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알루민산 나트륨

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목차

1. 개요

알루민산 나트륨(NaAlO₂)은 나트륨과 알루미늄의 복합 산화물로, 무수 형태는 AlO₄ 사면체의 3차원 구조를 가지며, 수화 형태는 층상 구조를 이룬다. 순수한 알루민산 나트륨은 무색 또는 백색 고체이나, 공업 제품은 불순물로 인해 황갈색을 띤다. 물에 잘 녹아 강염기성을 나타내며, 약산과 반응하여 수산화 알루미늄을 침전시킨다. 알루민산 나트륨은 수산화 알루미늄을 가성 소다 용액에 용해하거나, 알루미늄을 수산화 나트륨과 반응시켜 제조한다. 주요 용도로는 수처리, 콘크리트 응고 촉진, 제지 화학, 내화 벽돌 생산 등이 있다.

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알루민산 나트륨 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
나트륨, 알루미늄, 산소의 결정 구조 (노란색: 나트륨, 회색: 알루미늄, 빨간색: 산소)
메타알루민산 나트륨 샘플
IUPAC 이름알루민산 나트륨
다른 이름산화 알루미늄 나트륨
메타알루민산 나트륨
알루민산염 ((AlO₂)^1−), 나트륨
CAS 등록번호1302-42-7
UNII2VMT26903W
PubChem CID14766
InChIInChI=1S/Al.Na.2O/q-1;+1;;
InChIKeyIYJYQHRNMMNLRH-UHFFFAOYSA-N
SMILESO=[Al-]=O.[Na+]
EINECS215-100-1
성질
화학식NaAlO₂
분자량81.97 g/mol
외관흰색 분말 (때때로 옅은 노란색) / 흡습성 / 물에 용해되면 콜로이드성 검은색 용액 형성
냄새무취
밀도1.5 g/cm³
녹는점1650 °C
용해도매우 잘 녹음
다른 용매에 대한 용해도알코올에 녹지 않음
굴절률1.566
구조
결정 구조사방정계
열화학
표준 생성 엔탈피-1133.2 kJ/mol
엔트로피70.4 J/mol K
열용량73.6 J/mol K
위험성
주요 위험해당 정보 없음
인화점해당 정보 없음
자연 발화점해당 정보 없음

2. 구조

무수 알루민산 나트륨은 모서리가 연결된 AlO4 사면체의 3차원 구조를 포함한다. 수화된 형태인 NaAlO2·5/4H2O에는 AlO4 사면체 층이 고리로 결합되어 있으며, 이 층은 AlO4 사면체의 O 원자에 수소 결합하는 나트륨 이온과 물 분자에 의해 서로 결합되어 있다.[6]

2. 1. 무수 알루민산 나트륨

무수 알루민산 나트륨(NaAlO2)은 모서리가 연결된 AlO4 사면체의 3차원 구조를 갖는다. 수화 형태인 NaAlO2·5/4H2O는 AlO4 사면체 층이 고리 모양으로 결합되어 있으며, 이 층은 나트륨 이온과 AlO4 사면체의 O 원자에 수소 결합하는 물 분자에 의해 함께 유지된다.[6]

결정 내에서 알루미늄 원자는 4개의 산소 원자에 둘러싸인 사면체형 4배위 구조를 이룬다.[11]

순수한 무수 알루민산 나트륨은 무색 결정 또는 백색 고체이지만, 공업 제품은 철 등의 불순물을 포함하여 황갈색을 띤다. 조해성을 가지며 물에 매우 잘 녹아 테트라히드록시알루민산 나트륨 수용액이 된다. 이 수용액은 가수 분해에 의해 강염기성을 나타내며, 탄산과 같은 약산이 존재해도 쉽게 가수 분해되어 수산화 알루미늄을 침전시킨다. 공기 중의 수분과 이산화 탄소를 흡수하여 변질되기 쉬운데, 그 반응식은 다음과 같다.

: NaAlO2\ + 2 H2O -> Na[Al(OH)4]

: Na[Al(OH)4]\ + CO2 -> Al(OH)3\ + NaHCO3

2. 2. 수화 알루민산 나트륨

무수 알루민산 나트륨(NaAlO2)은 모서리가 연결된 AlO4 사면체의 3차원 구조를 갖는다. 수화 형태인 NaAlO2·5/4H2O는 AlO4 사면체의 층이 고리 모양으로 결합되어 있으며, 이 층은 나트륨 이온과 AlO4 사면체의 O 원자에 수소 결합하는 물 분자에 의해 서로 연결되어 있다.[6]

3. 제조

알루민산 나트륨은 수산화 알루미늄을 가성 소다 용액에 용해시키거나, 알루미늄 금속에 수산화 나트륨을 작용시켜 제조할 수 있다.

