과망가니즈산 칼륨

3. 역사

1659년, 요한 루돌프 글라우버는 광물 파이롤루사이트(이산화 망가니즈)와 탄산 칼륨을 혼합하여 녹인 후 물에 녹이면 녹색 용액(망가니즈산 칼륨)을 생성하는 물질을 얻었다. 이 용액은 천천히 보라색을 거쳐 붉은색으로 변했다.^[64] 이 반응은 현재 "화학 카멜레온"으로 알려져 있다.^[65] 이 보고서는 과망가니즈산 칼륨 생산에 대한 최초의 설명이다.^[66]

약 200년 후, 런던의 화학자 헨리 볼만 콘디는 소독제에 관심을 가졌는데, 파이롤루사이트를 수산화 나트륨(NaOH)과 섞어 물에 녹이면 소독 효과가 있는 용액이 생성된다는 것을 발견했다. 그는 이 용액을 특허내고 '콘디의 액체'로 판매했다. 이 용액은 효과적이었지만 안정성이 좋지 않았다. 이는 NaOH 대신 수산화 칼륨(KOH)을 사용함으로써 극복되었다. 이 결정성 물질은 '콘디의 결정' 또는 '콘디의 가루'로 알려졌다. 과망가니즈산 칼륨은 비교적 제조가 쉬웠기 때문에 콘디는 경쟁업체가 유사한 제품을 판매하는 것을 막기 위해 상당한 시간을 소송에 할애해야 했다.^[67]

초기 사진 작가들은 과망가니즈산 칼륨을 플래시 파우더의 구성 요소로 사용했다.

4. 제법

과망가니즈산 칼륨은 이산화 망가니즈로부터 산업적으로 생산되며, 이산화 망가니즈는 광물 연망간석으로도 존재한다. 2000년에는 전 세계적으로 30,000톤이 생산된 것으로 추정된다.^[68] 이산화 망가니즈(MnO₂)는 수산화 칼륨과 융합되어 공기 중에서 또는 질산 칼륨이나 염소산 칼륨과 같은 다른 산소 공급원과 함께 가열된다.^[68] 이 과정을 통해 망간산 칼륨이 생성된다.

:2 MnO2 + 4 KOH + O2 -> 2 K2MnO4 + 2 H2O^la

수산화 나트륨을 사용하면 최종 생성물은 망간산 나트륨이 아니라 Mn(V) 화합물이 되는데, 이것이 과망가니즈산 칼륨이 망간산 나트륨보다 더 일반적으로 사용되는 이유 중 하나이다. 또한 칼륨 염은 결정화가 더 잘 된다.^[68]

이후 망간산 칼륨은 알칼리성 매질에서 전해 산화를 통해 과망가니즈산 칼륨으로 전환된다.

:2 K2MnO4 + 2 H2O -> 2 KMnO4 + 2 KOH + H2^la

4. 1. 실험실적 제법

• 이산화 망가니즈의 산화를 통한 망가니즈산 칼륨 생성:
• 염기로 수산화 칼륨, 산화제로 염소산 칼륨을 사용한 경우:

• 염기로 수산화 칼륨, 산화제로 산소를 사용한 경우:

• 망가니즈산 칼륨의 불균등화 반응을 통한 과망가니즈산 칼륨 생성:

• 특히, pH 조절을 위해 이산화 탄소를 사용한 경우:

4. 2. 산업적 제법

5. 용도

과망가니즈산 칼륨은 강한 산화제로서 실험실 및 산업 현장에서 다양한 산화 반응에 사용된다. 사용하는 용액의 농도에 따라 산화 작용을 조절할 수 있다. 예를 들어 묽은 과망가니즈산 칼륨 수용액은 알켄을 1,2-다이올(글리콜)로 산화시키고, 더 진한 용액은 방향족 고리의 메틸기 등의 알킬기를 카복시기로 산화시킨다.

