질산 칼슘

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1. 개요

질산 칼슘은 화학식 Ca(NO3)2를 갖는 칼슘의 질산염으로, 주로 비료, 불꽃놀이, 폐수 처리, 콘크리트 혼화제, 라텍스 응고제, 냉찜질 팩, 용융염 등에 사용된다. 석회석을 질산으로 처리하거나 질산 암모늄과 수산화 칼슘의 반응 등을 통해 제조되며, 강력한 산화제이자 조해성을 띠어 보관에 유의해야 한다. 질산 칼슘은 다양한 수화물 형태로 존재하며, 가열 시 분해되어 이산화 질소를 방출한다.

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질산 칼슘 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
구성 이온 사진
IUPAC 명칭	해당 없음
다른 이름	칼크살페터 노르게살페터 니트로칼사이트 노르웨이 살페터 석회 질산염
체계명	해당 없음
식별 정보
화학 물질 식별 번호 (ChemSpider ID)	23336
국제 화학 식별자 (InChI)	1/Ca.2NO3/c;22-1(3)4/q+2;2-1
간소화 분자 입력 라인 표기법 (SMILES)	'[Ca+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O'
표준 국제 화학 식별자 키 (StdInChIKey)	ZCCIPPOKBCJFDN-UHFFFAOYAF
표준 국제 화학 식별자 키 (StdInChIKey)	ZCCIPPOKBCJFDN-UHFFFAOYSA-N
CAS 등록 번호	10124-37-5
CAS 등록 번호 (사수화물)	13477-34-4
EC 번호	233-332-1
고유 성분 식별자 (UNII)	NF52F38N1N
고유 성분 식별자 (UNII, 사수화물)	O8T8H4NBBR
화학 물질 및 생물학적 실체 데이터베이스 (ChEBI)	64205
유럽 분자 생물학 연구소 화학 유전체 (ChEMBL)	3183960
펍켐 (PubChem)	24963
미국 국립 직업안전보건연구소 (RTECS)	EW2985000
유엔 번호 (UN Number)	1454
속성
화학식	Ca(NO3)2
몰 질량 (무수물)	164.088 g/mol
몰 질량 (사수화물)	236.15 g/mol
외형	무색 고체, 조해성
밀도 (무수물)	2.504 g/cm3
밀도 (사수화물)	1.896 g/cm3
용해도 (무수물, 20°C)	1212 g/L
용해도 (무수물, 40°C)	2710 g/L
용해도 (사수화물, 0°C)	1050 g/L
용해도 (사수화물, 20°C)	1290 g/L
용해도 (사수화물, 100°C)	3630 g/L
에탄올 용해도 (20°C)	51.4 g/100 g
에탄올 용해도 (40°C)	62.9 g/100 g
메탄올 용해도 (10°C)	134 g/100 g
메탄올 용해도 (40°C)	144 g/100 g
메탄올 용해도 (60°C)	158 g/100 g
아세톤 용해도 (무수물, 25°C)	33.08 g/100g
다른 용매 용해도	암모니아에 용해됨, 질산에는 거의 불용성
녹는점 (무수물)	561 °C
녹는점 (사수화물)	42.7 °C (109 °F; 316 K)
끓는점 (무수물)	분해
끓는점 (사수화물)	132 °C (270 °F; 405 K)
pKa	6.0
자기 감수율	-45.9·10−6 cm3/mol
구조
배위	해당 없음
결정 구조 (무수물)	입방정계
결정 구조 (사수화물)	단사정계
열화학
표준 생성 엔탈피 (ΔHf)	−938.39 kJ mol−1
엔트로피	193.3 J mol−1K−1
열용량	149.37 J mol−1K−1
위험성
물질안전보건자료 (MSDS)	ICSC 1037
GHS 그림 문자	''
GHS 신호어	위험
H 문구	''
P 문구	''
미국 화재 예방 협회 (NFPA) - 건강	2
미국 화재 예방 협회 (NFPA) - 가연성	0
미국 화재 예방 협회 (NFPA) - 반응성	1
미국 화재 예방 협회 (NFPA) - 특별 위험	OX (산화제)
인화점	불연성
치사량 LD50 (쥐, 경구)	302 mg/kg
일본 NFPA-H	1
일본 NFPA-F	0
일본 NFPA-R	3
일본 NFPA-O	OX
일본 위험 문구	', '
관련 화합물
다른 음이온	황산 칼슘 염화 칼슘
다른 양이온	질산 마그네슘 질산 스트론튬 질산 바륨

2. 제조 방법

질산 칼슘은 다음과 같은 방법으로 제조할 수 있다.

