염화 칼륨

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1. 개요

염화 칼륨(KCl)은 물, 메탄올 등에 잘 용해되는 무기 화합물로, 칼륨 이온과 염화물 이온으로 이온화되며 쓴맛과 짠맛을 낸다. 용융 상태의 염화 칼륨과 나트륨을 반응시켜 칼륨 금속을 얻을 수 있으며, 전기 전도도 보정 표준 용액으로 사용된다. 주요 생산지는 캐나다, 러시아, 벨라루스 등이며, 광물에서 추출하거나 화학 반응을 통해 제조한다. 염화칼륨은 주로 비료 생산에 사용되며, 저칼륨혈증 치료, 식품 첨가물, 산업용, 사형 집행 등에 사용된다. 과다 섭취 시 독성을 나타낼 수 있으며, 심장 박동 이상을 유발할 수 있다.

염화 칼륨 - [화학 물질]에 관한 문서

일반 정보

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염화 칼륨

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염화 칼륨 3D 이온 구조

기타 이름	실바이트 염화가리

식별자

UNII	660YQ98I10
ChEMBL	1200731
KEGG	D02060
InChI	1/ClH.K/h1H;/q;+1/p-1
InChIKey	WCUXLLCKKVVCTQ-REWHXWOFAZ
DrugBank	DB00761
ChEBI	32588
SMILES	[Cl-].[K+]
표준 InChI	1S/ClH.K/h1H;/q;+1/p-1
표준 InChIKey	WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M
CAS 등록번호	7447-40-7
ChemSpider ID	4707
PubChem	4873
RTECS	TS8050000

속성

화학식	KCl
몰 질량	74.555 g/mol
외관	흰색 결정성 고체
냄새	무취
밀도	1.984 g/cm³
용해도	27.77 g/100mL (0 °C) 33.97 g/100mL (20 °C) 54.02 g/100mL (100 °C)
다른 용매에 대한 용해도	글리세롤, 알칼리에 용해 알코올에 약간 용해 에테르에 불용
에탄올 용해도	0.288 g/L (25 °C)
녹는점	770 °C
끓는점	1420 °C
굴절률	1.4902 (589 nm)
pKa	~7
자기 감수율	−39.0·10⁻⁶ cm³/mol

구조

결정 구조	면심 입방 구조
공간군	Fmm, No. 225
격자 상수	629.2 pm
배위수	팔면체 (K⁺) 팔면체 (Cl⁻)

열화학

표준 생성 엔탈피	−436 kJ/mol
엔트로피	83 J/mol·K

약리학

ATC 코드	A12BA01
투여 경로	경구, IV, IM
생체 이용률	해당 없음
배설	콩팥: 90%; 대변: 10%
반감기	해당 없음
대사	해당 없음
단백질 결합	해당 없음
의존성 책임	해당 없음

위험성

외부 SDS	ICSC 1450
인화점	비인화성
NFPA 704	NFPA-H: 1 NFPA-F: 0 NFPA-R: 0 NFPA-S: 해당 없음
LD50	2600 mg/kg (경구, 쥐)

다른 음이온	플루오린화 칼륨 브로민화 칼륨 아이오딘화 칼륨
다른 양이온	염화 리튬 염화 나트륨 염화 루비듐 염화 세슘 염화 암모늄
다른 화합물	하이포아염소산 칼륨 아염소산 칼륨 염소산 칼륨 과염소산 칼륨

2. 화학적 특성

염화 칼륨은 물을 비롯한 다양한 극성 용매에 잘 용해되며, 수용액에서는 칼륨 이온(K⁺)과 염화물 이온(Cl⁻)으로 이온화된다. 염화칼륨 수용액과 질산 은 수용액을 반응시키면 염화 은(AgCl) 고체(s)가 생성된다.
:KCl(aq) + AgNO₃(aq) → AgCl(s) + KNO₃(aq)
르 샤틀리에의 원리에 따라, 용융 상태의 염화칼륨과 나트륨을 반응시켜 칼륨 금속을 얻을 수 있다.
:KCl(l) + Na(l) ⇌ NaCl(l) + K(g)
이 방법은 금속 칼륨을 생산하는 주요 방법인데, 전해는 용융 KCl에서 칼륨의 용해도가 높아 적용할 수 없기 때문이다.

2.1. 용해도

염화 칼륨(KCl)은 물, 메탄올, 개미산 등 다양한 극성 용매에 용해된다. 25°C에서 각 용매 1kg당 용해도(g)는 다음과 같다.

