염소 (원소)

3. 성질

염소 원자는 전자 친화도가 매우 커서(EA = 3.617 eV)^[132], 이온화할 때 주로 1가의 음이온이 된다.

염소 기체는 상온 상압에서 특유의 냄새를 가진 황록색 기체이다. 분자량은 70.90, 녹는점은 -101°C, 끓는점은 -34.1°C, 비중은 2.49이다. 반응성이 매우 커서 많은 금속 및 유기물과 반응하여 염화물을 형성한다.

강력한 표백 및 살균 작용을 가지고 있어 펄프나 의류의 표백제, 상수도나 수영장의 살균제로 사용된다.^[133] 그러나 기체 상태로는 취급이 어렵고 보존성이 떨어져, 수산화나트륨(NaOH) 수용액과 반응시킨 차아염소산나트륨 형태로 사용되는 경우가 많다.^[133]

3. 1. 물리적 성질

3. 2. 화학적 성질

4. 동위 원소

염소의 동위 원소 중 가장 안정한 두 가지 동위원소는 ³⁵Cl (75.77%)와 ³⁷Cl (24.23%)이다. 이 두 동위원소의 존재 비율을 고려하여 염소의 평균 원자량은 35.4527이다.^[33]

자연에는 미량의 ³⁶Cl이 존재하는데, 안정 동위원소 7×10¹³개 당 1개 정도의 비율로 존재한다. ³⁶Cl은 대기 중에서 ³⁶Ar이 우주선과 상호작용하여 붕괴되면서 생성된다. 지하에서는 ³⁵Cl의 중성자 포획이나 ⁴⁰Ca의 뮤온 포획으로 생성되기도 한다. ³⁶Cl은 반감기가 약 30만 8000년이며, ³⁶S과 ³⁶Ar으로 붕괴한다. ³⁶Cl은 방사능 연대 측정(약 6만 년에서 100만 년 전)에 사용될 수 있다.^{[34] [35] [36]}

1952년과 1958년 대기권 핵실험으로 인해 상당량의 ³⁶Cl이 생성되기도 했다. 이들은 대기에 약 1주일 정도 머물렀다. ³⁶Cl은 물속에서 약 50년 정도의 연대를 측정할 수 있으며, 빙하와 빙퇴석 관련 지질학 연구에도 유용하게 사용된다.

5. 존재

지구상에서 염소는 대개 염과 결합한 화합물 형태로 존재한다. 암염, 카널라이트 등의 형태로 발견된다. 또한, 바닷물에 많은 양의 염화 이온이 녹아있다. 해수 전체 질량의 약 1.9%는 염화 이온이다. 현재까지 약 2000가지의 염소 화합물이 알려져 있다.^[1]

일본에서는 맨틀에 99.6%, 지각에 0.3%, 해수에 0.1% 존재한다고 추정한다.^[134] 구체적인 추정치는 다음과 같다.

6. 생산

염소는 주로 염소알칼리 공정을 통해 생산되지만, 이 외에도 다른 방법들이 존재한다. 2006년 전 세계 염소 생산량은 6500만 쇼트톤으로 추산되었다.^[66] 산업적으로 염소는 대개 물에 용해된 염화나트륨을 전기 분해하여 생산한다. 1892년에 산업화된 염소알칼리 공정은 현재 대부분의 산업용 염소 가스를 공급하는 방법이다.^[24] 이 공정은 염소와 함께 수소 기체와 수산화나트륨을 생성하며, 이 중 수산화나트륨이 가장 가치 있는 부산물이다. 이 과정은 아래의 화학 반응식으로 나타낼 수 있다.^[65]

:2 NaCl + 2 H₂O → Cl₂ + H₂ + 2 NaOH

산업 현장에서는 세 가지 주요 염소알칼리 공정이 사용된다.

• 캐스트너-켈러 공정: 수은 전극을 사용한다.
• 격막 전해조 공정: 음극과 양극 사이에 석면 격막을 사용한다.
• 막 전해조 공정: 격막 대신 이온 교환 막을 사용한다.

