탄산수소 나트륨

1. 개요

탄산수소 나트륨은 여러 언어에서 'natron'으로 불리며, 고대 이집트에서 미라의 탈수에 사용된 탄산나트륨과 탄산수소나트륨 혼합물에서 유래되었다. 화학적으로는 양쪽성 화합물로 산과 염기 모두와 반응하며, 열을 가하면 탄산 나트륨, 이산화 탄소, 물로 분해된다. 산업적으로는 탄산 나트륨으로부터 생산되거나 솔베이 공정의 중간 생성물로 얻어지며, 요리, 의학, 세척, 소화제 등 다양한 용도로 사용된다. 베이킹 소다로도 알려진 탄산수소 나트륨은 팽창제, 제산제, 구강 청결제, 탈취제 등으로 활용되며, 안전하게 보관하면 장기간 보존이 가능하다.

2. 역사

탄산 나트륨과 탄산수소 나트륨 혼합물은 고대 이집트 나트론 계곡(Wadi El Natrun)에서 미라를 만드는 과정에 사용되었다. '나트륨'을 뜻하는 영어 단어 'natron'은 아랍어 naṭrūn(또는 anatrūn)에서 유래되었으며, 이는 다시 그리스어 nítron (νίτρον)을 거쳐 고대 이집트어 ntr까지 거슬러 올라간다.

1791년, 프랑스 화학자 니콜라 르블랑이 탄산 나트륨(소다회)을 생산했다. 1801년 베를린에서 약사 발렌틴 로즈 더 영거가 탄산수소나트륨을 발견한 것으로 알려져 있다. 1846년, 미국의 존 드와이트와 오스틴 처치는 탄산나트륨과 이산화 탄소를 이용해 베이킹 소다를 생산하는 미국 최초의 공장을 설립했다.

1919년, 미국 상원 의원 리 슬레이터 오버만은 탄산수소나트륨이 스페인 독감을 치료할 수 있다고 주장했다. 그는 흔한 베이킹 소다로 치료했고, 그곳에서는 사망자가 전혀 없다고 말했다.

3. 화학적 성질 및 반응

탄산수소 나트륨은 양쪽성 화합물로, 산과 염기 모두와 반응한다. 수용액은 탄산과 수산화물 이온의 생성으로 인해 약한 알칼리성을 띤다.

:HCO + H₂O → + OH⁻

탄산수소 나트륨은 때때로 약한 중화 제제로 사용될 수 있으며, 수산화 나트륨과 같은 강염기의 안전한 대안이 될 수 있다.

탄산수소 나트륨과 산의 반응은 염과 탄산을 생성하며, 탄산은 쉽게 분해되어 이산화 탄소와 물이 된다:

:NaHCO₃ + HCl → NaCl + H₂O+CO₂
:H₂CO₃ → H₂O + CO₂(g)

탄산수소 나트륨은 아세트산(식초에서 발견됨)과 반응하여 아세트산 나트륨, 물, 그리고 이산화 탄소를 생성한다.

:NaHCO₃ + CH₃COOH → CH₃COONa + H₂O + CO₂(g)

탄산수소 나트륨은 염기와 반응하여 탄산염을 형성한다.

:NaHCO₃ + NaOH → Na₂CO₃ + H₂O

공업적으로는 솔베이법에 의해 다량으로 제조된다. 이는 탄산 수소 나트륨의 물에 대한 용해도가 비교적 낮기 때문에 침전되는 것에 의한 복분해 반응이다.
: NaCl + H2O + NH3 + CO2 -> NH4Cl + NaHCO3 (v) (화살표↓는 침전을 의미한다.)

탄산수소나트륨은 탄산의 산 해리 상수가 ₁ = 6.3, ₂ = 10.3이므로, 수용액은 pH = 8.3 정도의 약한 염기성을 나타낸다.
: HCO3^- + H2O <=> H2CO3 + OH^- , $=\; 6.3$
: HCO3^- + H2O <=> CO3^2- + H3O^+ , $=\; 10.3$

가열하면 탄산 나트륨, 이산화 탄소, 물로 분해된다.

3.1. 열분해

80°C에서 100°C 사이에서 탄산수소 나트륨은 서서히 탄산 나트륨, 물, 이산화 탄소로 분해된다. 200°C에서 이 변환은 더 빠르게 진행된다.

: 2 NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O + CO₂

대부분의 중탄산염은 이러한 탈수 반응을 겪는다. 추가적인 가열은 탄산염을 산화물로 변환시킨다(850°C 이상).

: Na₂CO₃ → Na₂O + CO₂

분말은 270°C에서 분해되며, 수용액은 방치해두어도 서서히 분해되지만, 65°C 이상에서 급속하게 분해된다. 상온·상압에서도 공기 중에는 수분이 포함되어 있기 때문에, 방치해두면 조금씩 분해된다.

