염소 (원소)

1. 개요

염소는 주기율표 17족에 속하는 황록색의 비금속 원소로, 플루오린, 브로민, 아이오딘과 함께 할로젠 원소에 해당한다. 고대부터 소금 형태로 사용되었으며, 1774년 칼 빌헬름 셸레에 의해 처음 발견되었고, 1810년 험프리 데이비가 원소임을 증명하고 '클로린'으로 명명했다. 염소는 강력한 산화제이자 반응성이 높은 물질로, 다양한 화합물을 형성하며, 특히 염화수소(염산)는 산업적으로 널리 사용된다. 상하수도 및 수영장 살균, 표백제, PVC 등 다양한 용도로 활용되지만, 유독성 기체로 화학 무기로 사용되기도 한다.

2. 역사

염화 나트륨(소금)은 고대부터 알려져 있었다. 기원전 3000년경부터 암염이, 기원전 6000년경부터 소금물이 사용되었다는 고고학적 증거가 있다. 900년경 아랍어 저서들과 페르시아 의사이자 연금술사인 아부 바크르 알라지(약 865~925년)의 저술들은 염화암모늄을 여러 금속의 수화된 황산염(감청)과 함께 증류하여 염화 수소를 생성하는 실험을 기술했다. 하지만 이때는 기체 생성물이 버려졌고, 염화수소가 화학적 용도로 사용되기 전까지 여러 번 생성되었을 가능성이 있다.

1630년경 벨기에의 화학자이자 물리학자인 헬몬트가 염소가 기체 상태로 존재한다는 것을 발견했다. 1774년 스웨덴의 화학자 칼 빌헬름 셸레는 염소를 자세히 연구하여 '플로지스톤을 잃은 무리아틱 산'이라고 불렀으나, 원소라고 생각하지 못하고 염산의 산화물이라고 생각했다.

셸레는 이산화 망가니즈(MnO₂)(광물 파이롤루사이트)와 염산을 반응시켜 염소를 생성하였다.

:4 HCl + MnO₂ → MnCl₂ + 2 H₂O + Cl₂

셸레는 염소의 여러 가지 성질, 즉 리트머스의 표백 효과, 곤충에 대한 치명적인 영향, 황록색, 그리고 왕수와 유사한 냄새 등을 관찰하였다.

1809년 조제프 루이 게이뤼삭과 루이 자크 테나르는 셸레가 발견한 물질을 목탄에 반응시켜 분해하는 실험을 했으나 실패했고, '플로지스톤을 잃은 무리아틱 산'이 원소일 가능성을 제기했다. 1810년 험프리 데이비가 같은 실험을 반복하여 원소임을 증명하고, 그리스어 '클로로스(χλωρος, 녹황색)'에서 따와 '클로린(Chlorine)'이라고 명명했다.

1811년 요한 슈바이거가 염소를 '할로젠'이라고 불렀으나, 1842년 옌스 야코브 베르셀리우스의 제안으로 17족 원소 전체를 지칭하는 용어가 되었다. 1823년 마이클 패러데이가 최초로 염소를 액화시켰다.

1785년 프랑스 화학자 클로드 루이 베르톨레가 염소 기체를 이용해 섬유를 표백했다. 1789년 베르톨레가 염소 기체를 탄산 나트륨 수용액에 통과시켜 차아염소산나트륨을 생산, '자벨수'라고 불렀다. 1826년 염화은이 처음으로 사진을 찍는데 사용되었으며, 1847년에는 염소를 포함하는 클로로포름이 마취제로 사용되기 시작했다. 1912년에는 폴리염화 바이닐(PVC)이 개발되었다.

3. 성질

염소 원자는 전자 친화도가 매우 커서(EA = 3.617 eV), 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. 그러나 기체 상태로는 취급이 어렵고 보존성이 떨어져, 수산화나트륨(NaOH) 수용액과 반응시킨 차아염소산나트륨 형태로 사용되는 경우가 많다.