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염화 칼륨의 용해도
용매	용해도 (g/kg 용매)
물	360
암모니아	0.4
이산화 황	0.41
메탄올	5.3
에탄올	0.37
개미산	192
술폴란	0.04
아세토니트릴	0.024
아세톤	0.00091
포름아미드	62
아세트아미드	24.5
디메틸포름아미드	0.17–0.5

수용액에서 염화 칼륨은 본질적으로 완전히 이온화되어 용매화된 K⁺ 및 Cl^- 이온이 된다.

3. 물리적 특성

염화 칼륨은 넓은 범위의 빛을 투과시키며, 특히 적외선 영역에서 높은 투과율을 보인다. 굴절률, 열팽창 계수, 열전도율 등 다양한 물리적 특성이 알려져 있다.

* 투과 범위: 210 nm ~ 20 μm
* 투과도: 450 nm에서 92%이고 16 μm에서 94%까지 선형으로 증가
* 굴절률: 10 μm에서 1.456
* 반사 손실: 10 μm에서 6.8% (두 표면)
* dN/dT (열팽창 계수): −33.2×10⁻⁶/°C
* dL/dT (굴절률 기울기): 40×10⁻⁶/°C
* 열전도율: 0.036 W/(cm·K)
* 손상 임계값: 4 GW/cm² 또는 2 J/cm² (0.5 또는 1 ns 펄스율); 4.2 J/cm² (1.7 ns 펄스율 Kovalev과 Faizullov)

상온에서 염화칼륨의 결정 구조는 NaCl과 유사하다. 약 6.3 Å의 격자 상수를 갖는 B1 상으로 알려진 면심입방구조를 채택한다. 결정은 세 방향으로 쉽게 쪼개진다. 고압에서는 다른 다형체 및 수화된 상이 채택된다.

분말 형태의 염화칼륨은 불꽃 시험에서 보라색 불꽃을 나타낸다.

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각 용매에 대한 염화칼륨의 용해도 (g KCl / 100 g (25 ℃))
용매	용해도
H₂O	36
액체 암모니아	0.04
액체 이산화 황	0.041
메탄올	0.53
개미산	19.2
술폴란	0.004
아세토니트릴	0.0024
아세톤	0.000091
포름알데히드	6.2
아세트아미드	2.45
디메틸포름아미드	0.017–0.05

4. 생산

염화칼륨은 섬록석, 카날라이트 등 광물이나 바닷물에서 추출하여 생산한다. 질산칼륨과 염산으로 질산을 만드는 과정에서도 부산물로 얻을 수 있다.

캐나다 사스캐처원 주, 러시아, 벨라루스 등에서 주로 농업 및 산업용 칼륨 비료 형태로 생산되며, 특히 2017년 사스캐처원 주는 전 세계 생산량의 25% 이상을 차지했다. 실험실에서는 수산화칼륨과 염산의 중화 반응으로 만들 수 있다.

식물은 칼륨을 영양소로 필요로 하며, 해초를 태운 재나 내륙 식물을 태운 재에서 많이 얻을 수 있다. 또한 해염 제조 시 나오는 간수의 성분 중 하나이기도 하다.

칼륨암염(실비나이트)이라는 광물 형태로 자연에서 산출되어 채굴되기도 한다. 암염과 함께 내륙에 갇힌 해수나 염호에서 침전되어 광상을 이루거나, 화산 분기공에서 소량 결정 상태로 나오기도 한다. 주요 산지는 벨라루스, 이스라엘, 요르단, 미국, 캐나다, 프랑스, 독일, 칠레, 브라질 등이며, 구 공산권 국가들이 많은 양을 매장하고 있다. 일본에서는 지바 현에서 산출되며, 해초에서도 추출할 수 있지만 대부분 수입에 의존한다.

4.1. 정제 방법

염화칼륨의 정제 방법은 다음과 같다.

* 용해도 차이를 이용한 결정화: 혼합물을 물에 녹인 후 가열하여 물을 증발시키면서 염화칼륨 결정을 얻는다. 이 방법은 에너지 소비가 많아 비용이 높아지는 경향이 있다.
* 부유 선별법: 혼합물에 포화 식염수를 가하고 공기를 불어넣어 염화칼륨 결정을 기포에 부착시켜 분리한다. 염화나트륨 결정은 바닥에 가라앉는다. 이 방법은 비용을 절감할 수 있다.
* 정전기 분리법: 정전기력을 이용하여 염화칼륨을 분리한다.

5. 용도

염화칼륨은 다양한 용도로 사용된다.