4. 제조 방법

탄산수소 나트륨은 주로 탄산 나트륨을 이산화 탄소와 반응시켜 생산한다.
:Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O → 2 NaHCO₃

2001년 기준으로 연간 약 10만 톤 규모로 생산되며, 2002년 기준 전 세계 생산 능력은 연간 240만 톤에 달한다. 트로나 광석 형태의 소다회를 물에 용해하고 이산화탄소와 반응시키면 탄산수소 나트륨이 고체 형태로 침전된다.

솔베이 공정에서 탄산수소 나트륨은 염화 나트륨, 암모니아, 이산화 탄소의 반응 중간 생성물로 나타나지만, 순도는 75%로 낮다.

: NaCl + CO₂ + NH₃ + H₂O → NaHCO₃ + 염화 암모늄

수산화 나트륨 수용액과 이산화탄소의 반응으로도 탄산수소 나트륨을 얻을 수 있다.

:CO₂ + NaOH → NaHCO₃

자연적으로 발생하는 나콜라이트는 콜로라도주의 피언스 분지에 있는 그린 리버 층에서 발견된다. 나콜라이트는 증발이 심한 시기에 층상으로 퇴적되었으며, 일반적인 지하 채굴 기술이나 용해 채굴법으로 채굴한다. 용해 채굴은 나콜라이트 층에 가열된 물을 펌핑하여 용해된 나콜라이트를 결정화하는 방식이다.

셰일 오일 추출 과정에서 부산물로 나콜라이트가 생산될 수 있으며, 용해 채굴로 회수된다.

염화 나트륨 용액을 전기 분해하여 얻은 수산화 나트륨 용액에 이산화 탄소를 반응시켜 제조하기도 한다.
: NaOH + CO2 → NaHCO3

공업적으로는 솔베이법으로 다량 제조된다. 탄산수소 나트륨의 물에 대한 용해도가 낮아 침전되는 복분해 반응을 이용한다.
: NaCl + H2O + NH3 + CO2 → NH4Cl + NaHCO3 (v)

천연 광물을 정제하여 얻기도 한다. 일본에서는 AGC, 토소, 토쿠야마 등이 생산한다.

5. 용도

탄산수소 나트륨은 솔베 공정을 통해 탄산 나트륨을 제조할 때 중간 물질로 생성된다. 주요 용도는 다음과 같다.

* 의약품: 제산제 등
* 식품: 베이킹파우더, 탄산가스 발생제 등

의학적으로는 산증, 특히 대사성 산증 환자에게 응급 약물로 사용된다. 환자가 위독하여 쇼크 상태에 빠지면 대사성 산증이 발생하는데, 이는 체내 수액-이온 균형과 효소 작용을 방해하여 상태를 악화시킨다. 이때 탄산수소 나트륨이 산증 치료 약물로 사용된다.

연마 및 흡착 작용을 활용하여 냄새 제거 및 세척용으로도 사용된다. 하지만 다른 세제에 비해 세척력이 약하고, 구연산이나 식초와 혼합하면 효과가 떨어진다.

5.1. 요리

요리에서 탄산수소 나트륨은 주로 베이킹에서 팽창제로 사용된다. 산과 반응하거나 가열될 때 이산화 탄소를 방출하여 반죽을 팽창시켜 케이크, 퀵 브레드, 소다 빵 및 기타 구운 음식과 튀긴 음식에 특징적인 질감과 입자를 형성한다. 이 반응을 유도하는 산성 물질에는 인산 수소염, 크림 오브 타르타르, 레몬 즙, 요구르트, 버터밀크, 코코아, 식초가 있다. 베이킹 소다는 산성이 있는 사워도우와 함께 사용하여 덜 산성적인 맛을 가진 더 가벼운 제품을 만들 수 있다.

열 또한 탄산수소 나트륨이 베이킹에서 팽창제 역할을 할 수 있게 한다. 80°C 이상의 온도에서 이산화 탄소를 방출한다. 산이 없을 때 탄산수소 나트륨의 열분해는 강한 알칼리성인 탄산 나트륨을 생성하여 구운 제품에 쓴맛, 비누 맛 및 노란색을 부여한다.

베이킹 파우더는 요리에 사용되기도 하며, 약 30%의 탄산수소나트륨과 다양한 산성 성분을 함유하고 있어 요리 매체에 추가적인 산이 필요하지 않다.

