과산화 수소(H₂O₂)는 상온에서 무색의 약산성 액체로, 물, 에탄올, 에테르에 잘 녹으며 오존과 비슷한 냄새가 난다. 불안정하여 산소를 방출하며 강력한 산화력을 가진 히드록시 라디칼을 생성한다. 고농도 과산화 수소는 피부에 통증을 유발하고 가연물과 혼합 시 발화할 수 있으며, 수용액은 수생 생물에 약간의 독성을 가진다. 과산화 수소는 안트라퀴논 공정을 통해 대량 생산되며, 제지 펄프 표백, 폐수 처리, 로켓 연료, 소독제 등 다양한 산업 및 가정용으로 사용된다. 농도에 따라 위험성이 다르며, 고농도 과산화 수소는 부식성이 강하고 폭발 위험이 있어 취급에 주의해야 한다.
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과산화 수소 - 고농도 과산화 수소 고농도 과산화 수소는 85% 이상의 과산화 수소 수용액으로, 강력한 산화력과 부식성을 가지며 추진제, 로켓 엔진 산화제 등으로 사용되지만, 촉매에 의해 분해되어 폭발 사고를 일으킬 수 있어 취급에 주의해야 한다.
과산화 수소 - 과탄산소다 과탄산소다는 1899년 러시아 화학자에 의해 제조된 무색 수용성 고체로, 산화제, 표백제 등으로 사용되며, 물에 녹으면 과산화 수소 등으로 분해되고, 산업적으로 탄산 소듐과 과산화 수소의 반응을 통해 생산된다.
활성 산소 - 초과산화물 초과산화물은 분자 산소에 전자가 추가되어 생성된 음이온(O2-)으로, 알칼리 금속 및 알칼리 토금속과 염을 형성하며, 화학적 산소 발생기나 소방관 산소통에 사용되거나 생체 내에서 활성 산소종으로 작용하지만 초과산화물 불균등화 효소에 의해 조절된다.
표백제 - 이산화 질소 이산화 질소는 매캐한 냄새가 나는 적갈색 기체로 질산 제조, 화약류 제조, 밀 표백제, 살균제 등에 사용되며, 자연적·인위적 발생으로 대기 오염을 일으키고 산성비, 식물 피해, 인체 건강 악영향 등 환경 문제를 야기하여 대한민국에서는 농도 규제 및 저감 노력을 하고 있다.
표백제 - 과탄산소다 과탄산소다는 1899년 러시아 화학자에 의해 제조된 무색 수용성 고체로, 산화제, 표백제 등으로 사용되며, 물에 녹으면 과산화 수소 등으로 분해되고, 산업적으로 탄산 소듐과 과산화 수소의 반응을 통해 생산된다.
과산화 수소()는 상온에서 무색의 액체로, 물보다 약간 점도가 높고 약산성을 띤다.[123]에탄올, 에테르, 물에 잘 녹으며, 약간 오존과 비슷한 냄새가 난다.[124]
과산화 수소는 불안정하여 산소를 방출하기 쉬우며, 이 과정에서 매우 강력한 산화력을 가진 히드록시 라디칼을 생성한다. 이러한 성질 때문에 과산화 수소는 활성 산소의 일종으로 분류되지만, 프리 라디칼은 아니다.
과산화 수소는 강한 부식성을 가지며, 고농도의 과산화 수소가 피부에 닿으면 통증과 함께 하얗게 변색되는 현상이 나타날 수 있다. 또한, 가연물과 혼합되면 과산화물을 생성하여 발화할 위험이 있으므로 주의해야 한다. 물에 녹은 과산화 수소는 분해될 때까지 수생 생물에게 약간의 독성을 나타낼 수 있다.[123]
실험실에서는 과산화 수소를 이용하여 산소를 얻을 수 있다. 이 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
:2H2O2\ -> 2H2O\ + O2
이 반응은 98.05 kJ/mol의 열을 방출하는 발열 반응이다.[125] 반응 속도를 높이기 위해 촉매로 이산화 망가니즈나 효소의 일종인 카탈라아제를 사용한다. 상처 부위에 소독약으로 과산화 수소를 사용했을 때 발생하는 거품은 체내에 있는 카탈라아제가 촉매로 작용하여 산소가 생성되기 때문이다.
과산화 수소()의 끓는점은 150.2°C로 추정되는데, 이는 물보다 약 50°C 더 높다. 실제로 과산화 수소는 이 온도까지 가열하면 잠재적으로 폭발적인 열분해를 겪을 수 있다. 낮은 온도에서 감압 증류하면 안전하게 증류할 수 있다.[7]
과산화 수소는 요소 (과산화 수소–요소), 탄산 나트륨 (과탄산 나트륨) 및 기타 화합물과 안정적인 부착물을 형성한다.[8] 트라이페닐포스핀옥사이드와의 산-염기 부착물은 일부 반응에서 의 유용한 "운반체"이다.
또한, 과산화 수소는 소방 법 제2조 제7항 및 별표 제1 제6류 2호에 따라 위험물 제6류 (산화성 액체)로 지정되어 있다. 또한, 중량 %로 6%를 초과하는 농도의 수용액 등의 제제는 독물 및 극물 취급 규제법에 의해 극물로 지정되어 있다.
2. 1. 구조
과산화 수소()는 비평면 분자이며 (비틀린) C2 대칭을 갖는다. 이는 1950년 폴-앙투안 지게르에 의해 적외선 분광법을 사용하여 처음 밝혀졌다.[9][10] O-O 결합은 단일 결합이지만, 이 분자는 입체 이성질체 간의 회전에 대해 386 cm-1 (4.62 kJ/mol)의 비교적 높은 회전 장벽을 갖는다. ''트랜스'' 배치를 통할 때는 2460 cm-1 (29.4 kJ/mol)의 회전 장벽을 갖는다.[11] 이러한 장벽은 인접한 산소 원자의 고립 전자쌍 간의 반발력과 두 O-H 결합 간의 쌍극자 효과 때문인 것으로 제안되었다. 비교를 위해 에테인의 회전 장벽은 1040 cm-1 (12.4 kJ/mol)이다.