7. 용도

• 상하수도 살균에 사용된다.
• 아이스크림, 냉장·냉동식품 살균에 사용된다.
• 화학공업 및 락스 제조에 사용된다.
• 폭발물, 수류탄, 연막탄, 섬광탄 제조에 사용된다.^[68]
• 폴리염화비닐(PVC) 등 합성수지 원료, 유기 용매 제조 등 화학 산업 전반에 사용된다.
• 정수(물 처리 공장 등에서), 소독제, 표백제에서 중요한 화학 물질이며, 소규모 식수 공급에도 염소 소독이 일상적으로 이루어진다.^[90]
• 식수 공급 및 공공 수영장의 세균 및 기타 미생물을 죽이는 데 사용된다.
• 모노클로라민 자체가 소독 목적으로 식수에 직접 첨가되고 있으며, 이 과정을 클로라민 처리라고 한다.

8. 화합물

염소는 플루오린, 브로민, 아이오딘, 아스타틴과 함께 할로젠족 원소이며, 헬륨과 네온을 제외한 거의 모든 원소와 반응하여 화합물을 만든다. -1에서 +7까지의 모든 홀수 산화수를 가질 수 있으며, 종류에 따라 0, +4, +6의 산화수를 가질 수도 있다. 반응성 측면에서 불소와 브롬의 중간 정도에 있으며, 가장 반응성이 큰 원소 중 하나이다. 불소보다는 산화력이 약하지만 브롬이나 요오드보다는 산화력이 강하다.^[32] 염소화는 종종 브롬화나 요오드화보다 높은 산화 상태를, 불소화보다 낮은 산화 상태를 유도한다. M–M, M–H 또는 M–C 결합을 포함하는 화합물과 반응하여 M–Cl 결합을 형성한다.^[32]

E°(O₂/H₂O) = +1.229 V이며, 이는 +1.395 V보다 작으므로, 염소는 물을 산소와 염산으로 산화시킬 수 있을 것으로 예상된다. 그러나 이 반응은 느리게 진행되며, 과전압 효과도 고려해야 한다. 따라서 수용액 염화물 용액을 전기 분해하면 산소 기체 대신 염소 기체가 발생하며, 이는 염소의 산업적 생산에 매우 유용하게 활용된다.^[37]

차아염소산(HOCl), 아염소산(HOClO), 염소산(HOClO₂), 과염소산(HOClO₃)과 같이 네 가지 옥소산을 형성한다. 이들 옥소산은 모두 강한 산화력을 가진다. 대표적인 화합물로는 차아염소산 나트륨(NaClO), 차아염소산 칼슘(락스(CaCl(ClO)·H2O) - 불순물로 원료의 Ca(OH)2를 포함) 등이 있다.^[37]

유기 염소 화합물은 탄소와 염소의 결합을 포함하는 화합물로, 유기화학의 중요한 부분을 차지한다. 염소와 탄소의 전기 음성도 차이로 인해 탄소는 부분적인 양전하를 띠게 되어 친전자성을 나타낸다. 염소화는 탄화수소의 밀도를 증가시키는 등 다양한 물리적 특성 변화를 유발하며, 지방족 유기 염소 화합물은 알킬화제로 작용할 수 있다.^[55]

알칸과 아릴알칸은 자외선 조건에서 염소화될 수 있지만, 반응의 정도를 제어하기는 어렵다. 아릴 클로라이드는 프리델-크래프츠 할로젠화를 통해 제조할 수 있다.^[55] 할로폼 반응을 통해서도 염소 화합물을 생성할 수 있다. 염소는 알켄과 알킨의 다중 결합에 첨가되어 디- 또는 테트라클로로 화합물을 생성할 수 있다.

8. 1. 염화수소 (HCl)

8. 2. 염소의 옥소산

8. 3. 기타 화합물

차아염소산 이온은 염화물과 염소산을 생성하기 위해 더욱 불균등화된다(3 ClO⁻ 2 Cl⁻ + ). 하지만 이 반응은 10²⁷의 매우 유리한 평형 상수에도 불구하고 70°C 이하의 온도에서는 상당히 느리다. 염소산 이온은 염화물과 과염소산을 형성하기 위해 불균등화될 수 있다(4 Cl⁻ + 3 ). 그러나 이것은 10²⁰의 매우 유리한 평형 상수에도 불구하고 100°C에서도 여전히 매우 느리다. 염소 옥소 음이온의 반응 속도는 염소의 산화 상태가 감소함에 따라 증가한다. 염소 옥소산의 세기는 염소의 산화 상태가 증가함에 따라 켤레 염기에서 점점 더 많은 산소 원자에 걸쳐 전하의 비편재화가 증가하기 때문에 매우 빠르게 증가한다.^[37]