3.1. 물리적 성질

표준 상태에서 염소는 두 개의 원자가 결합하여 염소 분자(Cl₂)를 형성한다. 두 원자 사이의 결합력은 약 242.58 정도로 비교적 약한 편이라서 반응성이 크다. 1기압에서의 끓는점은 -34°C이며, 실온에서 740kPa 이상의 압력을 가하면 액화할 수 있다. 염소는 황록색을 띠는 기체이다. 분자량은 70.90, 녹는점은 -101°C, 끓는점은 -34.1°C, 비중은 2.49이다.

3.2. 화학적 성질

염소는 주기율표 17족(할로젠) 원소로, 플루오린, 브로민, 아이오딘, 아스타틴과 함께 할로젠족을 이룬다. 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. 전기 음성도는 플루오린과 브로민의 중간 정도이다 (F: 3.98, Cl: 3.16, Br: 2.96, I: 2.66). 반응성과 산화력은 플루오린보다 낮고 브로민보다 높다.

염소는 반응성 측면에서 불소와 브롬의 중간 정도에 있으며, 가장 반응성이 큰 원소 중 하나이다. X₂/X⁻ 쌍의 표준 전극 전위(F, +2.866 V; Cl, +1.395 V; Br, +1.087 V; I, +0.615 V; At, 약 +0.3 V)에서 확인할 수 있듯이, 염소는 불소보다는 산화력이 약하지만 브롬이나 요오드보다는 산화력이 강하다. 염소화는 종종 브롬화 또는 요오드화보다 높은 산화 상태를, 불소화보다 낮은 산화 상태를 유도한다. 염소는 M–M, M–H 또는 M–C 결합을 포함하는 화합물과 반응하여 M–Cl 결합을 형성하는 경향이 있다.

E°(O₂/H₂O) = +1.229 V이며, 이는 +1.395 V보다 작으므로, 염소는 물을 산소와 염산으로 산화시킬 수 있을 것으로 예상된다. 그러나 이 반응의 동역학은 불리하며, 과전압 효과도 있기 때문에, 수용액 염화물 용액의 전기 분해는 산소 기체가 아니라 염소 기체를 발생시킨다.

염소 원자의 전자 친화도는 매우 크고(EA = 3.617 eV), 일반적으로 이온화할 때는 1가의 음이온이 된다.

단체(염소 기체)는 상온 상압에서 독특한 냄새를 가진 황록색의 기체이다. 분자량 70.90. 매우 반응성이 높아 많은 금속 및 유기물과 반응하여 염화물을 형성한다. 강력한 표백·살균 작용을 가지므로 펄프나 의류의 표백제, 상수나 수영장의 살균제로 사용된다.

다음은 할로젠 원소들의 결합 에너지(kJ/mol)를 나타낸 표이다.

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.

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.

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.

일본에서는 맨틀에 99.6%, 지각에 0.3%, 해수에 0.1% 존재한다고 추정한다. 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. 산업적으로 염소는 대개 물에 용해된 염화나트륨을 전기 분해하여 생산한다. 1892년에 산업화된 염소알칼리 공정은 현재 대부분의 산업용 염소 가스를 공급하는 방법이다. 이 공정은 염소와 함께 수소 기체와 수산화나트륨을 생성하며, 이 중 수산화나트륨이 가장 가치 있는 부산물이다. 이 과정은 아래의 화학 반응식으로 나타낼 수 있다.

: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.

캐스트너-켈러 공정은 19세기 말 산업 규모의 염소 생산에 처음으로 사용된 방법이었다. 격막 전해조 공정에서는 석면(또는 고분자 섬유) 격막이 음극과 양극을 분리한다. 막 전해조 공정은 투과성 막을 이온 교환체로 사용한다.

디컨 공정은 유기염소화합물 생산 과정에서 회수되는 염화수소를 염소로 다시 전환하는 방법이다. 이 공정은 산소를 이용한 산화 반응을 기반으로 한다.

: 4 HCl + O₂ → 2 Cl₂ + 2 H₂O

이 반응에는 촉매가 필요하며, 초기에는 구리 기반 촉매가 사용되었으나 미쓰이 MT-염소 공정과 같은 상업적 공정에서는 크롬 및 루테늄 기반 촉매로 전환되었다.