두 O-H 결합 사이의 약 100° 이면각은 분자를 키랄하게 만든다. 이는 입체 이성질체 현상을 나타내는 가장 작고 간단한 분자이다. 어느 한 쪽이 아닌 다른 쪽의 입체 특이적 상호 작용이 리보핵산의 하나의 입체 이성질체 형태를 증폭시켜 RNA 세계에서 동족성의 기원으로 이어졌을 수 있다고 제안되었다.[12]
기체 및 결정 과산화 수소의 분자 구조는 상당히 다르다. 이러한 차이는 기체 상태에서는 존재하지 않는 수소 결합의 효과로 기인한다.[13] 과산화 수소의 결정은 사방정계이며, 공간군은 ''D''44 또는 ''P''41212이다.[14]
2. 2. 수용액
수용액에서 과산화 수소는 공융 혼합물을 형성하여 –56 °C까지 어는점 내림을 나타낸다. 순수한 물의 어는점은 0 °C이고, 순수한 과산화 수소는 –0.43 °C이다. 동일한 혼합물의 끓는점 또한 두 끓는점의 평균(125.1 °C)과 관련하여 감소하는데, 114 °C에서 발생한다. 이 끓는점은 순수한 물보다 14 °C 높고, 순수한 과산화 수소보다 36.2 °C 낮다.[15]
과산화 수소와 물의 상태도: 파란색 선 위의 영역은 액체이다. 점선은 고체-액체 상을 고체-고체 상으로부터 분리한다.
과산화 수소는 가장 일반적으로 물에 용액으로 존재한다. 소비자는 일반적으로 약국에서 3% 및 6% wt% 농도로 구할 수 있다. 농도는 때때로 생성되는 산소 기체의 부피로 설명되는데, 20부피 용액 1밀리리터는 완전히 분해될 때 20밀리리터의 산소 기체를 생성한다. 실험실 사용의 경우, 30 wt% 용액이 가장 일반적이다. 70%에서 98% 사이의 상업적 등급도 사용할 수 있지만, 68% 이상의 과산화 수소 용액은 증기와 산소로 완전히 변환될 수 있으며(68% 이상으로 농도가 증가함에 따라 증기 온도가 증가함), 이러한 등급은 잠재적으로 훨씬 더 위험하며 전용 보관 구역에서 특별한 관리가 필요하다. 구매자는 일반적으로 상업적 제조업체의 검사를 허용해야 한다.
35% 수용액은 상온에서 무색의 물보다 약간 점도가 높은 약산성 액체이다.[123]에탄올, 에테르, 물에 녹으며, 약간 오존과 비슷한 냄새가 난다.[124]
과산화 수소 생산을 위한 안트라퀴논 공정의 촉매 사이클: 안트라퀴논(오른쪽)은 수소를 사용하여 환원되어 해당 안트라하이드로퀴논(왼쪽)을 생성한다. 이는 산소를 사용하여 산화되어 과산화 수소를 생성하고 안트라퀴논을 회수한다.
오늘날 과산화 수소는 거의 대부분 안트라퀴논 공정으로 제조된다.[30] 1939년 BASF가 처음 개발한 이 공정은 안트라퀴논(주로 2-에틸안트라퀴논 또는 2-아밀 유도체)을 팔라듐촉매 하에서 수소화 반응시켜 안트라하이드로퀴논으로 환원시킨다. 이후 산소 존재 하에 안트라하이드로퀴논이 자동 산화를 겪으며, 불안정한 하이드록시기 수소 원자가 산소 분자로 이동하여 과산화 수소를 생성하고 안트라퀴논을 재생성한다.[30][31] 대부분의 상업적 공정에서는 안트라하이드로퀴논 용액에 압축 공기를 통과시켜 산화시키고, 과산화 수소는 액체-액체 추출로 분리한 후 안트라퀴논을 다시 수소화 및 산화 사이클에 재활용한다.[30][31]
안트라퀴논 공정의 순반응은 다음과 같다.[30]
: H2 + O2 → H2O2
이 공정의 경제성은 추출 용매, 수소화 반응 촉매, 그리고 고가의 퀴논을 얼마나 효과적으로 재활용하는지에 크게 좌우된다.
일본의 경우 2016년 과산화 수소(100% 상당) 생산량은 17만 5673 톤, 공업 소비량은 1만 5747 톤이었다.[137] 오늘날에는 일반적으로 안트라퀴논법이라고 불리는 안트라센유도체의 자동 산화를 이용하여 생산한다.[138] 2-에틸안트라히드로퀴논 혹은 2-아밀안트라히드로퀴논을 용매에 용해하고, 공기 중의 산소와 혼합하면 안트라히드로퀴논이 산화되어 안트라퀴논과 과산화 수소가 생성된다. 여기에서 이온 교환수를 사용하여 추출하고, 안트라퀴논과 과산화 수소를 분리한다. 분리 후, 약간 혼입되어 있는 유기 용매를 제거하고, 더 감압 증류함으로써 고농도 (30~60%)의 것을 얻는다. 부생성물인 안트라퀴논을 니켈 또는 팔라듐 촉매를 사용하여 안트라히드로퀴논으로 환원하여 재이용한다.
황산 또는 황산 수소 암모늄 수용액을 전기 분해하여 생기는 과산이황산을 가수 분해하는 방법도 있었지만, 전력 소비 등의 문제로 현재는 거의 사용되지 않는다.
2005년 이후 공업적 이용량이 계속 증가함에 따라, 안트라퀴논법을 대체할 저렴한 제조법 및 정제법 연구 개발이 활발히 진행되고 있다. 안트라퀴논법은 다단계 공정에 유기 용매가 필요하고, 부반응을 일으킨 안트라퀴논의 재생이 필요하다는 문제점이 있어 과산화 수소 가격 상승의 원인이 되고 있다. 따라서 새로운 과산화 수소 합성법 개발이 절실히 요구되고 있다. 다른 합성법으로는 팔라듐 촉매를 사용한 합성법과 연료 전지 반응법이 있다.