3. 1. 수산화 알루미늄과 가성소다 용액 반응

알루민산 나트륨은 가성 소다(NaOH) 용액에 수산화 알루미늄(Al(OH)3)을 용해시켜 제조한다. 수산화 알루미늄(깁사이트)은 끓는점 근처의 온도에서 20~25% 수성 NaOH 용액에 용해될 수 있다. 더 농축된 NaOH 용액을 사용하면 반고체 제품이 생성된다. 이 공정은 니켈 또는 강철로 된 증기 가열 용기에서 수행해야 하며, 수산화 알루미늄은 펄프가 형성될 때까지 약 50% 수성 가성 소다로 끓여야 한다. 최종 혼합물은 탱크에 붓고 냉각해야 한다. 그러면 약 70% NaAlO2를 함유한 고체 덩어리가 형성된다. 이 제품은 분쇄 후 회전식 오븐에서 탈수된다. 생성된 제품은 90% NaAlO2와 1% 물, 1%의 유리 NaOH를 함유한다.[10]

3. 2. 알루미늄과 수산화 나트륨 반응

알루민산 나트륨은 양쪽성 금속인 알루미늄 원소에 수산화 나트륨을 작용시켜 생성하기도 한다. 이 반응은 일단 시작되면 매우 발열성이며 수소 기체가 빠르게 발생한다.[7] 반응식은 다음과 같다.

: 2Al + 2NaOH + 2H2O → 2NaAlO2 + 3H2

그러나 용액에서 생성되는 종은 [Al(OH)4]− 이온 또는 [Al(H2O)2(OH)4]− 이온을 포함할 가능성이 높다.[7]

4. 화학 반응

알루민산 나트륨(NaAlO2)은 물에 매우 잘 녹아 테트라히드록시알루민산 나트륨(Na[Al(OH)4]) 수용액이 된다.[11] 이 수용액은 가수 분해되어 강염기성을 띠며, 탄산과 같은 약산이 있어도 쉽게 가수 분해되어 수산화 알루미늄을 침전시킨다.[11] 또한 공기 중의 수분과 이산화 탄소를 흡수하여 변질되기 쉽다.[11]

알루민산 나트륨의 가수 분해 반응식은 다음과 같다.

: NaAlO2\ + 2 H2O -> Na[Al(OH)4]

테트라히드록시알루민산 나트륨이 이산화 탄소와 반응하여 수산화 알루미늄을 침전시키는 반응식은 다음과 같다.

: Na[Al(OH)4]\ + CO2 -> Al(OH)3\ + NaHCO3

테트라히드록시도알루민산나트륨 수용액과 수산화 알루미늄 고체 사이에는 다음과 같은 용해평형이 성립한다.

: Al(OH)3(s)\ + OH^-(aq) \rightleftharpoons [Al(OH)4]^-(aq)

고온, 고농도의 수산화물 이온 조건에서는 수산화 알루미늄의 용해도가 증가한다. 바이어 공법에서 보크사이트로부터 수산화 알루미늄을 추출할 때, 뜨거운 수산화 나트륨 용액으로 알루미늄을 용해시킨 후 냉각 및 희석하여 수산화 알루미늄을 침전시키는 것도 이러한 원리를 이용한 것이다.

4. 1. 알루민산염 생성 반응

양쪽성 금속인 알루미늄 원소에 수산화 나트륨을 작용시켜 알루민산 나트륨을 생성할 수 있다. 이 반응은 매우 발열성이며 수소 기체가 빠르게 발생한다. 반응식은 다음과 같다.[7]

: 2Al + 2NaOH + 2H2O → 2NaAlO2 + 3H2

그러나 용액에서 생성되는 종은 [Al(OH)4]− 이온 또는 [Al(H2O)2(OH)4]− 이온을 포함할 가능성이 높다.[7]

산화 알루미늄과 수산화 알루미늄은 양쪽성으로, 산과 반응하면 알루미늄 이온을 포함하는 염을 생성하고, 강염기와 반응하면 알루민산염을 생성한다. 알루민산 나트륨은 알루미늄, 산화 알루미늄 또는 수산화 알루미늄 등 알루미늄 화합물과 강염기인 수산화 나트륨 또는 탄산 나트륨 등과의 반응으로 생성된다.

금속 알루미늄 및 수산화 알루미늄은 수산화 나트륨 수용액에 용해되어 테트라하이드록시알루민산 나트륨을 생성한다. 화학 반응식은 다음과 같다.

: 2 Al + 2 NaOH + 6 H2O → 2 Na[Al(OH)4] + 3 H2

: Al(OH)3 + NaOH → Na[Al(OH)4]

산화 알루미늄과 탄산 나트륨의 혼합물을 고온에서 용융하면 이산화 나트륨 알루미늄이 생성된다. 화학 반응식은 다음과 같다.