* 비료: 생산되는 염화칼륨의 대부분은 칼륨질 비료를 만드는 데 사용된다. 염화칼륨은 "염화칼리"라고도 불리며, 높은 칼륨 함량과 상대적으로 저렴한 가격 때문에 널리 사용된다.
* 의학적 용도: 칼륨은 인체에 필수적이며, 염화칼륨은 저칼륨혈증 치료에 사용된다. 경구 또는 정맥 주사로 투여할 수 있으며, 세계보건기구 필수 의약품 목록에 포함되어 있다. 과다 복용 시 고칼륨혈증을 유발하여 심정지를 일으킬 수 있다.
* 식품 첨가물: 소금 대용품으로 사용되지만, 쓴맛 때문에 염화나트륨과 섞어 저나트륨염을 만들기도 한다. 타우마틴을 첨가하면 쓴맛을 줄일 수 있다.
* 산업적 용도: 수산화칼륨과 칼륨 금속 제조의 원료로 사용되며, 석유 및 천연가스 시추, 유리 제조, 방사선 모니터링 장비 교정, 제빙제 등 다양한 산업 분야에서 활용된다.
* 기타 용도: 사형 집행에 사용되는 약물 중 하나이며, 동물 사료 첨가제, 소화기, 알루미늄 가스 용접용 융제, 광학 결정, 발광체 등 그 외에도 다양한 용도로 사용된다.

5.1. 비료

생산되는 염화칼륨의 대부분은 칼륨질 비료를 만드는 데 사용되는데, 이는 많은 식물의 성장이 칼륨의 이용 가능성에 따라 제한되기 때문이다. 칼륨질 비료는 수용성 형태의 칼륨을 포함하는 다양한 광산 및 제조 염을 가리킨다. 비료로 판매되는 염화칼륨은 "염화칼리"로 알려져 있으며, 이는 농업에서 사용되는 염화칼륨(KCl)의 일반적인 명칭이다. 전 세계 칼륨질 비료의 대부분은 염화칼리로 판매된다. 비료 시장에서 염화칼리가 우세한 것은 높은 칼륨 함량(약 60% K₂O에 해당)과 황산칼륨과 같은 다른 칼륨 공급원에 비해 상대적으로 저렴하기 때문이다.

칼륨은 질소, 인과 함께 식물 성장에 필수적인 세 가지 주요 다량 영양소 중 하나이다. 칼륨은 효소 활성화, 광합성, 단백질 합성 및 수분 조절을 포함한 다양한 식물 생리 과정에서 중요한 역할을 한다. 식물에 물을 줄 때, 잠재적인 독성을 피하기 위해 적당한 농도의 염화칼륨(KCl)을 사용하는데, 일반적으로 6mM(밀리몰)이 대부분의 식물에 효과적이고 안전하며, 이는 물 1리터당 약 0.4g이다.

황산칼륨과 함께 대표적인 칼리 비료이며, 황산칼륨보다 저렴하여 선택되는 경우가 많다. 과용하면 석회분이 유실되므로 유기질 비료 등을 병용하는 경우가 있다.

5.2. 의학적 용도

칼륨은 인체에 필수적인 미네랄이며, 염화칼륨은 저칼륨혈증을 치료하는 일반적인 방법이다. 경구 섭취가 일반적이지만, 정맥 주사로도 투여할 수 있다. 염화칼륨은 세계보건기구 필수 의약품 목록에 등재되어 있으며, 설사로 인한 저칼륨혈증을 완화하기 위한 경구 수분 보충 요법(ORT)/용액(ORS)의 성분이기도 하다.

과다 복용하면 고칼륨혈증을 유발하여 세포 신호 전달을 방해하고 심정지를 일으킬 수 있다.

; 심장 수술
심장 수술에서 심근 보호액의 성분으로 사용되어 급속 이완성 심정지를 유도한다. 수술 후 고칼륨혈증이 발생할 수 있지만, 혈액 여과나 투석 등으로 치료한다.

; 기타
혈액 내 칼륨 농도가 높아지면 심부전을 일으키므로, 안락사 목적으로 심정지액으로 사용되기도 한다. 미국에서는 약물에 의한 사형 집행 시 사용되는 약물로도 알려져 있다.

다태 임신 시 감태 수술에도 사용되며, 중절할 태아에게 염화칼륨을 주사하여 심정지를 유도한다.

5.3. 식품 첨가물

염화칼륨은 식품첨가물로서 소금 대용품으로 사용될 수 있지만, 약하고 쓴 맛 때문에 종종 일반적인 식탁용 소금(염화나트륨)과 섞어 저나트륨염을 만들기도 한다. 타우마틴 1ppm을 첨가하면 이러한 쓴맛이 상당히 감소한다. 식품에 사용되는 염화칼륨은 쓴맛, 화학적인 맛, 금속성 맛이 난다는 불만도 보고되고 있다.