4. 반응
과산화 수소()는 산화-환원 반응에서 산화제 또는 환원제로 작용할 수 있으며, pH에 따라 반응성이 달라진다.
산성 용액에서 는 강력한 산화제이다. 아래 표는 주요 산화제의 산화 전위를 비교한 것이다.
과산화 수소는 Δ''H''o가 -2884.5 kJ/kg[37]이고 ΔS가 70.5 J/(mol·K)인 반응을 통해 물과 산소로 불균등화 반응한다.
분해 속도는 온도, 농도 및 pH가 증가함에 따라 증가하며, 알칼리 조건에서 불안정하다. 분해는 이산화 망간(), 은, 백금을 포함한 다양한 전이 금속과 그 화합물의 촉매 작용에 의해 일어난다.[38]
5. 역사
알렉산더 폰 훔볼트는 1799년 공기를 분해하려는 시도의 부산물로 최초의 합성 과산화물인 과산화 바륨을 처음 보고했다고 전해지지만, 훔볼트의 모호한 표현으로 인해 이에 대한 논쟁이 있다.[19] 19년 후 루이 자크 테나르는 이 화합물을 이전에 알려지지 않은 화합물을 제조하는 데 사용할 수 있다는 것을 인식했으며, 그는 이를 eau oxygénée|오 옥시제네프랑스어 ("산소 처리된 물")로 묘사했는데, 이는 이후 과산화 수소로 알려지게 되었다.[20][21][22]
테나르의 공정을 개선한 버전에서는 염산을 사용한 후 황산을 첨가하여 황산 바륨 부산물을 침전시켰다. 이 공정은 19세기 말부터 20세기 중반까지 사용되었다.[23]
과산화물과 그 염이 천연 염료에 미치는 표백 효과는 1820년대 테나르의 실험 이후 알려졌지만, 과산화물의 초기 산업적 생산 시도는 실패했다. 과산화 수소를 생산하는 최초의 공장은 1873년 베를린에 건설되었다. 황산을 사용한 전기 분해에 의한 과산화 수소의 합성을 발견하면서 보다 효율적인 전기 화학적 방법이 도입되었다. 이 방법은 1908년 오스트리아 케른텐주 바이센슈타인에서 처음 상업화되었다. 현재까지 사용되는 안트라퀴논 공정은 1930년대 독일 화학 제조업체 IG 파르벤에서 루트비히스하펜에서 개발되었다. 합성 방법의 수요 증가와 개선으로 인해 과산화 수소 연간 생산량이 1950년 35,000톤에서 1960년에는 100,000톤 이상으로, 1970년에는 300,000톤으로 증가했으며, 1998년에는 270만 톤에 달했다.[24]
초기 시도는 순수한 과산화 수소를 생산하는 데 실패했다. 무수 과산화 수소는 처음으로 진공 증류에 의해 얻어졌다.[25]
과산화 수소의 분자 구조를 결정하는 것은 매우 어려웠다. 1892년, 이탈리아 물리학자 자코모 카라라(1864–1925)는 어는점 강하를 통해 분자량을 결정하여 분자식이 H2O2임을 확인했다.[26] 1934년, 영국 수학 물리학자 윌리엄 페니와 스코틀랜드 물리학자 고든 서덜랜드는 현재 받아들여지는 것과 매우 유사한 과산화 수소의 분자 구조를 제안했다.[28][29]
6. 생체 내에서의 과산화 수소
과산화 수소는 생체 내에서 효소 반응의 부산물로 생성되기도 하며, 활성 산소의 일종으로 작용하여 생체 분자를 손상시킬 수 있다.
미토콘드리아의 전자 전달계에서는 슈퍼옥시드 음이온(O) 등의 활성 산소종이 항상 발생하는데, 이들은 생체 분자를 파괴하여 유해하므로 방어 기전이 존재한다. 슈퍼옥시드 음이온은 먼저 슈퍼옥시드 불균등화효소(SOD)에 의해 과산화 수소로 변환되고, 과산화효소에 의해 무해한 물로 분해된다.[166][167] 이처럼 과산화 수소는 다양한 효소 매개 생물학적 과정에 의해 생성된다.[16]
과산화 수소는 신호 분자로서 매우 다양한 생물학적 과정을 조절할 수 있다고 제안되었으며,[57][58] 과산화 수소 생성을 암과 연관시키려는 연구도 있었다.[59]
성게의 알은 정자에 의해 수정된 직후 과산화 수소를 생성한다. 이후 과산화 수소는 수산화 라디칼(HO•)로 변환되어 라디칼 중합을 시작, 알은 고분자의 보호 층으로 둘러싸이게 된다.
폭탄벌레는 하이드로퀴논과 과산화 수소를 결합, 격렬한 발열화학 반응을 일으켜 끓는 역겨운 냄새가 나는 액체를 생성한다. 이 액체는 부분적으로 가스가 되어(순간 증발) 팝 소리와 함께 배출 밸브를 통해 배출된다.[54][55][56]
호주 폭탄벌레
생물학적 시스템 내 과산화 수소의 양은 형광 분석법을 사용하여 측정할 수 있다.[18]
6. 1. 생체 내에서의 생성
과산화 수소는 글루코스 산화 효소 매개 생물학적 과정 등 다양한 효소 반응을 통해 생성된다.[42]
글루코스는 글루코스 산화 효소 존재 하에 호기성 산화를 통해 과산화 수소를 생성한다. 이 과정에서 글루콘산 락톤이 함께 생성된다.[42]
과산화물 불균등화 효소(SOD)는 초과산화물을 산소와 과산화 수소로 불균등화 반응을 촉진한다.[43]
과산화소체는 거의 모든 진핵 세포에서 발견되는 세포 소기관이다.[44] 과산화소체는 플라빈 아데닌 디뉴클레오타이드(FAD)에 의해 촉매되는 과정을 통해 과산화 수소를 생성한다.[46]
아데노신 일인산이 분해되어 하이포잔틴이 생성되는 과정에서도 과산화 수소가 생성된다. 하이포잔틴은 잔틴 산화 효소에 의해 잔틴으로, 다시 요산으로 산화되며, 이 과정에서 과산화 수소가 생성된다.[47]
하이포잔틴잔틴 --
: 하이포잔틴에서 잔틴을 거쳐 요산으로 분해되어 과산화 수소가 생성되는 과정.
