산화 칼슘

3. 물리화학적 특성

산화 칼슘(CaO), 즉 생석회는 탄산칼슘(CaCO₃)을 825°C 이상으로 가열하는 소성 과정을 통해 생성된다.^[40] 이 열분해 반응 과정에서 이산화탄소(CO₂)가 방출된다.^[8]

: CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g)

생석회의 녹는점은 2572°C이다. 그러나 생석회는 안정적이지 않아 공기 중에 노출되면 이산화탄소와 자발적으로 반응하여 다시 탄산칼슘으로 돌아간다. 이러한 변화는 충분한 시간이 지나면 완전히 진행될 수 있다.

생석회는 물(H₂O)과 강하게 반응하며 많은 열을 방출한다. 이 반응을 통해 수산화칼슘(Ca(OH)₂), 즉 소석회가 생성되며, 반응 엔탈피 변화(Δ_rH)는 -63.7 kJ/mol이다.^[41]

: CaO(s) + H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq)

예를 들어, 물 1L에 생석회 약 3.1kg을 반응시키면 약 3.54MJ의 에너지가 방출된다. 이 과정에서 용액은 팽창하며 부피가 최소 2.5배 증가한다.^[10] 반응이 진행되어 열평형 상태에 도달하면 발열은 멈춘다.^[41]

물에 대한 강한 친화력 때문에 생석회는 실리카겔보다 더 효과적인 건조제로 사용될 수 있다.^[10]

4. 용도

산화 칼슘은 저렴하고 널리 사용 가능한 알칼리로서 다양한 분야에서 활용된다. 주요 용도는 제강 공정, 시멘트 제조, 건축 자재 생산, 토양개량제 등 산업 분야에서 광범위하게 사용된다.^[10] 또한 물과의 반응열을 이용한 발열체, 고온 발광을 이용한 라임라이트 조명, 식품첨가물, 석유화학 공정, 환경 정화 등 특수한 목적에도 쓰인다.^{[10][11][12][13][14][42]} 그 외 유리, 도자기, 카바이드 제조 등 여러 화학 공정의 원료 및 부원료로 사용되며,^[10] 건조제나 살충제로도 활용된다. 과거에는 시체 보존이나 고대 로마 콘크리트의 내구성 향상에도 기여했으며,^[21][22] 열화학적 열 저장 매체로서의 가능성도 연구되고 있다. 각 용도에 대한 자세한 내용은 하위 섹션에서 다룬다.