분석 화학에서는 과망가니즈산 칼륨 수용액의 표준 용액의 짙은 자색을 이용하여 산화 환원 적정의 적정제로 사용한다. 짙은 자색의 과망간산 이온은 산성 용액에서 옅은 분홍색의 Mn²⁺ (aq) 양이온으로 환원되며, 염기성 용액에서는 갈색 침전물인 이산화 망간 (MnO₂)으로 환원된다.

과망가니즈산 칼륨은 메토카티논 생성, 구강 청정제(0.25%)나 손 소독제(1%) 제조, 코카인 정제 등에 사용된다. 또한 살균제, 소취제, 어류 기생충 구제, 식수 살균, 인 중독 해독제, 염료 등 다양한 용도로 사용된다.

바나나의 숙성을 유발하는 에틸렌을 산화시켜 분해하므로, 과망가니즈산 칼륨을 사용하면 상온에서 최대 4주간 바나나를 보관할 수 있다.^[83][84][85]

목재 펄프의 κ가 측정, 자동차 라디에이터 액과 혼합하여 점화재로 사용하는 등 서바이벌 키트에 포함되기도 한다.^[86]

5. 1. 수처리

5. 2. 유기 화합물 합성

5. 3. 분석 화학

5. 4. 기타 용도

• 과일 보존: 에틸렌 흡착제와 함께 사용하면 과일, 특히 바나나의 숙성을 지연시켜 보관 기간을 늘릴 수 있다. 과망가니즈산 칼륨이 에틸렌을 산화시켜 제거함으로써 냉장 보관 없이도 최대 4주까지 과일의 유통 기한을 연장한다.^[51][52][53]
• 생존 키트: 글리세롤과 혼합하여 초고속 발화제로 사용하거나,^[55][56][57] 물을 살균하고, 눈 위에 조난 신호를 만드는 데 사용될 수 있다.^[58]
• 산불 관리: 통제 소각을 위한 역화를 만들 때, 과망가니즈산 칼륨이 든 탁구공과 유사한 고분자 구체에 에틸렌 글리콜을 주입하여 사용한다.^[59][60]
• 영화 및 텔레비전 산업: 소품이나 세트 드레싱에 오래된 듯한 효과를 내기 위해 사용된다. 갈색 MnO₂로 쉽게 전환되어 삼베(황마), 로프, 목재, 유리에 "수백 년 된" 또는 "고대" 모습을 연출한다.^[61]
• 코카인 정제: 코카인 페이스트를 산화시켜 정제하고 안정성을 높이는 데 사용될 수 있다. 이 때문에 미국 마약 단속국(DEA)의 감시 대상이 되기도 했다.^[62]
• 담수어 기생충 치료: 담수어에 기생하는 '이치'라고 불리는 기생충(''이크티오프티리우스 멀티필리스'') 치료에 사용될 수 있다.
• 목재 펄프 카파 넘버 측정: 목재 펄프의 품질을 평가하는 데 사용된다.

6. 반응

과망가니즈산 칼륨은 다양한 화학 반응에 참여한다.

묽은 과망가니즈산 칼륨 용액은 알켄을 다이올로 변환시키지만, 과망가니즈산 칼륨(KMnO₄)은 매우 강력한 산화제이므로 다양한 작용기와 반응할 수 있다. 산성 조건 하에서는 알켄 이중 결합이 끊어져 카복실산이 생성된다.^[70] 또한 알데하이드를 카복실산으로 산화시키며,^[71] 방향족 고리에 있는 알킬기(벤질 수소를 갖는)도 산화시켜 톨루엔을 벤조산으로 만든다.^[72]

과망가니즈산 칼륨은 강한 산화제로서 실험실 및 산업 현장에서 여러 산화 반응에 사용된다. 용액의 농도에 따라 산화 작용을 조절할 수 있는데, 묽은 용액은 알켄을 1,2-다이올(글리콜)로 산화시키고, 진한 용액은 방향족 고리의 메틸기 등의 알킬기를 카복시기로 산화시킨다.

