 더 강하다.^[7]

환원제이자 표백제, 탈황제, 염소제거제이며 수영장과 섬유공업에 사용된다. 환원적인 특성으로 인해 건과의 변색을 막고 육류를 보존하기 위한 방부제로 이용된다.^[15] 탈산소제로서 사진 산업에서 부식 문제를 예방할 목적으로 스팀 보일러에 들어가는 물을 처리하는 데 사용되며,^[16] 현상액이 산화되지 않게 하고 필름과 사진 전용 인화지 유화액으로부터 정착액(싸이오황산 나트륨)을 씻어낸다.

4. 2. 산과의 반응

약한 산과도 반응하여 이산화 황 가스를 발생시킨다.^[12]

:Na2SO3\ + 2 H^+ \ -> 2 Na^+ \ + H2O\ + SO2

4. 3. 산화

아황산 나트륨은 7수화물 형태로 결정화되며, 따뜻하고 건조한 공기 중에서 풍해된다.^[7] 7수화물 결정과 포화 수용액은 공기 중에서 산화되어 황산 나트륨을 형성한다.^[7]^[12] 반면 무수 형태는 공기에 의한 산화에 더 강하다.^[7]

4. 4. 구조

X선 결정학에 따르면 아황산 나트륨 7수화물은 피라미드형 SO₃^2- 중심을 특징으로 한다. S-O 거리는 1.50이며 O-S-O 각도는 약 106º이다.^[8]

5. 안전성 및 환경 문제

아황산 나트륨은 식품, 화장품, 의약품 등에 사용되면서 여러 부작용을 일으킬 수 있다. 1970년부터 부작용 사례가 보고되기 시작했으며, 미국 식품의약국(FDA)은 1986년에 신선 식품에 아황산 나트륨 첨가를 금지하고, 농도가 10ppm을 초과하는 경우에는 성분 표시를 하도록 조치했다.^[9] 시험관 연구 및 쥐를 이용한 실험 결과, 아황산 나트륨은 면역 활성화를 억제하고 이식편 혈관증을 악화시킬 수 있는 것으로 나타났다.^[11]

5. 1. 안전성

1970년에 부작용이 보고되기 시작했으며, 아황산 나트륨이 사용된 식품 섭취로 인해 피부염, 두드러기, 홍조, 저혈압, 복통 및 설사, 아나필락시스, 천식을 일으킬 수 있다.^[9] 이러한 보고의 대부분은 천식에서 기관지 수축을 유발하는 것에 관한 것으로, 경구 투여 또는 외용의 다양한 형태로 발생하며, 천식 환자의 3~10%에서는 호흡기 증상의 방아쇠가 된다.^[9] 이 때문에 미국 식품의약국(FDA)은 1986년에 신선 식품에의 첨가를 금지했으며, 농도가 10ppm을 초과하는 경우에는 성분 표시를 하도록 조치했다.^[9] 그러나, 의도치 않게 심각한 증상을 나타냈다는 보고는 계속되고 있다.^[9]

함유된 화장품, 항진균제, 점안액 등의 사용으로 인해 피부 반응을 일으킬 수 있다.^[9] 접촉 알레르기에서는 183명의 3.8%의 사람에게 아황산나트륨 양성 반응이 있었으며, 대부분의 경우 피로아황산나트륨에도 반응을 나타내기 때문에, 알레르기가 판명된 경우에는 이를 포함한 아황산나트륨 전체를 피하도록 의사가 알려줄 필요가 있다.^[10]

시험관 연구에서는 면역 활성화를 억제하며, 마우스에서는 이식편 혈관증을 악화시켰다.^[11]

5. 2. 생화학적 영향

1970년부터 부작용이 보고되기 시작했으며, 아황산 나트륨이 사용된 식품 섭취로 인해 피부염, 두드러기, 홍조, 저혈압, 복통 및 설사, 아나필락시스, 천식을 일으킬 수 있다^[9]。이러한 보고의 대부분은 천식 환자에게 기관지 수축을 유발하는 것에 관한 것으로, 경구 투여 또는 외용의 다양한 형태로 발생하며, 천식 환자의 3~10%에서 호흡기 증상을 유발한다^[9]。이 때문에 미국 식품의약국(FDA)은 1986년에 신선 식품 첨가를 금지했으며, 농도가 10ppm을 초과하는 경우에는 성분 표시를 하도록 조치했다^[9]。그러나 의도치 않게 심각한 증상을 나타냈다는 보고는 계속되고 있다^[9]。

아황산 나트륨이 함유된 화장품, 항진균제, 점안액 등의 사용으로 인해 피부 반응을 일으킬 수 있다^[9]。접촉 알레르기에서는 183명 중 3.8%가 아황산 나트륨 양성 반응을 보였으며, 대부분의 경우 피로아황산나트륨에도 반응을 나타내기 때문에, 알레르기가 확인된 경우에는 의사가 아황산 나트륨 및 관련 물질을 피하도록 안내해야 한다^[10]。

시험관 연구에서는 면역 활성화를 억제하며, 쥐를 이용한 실험에서는 이식편 혈관증을 악화시켰다^[11]。

참조

_[1] 웹사이트 High Yield Pulp Production by Modified Sulfite Process https://ippta.co/wp-[...] 2023-10-19
_[2] 서적 Inorganic Syntheses
_[3] 서적 Kirk-Othmer Concise Encyclopedia of Chemical Technology John Wiley & Sons, Inc.
_[4] 간행물 Sulfites, Thiosulfates, and Dithionitesl Chemistry
_[5] 웹사이트 DE19958756A1 - Production of light-colored medium-density fibreboard (MDF) from old fibreboard comprises treatment with sodium sulfite, conversion into pulp and feeding into the blow-line of an MDF plant https://patents.goog[...] 1999-12-07
_[6] 웹사이트 Pre-boiler and Boiler Corrosion Control | GE Water http://www.gewater.c[...] 2016-03-14
_[7] 문서 Merck Index of Chemicals and Drugs
_[8] 논문 The Crystal Structure of Sodium Sulphite. A Refinement Allowing for the Effect of Crystal Twinning
_[9] 논문 Adverse reactions to the sulphite additives https://www.ncbi.nlm[...] 2012
_[10] 논문 Contact allergy to sodium sulfite and its relationship to sodium metabisulfite 2012-03
_[11] 논문 Sodium Sulfite Exacerbates Allograft Vasculopathy and Affects Tryptophan Breakdown in Murine Heterotopic Aortic Transplantation https://www.ncbi.nlm[...] 2019
_[12] 문서 Merck Index of Chemicals and Drugs
_[13] 논문 Sulfites and Pyrosulfites of the Alkali Metals
_[14] 서적 Kirk-Othmer Concise Encylclopedia of Chemical Technology John Wiley & Sons, Inc.
_[15] 간행물 Sulfites, Thiosulfates, and Dithionitesl Chemistry
_[16] 웹인용 Pre-boiler and Boiler Corrosion Control | GE Water http://www.gewater.c[...] 2020-04-01

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