4. 1. 산업 분야

• 제철: 주요 용도는 전로제강법(BOS) 공정이다. 강철 1톤당 약 30kg에서 50kg의 산화 칼슘이 사용된다. 이는 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃과 같은 산성 산화물을 중화시켜 염기성 용융 슬래그를 만드는 역할을 한다.^[10]
• 건축 및 토목:
• 시멘트 제조 공정의 핵심 원료이다.
• 분쇄된 생석회는 약 0.6g/cm3에서 밀도의 기포 콘크리트 블록 생산에 사용된다.^[10]
• 생석회와 소석회(수산화칼슘)는 점토를 함유한 토양의 하중 지지력을 높이는 토양개량제로 사용된다. 이는 미세하게 분쇄된 실리카 및 알루미나와 반응하여 시멘트처럼 굳는 성질을 가진 규산칼슘과 알루미네이트를 생성하기 때문이다.^[10]
• 선토기 신석기 시대 B 시대 인류가 바닥재 등에 석회석 기반 회반죽을 사용했다는 고고학적 증거가 있다.^[15][16][17] 이러한 석회-재 바닥은 19세기 후반까지 사용되었다.
• 고대 로마 콘크리트의 뛰어난 내구성은 부분적으로 생석회 사용에 기인한다. 고온 혼합 과정에서 생성된 거시적 크기의 석회 클라스트는 콘크리트에 균열이 생겼을 때 물과 반응하여 탄산칼슘으로 재결정화되면서 균열을 메우는 자가 치유 기능을 한다.^[22]
• 화학 및 제조:
• 유리, 알루미늄 칼슘 시멘트, 유기 화학 물질 생산에 소량 사용된다.^[10]
• 도자기, 유리의 부원료로 사용된다.
• 카바이드(탄화칼슘) 및 수산화칼슘 생산의 원료이다.
• 바이오디젤 생산 시 염기로 사용되고 있다.^[46][47]
• 제지: 크라프트 펄프 공장의 화학적 회수 과정에서 탄산나트륨으로부터 수산화나트륨을 재생하는 데 사용된다.
• 광업: 압축 석회 카트리지는 생석회의 발열 특성을 이용해 암석을 파쇄하는 데 사용된다. 암석에 뚫은 구멍에 밀봉된 생석회 카트리지를 넣고 물을 주입하면, 발생하는 증기와 수화된 고체의 부피 팽창으로 암석이 갈라진다. 다만, 매우 단단한 암석에는 효과가 제한적이다.^[18][19][20]
• 환경:
• 산화칼슘 고체 스프레이나 슬러리는 배연탈황 공정에서 배기 가스 중의 이산화황을 제거하는 데 사용될 수 있다.
• 칼슘 루핑이라는 공정을 통해 배기 가스에서 이산화탄소를 포집하는 데 사용될 수 있다 (탄소 포집 및 저장).
• 에너지 및 조명:

• 

• 물과 반응하여 수산화칼슘을 형성하면서 상당한 열 에너지를 방출하는 발열 반응을 일으킨다 (ΔH_r = −63.7 kJ/mol of CaO).^[11]

• 이 발열 반응은 자가 가열 캔, 야외 요리 등 편리한 휴대용 열원으로 활용된다. 1리터의 물은 약 3.1kg의 생석회와 결합하여 3.54 MJ의 에너지를 생성할 수 있다.^[12]
• 생석회를 2400°C로 가열하면 강렬한 빛을 방출하는데, 이를 라임라이트라고 한다. 전기 조명이 발명되기 전까지 극장 공연 등에서 널리 사용되었다.^[14][42]
• 기타:
• 생석회와 소석회는 식수 처리에 사용된다.^[10]
• 석유화학 공업에서는 수분 감지 페이스트의 재료로 쓰인다. 산화칼슘과 페놀프탈레인의 혼합물로 만들어지는데, 연료 저장 탱크에 물이 존재하면 산화칼슘이 물과 반응하여 생성된 수산화칼슘이 강한 염기성을 띠므로 페놀프탈레인을 선명한 자주색(분홍색)으로 변화시켜 물의 존재를 시각적으로 나타낸다.
• 도가니의 내화성 내벽 재료로 사용된다.
• 식품첨가물로서 FAO에 의해 산도 조절제, 밀가루 처리제, 팽창제(발효제)로 알려져 있으며, E 번호는 E529이다.^[13]
• 과거에는 생석회가 시체의 분해를 가속한다고 잘못 알려졌으나, 실제로는 오히려 보존을 촉진할 수 있다. 다만 분해 과정에서 발생하는 악취를 제거하는 데는 도움이 될 수 있어 이러한 오해가 생긴 것으로 추정된다.^[21]

4. 2. 환경 분야

4. 3. 기타 용도

5. 대한민국 내 생산 및 소비

전 세계 산화 칼슘 생산량은 연간 2.83억ton이다. 중국의 생산량이 가장 많아 연간 약 1.7억ton이며, 다음으로 미국이 약 2000만ton을 생산한다.^[50]

6. 안전 및 법규

생석회는 물과 반응 시 높은 열을 발생시키므로^[29][52] 취급에 주의가 필요하며, 이 열로 인해 주변의 가연성 물질이 점화될 수 있다.^[29]

과거 소방법에 따라 제3류 위험물로 지정되었으나, 1989년 소방법 개정으로 위험물 분류에서는 제외되었다. 그러나 현행 관련 법규에 따라, 산화 칼슘 함유량 80% 이상인 생석회를 500kg 이상 저장하거나 취급하는 경우 관할 소방서에 신고해야 할 의무가 있다.