수용액 상태의 과망가니즈산 칼륨을 4급 암모늄 염 혼합물과 반응시키면 이온 교환 반응이 일어나 과망가니즈산염의 4급 염이 침전된다.^[73] 크라운 에터를 첨가하면 친유성 염이 생성된다.^[74]

진한 염산과 반응하면 염소와 망가니즈(II)가 생성된다.^[69]

:2 KMnO₄ + 16 HCl → 2 MnCl₂ + 5 Cl₂ + 2 KCl + 8 H₂O

중성 용액에서는 천천히 이산화 망가니즈(MnO₂)로 환원된다. 알칼리성 용액에서는 녹색의 K₂MnO₄이 생성된다.^[75]

:4 KMnO₄ + 4 KOH → 4 K₂MnO₄ + O₂ + 2 H₂O

농축된 황산을 과망가니즈산 칼륨에 첨가하면 Mn₂O₇이 생성된다.^[76] 이 혼합물은 반응이 없더라도 증기가 알코올을 적신 종이를 점화시킬 수 있다. 과망가니즈산 칼륨과 황산은 오존을 생성하여 알코올을 빠르게 산화시켜 연소를 유발하며, 폭발성인 Mn₂O₇이 생성되므로 주의해야 한다.^[77][78]

고체 과망가니즈산 칼륨은 가열 시 분해되는 산화 환원 반응을 일으킨다.

:2 KMnO → KMnO + MnO + O

6. 1. 유기 화학 반응

6. 2. 이온 교환 반응

6. 3. 산 및 염기와의 반응

6. 4. 열분해

7. 안전 및 취급

과망가니즈산 칼륨은 강한 산화제이므로 취급에 주의해야 한다.^[79] 피부에 닿으면 자극을 일으키고, 심하면 알레르기 반응을 유발할 수 있다.^[80] 또한 피부와 옷에 갈색 얼룩을 남길 수 있다.^[80] 옷에 묻은 얼룩은 산성화한 아황산나트륨이나 옥살산을 사용하여 제거할 수 있다. 피부에 묻은 얼룩은 48시간 이내에 자연적으로 사라지지만, 피부에 닿으면 화상을 입을 수 있고, 삼키면 위장염을 일으킬 수 있다.^[25]

고농도 과망가니즈산 칼륨 용액은 화상을 유발할 수 있으므로,^[25] 영국 약품집에서는 사용 전에 100mg을 1리터의 물에 녹여 1:10,000 (0.01%) 용액을 만들 것을 권장한다.^[26][27][28] 과망가니즈산 칼륨으로 적신 드레싱을 감싸는 것은 권장되지 않는다.

과망가니즈산 칼륨은 경구 섭취 시 독성이 있으며,^[29] 메스꺼움, 구토, 호흡 곤란 등의 부작용이 나타날 수 있다.^[30] 약 10그램을 섭취하면 사망에 이를 수 있다.^[30] 농축 용액을 마신 경우 급성 호흡 부전 증후군이나 기도 부종이 발생할 수 있다.^[31] 과망가니즈산 칼륨을 섭취한 경우 위내시경을 받는 것이 권장된다.^[31] 활성탄이나 구토 유발 약물은 권장되지 않는다. 라니티딘 및 아세틸시스테인과 같은 약물이 독성 치료에 사용될 수 있지만, 효과에 대한 증거는 부족하다.^[31]

고체 과망가니즈산 칼륨은 매우 강한 산화제이며, 순수한 글리세린과 같은 알코올과 혼합하면 강한 발열 반응이 발생하여 불이 붙을 수 있다. 이 반응은 고체 과망가니즈산 칼륨이 여러 종류의 유기 화합물과 혼합된 경우에도 발생할 수 있다.

: 3 C3H5(OH)3 + 14KMnO4 -> 14MnO2 + 7K2CO3 + 2CO2 + 12H2O

과망가니즈산 칼륨은 염산과 혼합하면 치명적인 염소 가스를 발생시키므로 주의해야 한다.

대한민국에서는 법령에 의해 위험물 제1류 및 특정 마약 향정신성 의약품 원료로 지정되어 있다. 미국에서는 DEA 규정에 의해 사용과 판매가 제한되어 있다.

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