대부분의 염소 옥소산은 이러한 불균등화 반응을 이용하여 생성될 수 있다. 차아염소산(HOCl)은 매우 반응성이 높고 불안정하다. 그 염은 주로 표백 및 살균 능력에 사용된다. 이들은 매우 강한 산화제이며, 대부분의 무기 종에 산소 원자를 전달한다. 아염소산(HOClO)은 더욱 불안정하며 분해 없이 분리하거나 농축할 수 없다. 그것은 수용액 이산화염소의 분해로부터 알려져 있다. 그러나 아염소산나트륨은 안정적인 염이며, 섬유의 표백 및 탈색, 산화제, 이산화염소의 원료로 유용하다. 염소산(HOClO₂)은 30% 농도까지 차가운 물에서 상당히 안정적인 강산이지만, 가열하면 염소와 이산화염소를 생성한다. 감압 증발을 통해 40%까지 더 농축할 수 있지만, 그 후 과염소산, 염소, 산소, 물, 이산화염소로 분해된다. 가장 중요한 염은 염소산나트륨이며, 주로 종이 펄프 표백을 위한 이산화염소 제조에 사용된다. 소규모 실험실에서 산소를 생산하는 일반적인 방법은 염소산을 염화물과 산소로 분해하는 것이다. 염화물과 염소산은 다음과 같이 염소를 형성하기 위해 비례화될 수 있다.^[51]

: + 5 Cl⁻ + 6 H⁺ ⟶ 3 Cl₂ + 3 H₂O

과염소산염과 과염소산(HOClO₃)은 염소 원자가 가능한 최저(-1) 또는 최고(+7) 산화 상태에 있을 때 염소 화합물이 가장 안정적인 사실과 일치하여 염소의 가장 안정적인 옥소 화합물이다. 과염소산과 수용액 과염소산염은 가열하면 활발하고 때로는 격렬한 산화제이지만, 이러한 반응에 대한 높은 활성화 에너지로 인해 운동학적 이유로 실온에서는 대부분 비활성이다. 과염소산염은 염소산나트륨을 전기 분해적으로 산화시켜 만들고, 과염소산은 무수 과염소산나트륨 또는 과염소산바륨을 진한 염산과 반응시켜, 침전된 염화물을 걸러내고 여액을 증류하여 농축시켜 만든다. 무수 과염소산은 충격에 민감한 무색의 유동성 액체이며, 대부분의 유기 화합물과 접촉하면 폭발하고, 요오드화수소와 염화티오닐에 불을 붙이고 심지어 은과 금도 산화시킨다. 물보다 약한 리간드이지만, 배위된 를 포함하는 몇 가지 화합물이 알려져 있다.^[51]

염소 산화 상태	−1	+1	+3	+5	+7
명칭	염화물	차아염소산염	아염소산염	염소산염	과염소산염
화학식	Cl−	ClO−
구조

유기염소화합물은 안정적이고 저렴하게 합성할 수 있기 때문에, 클로로폼이나 디클로로메탄과 같은 대표적인 유기용매로서 또는 폴리염화비닐과 같은 플라스틱으로서 대량으로 생산·사용되고 있다.

반면, 많은 것들이 독성을 가지며, 환경에 방출되었을 때 화학분해되기 어렵다는 점, 또한 소각 시 다이옥신을 발생한다는 점에서 법령 등으로 규제되는 물질도 많다.

9. 위험성

염소는 매우 강한 독성을 가진 기체이다. 염소 가스가 신체에 닿으면 염산으로 변해 심각한 화상을 입을 수 있다.^[114] 공기보다 무거워 10PPM~20PPM만 흡입해도 몸속 장기들이 찢어지거나 녹아내릴 수 있다.^[117] 낮은 농도의 염소를 흡입하면 호흡기가 나빠질 수 있으며, 염소 기체에 노출되면 눈에 자극이 온다.^[118]

9. 1. 화학 무기로의 사용

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