현재는 일반적으로 염화나트륨 수용액에 이온 교환과 전기분해를 함께 사용하는 이온교환막법으로 수산화나트륨과 함께 염소를 생산한다. 또한, 수소를 부산물로 생성하지 않고 이온교환막법보다 전력 소비가 적은 가스 확산 전극법도 2013년부터 동아합성 도쿠시마 공장을 시작으로 상업 운전이 시작되었다. 2016년 일본 국내 염소 가스 생산량은 343만 9341톤, 소비량은 296만 9305톤이었으며, 액체 염소 생산량은 47만 3016톤, 소비량은 30만 909톤이었다.

7. 용도

* 상하수도 살균에 사용된다.
* 아이스크림, 냉장·냉동식품 살균에 사용된다.
* 화학공업 및 락스 제조에 사용된다.
* 폭발물, 수류탄, 연막탄, 섬광탄 제조에 사용된다.
* 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.
* 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. 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.

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.

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.

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.

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

많은 유기 염소 화합물이 자연에서 발견되며, 다이옥신을 포함한 일부는 환경 오염 물질로 작용한다. DDT와 같은 일부 염소계 살충제는 생물 농축을 통해 생태계에 악영향을 미치기도 한다. 염화 플루오린화 탄소(CFC)는 오존층 파괴의 주범으로 알려져 사용이 규제되고 있다.

염화물 이온(Cl^-) 또는 치환기로서 염소를 포함하는 화합물은 염화물 또는 염소 화합물이라고 불린다.

8.1. 염화수소 (HCl)

염화수소(HCl)는 가장 간단한 염소 화합물로, 산업 및 실험실에서 주요 화학 물질로 사용된다. 주로 기체 및 물에 용해된 염산 형태로 사용된다. 염화수소는 염소 기체에서 수소 기체를 연소시키거나 탄화수소의 염소화 과정에서 부산물로 생성된다. 또한, 염화나트륨을 진한 황산으로 처리하여 염산을 생성하는 "황산나트륨" 공정을 통해서도 얻을 수 있다.

:NaCl + H₂SO₄ → NaHSO₄ + HCl
:NaCl + NaHSO₄ → Na₂SO₄ + HCl

실험실에서는 진한 황산으로 염화수소 기체를 건조시킬 수 있다. 중수(D₂O)와 벤조일 클로라이드를 반응시켜 중수소 염화물(DCl)을 생성할 수도 있다.

염화수소는 실온에서 무색 기체이며, 불화수소를 제외한 다른 수소 할라이드와 마찬가지로 강한 수소 결합을 형성하지 않는다. 그러나 고체 결정성 염화수소는 저온에서 약한 수소 결합을 보이며, 온도가 올라가면 무질서해지면서 불화수소와 유사한 구조를 가진다. 염산은 강산(pK_a = −7)으로, 염소에 대한 수소 결합이 이온화를 억제할 만큼 강하지 않기 때문이다. HCl/H₂O 계에는 다양한 수화물(HCl·nH₂O, n = 1, 2, 3, 4, 6)이 존재하며, HCl과 H₂O의 1:1 혼합물을 넘어서면 두 개의 분리된 액상으로 완전히 분리된다. 염산은 100g 용액 당 20.22g HCl에서 끓는점 108.58 °C의 공비혼합물을 형성하므로, 증류를 통해 이 농도 이상으로 농축할 수 없다.

무수 액체 염화수소는 낮은 끓는점, 작은 액체 범위, 낮은 유전율 및 H₂Cl⁺, Cl₂^- 이온으로의 제한적인 해리로 인해 용매로 사용하기 어렵다. H₂Cl⁺, Cl₂^- 이온은 수소와 염소 사이의 약한 수소 결합으로 인해 이플루오라이드 이온(HF₂^-)보다 안정성이 떨어진다. 그러나 세슘(Cs⁺) 및 4차 암모늄 양이온([NR₄]⁺)(R = Me, Et, Buⁿ)과 같이 크고 약하게 극성화되는 양이온을 가진 염은 분리될 수 있다. 무수 염화수소는 질산염화물, 페놀과 같이 작은 분자 화합물이나 격자 에너지가 매우 낮은 사알킬암모늄 할라이드 염만 용해할 수 있는 불량한 용매이다. 염화수소는 고립 전자쌍이나 π 결합을 포함하는 친전자체를 쉽게 양성자화하며, 염화수소 용액에서 가용매분해, 리간드 치환 반응 및 산화 반응이 잘 일어난다.