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식품 첨가물로서 가열하면 이산화 탄소를 발생하는 성질을 이용하여, 식재료에 섞어 가열하면 다공질이며 부드럽고 바삭바삭한 반죽을 만들 수 있다. 베이킹 파우더의 대체품으로 속성 빵 (특히 탄산 수소 나트륨을 사용하여 팽창시킨 속성 빵은 소다 브레드라고 불린다)이나 쿠키, 팬케이크, 도라야키 등을 부풀리는 데 사용될 뿐만 아니라, 달고나의 필수 재료이다.

고사리 등의 산채나 죽순의 아쿠 제거, 잣 등의 냄새 제거, 콩을 빨리 삶기 위한 첨가, 고기를 부드럽게 하는 밑작업 외에도, 자몽이나 유자의 강렬한 산미를 중화시키기 위해 직접 뿌리거나, 냉동 새우의 식감 개선 등에도 사용할 수 있다. 또한 중화면을 만들 때 넣는 간수의 대용으로 면을 만들 때도 사용된다.

5.2. 의학적 용도

물과 섞은 탄산수소 나트륨은 제산제로 사용되어 산성 소화 불량과 속쓰림을 치료할 수 있다. 위산과 반응하면 염화 나트륨, 물, 이산화 탄소가 생성된다.

:NaHCO₃ + HCl → NaCl + H₂O + CO₂(g)

탄산수소 나트륨은 위산 과다에 대해 경구 섭취로 제산제로 사용된다. 소화성 궤양, 역류성 식도염, 속쓰림 등에 사용된다. 그러나 이는 일시적인 대증요법이며, 근본적인 치료는 되지 않는다. 또한, 위액 속의 염산과 반응하여 발생하는 이산화 탄소 기포가 위를 자극하여 위액 분비를 촉진할 수 있다.

대사성 산증 환자에게 응급 약물로 사용되기도 한다. 산증이 심하면 체내 수액-이온 균형과 효소 작용을 방해하므로, 이를 치료하기 위해 사용한다. 심폐 소생술 시에도 사용될 수 있지만, 혈액의 pH가 현저히 낮을 때(< 7.1–7.0)만 실시된다.

고칼륨혈증 치료에도 사용되는데, 산증 기간 동안 칼륨 이온(K⁺)을 세포로 되돌려 보내기 때문이다. 알칼리증을 유발할 수 있으므로, 아스피린 과다 복용이나 삼환계 항우울제 과다 복용 치료에도 사용된다.

Tullio Simoncini와 같은 일부 대체 의학 종사자들은 탄산수소 나트륨을 암 치료제로 홍보했지만, 미국 암 학회는 효과가 입증되지 않았고 잠재적인 위험이 있다는 이유로 경고했다. Edzard Ernst는 탄산수소 나트륨을 암 치료제로 홍보하는 것을 "가장 역겨운 대체 암 사기 중 하나"라고 불렀다.

탄산수소 나트륨은 국소 마취제에 첨가되어 작용 발현을 가속화하고 주사를 덜 고통스럽게 만들 수 있다. 비강 수술에 사용되는 Moffett's solution의 구성 요소이기도 하다.

눈 위생에 탄산수소나트륨을 사용하여 안검염을 치료하기도 한다.

5.3. 구강 세정

탄산수소 나트륨은 일부 구강 청결제에 사용된다. 항충치 및 연마 특성을 가지며, 치아와 잇몸에 기계적인 세정제 역할을 하고, 구강 내 산 생성을 중화시키며, 감염 예방을 돕는 소독제 역할을 한다.

20세기 후반의 많은 연구에서 베이킹소다 배합 세치제(치약)가 치은염 억제, 치면세균막(플라크) 제거 및 치석 생성 억제에 효과가 있다고 보고되었다. 18-40세 성인 73명을 대상으로 한 실험에서, 베이킹소다 배합 세치제는 다음과 같은 효과를 보였다.

5.4. 세척 및 탈취

탄산수소 나트륨은 연마 및 흡착 작용을 활용하여 냄새 제거 및 세척에 사용된다. 기름때, 찻잔 얼룩, 눌어붙은 때 제거에 효과적이며, 치약이나 가글에도 사용된다.

제조업체는 최소한의 물과 함께 베이킹 소다(탄산수소 나트륨)로 만든 페이스트를 부드러운 연마 분말로 권장한다. 이 페이스트는 녹이 농축된 알칼리성 용액에서 수용성 화합물을 형성하기 때문에 표면 녹 제거에 유용할 수 있다. 다만, 뜨거운 물 용액은 강철을 부식시킬 수 있으므로 찬물을 사용해야 한다. 또한, 탄산수소 나트륨은 알루미늄에 형성되는 얇은 보호 산화층을 공격하므로 알루미늄을 청소하는 데는 적합하지 않다.