구아노신 일인산이 분해될 때도 중간 생성물로 잔틴이 생성되며, 잔틴은 위와 동일한 방식으로 요산으로 전환되면서 과산화 수소를 생성한다.[47]
6. 2. 생체 내에서의 제거 반응
과산화 수소는 생체 내에서 생성되기도 하지만, 활성 산소의 일종으로 지방산, 생체막, DNA 등을 산화시켜 손상을 입히기 때문에 유해하다. 따라서 생체 방어 기전을 통해 신속하게 제거되어야 한다.[157]
카탈라아제는 대사 과정에서 생성되는 과산화 수소를 불균등화 반응을 통해 산소와 물로 바꾸는 효소이다. 이 효소는 초당 대사 회전수가 4000만에 달해 모든 효소 중 가장 높다.[157] 사람의 카탈라아제는 4개의 서브 유닛으로 구성되며, 각 서브 유닛은 526개의 아미노산으로 이루어져 있다.[158] 분자량은 약 24만이며, 헴과 망간을 보조 인자로 사용한다.
과산화소체에 존재하는 카탈라아제는 과산화 수소()를 사용하여 페놀, 포름산, 포름알데히드, 알코올 등 다른 기질을 산화시킨다.
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이 과정은 과산화소체가 혈액으로 들어오는 다양한 독성 물질을 중화하는 간과 신장 세포에서 중요하며, 사람이 섭취하는 에탄올의 일부는 이 과정을 통해 아세트알데히드로 산화된다.[48] 세포에 과도한 과산화 수소가 축적되면 카탈라아제는 이를 물()로 변환한다.
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글루타티온 과산화효소는 셀레노시스테인을 포함하는 효소로, 글루타티온을 전자 공여체로 사용하여 과산화 수소뿐만 아니라 유기 과산화물에도 작용하여 산화 스트레스로부터 생체를 보호한다.[168][169]
글루타치온-아스코르빈산 회로는 과산화 수소를 해독하는 중요한 대사 경로이다.[159] 이 회로에는 아스코르빈산, 글루타티온, NADPH 및 관련 효소들이 관여한다.
이 경로의 첫 단계에서 아스코르빈산 과산화효소(APX)는 아스코르빈산을 전자 공여체로 사용하여 과산화 수소를 물로 환원시킨다.[160] 산화된 아스코르빈산(모노데히드로아스코르빈산)은 모노데히드로아스코르빈산 환원효소 (NADH)(MDAR)에 의해 다시 아스코르빈산으로 재생된다.[160] 모노데히드로아스코르빈산은 반응성이 커서 빠르게 환원되지 않으면 아스코르빈산과 데히드로아스코르빈산(DHA)으로 불균등화된다. 데히드로아스코르빈산은 데히드로아스코르빈산 환원효소(DHAR)에 의해 환원형 글루타치온(GSH)을 소모하면서 아스코르빈산으로 환원되어 산화형 글루타치온(글루타치온 디설파이드, GSSG)을 생성한다. 마지막으로 산화형 글루타치온은 글루타치온 환원효소(GR)에 의해 NADPH를 전자 공여체로 사용하여 환원된다. 이 과정에서 아스코르빈산과 글루타치온은 소모되지 않고, 전자는 NADPH에서 로 흐른다. 데히드로아스코르빈산의 환원은 비효소적으로 일어나거나, 글루타티온 S-트랜스퍼레이스 오메가 1이나 글루타레독신과 같은 단백질에 의해 촉매될 수 있다.[161][162]
식물에서 글루타치온-아스코르빈산 회로는 세포질, 미토콘드리아, 색소체, 과산화소체에서 작동한다.[163][164] 글루타치온, 아스코르빈산, NADPH는 식물 세포에 고농도로 존재하므로 이 회로는 과산화 수소 해독에 중요한 역할을 한다.[165] 이 외에도 티오레독신 또는 글루타레독신을 환원 기질로 사용하는 퍼옥시레독신이나 글루타치온 과산화효소를 포함한 다른 효소들도 식물에서 과산화 수소 해독에 기여한다.[165]
미토콘드리아의 전자 전달계에서는 슈퍼옥시드 음이온(O)과 같은 활성 산소종이 지속적으로 발생한다. 슈퍼옥시드 불균등화효소(SOD)는 슈퍼옥시드 음이온을 과산화 수소로 변환하고, 이후 과산화효소가 과산화 수소를 무해한 물로 분해한다.[166][167]
백혈구(호중구)는 체내에 세균이 침입하면 포획(탐식)하며, NAD(P)H 산화 효소를 사용하여 NADH(NADPH)와 H+와 산소를 반응시켜 과산화 수소를 생성하여, 탐식되어도 아직 증식하려는 세균을 살균하여 감염으로부터 보호하는 생체 방어 메커니즘을 가지고 있다.[170]
6. 4. 펜톤 반응
과 과산화 수소의 반응은 펜톤 반응의 기초가 되며, 이는 생물학적으로 중요한 하이드록실 라디칼을 생성한다.[49]
하이드록실 라디칼은 단백질, 막 지질, DNA를 포함한 모든 유기 화합물을 빠르고 되돌릴 수 없게 산화시키기 때문에 과산화 수소의 독성을 설명한다.[49] 과산화 수소는 생체 내에서 산화적 DNA 손상의 중요한 원인이다. DNA 손상에는 여러 변형된 염기 중 8-옥소-2'-데옥시구아노신의 생성, 가닥 절단, 가닥 간 가교 및 데옥시리보스 손상이 포함된다.[50] 과산화 수소는 Cl¯과 상호 작용하여 염소화된 DNA 염기를 생성하기도 한다.[50] 하이드록실 라디칼은 특히 미토콘드리아의 중요한 세포 구성 요소를 쉽게 손상시킨다.[51][52][53] 이 화합물은 자유 라디칼 노화 이론에서 중요한 요소이며, 하이드록실 라디칼로 쉽게 전환된다는 점에 근거한다.