:Ph₃SnCl + HCl ⟶ Ph₂SnCl₂ + PhH (가용매분해)
:Ph₃COH + 3 HCl ⟶ [Ph₃C]⁺[HCl₂]^- + H₃O⁺Cl⁻ (가용매분해)
:[Me₄N]⁺[HCl₂]^- + BCl₃ ⟶ [Me₄N]⁺[BCl₄]^- + HCl (리간드 치환)
:PCl₃ + Cl₂ + HCl ⟶ [PCl₄]⁺[HCl₂]^- (산화)

8.2. 염소의 옥소산

염소는 네 가지 산화산을 형성한다. 차아염소산(HOCl), 아염소산(HOClO), 염소산(HOClO₂), 그리고 과염소산(HOClO₃)이다.

염소의 옥소산은 모두 산화력이 강하다. 대표적인 화합물로는 차아염소산나트륨(NaClO), 차아염소산칼슘(락스(CaCl(ClO)·H2O) - 불순물로 원료의 Ca(OH)2를 포함) 등이 있다.

8.3. 기타 화합물

염소는 플루오린, 브로민, 아이오딘, 아스타틴과 함께 주기율표의 할로겐족을 이루며, 헬륨과 네온을 제외한 거의 모든 원소와 반응하여 화합물을 만든다. 염소는 -1에서 +7까지의 모든 홀수 산화수를 가질 수 있으며, 종류에 따라 0, +4, +6의 산화수를 가질 수도 있다. 염화물 이온 또는 치환기로서 염소를 포함하는 화합물은 염화물 또는 염소 화합물이라고 불린다. 염소는 거의 모든 원소와 안정적인 화합물을 형성하며, 유기 화합물에도 염소를 포함하는 것이 많이 알려져 있다(염화물 문서 참조).

개별 화합물에 대해서는 “염화물 목록” 및 “유기할로젠화합물 목록”을 참조하면 된다.

염소는 반응성 측면에서 불소와 브롬의 중간 정도에 있으며, 가장 반응성이 큰 원소 중 하나이다. 염소는 불소보다는 산화력이 약하지만 브롬이나 요오드보다는 산화력이 강하다. 이는 X₂/X⁻ 쌍의 표준 전극 전위(F, +2.866 V; Cl, +1.395 V; Br, +1.087 V; I, +0.615 V; At, 약 +0.3 V)에서 확인할 수 있다. 그러나 이러한 경향은 결합 에너지에서는 나타나지 않는데, 불소는 크기가 작고, 분극률이 낮고, 초원자가를 나타낼 수 없기 때문이다. 또 다른 차이점으로, 염소는 양의 산화 상태에서 상당한 화학적 특성을 나타내는 반면, 불소는 그렇지 않다. 염소화는 종종 브롬화 또는 요오드화보다 높은 산화 상태를, 불소화보다 낮은 산화 상태를 유도한다. 염소는 M–M, M–H 또는 M–C 결합을 포함하는 화합물과 반응하여 M–Cl 결합을 형성하는 경향이 있다.

E°(O₂/H₂O) = +1.229 V이며, 이는 +1.395 V보다 작으므로, 염소는 물을 산소와 염산으로 산화시킬 수 있을 것으로 예상된다. 그러나 이 반응의 동역학은 불리하며, 고려해야 할 과전압 효과도 있기 때문에, 수용액 염화물 용액의 전기 분해는 산소 기체가 아니라 염소 기체를 발생시키는데, 이는 염소의 산업적 생산에 매우 유용한 사실이다.

염소는 차아염소산(HOCl), 아염소산(HOClO), 염소산(HOClO₂), 그리고 과염소산(HOClO₃)의 네 가지 산화산을 형성한다. 염소는 알칼리성 용액보다 산성 용액에서 불균등화에 대해 훨씬 더 안정적이다.

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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.

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.