따뜻한 물에 탄산수소 나트륨을 용해하면 은이 알루미늄 호일 조각과 접촉할 때 은의 변색을 제거할 수 있다. 또한, 세탁 시 물 연화제 대신 옷에서 냄새를 제거하기 위해 첨가하기도 하며, 따뜻한 물에 희석하면 수산화 나트륨만큼 컵에서 진한 차와 커피 얼룩을 제거하는 데 효과적이다.

탄산수소 나트륨은 소다 블라스팅이라고 하는 페인트와 부식을 제거하는 공정에도 사용된다. 소다 블라스팅 매체로 탄산수소 나트륨은 실리카 샌드 연마재에 의해 손상될 수 있는 알루미늄, 구리 또는 목재와 같은 더 부드럽고 덜 탄성이 있는 기질에서 표면 오염을 제거하는 데 사용된다.

탄산수소 나트륨은 효과적인 냄새 제거제로 알려져 있으며, 냉장고, 신발장 등의 탈취제로 사용될 수 있다. 암앤해머(Arm & Hammer)는 1972년부터 이와 같은 사용법을 홍보하는 광고 캠페인을 벌여, 1년 만에 미국 냉장고의 절반 이상에 탄산수소 나트륨 상자가 놓이게 되었다.

고온의 스팀과 탄산수소나트륨을 고압 세척기로 분사하여 탄산수소나트륨 입자의 블라스트 효과로 콘크리트 표면의 얼룩이나 낙서를 효율적으로 제거하는 공법도 개발되었다. 탄산수소나트륨은 BOD·COD 값이 없고, 환경 호르몬도 포함되어 있지 않아 자연 파괴를 일으키지 않으며, 식품 첨가물로도 사용할 수 있을 정도로 인체에 안전하다.

탄산수소 나트륨과 유지(油脂)가 섞이면 지방산 나트륨(비누)이 생성된다. 탄산수소나트륨수는 비눗물보다 약한 알칼리성이며, 유지에 대한 세척 효과는 약하다. 탄산수소나트륨은 물에 잘 녹지 않아 충분히 교반하지 않으면 세척 효과가 떨어진다. 휴대용 냄비 등은 세척하기 어려울 뿐만 아니라 세제가 잘 씻기지 않지만, 탄산수소나트륨은 그 점에서 세척 잔여물이 있어도 안전하다.

산성 냄새에 대한 탈취 효과가 있어, 고기·생선 냄새 제거 및 신발장의 탈취제 등으로도 사용할 수 있다.

5.5. 기타 용도

탄산수소 나트륨은 다음과 같은 다양한 용도로 사용된다.

* 소화 약제: BC 분말 소화 약제로, 화재 발생 시 이산화탄소를 방출하여 불을 끄는 데 사용된다. 특히 기름 화재에 효과적이며, 비누화 반응을 통해 비누 거품을 생성하여 화재 진압을 돕는다. 소방차나 소방정의 분말 소화 장치, 포 소화기, 산알칼리 소화기에 사용된다.
* 전해액 중화: 납축전지의 전해액인 묽은 황산을 중화하는 데 사용된다.
* pH 조절제: pH 조절제로 사용되며, 대사성 알칼리증은 혈압 강하 작용을 유발할 수 있다.
* 탄산수 제조: 탄산수 제조에 사용될 수 있다. 구연산과 함께 물에 섞으면 이산화 탄소가 발생하며, 설탕이나 레몬을 첨가하여 다양한 음료를 만들 수 있다.
* 농업: 산성 토양을 중화하거나 곰팡이 성장을 억제하는 데 사용될 수 있다. 하지만 식물에 해를 끼칠 수 있으므로 주의해야 한다. 탄산수소 칼륨이 더 안전하고 효과적인 대안으로 사용될 수 있다.
* 교육용 과학 실험: "베이킹 소다와 식초 화산" 실험에 사용되어 화산 폭발을 모방하는 데 사용된다. 이산화탄소 발생을 통해 시각적 효과를 연출한다.
* 반추 동물 사료 보충제: 반추위의 완충제 역할을 하여 소와 같은 반추 동물의 사료 보충제로 사용된다.
* [[소다 블라스팅]]: 페인트와 부식을 제거하는 공정에 사용된다.
* 세척 및 냄새 제거: 냄새 제거 및 세척용으로 활용될 수 있다.
* [[맨해튼 계획]] 당시 [[우라늄]] 오염 제거: 우라늄 산화물로 오염된 의류를 세척하는 데 사용되었다.
* [[폭죽]]의 주성분: "블랙 스네이크" 폭죽의 주요 성분 중 하나이다.

6. 안전성 및 보관

서늘하고 실온 건조한 곳에 보관하면(습한 공기를 차단하기 위해 밀폐 용기가 권장됨), 탄산수소 나트륨은 2~3년 이상 상당한 양의 분해 없이 보관할 수 있다.