7. 이용
과산화 수소는 산업, 표백, 소독, 로켓 연료, 레이저 등 다양한 분야에서 활용된다.
과산화 수소수 페르실 1920년
표백제: 의류용 액체 산소계 표백제(묽은 과산화 수소 용액) 및 분말 산소계 표백제(과탄산 나트륨)의 주성분이다. 머리카락 탈색에도 사용된다.
소독제: 2.5~3.5 w/v% 농도에서 의료용 외용 소독제로 사용되며, '옥시돌' 또는 '옥시풀'이라는 이름으로도 알려져 있다. 콘택트렌즈 세척, 헹굼, 소독, 보존에도 사용된다.
콘택트렌즈를 3% 과산화 수소 기반 용액에 담가 놓은 모습.
로켓 연료: 액체 로켓 연료의 산화제로 사용될 수 있으며, 단일 추진제 또는 이중 추진제 로켓에 모두 활용 가능하다.
기타: 유기 과산화물 및 과산화산 생산, 폭발물 제조, 화학 발광(야광봉), 과붕산 나트륨 생성 등에 사용된다.
7. 1. 산업적 이용
과산화 수소는 제지 시 펄프 표백, 폐수 처리, 반도체 세척 등 산업 분야에서 주로 이용된다.[61] 염소계 표백제와 달리 과산화 수소는 물과 산소로 분해되어 환경 친화적이기 때문에 산업적 이용이 확대되고 있다.[65]
과산화 수소는 유기 불순물 제거를 위해 특정 폐수 처리 과정에 사용된다. 고도 산화 공정에서 펜톤 반응[62][63]은 하이드록실 라디칼(•OH)을 생성하여 방향족 탄화수소나 할로겐 화합물 등 견고한 유기 화합물을 분해한다.[64] 또한 폐수의 황 기반 화합물을 산화시켜 냄새를 줄이는 데도 유익하다.
1930년경 헬무트 발터는 고농도 과산화 수소 분해로 산소를 발생시켜 내연 기관을 작동시키는 발터 기관을 개발했다. 제2차 세계 대전 중에는 독일에서 U보트 XVIIB형이 건조되었다.
제2차 세계 대전 후, 영국은 익스플로러급 잠수함, 소비에트 연방은 S-99를 건조해 시험했지만, 고농도 과산화 수소 취급이 어렵고 미국 해군의 원자력 기관 개발 성공으로 발터 기관은 중요하게 여겨지지 않았다. 일본에서도 제2차 세계 대전 중 발터 기관이 연구되었지만, 실용화 전에 종전을 맞이했다.
어뢰 동력원으로는 해상자위대의 72식 어뢰, 영국 해군의 21인치 마크 12 어뢰, 소비에트의 65형 어뢰에 사용되어 성과를 거두었다. 그러나 마크 12 어뢰는 HMS Sidon, 65형 어뢰는 쿠르스크에서 추진제의 고농도 과산화 수소에 기인한 사고로 함선이 침몰했다.
로켓 비행기인 메서슈미트 Me 163의 엔진 HWK 109-509, 추수이의 특려2호 원동기, Hs 293 유도탄, 로켓 벨트 추진제로 사용되었고, 자기 부상식 철도 KOMET에서 1975년에 401.3km/h 속도 기록을 세울 때도 사용되었다. V2 로켓에서는 터보 펌프 구동 가스 발생에, 영국의 암스트롱 시들리 스텐터, 암스트롱 시들리 베타, 브리스톨 시들리 감마, 브리스톨 시들리 BS.605, 데 해빌랜드 스펙터 등 로켓 엔진 산화제로도 사용되었다.
수상 속도 기록 경신을 위한 로켓 추진형 파워 보트 "디스커버리 II"[129], 2014년11월 9일 333km/h를 기록한 프랑수아 기시의 로켓 추진 자전거 “Kamikaze V”[130]의 추진제로도 사용되고 있다.
7. 2. 표백제
과산화 수소는 의류용 표백제로 이용된다. 액체 의류용 산소계 표백제는 묽은 과산화 수소 용액이다. 한편, 과산화 수소와 탄산 나트륨의 착물인 과탄산 나트륨은 분말 상태로 안정되어 분말 산소계 표백제로 사용된다. 과탄산 나트륨은 물에 용해되면 탄산 나트륨(세제로도 알려져 있음)과 과산화 수소로 해리된다. 또한, 머리카락 탈색에도 사용되며, 과산화 수소에 의해 탈색된 "가짜" 금발은 영어로 peroxide blonde 또는 bottle blonde이라고 불린다.
식품 분야에서는 우동, 어묵 등의 표백 목적의 식품 첨가물로 인가되었다. 일본에서는 1948년(쇼와 23년)에 식품 첨가물로 처음 지정되었고, 1969년(쇼와 44년)에는 사용 기준이 설정되었다. 1980년(쇼와 55년) 2월에는 "최종 식품 완성 전에 과산화 수소를 분해하거나 제거해야 한다"로 개정되었다. 2016년(헤이세이 28년) 2월에는 사용 기준이 "가마아게 시라스 및 시라스 말린 것에 있어서는 1kg당 0.005g 이상 잔존하지 않도록 사용해야 한다. 기타 식품에 있어서는 최종 식품의 완성 전에 과산화 수소를 분해하거나 제거해야 한다."로 개정되었다.