고대부터 일본에서는 해조류를 태워 만든 해조염, 아프리카 내륙 등에서는 식물을 태워 얻는 재(灰)에서 얻는 재염 등에 많이 함유되어 있다.

나트륨에 의한 고혈압 등의 영향을 줄이기 위해 염화나트륨과 섞어 식용염(저염 소금)으로 사용되기도 한다. 하지만 염화칼륨 특유의 쓴맛 때문에 염화칼륨을 섞을 수 있는 비율은 제한적이다. 소마틴 등의 감미료를 첨가하면 쓴맛은 줄어든다.

5.4. 산업적 용도

화학 원료로서 수산화칼륨과 칼륨 금속 제조에 사용된다.
: (전기분해)
또한, 석유 및 천연가스 작업 시 완결 유체로 사용되는데, 이는 KCl 폴리머 진흙이라 불리며, 칼륨 이온이 점토의 팽윤과 분산을 억제하여 이암층 절삭에 뛰어난 성질을 보이기 때문이다.

유리 제조업에서는 과립상 칼륨염을 융제로 사용하여 혼합물의 용융 온도를 낮춘다. 칼륨염은 유리에 뛰어난 투명도를 부여하기 때문에 안경, 유리 제품, 텔레비전 및 컴퓨터 모니터에 일반적으로 사용된다.

천연 칼륨에는 소량의 칼륨-40 동위원소가 포함되어 있기 때문에, 염화칼륨은 방사선 모니터링 장비를 교정하기 위한 베타선원으로 사용된다.

염화칼슘보다 용융 품질은 떨어지지만, 애완동물과 식물에 더 안전하도록 설계된 일부 제빙제 제품에 사용된다.

염화칼륨은 한때 소화제로, 휴대용 및 바퀴 달린 소화기에 사용되었다. Super-K 건조 화학 물질로 알려진 이 물질은 탄산수소나트륨 기반 건조 화학 물질보다 효과적이었고 단백질 거품과도 호환되었다. 이 물질은 1960년대 후반에 훨씬 덜 부식성이 강하고 더 효과적인 탄산수소칼륨(퍼플-K) 건조 화학 물질이 도입되면서 인기를 잃었다. B급 및 C급 화재에 적합하다.

염화나트륨 및 염화리튬과 함께 염화칼륨은 알루미늄의 가스 용접을 위한 융제로 사용된다.

염화칼륨은 210 nm에서 20 μm까지 넓은 투과 범위를 갖는 광학 결정이다. 저렴하지만 KCl 결정은 흡습성이 있다. 이는 보호된 환경이나 프로토타이핑과 같은 단기간 사용으로 응용이 제한된다. 자유 공기에 노출되면 KCl 광학 장치는 "부식"된다. KCl 부품은 이전에 적외선 광학에 사용되었지만, 셀렌화아연과 같은 훨씬 더 강한 결정으로 완전히 대체되었다.

염화칼륨은 P10이라는 명칭의 스키아트론과 같은 다크 트레이스 CRT에서 발광체로 사용된다.

5.5. 기타

미국에서는 염화 칼륨이 사형 집행에 사용되는 세 가지 약물 주사 방식에서 마지막 약물로 사용되어, 심장 정지를 유발해 사형수를 사망에 이르게 한다.

혈액 내 칼륨 농도가 높아지면 심부전이 발생하므로, 동물 안락사에 심정지액으로 사용된다. 티오펜탈(의식 상실), 근이완제(호흡근 무력화)와 함께 사형 집행에 사용되는 'three drug cocktail'의 마지막 단계에서 심정지를 유도하는 약물이다. 잭 케보키안의 자살 장치에 사용된 것으로 알려지면서, 적극적 안락사 약물 중 하나로도 알려졌다.(타나토론 참조) 미국에서는 약물에 의한 사형 집행 시 사용되는 약물로도 알려져 있다.

사형 집행 시에는 "three drug cocktail"이라고 불리는 3가지 약물이 사용된다. 의식을 상실시키는 약물(1), 호흡 근육을 마비시키는 약물(2), 심정지를 유도하는 약물(3) 순으로 사용되지만, (1)이 제대로 작용하지 않으면 고통을 느낄 수 있다. 이 방법은 절차가 복잡하고 실수가 발생하기 쉬워, 잔혹하고 비정상적인 형벌을 금지하는 미국 헌법 수정 제8조에 위배된다는 의견이 있으며, 한 번의 약물 투여로 끝낼 수 있는 바르비투르산계 약물로 변경하는 논의도 진행되고 있다.