6. 1. 건강 영향

7. 역사적 배경

선토기 신석기 시대 B 시기 인류가 바닥재 및 기타 용도로 석회석 기반 회반죽을 사용했다는 고고학적 증거가 있다.^[15][16][17] 이러한 석회-재 바닥은 19세기 후반까지 사용되었다.

고대 로마 콘크리트의 내구성은 생석회를 재료로 사용한 것에 부분적으로 기인하는 것으로 밝혀졌다. 고온 혼합과 결합된 생석회는 특징적으로 취성인 나노 입자 구조를 가진 거시적 크기의 석회 클라스트(clast)를 생성한다. 콘크리트에 균열이 생기면 구조적으로 약한 석회 클라스트를 통과하여 균열이 발생한다. 물이 이러한 균열에 들어가면 탄산칼슘으로 재결정화될 수 있는 칼슘 포화 용액이 생성되어 균열을 신속하게 채운다.^[22]

생석회는 역사적으로 무기로도 사용되었다. 기원전 80년, 로마 장군 세르토리우스는 접근하기 어려운 동굴에 피신한 히스파니아의 카라키타니(Characitani)족을 물리치기 위해 부식성 석회 가루를 이용해 질식시키는 연기를 사용했다.^[23] 서기 178년에는 중국에서 무장 농민 반란을 진압하는 데 유사한 방법이 사용되었는데, '석회 수레'에 부챗살을 장착하여 군중에게 석회석 가루를 날려 보냈다.^[24]

생석회는 그리스의 불의 성분이었을 가능성도 제기된다. 생석회가 물과 접촉하면 온도가 150°C 이상으로 올라가 연료에 불을 붙였을 수 있기 때문이다.^[25][49]

데이비드 흄은 그의 저서 『잉글랜드 역사』에서 헨리 3세 초기 통치 시절, 잉글랜드 해군이 생석회 가루를 프랑스 함선에 던져 병사들의 눈을 멀게 함으로써 침입한 프랑스 함대를 격파했다고 기록했다.^[26][48] 생석회는 중세 해전에서 적선에 던지는 "석회 박격포"와 같은 형태로 사용되었을 가능성이 있다.^[27]

19세기 중반부터 20세기 초반까지는 산화칼슘을 2400°C까지 가열하면 강렬한 빛을 내는 성질을 이용한 라임라이트가 가스등의 발광체로 사용되었다. 이는 전기 조명이 발명되기 전까지 특히 극장에서 널리 쓰였다.^[14][42]

역사적으로 생석회가 시체의 분해를 가속한다고 잘못 알려지기도 했으나, 실제로는 오히려 보존을 촉진할 수 있다. 다만 생석회가 분해 과정에서 발생하는 악취를 줄이는 데 도움이 될 수 있어 이러한 오해가 생긴 것으로 추정된다.^[21]

8. 대체 물질

석회석은 농업, 용융제, 황 제거 등 여러 용도에서 생석회 대신 사용될 수 있다. 석회석은 생석회보다 반응성이 낮고 반응 속도도 느리다는 단점이 있을 수 있지만, 가격이 훨씬 저렴하다는 장점이 있다. 소석고는 산업용 석고와 모르타르를 대체할 수 있다. 시멘트, 시멘트 킬른 더스트, 플라이애시, 석회 킬른 더스트 등은 일부 건설 용도에서 생석회 대신 사용될 수 있다. 수산화마그네슘은 pH 조절 용도로, 산화마그네슘은 제강 과정에서 용융제로서 돌로마이트 생석회를 대체할 수 있다.^[28]

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