연도
내용
1948년 (쇼와 23년)
식품 첨가물로 처음 지정
1969년 (쇼와 44년)
"우동, 어묵, 치쿠와에 있어서 0.1g/kg 이상, 기타 식품에 있어서 0.03g/kg 이상 잔존해서는 안 된다"는 사용 기준 설정
1980년 (쇼와 55년)
"최종 식품 완성 전에 과산화 수소를 분해하거나 제거해야 한다"로 사용 기준 개정
2016년 (헤이세이 28년)
"가마아게 시라스 및 시라스 말린 것에 있어서는 1kg당 0.005g 이상 잔존하지 않도록 사용해야 한다. 기타 식품에 있어서는 최종 식품의 완성 전에 과산화 수소를 분해하거나 제거해야 한다."로 사용 기준 개정
2015년 현재 기준에서 명태알의 살균·표백에 사용되면서 표시가 없는 것은 카탈라아제로 분해 처리하여 잔존시키지 않기 때문에 가공 보조제가 되어 법적으로 표시가 필요한 식품 첨가물에 해당하지 않기 때문이다.
땅콩, 가리비, 시라스 말린 것 등 제조 공정과 관계없이, 세포 내 산화 반응 및 지질의 산화 등으로 천연 유래의 과산화 수소가 수 µg/g 검출되는 식품이 존재하기 때문에, 살균·표백의 공정을 나타내는 것만은 아니다.
7. 3. 소독제
과산화 수소는 2.5~3.5 w/v% 농도에서 의료용 외용 소독제로 사용되며, '옥시돌'(oxydol)이라는 일본 약국방 명칭 또는 '옥시풀'(oxyfull)이라는 상품명으로도 불린다.[136] 과산화 수소는 상처 부위에 도포했을 때 거품이 발생하는데, 이는 과산화 수소가 분해되어 산소가 발생하기 때문이다. 대부분의 생물은 카탈라아제라는 과산화 수소 분해 효소를 가지고 있어, 생체 내에서 과산화 수소의 수명은 매우 짧다.[136] 이러한 성질은 통성 혐기성 세균과 혐기성 세균을 구별하는 등 미생물 분석에 응용된다.
또한, 과산화 수소는 콘택트렌즈 세척, 헹굼, 소독, 보존이 한 번에 가능한 세척제로도 사용되며, 중화제로는 주로 백금이 사용된다.[136] 음료 생산 과정에서 종이팩 내부를 살균하기 위해 저농도 과산화 수소수를 분무하기도 하는데, 이때 과산화 수소수는 송풍을 통해 분해 및 건조되어 무해화된다.
7. 4. 로켓 연료
과산화 수소는 액체 로켓 연료의 산화제로 사용될 수 있으며, 단일 추진제 또는 이중 추진제 로켓에 모두 활용 가능하다.
고농도 과산화 수소(HTP)는 단일 추진제로 사용될 경우, 70~98% 농도의 과산화 수소가 증기와 산소로 분해되는 것을 활용한다. 추진제는 반응 챔버로 펌핑되며, 여기서 은 또는 백금 스크린과 같은 촉매가 분해를 유발하여 600°C 이상에서 증기를 생성하고, 이는 노즐을 통해 배출되어 추력을 생성한다. 과산화 수소 단일 추진제는 최대 비추력(''I''sp) 161 s (1.6 kN·s/kg)을 생성한다. 과산화 수소는 로켓 적용에 사용하기 위해 채택된 최초의 주요 단일 추진제였으나, 히드라진이 진공 비추력 25% 증가로 인해 과산화 수소 단일 추진제 추진 장치를 대체했다.[74] 벨 로켓 벨트, X-1, X-15, 센타우르, 머큐리, 리틀 조와 같은 반작용 제어 시스템, 그리고 X-1, X-15, 주피터, 레드스톤 및 바이킹의 터보 펌프 가스 발생기에도 과산화 수소를 단일 추진제로 사용했다.[75]RD-107 엔진(1957년부터 현재까지 사용)은 R-7 로켓 계열에서 과산화 수소를 분해하여 터보 펌프에 전력을 공급한다.
이중 추진제 응용 분야에서 과산화 수소는 연소하는 연료를 산화시키기 위해 분해된다. 연료에 따라 최대 350 s (3.5 kN·s/kg)의 비추력을 얻을 수 있다. 산화제로 사용되는 과산화 수소는 액체 산소보다 다소 낮은 ''I''sp를 제공하지만, 밀도가 높고 보관 가능하며 비극저온성이며 효율적인 폐쇄 사이클을 사용하여 높은 압력을 제공하기 위해 가스 터빈을 구동하는 데 더 쉽게 사용할 수 있다. 또한 로켓 엔진의 재생 냉각에도 사용할 수 있다. 과산화 수소는 제2차 세계 대전 독일 로켓 모터(예: T-Stoff, 옥시퀴놀린 안정제를 함유, 발터 HWK 109-500 ''Starthilfe'' RATO 외부 장착 단일 추진제 부스터 시스템 및 발터 HWK 109-509 로켓 모터 시리즈 Me 163B에 사용)에서 매우 성공적으로 사용되었으며, 가장 자주 C-Stoff와 함께 자가 점화 초극액체 조합으로, 그리고 저비용 영국 블랙 나이트 및 블랙 애로우 발사기에 사용되었다. 현재, HTP는 ILR-33 AMBER[76] 및 Nucleus[77] 아음속 로켓에 사용된다.