: + 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.

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📌 열 고정 해제

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. 공기보다 무거워 10PPM~20PPM만 흡입해도 몸속 장기들이 찢어지거나 녹아내릴 수 있다. 낮은 농도의 염소를 흡입하면 호흡기가 나빠질 수 있으며, 염소 기체에 노출되면 눈에 자극이 온다.

30ppm 이상의 염소를 흡입하면 폐 내부의 물과 반응하여 염산(HCl)과 차아염소산(HOCl)을 생성한다. 1000ppm 정도의 농도에 몇 번 심호흡을 하면 치명적일 수 있다. 염소는 측정 장치를 사용하면 0.2ppm만큼 낮은 농도에서도 감지할 수 있으며, 3ppm에서는 냄새로 감지할 수 있다. 30ppm에서는 기침과 구토가 발생할 수 있으며, 60ppm에서는 폐 손상이 발생할 수 있다.

가정에서는 차아염소산염 표백제 용액이 특정 산성 배수구 세척제와 접촉하여 염소 가스를 생성하는 사고가 발생한다. 1986년 도쿠시마현(徳島県)과 1989년 나가노현(長野県)에서는 실제로 염소계 표백제와 산성 세척제를 섞어 염소 가스가 발생하여 사망 사고가 발생했다. 따라서 표백제나 산성 화장실용 세제에는 “섞으면 위험”이라는 큰 경고 표시가 있다. 차아염소산염 표백제와 암모니아가 결합하면 클로라민이 생성된다.

1976년 3월 26일, 동오사카시(東大阪市)의 도금(メッキ) 폐액 처리장에서 청소업자가 염소산나트륨 탱크에 실수로 황산을 투입하여 다량의 염소가스가 발생하여 주변 주민 약 100명이 입원하는 소동이 벌어졌다.

염소는 오존홀의 원인 물질로 알려져 있다. 프레온 가스 등 염소 원자를 포함하는 화합물이 자외선을 받으면 결합이 끊어져 염소 라디칼이 발생한다. 염소 라디칼은 주위의 오존과 반응하여 오존을 산소 분자로 분해하기 때문에 오존층 파괴 효과가 크다.

염소를 흡입했을 경우, 즉시 그 자리에서 벗어나 입고 있던 의복을 벗고, 담요로 덮는 등 몸을 따뜻하게 해야 한다. 즉시 의료기관에서 치료를 받아야 한다. 호흡이 멈춘 경우에는 즉시 인공호흡으로 소생시켜야 한다. 호흡이 곤란한 경우에는 산소 마스크를 착용해야 한다.

9.1. 화학 무기로의 사용

제1차 세계 대전 중 1915년 4월 22일 제2차 이프르 전투에서 독일군이 염소 기체를 처음으로 화학전에 사용했다. 당시 독일군 화학무기 부대 사령관은 프리츠 하버였다. 염소는 폐 속 수분과 반응하여 염산을 생성하는데, 이는 생명에 치명적일 수 있다. 염소 기체에 의한 피해는 활성탄 등이 들어간 방독면으로 어느 정도 막을 수 있지만, 당시에는 방독면 보급이 잘 되지 않아 연합국 군인들이 큰 피해를 입었다. 최초 사용 이후, 전쟁 당사국 양측은 염소를 화학 무기로 사용했지만, 곧 더 치명적인 포스겐과 겨자 가스로 대체되었다.

2007년 앙바르 주 이라크 전쟁 당시 반군들이 트럭 폭탄에 박격포 포탄과 염소 탱크를 실어 폭발시키는 방식으로 염소 가스가 사용되었다. 이 공격으로 폭발물로 인해 2명이 사망하고 350명 이상이 질병을 앓았다.

시리아에서는 화학 무기로서 배럴 폭탄과 로켓으로 염소를 사용했다. 2016년 OPCW-UN 합동 조사 기구는 시리아 정부가 세 차례의 공격에서 염소를 화학 무기로 사용했다고 결론지었다. 이후 OPCW의 조사 및 확인팀의 조사 결과 2017년과 2018년 염소 공격에 시리아 공군이 책임이 있는 것으로 결론지었다.