석회석-질산 반응: 석회석을 질산으로 처리한 후 암모니아로 중화하여 생산한다.
니트로인산 공정: 니트로인산 공정의 중간 생성물로 얻을 수 있다.
기타 반응: 질산 암모늄과 수산화 칼슘의 수용액, 또는 수산화 칼슘과 질산의 중화 반응을 통해서도 제조 가능하다.

관련된 알칼리 토금속 질산염과 마찬가지로, 질산 칼슘은 500°C부터 가열하면 이산화 질소를 방출하며 분해된다.^[16]

2. 1. 석회석-질산 반응

1905년 노르웨이 노토덴에서 비르켈란-에데 공정에 의해 노르웨이 질산염이 합성되었다. 현재 세계 대부분의 질산 칼슘은 포르스그룬에서 생산된다. 이는 석회석을 질산으로 처리한 후 암모니아로 중화하여 생산한다.

:CaCO₃ + 2 HNO₃ → Ca(NO₃)₂ + CO₂ + H₂O

니트로인산 공정의 중간 생성물이기도 하다.

:Ca₅(PO₄)₃OH + 10 HNO₃ → 3 H₃PO₄ + 5 Ca(NO₃)₂ + H₂O

질산 암모늄과 수산화 칼슘의 수용액으로부터 제조할 수도 있다.

:2 NH₄NO₃ + Ca(OH)₂ → Ca(NO₃)₂ + 2 NH₄OH

수산화 칼슘과 질산의 중화 반응에 의해 생성되는 염이다.

:Ca(OH)₂ + 2HNO₃ → 2H₂O + Ca(NO₃)₂

순수한 탄산 칼슘을 묽은 질산에 용해시켜 농축하면 사수화물이 석출된다^[16].

:CaCO₃ + 2 HNO₃ → Ca(NO₃)₂ + CO₂ + H₂O

2. 2. 니트로인산 공정

질산 칼슘은 니트로인산 공정의 중간 생성물이기도 하다.

:

또한 질산 칼슘은 질산 암모늄과 수산화 칼슘의 수용액으로부터 제조할 수도 있다.

:

2. 3. 기타 반응

니트로인산 공정의 중간 생성물이기도 하다.

또한 질산 암모늄과 수산화 칼슘의 수용액으로부터 제조할 수도 있다.

관련된 알칼리 토금속 질산염과 마찬가지로, 질산 칼슘은 가열(500°C부터 시작)하면 이산화 질소를 방출하며 분해된다.

: ΔH = 369 kJ/mol

3. 특징

산화제이므로 가연성 물질과 접촉하면 가연성 물질이 급격히 산화되어 위험하다. 또한, 물에 잘 녹고 조해성이 강하다. 따라서 반드시 밀봉하여 보관해야 한다. 질산 칼슘 사수화물(Ca(NO3)2 \cdot 4H2O)이라고 불리는 수화물이 있다. 사수화물, 삼수화물은 고온에서 용해되어 상온에서도 장기간 액체 상태를 유지하지만, 냉각하면 결정화되어 상온에서도 결정 상태로 안정하다.^[17]

3. 1. 산화성

강력한 산화제이므로 가연성 물질과 접촉하면 가연성 물질이 급격히 산화되어 위험하다. 또한, 물에 잘 녹고 조해성이 강하다. 따라서 반드시 밀봉하여 보관해야 한다.^[17]