로켓 벨트 과산화 수소 추진 시스템
대한민국에서도 과산화 수소를 사용하는 로켓 엔진 개발이 이루어졌다. 2010년, 권세진한국과학기술원 항공우주공학과 교수 연구팀은 과산화 수소를 사용하는 LKR-1 로켓을 개발했다.[178]한국형 달 탐사선이 지구와 달 사이를 오갈 때 사용하는 추진로켓인 LKR-1 엔진은 과산화 수소를 쓰기 때문에 친환경적이고, 개발 비용이 기존 로켓 엔진의 30~40%에 불과하다. 미국 엔진은 하이드라진이라는 독성이 강한 발암물질을 다루고 연소 부산물을 정화하는 시설이 필요해 제작, 시험에 1100억원가 드는데, LKR-1은 330억원~440억원면 충분하다.[179]
7. 5. 레이저
화학 산소 요오드 레이저(COIL)는 1977년 필립스 연구소에서 개발되었으며, 군사용 레이저포에 사용된다. 과산화 수소는 염소(Cl) 기체와 혼합하면 몇 분의 1초 사이에 화학반응을 일으켜 높은 에너지를 가진 단일항 산소 분자(O2)가 만들어진다. 이 산소 분자를 압축 질소를 이용해 요오드 기체 속으로 밀어 넣어 섞으면 산소의 에너지가 요오드 분자로 전이되면서 적외선 영역에서 레이저가 만들어진다. COIL은 군사용 레이저포에 사용된다. 보잉 YAL-1 참조.
7. 6. 기타 이용
과산화 수소는 다양한 분야에서 활용된다. 과산화 벤조일과 같은 유기 과산화물 생산에 사용되며,[61] 과초산과 메타-클로로과산벤조산과 같은 과산화산 생산에도 사용된다. 아세톤 과산화물과 같은 유기 과산화물 기반 폭발물 제조에도 사용될 수 있다. 라디칼 중합의 개시제로도 사용되며, 페닐 옥살레이트 에스터(시알룸)와 반응하여 화학 발광을 일으켜 야광봉에 활용된다. 붕사와 반응하여 세탁 세제에 사용되는 표백제인 과붕산 나트륨을 생성한다.
화학 발광의 사이얼룸, 발광 막대에서 발견됨
과산화 수소는 특정 폐수 처리 과정에서 유기 불순물을 제거하는 데 사용된다. 고도 산화 공정에서 펜톤 반응을 통해[62][63]하이드록실 라디칼을 생성하여 방향족 탄화수소나 할로겐 화합물 같은 유기 화합물을 분해한다.[64] 또한 폐수의 황 기반 화합물을 산화시켜 냄새를 줄인다.[65]
수술 도구를 포함한 다양한 표면의 멸균에 사용될 수 있으며,[66] 실내 멸균을 위해 증기(기화 과산화 수소)로 살포될 수 있다.[68] 바이러스, 박테리아, 효모 및 세균 포자에 대해 광범위한 효능을 보인다.[69][70]그람 양성균보다 그람 음성균에 대해 더 큰 활성을 보이지만, 카탈라아제나 과산화 효소가 존재하면 낮은 농도에서도 내성이 증가할 수 있다.[71] 낮은 농도(3%)는 대부분의 포자에 작용하며, 높은 농도(7~30%)와 긴 접촉 시간은 포자 살균 활성을 향상시킨다.[70][72]
과산화 수소는 염소 기반 표백제의 환경 친화적인 대안으로 여겨지며, 미국 식품의약국(FDA)에 의해 항균제로 일반적으로 안전하다고 인정된다.[73] 주로 세척 및 소독제로 사용된다.
모발 탈색: 희석된 과산화 수소(1.9% ~ 12%)를 수산화 암모늄과 혼합하여 모발을 탈색하는 데 사용된다. "페록사이드 금발"이라는 용어가 여기서 유래했다.[81]
치아 미백:치아 미백에도 사용되며, 대부분의 미백 치약에서 발견된다. 치아의 치아 에나멜에 있는 유색 색소를 산화시켜 치아를 밝게 한다. 과산화 수소는 베이킹 소다 및 소금과 혼합하여 수제 치약을 만들 수 있다.[83]
혈액 얼룩 제거: 혈액과 반응하여 표백제로 작용하므로, 혈액 얼룩 제거에 효과적이다. 도포 후 약 2분 후에 닦아내면 된다.[84][85]
구강 세정제: 희석된 과산화 수소를 구강 세정제로 사용하면 치은염과 치태 치료에 긍정적인 효과가 있지만, 클로르헥시딘이 더 효과적이다.[87]
원예: 약한 과산화 수소 용액을 관수 용액에 사용하면 산소 방출을 통해 식물의 뿌리 발달을 돕고 뿌리 썩음병 및 해충을 치료하는 데 도움이 된다.[88][89] 일반적인 관수 농도는 약 0.1%이며, 항진균 작용을 위해 최대 1%까지 사용 가능하다. 식물 잎은 최대 3% 농도를 견딜 수 있다.[91]
물고기 사육: 양식업에서 다양한 미생물로 인한 물고기 사망률을 제어하는 데 사용된다. 2019년 미국 FDA는 ''Saprolegniasis'', 외부 columnaris 질병, ''Gyrodactylus'' spp. 제어를 위해 사용을 승인했다.[92] 이산화 망간과 같은 촉매에 노출되면 분해되어 산소를 방출한다.
오래된 플라스틱 복원: 자외선 광원과 함께 사용하여 흰색 또는 옅은 회색 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 (ABS) 플라스틱의 변색을 제거하고 원래 색상을 복원할 수 있다. 레트로컴퓨팅 분야에서는 이 과정을 레트로브라이트라고 한다.
8. 안전성
35% 과산화 수소에 노출된 직후의 피부
규정은 다양하지만, 5%와 같은 낮은 농도는 널리 유통되고 있으며 의료용으로 구매하는 것이 합법이다. 대부분의 일반 의약품 과산화수소 용액은 섭취에 적합하지 않다. 더 높은 농도는 위험하다고 간주될 수 있으며 일반적으로 안전 보건 자료(SDS)가 제공된다. 고농도의 과산화수소는 강력한 산화제이며, 사람의 피부를 포함한 많은 물질을 부식시킨다. 환원제가 존재할 경우 고농도의 과산화수소는 격렬하게 반응한다.[93] 35%까지의 농도는 피부에서 "흰색" 산소 기포만 생성하고 (일부 따끔거리는 통증과 함께) 30~45분 이내에 혈액과 함께 사라지지만, 98%의 농도는 종이를 녹인다. 그러나 3%와 같이 낮은 농도도 눈 안에서 산소 발생으로 인해 눈에 위험할 수 있다.[94]
일반적으로 40% 이상인 고농도 과산화수소 흐름은, 환경으로 방출될 경우 미국 규정에 따라 농축된 과산화수소가 DOT 산화제의 정의를 충족하므로 위험한 것으로 간주해야 한다. EPA의 D001 유해 폐기물에 대한 보고 가능 수량(RQ)은 약 45.36kg 또는 약 10USgal의 농축 과산화수소이다.