다태 임신 시 감태 수술에도 사용되며, 중절할 태아에게 염화칼륨을 주사하여 심정지를 유도한다.

6. 안전성 및 독성

일반적인 식단에서 발견되는 염화칼륨의 양은 대체로 안전하다. 그러나 다량 섭취 시에는 독성을 나타낼 수 있다. 경구 섭취 시 염화칼륨의 반수치사량은 약 2.5g/kg으로, 체중 75kg인 사람의 경우 약 190g에 해당한다. 참고로, 염화나트륨(소금)의 반수치사량은 3.75g/kg이다.

정맥 주사 시 염화칼륨의 반수치사량은 약 57.2mg/kg~66.7mg/kg으로 훨씬 낮다. 이는 치사 농도의 칼륨 이온(약 30~35mg/kg)을 염화칼륨 내 칼륨 이온의 질량 비율(약 0.52445mg K⁺/mg KCl)로 나누어 계산한 값이다.

칼륨 이온은 체내에서 나트륨과 함께 막전위 형성에 기여한다. 정상적인 상태에서는 칼륨 이온 농도가 세포 내에서는 높고, 혈액을 포함한 체액에서는 낮게 유지된다. 혈액 내 칼륨 이온 농도가 낮은 상태를 저칼륨혈증이라 하며, 이 경우 권태감, 다리 경련, 무력감 등의 증상이 나타날 수 있다. 저칼륨혈증 치료를 위해 정맥 주사를 사용하기도 하지만, 약물의 투여량은 정해져 있으며 신장 질환 등이 있는 경우에는 투여에 신중해야 한다. 염화칼륨은 입수가 쉽고 효과가 확실하여 개발도상국에서도 쉽게 구할 수 있도록 선정된 WHO 필수의약품 목록 후보에도 포함되어 있다.

신장 질환이 없거나 고농도 정맥 내 투여를 하지 않는 한, 염화칼륨은 안전하다. 하지만 고칼륨혈증이 발생하면 메스꺼움, 복통, 소화성 궤양 질환 등의 부작용이 나타날 수 있다. 더욱이 혈중에 고농도의 칼륨이 투여되면 부정맥에서 심하면 심부전으로 이어져 사망에 이를 수 있다.

* 심장 수술: 심장 수술 시에는 고농도 염화칼륨이 포함된 심근 보호액을 사용하여 급속 이완성 심정지를 유도한다. 수술 후 고칼륨혈증이 발생할 수 있지만, 혈액 여과법이나 투석 등의 혈액 정화법을 시행한다.

* 사형·안락사·감태 수술:
* 혈액 내 칼륨 농도가 높아지면 심부전을 일으키므로, 동물의 안락사 등에 사용되는 심정지액으로도 사용된다. 티오펜탈(의식 상실), 근이완제(호흡근 무력화)와 함께 사형 집행에 사용되는 약물 조합의 마지막 단계에서 심정지를 유도하는 데 사용된다. 잭 케보키안의 자살 장치에 사용된 것으로 알려지면서, 여러 적극적 안락사 약물 중 하나로 알려지게 되었다. 또한, 미국에서는 약물에 의한 사형 집행 시 사용되는 약물로도 알려져 있다.
* 사형 집행 시에는 3가지 약물을 순서대로 사용한다. 의식을 잃게 하는 약물, 호흡 근육을 마비시키는 약물, 심정지를 유도하는 약물 순으로 사용되지만, 첫 번째 약물이 제대로 작용하지 않으면 고통을 느낄 수 있다. 이 방법은 절차가 복잡하고 실수가 발생하기 쉬워, 잔혹하고 비정상적인 형벌을 금지하는 미국 헌법 수정 제8조에 위배된다는 의견도 있으며, 한 번의 약물 투여로 끝낼 수 있는 바르비투르산계 약물로 변경하는 논의도 진행되고 있다.
* 다태 임신 시 감태 수술에도 사용되며, 이 경우 중절할 태아에게 염화칼륨을 주사하여 심정지를 유도한다.

염화칼륨 정제는 습도가 낮은 환경에서 보관하기가 점점 어려워지고 있다. 그러나 상대 습도 76%에서 저장된 정제의 경도는 증가하지 않거나 거의 증가하지 않았다. Magnesium stearate^영어 (스테아린산 마그네슘) 2% w/w와 같은 윤활제를 첨가하면 정제 경도와 노화 시 경도 저하를 유발할 수 있다. 염화칼륨 수용액은 고압 멸균 또는 여과를 통해 멸균할 수 있다. 염화칼륨은 안정적인 물질이므로 밀폐된 용기에 담아 서늘하고 건조한 곳에 보관해야 한다.