: Al2O3 + Na2CO3 → 2 NaAlO2 + CO2

4. 2. 테트라히드록시알루민산 나트륨 생성 반응

양쪽성 금속인 알루미늄 원소에 수산화 나트륨을 작용시켜 알루민산 나트륨을 생성할 수 있다. 이 반응은 매우 발열성이며 수소 기체가 빠르게 발생한다. 반응식은 다음과 같다.[7]

: 2Al + 2NaOH + 2H2O → 2NaAlO2 + 3H2

그러나 용액에서 생성되는 종은 [Al(OH)4]− 이온 또는 [Al(H2O)2(OH)4]− 이온을 포함할 가능성이 높다.[7]

금속 알루미늄 및 수산화 알루미늄은 수산화 나트륨 수용액에 용해되어 테트라하이드록시알루민산 나트륨을 생성한다. 화학 반응식은 각각 다음과 같다.[7]

: 2 Al + 2 NaOH + 6 H2O → 2 Na[Al(OH)4] + 3 H2

: Al(OH)3 + NaOH → Na[Al(OH)4]

4. 3. 이산화 나트륨 알루미늄 생성 반응

산화 알루미늄과 탄산 나트륨의 혼합물을 고온에서 용융하면 이산화 나트륨 알루미늄이 생성된다. 화학 반응식은 다음과 같다.[1]

:Al2O3\ + Na2CO3 -> 2 NaAlO2\ + CO2

4. 4. 가수 분해

알루민산 나트륨 수용액은 가수 분해에 의해 강염기성을 나타내며, 탄산과 같은 약산이 있어도 쉽게 가수 분해되어 수산화 알루미늄을 침전시킨다.[11] 공기 중의 수분 및 이산화 탄소를 흡수하여 변질되기 쉽다.[11]

: NaAlO2\ + 2 H2O -> Na[Al(OH)4]

: Na[Al(OH)4]\ + CO2 -> Al(OH)3\ + NaHCO3

5. 용도

알루민산 나트륨은 수처리, 건설, 제지 화학, 내화 벽돌 생산, 알루미나 생산 등 다양한 분야에서 사용된다.[8][9] 정수장에서 명반과 함께 사용하거나 경수 연화, 제지, 요업 등에도 쓰인다.[14] 알루민산 나트륨 용액은 제올라이트 생산의 중간체이다.[8][9]

5. 1. 수처리

수처리 과정에서 물 연화 시스템의 부가제, 응집을 개선하기 위한 응집 보조제, 용해된 실리카 및 인산염 제거에 사용된다.[8][9] 정수장에서 명반과 함께 사용하여 흙을 침전시키는 데도 사용된다.[14]

5. 2. 건설

건설 기술에서는 주로 동결기에 작업할 때 콘크리트의 응고를 가속화하기 위해 알루민산 나트륨이 사용된다.[8][9]

5. 3. 기타

수처리 과정에서 알루민산 나트륨은 물 연화 시스템의 부가제, 응집을 개선하기 위한 응집 보조제, 용해된 실리카 및 인산염 제거에 사용된다. 건설 기술에서는 주로 동결기에 작업할 때 콘크리트의 응고를 가속화하기 위해 사용된다.

알루민산 나트륨은 제지 화학 산업, 내화 벽돌 생산, 알루미나 생산 등에도 사용된다. 알루민산 나트륨 용액은 제올라이트 생산의 중간체이다.[8][9] 정수장에서 명반과 함께 사용하여 흙을 침전시키는 데 사용되며, 경수의 연화, 제지, 요업에도 사용된다.[14]

참조

[1] 논문 The Crystal Structure of Hydrated Sodium Aluminate, NaAlO2•5/4H2O, and Its Dehydration Product
[2] 서적 The Merck Index Merck Co., Inc.
[3] 웹사이트 Aluminium http://www.chemguide[...]
[4] 논문 Identification and characterisation of three novel compounds in the sodium–aluminium–oxygen system
[5] 서적 Inorganic Chemistry Elsevier
[6] 논문 The Crystal Structure of Hydrated Sodium Aluminate, NaAlO2·5/4H2O, and Its Dehydration Product
[7] 문서 REDIRECT
[8] 논문 Mordenite-Type Zeolite from Waste Coal Fly Ash: Synthesis, Characterization and Its Application as a Sorbent in Metal Ions Removal https://chemistry-eu[...] 2020
[9] 서적 Encyclopedia of Inorganic Chemistry John Wiley & Sons
[10] 간행물 The NBS tables of chemical thermodynamics properties
[11] 논문 The Crystal Structure of Hydrated Sodium Aluminate, NaAlO2·5/4H2O, and Its Dehydration Product
[12] 간행물 Jonas Addai-Mensah, Jun Li, Clive A. Prestidge, The Structure and Interactions of Species in Supersaturated Caustic Aluminate SolutionsAsia-Pacific Journal of Chemical Engineering, 2008. http://onlinelibrary[...]
[13] 서적 コットン・ウィルキンソン無機化学 培風館
[14] 서적 化学大辞典 共立出版
[15] 논문 The Crystal Structure of Hydrated Sodium Aluminate, NaAlO2•5/4H2O, and Its Dehydration Product
[16] 서적 The Merck Index Merck Co., Inc.


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