상업용 과산화수소 병
과산화수소는 시원하고 건조하며 통풍이 잘 되는 곳에 보관하고 가연성 또는 가연성 물질로부터 멀리 보관해야 한다. 스테인리스강 또는 유리와 같이 반응성이 없는 재료로 구성된 용기에 보관해야 한다(일부 플라스틱 및 알루미늄 합금을 포함한 다른 재료도 적합할 수 있다).[95] 빛에 노출되면 빠르게 분해되므로 불투명한 용기에 보관해야 하며, 제약 제제는 일반적으로 빛을 차단하는 갈색 병에 담겨 있다.[96]
과산화수소는 순수한 형태 또는 희석된 형태로 유기 화합물과 접촉하면 폭발성 혼합물을 형성한다는 주요 위험을 포함하여 여러 가지 위험을 야기할 수 있다.[101] 정상 압력에서 과산화수소의 증류는 매우 위험하다. 특히 농축되었을 때 부식성이 있지만, 가정용 강도의 용액조차도 눈, 점막, 및 피부에 자극을 줄 수 있다.[97] 과산화수소 용액을 삼키는 것은 특히 위험하다. 위에서 분해되어 대량의 가스(3% 용액 부피의 10배)를 방출하여 내부 팽만감을 유발하기 때문입니다. 10% 이상을 흡입하면 심각한 폐 자극을 유발할 수 있다.[98]
상당한 증기압(50 °C에서 1.2 kPa)을 갖는[99] 과산화수소 증기는 잠재적으로 위험하다. 미국 NIOSH에 따르면, 생명 및 건강에 즉각적인 위험(IDLH) 한계는 75ppm에 불과하다.[100] 미국 직업 안전 보건 관리청(OSHA)은 8시간 시간 가중 평균으로 계산된 1.0ppm의 허용 노출 한도를 설정했다(29 CFR 1910.1000, 표 Z-1).[101] 과산화수소는 미국 정부 산업 위생 전문가 회의(ACGIH)에 의해 "알려진 동물 발암 물질로, 인체에 대한 관련성은 알려지지 않음"으로 분류되었다.[102] 유해 증기에 노출될 위험이 있는 작업장에서는 과산화수소에 대한 연속 모니터를 사용해야 한다. 과산화수소의 위험에 대한 정보는 OSHA[101] 및 ATSDR에서 확인할 수 있다.[103]
과거에는 과산화 수소가 상처 소독에 사용되었는데, 이는 다른 살균제에 비해 저렴하고 즉시 구할 수 있었기 때문이다.[104] 과산화 수소가 상처 치유에 미치는 영향에 대해서는 상반된 증거가 있다.
3% 농도의 대량 경구 투여 시 입, 목, 복부에 자극과 물집을 유발할 수 있으며 복통, 구토, 설사를 유발할 수 있다.[109] 35% 이상의 농도의 과산화 수소 섭취는 여러 공기 색전증 사건의 원인으로 지목되어 입원을 초래했다.
1943년 12월, 요제프 푀스는 메서슈미트 Me 163의 T-Stoff에 노출되어 사망했다.
1955년 6월, 영국 해군 잠수함 HMS ''시돈''에서 고농도 과산화수소 누출로 어뢰가 폭발하여 승무원 12명과 구조대원 1명이 사망했다.
1992년 4월, 프랑스 자리에의 과산화 수소 공장에서 기술적 결함으로 폭발이 발생하여 1명이 사망하고 공장이 크게 파괴되었다.[118]
1998년 10월 28일, 플로리다주 올랜도에서 테네시주 멤피스로 향하던 노스웨스트 항공 항공기 내에서 과산화 수소 유출로 여러 명이 경미한 부상을 입었다.[119]
2000년 8월 12일, 러시아 잠수함 K-141 ''쿠르스크''에서 HTP 연료 어뢰 중 하나의 고장과 폭발로 인해 침몰했다. 승무원 전원이 사망했다.[120]
2010년 8월 15일, 뉴욕 시 타임스 스퀘어에서 약 30USgal의 과산화 수소 세척액 유출로 브로드웨이가 폐쇄되었다. 부상자는 없었다.[121]
1980년 3월 18일, 소련 플레세츠크 우주 기지에서 보스토크 2M 로켓 폭발 사고로 48명이 사망했다. 원인은 납땜 과정에서 발생한 납의 산화물이 과산화 수소의 분해를 촉진했기 때문이다.[150]
1999년 10월 29일, 수도 고속도로 2호 메구로선을 주행하던 탱크로리가 폭발하여 과산화 수소 수용액이 비산, 보행자들이 눈의 통증과 피부 짓무름을 호소했다.[151] 잔류하던 금속 성분으로 인해 과산화 수소 분해가 진행되어 폭발했다.[152]
2000년 8월 12일 바렌츠해에서 원자력 잠수함 쿠르스크에 탑재된 어뢰의 과산화 수소 누출로 폭발, 침몰했다.[153][154][155]
2008년 3월 3일, 동해안에 표류한 약 4만 개의 폴리탱크에서 염산, 과산화 수소수, 초산, 질산 등이 검출되었다.[156] 이 중 약 1만 6000개에는 한글이 있어, 대한민국 정부에 표착 쓰레기 감축을 위한 노력을 요청했다.[156]
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