3. 2. 조해성

물에 잘 녹고 조해성이 강하다. 따라서 반드시 밀봉하여 보관해야 한다.^[17]

3. 3. 열분해

강력한 산화제이므로 가연성 물질과 접촉하면 가연성 물질이 급격히 산화되어 위험하다. 질산 칼슘 사수화물(Ca(NO3)2 \cdot 4H2O)은 100°C 부근부터 결정수를 잃고, 130°C에서 삼수화물이 되며, 200°C 부근에서 무수물이 된다. 무수물은 473°C까지 안정하며, 그 이상의 온도에서 분해가 시작되어 600°C 이상에서 산화 칼슘(CaO)으로 분해된다^[17].

3. 4. 수화물

질산 칼슘 사수화물(Ca(NO3)2 \cdot 4H2O)이라고 불리는 수화물이 있다. 사수화물은 100℃ 부근부터 결정수를 잃고, 130℃에서 삼수화물이 되며, 200℃ 부근에서 무수물이 된다. 무수물은 473℃까지 안정하며, 그 이상의 온도에서 분해가 시작되어 600℃ 이상에서 산화 칼슘(CaO)으로 분해된다^[17]. 사수화물, 삼수화물은 고온에서 용해되어 상온에서도 장기간 액체 상태를 유지하지만, 냉각하면 결정화되어 상온에서도 결정 상태로 안정하다.

4. 활용

질산 칼슘은 속효성 비료 및 불꽃놀이용 화약으로 이용된다.^[1] 비료로 사용될 때는 질산 암모늄과 물을 포함하는 "복염" 형태로 사용되는데, 이를 질산 칼슘 암모늄(CAN)이라고도 부른다.

4. 1. 농업

비료 등급(15.5-0-0 + 19% Ca)은 온실과 수경 재배에서 널리 사용되며, "이중 염" 5Ca(NO3)2*NH4NO3*10H2O^영어로서 질산 암모늄과 물을 함유하고 있다. 이는 질산 암모늄 칼슘이라고 불리며, 항상 과립 형태(알갱이)로 나오기 때문에 종종 질산 칼슘 입상이라고 불린다. 암모니아를 포함하지 않는 제형도 알려져 있는데, Ca(NO3)2*4H2O^영어 (11.9-0-0 + 16.9 Ca)와 무수물 17-0-0 + 23.6 Ca가 있다. 액상 제형(9-0-0 + 11 Ca)도 제공된다. 무수, 공기 안정성 유도체는 요소 착물 Ca(NO3)2*4[OC(NH2)2]^영어이며, Cal-Urea로 판매되고 있다.

질산 칼슘은 또한 특정 식물 질병을 제어하는 데 사용된다. 예를 들어, 묽은 질산 칼슘(및 염화 칼슘) 살포는 사과나무의 쓴맛 구덩이와 코르크 반점을 제어하는 데 사용된다.^[4] 속효성 비료나 불꽃놀이의 화약으로 이용된다. 비료용 질산 칼슘 2수염 5Ca(NO3)2.NH4NO3.10H2O^영어에는 "복염"으로서 질산 암모늄과 물이 포함되어 있다. 이것은 질산 칼슘 암모늄(CAN)이라고도 불린다.

4. 2. 폐수 처리

질산 칼슘은 악취 발생을 막기 위한 폐수 전처리 과정에 사용된다. 폐수 전처리는 폐수 시스템 내에 산소가 없는 생물학적 환경을 조성하는 것을 기반으로 한다. 질산염이 존재하면 황산염에 대한 신진대사가 중단되어 황화수소 형성을 방지한다.^[5] 또한, 쉽게 분해되는 유기물이 소비되어 그렇지 않으면 하류에서 혐기성 조건을 유발하고 악취를 발생시킬 수 있다. 이 개념은 잉여 슬러지 처리에도 적용할 수 있다.^[6]

4. 3. 콘크리트

질산 칼슘은 콘크리트 응결 촉진 혼화제에 사용된다. 콘크리트 및 모르타르에 사용하면 두 가지 효과가 나타난다. 칼슘 이온은 수산화 칼슘의 형성을 가속화하여 침전 및 응결을 촉진한다. 이러한 효과는 한중 콘크리트 시공제는 물론 일부 복합 가소제에도 사용된다.^[7] 질산 이온은 수산화 철의 형성을 유도하며, 이 수산화 철의 보호층은 콘크리트 보강재의 부식을 감소시킨다.^[8]

4. 4. 라텍스 응고제

질산 칼슘은 라텍스 생산, 특히 딥핑(dipping) 공정에서 매우 흔한 응고제이다. 용해된 질산 칼슘은 딥핑액 용액의 일부이다. 따뜻한 형틀(former)을 응고 액체에 담그면 딥핑 액체의 얇은 막이 형틀에 남게 된다. 이제 형틀을 라텍스에 담그면 질산 칼슘이 라텍스 용액의 안정화를 깨뜨려 라텍스가 형틀에 응고된다.^[9]^[10]

4. 5. 냉찜질 팩

질산 칼슘 사수화물의 용해는 매우 흡열 반응(냉각)이다. 이러한 이유로 질산 칼슘 사수화물은 재생 가능한 냉찜질팩에 사용되기도 한다.^[3]

4. 6. 용융염

질산 칼슘은 용융염 혼합물의 일부로 사용될 수 있다. 일반적인 예로는 질산 칼슘과 질산 칼륨의 이원 혼합물 또는 질산 나트륨을 포함하는 삼원 혼합물이 있다.^[11]^[12]^[13] 이러한 용융염은 집광형 태양열 발전소에서 열 전달을 위해 열 오일을 대체하는 데 사용될 수 있지만, 대부분 열 저장에 사용된다.

4. 7. 불꽃놀이

불꽃놀이의 화약으로 이용된다.^[1]

5. 자연에서의 발생

석회질 토양에서는 질산화 박테리아의 작용에 의해 질소를 포함한 유기물이 분해될 때 질산 칼슘이 발생한다.

참조

_[1] 웹사이트 Properties of substance: calcium nitrate http://chemister.ru/[...] 2015-09-09
_[2] 논문 Application of Infrared Spectroscopy to the Analysis of Inorganic Nitrates https://apps.dtic.mi[...] 1968-05-01
_[3] 간행물 Nitrates and Nitrites
_[4] 웹사이트 Bitter Pit and Cork Spot https://hort.uwex.ed[...] UW-Madison, Dept of Horticulture
_[5] 논문 Controlled dosing of nitrate for prevention of H₂S in a sewer network and the effects on the subsequent treatment process
_[6] 논문 Biological prevention and removal of hydrogen sulphide in sludge at Lillehammer Wastewater Treatment Plant
_[7] 간행물 Calcium Nitrate as a Multifunctional Concrete Admixture 2010
_[8] 논문 Effectiveness of corrosion inhibitors in contaminated concrete
_[9] 논문 The Role of Coagulants on the Preparation of Dipped film from Radiation Vulcanized Natural Rubber Latex http://www.tandfonli[...] 1999
_[10] 웹사이트 Rubbercare - Choice Latex and Nitrile Gloves from a Trusted Manufacturer http://www.rubbercar[...]
_[11] 웹사이트 Potassium calcium nitrate promising for CSP heat storage – Solar Novus Today http://www.solarnovu[...]
_[12] 특허 Use of a ternary mixture of salts as a heat transmitting medium and/or as a heat storage medium http://www.freepaten[...] European Patent Application EP0049761
_[13] 특허 Use of a calcium potassium nitrate salt for the manufacture of a heat transfer fluid http://www.freepaten[...] WIPO Patent Application WO/2014/044652
_[14] 서적 The NBS tables of chemical thermodynamics properties 1982
_[15] 서적 化学大辞典共立出版 1993
_[16] 서적 新実験化学講座　無機化合物の合成II 丸善 1977
_[17] 논문 硝酸塩の熱分解 1987
_[18] 웹인용 Properties of substance: calcium nitrate http://chemister.ru/[...] 2015-09-09

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