수산화 칼륨

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1. 개요
2. 성질 및 구조
- 2.1. 구조
- 2.2. 반응
3. 제조
4. 용도
5. 안전성
참조

1. 개요

수산화 칼륨(KOH)은 높은 열적 안정성을 가지는 무기 화합물로, 펠릿이나 막대 형태로 사용되며 물, 에탄올에 잘 녹아 강알칼리성을 나타낸다. 단백질에 부식성이 있어 극물로 지정되어 있으며, 수산화 나트륨보다 알칼리로서 강도가 크지만, 무기 화학 공업에서는 수산화 나트륨으로 대체되기도 한다. 수산화 칼륨은 다른 칼륨 화합물의 전구체, 부드러운 비누 제조, 전해질, 식품 첨가물, 틈새 응용 분야 등 다양한 용도로 사용된다. 부식성이 강하여 취급에 주의가 필요하며, 중화 반응을 통해 비독성 물질로 만들 수 있다.

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수산화 칼륨 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
수산화 칼륨 알갱이
KOH의 결정 구조
IUPAC 이름	수산화 칼륨
다른 이름	苛性칼리 (ga-seong-kal-li) 양잿물 칼리 액 포타시아 (po-ta-si-a) 수산화 칼륨 KOH
식별 정보
CAS 등록번호	1310-58-3
RTECS 번호	TT2100000
UN 번호	1813
EINECS 번호	215-181-3
SMILES	[K+].[OH-]
표준 InChI	1S/K.H2O/h;1H2/q+1;/p-1
표준 InChIKey	KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M
UNII	WZH3C48M4T
ChEBI	32035
PubChem	14797
ChemSpider ID	14113
물성
분자식	KOH
몰 질량	56.10564 g/mol
외관	조해성을 가진 흰색 고체
냄새	무취
밀도	2.044 g/cm³ (20 °C, 고체)
물에 대한 용해도	85 g/100 mL (-23.2 °C) 97 g/100 mL (0 °C) 121 g/100 mL (25 °C) 138.3 g/100 mL (50 °C) 162.9 g/100 mL (100 °C)
다른 용매에 대한 용해도	에탄올, 글리세롤에 용해; 다이에틸 에터, 액체 암모니아에 불용
메탄올에 대한 용해도	55 g/100 g (28 °C)
아이소프로판올에 대한 용해도	~14 g / 100 g (28 °C)
녹는점	360 °C
끓는점	1320 °C
pKb	-0.7 (KOH(aq) = K⁺ + OH^–)
굴절률	1.409 (20 °C)
자기 감수율	−22.0·10⁻⁶ cm³/mol
pKa	14.7
결정 구조
배위	팔면체
결정계	단사정계 능면체
열화학
표준 생성 엔탈피	-425.8 kJ/mol
엔트로피	79.32 J/mol·K
표준 생성 자유 에너지	-380.2 kJ/mol
열용량	65.87 J/mol·K
위험성
신호어	위험
NFPA 704	건강: 3 화재: 0 반응성: 1 기타: ALK
인화점	불연성
LD50	273 mg/kg (경구, 쥐)
PEL	없음
IDLH	N.D.
REL	C 2 mg/m³
관련 화합물
다른 음이온	황화수소 칼륨 칼륨 아미드
다른 양이온	수산화 리튬 수산화 나트륨 수산화 루비듐 수산화 세슘
관련 화합물	산화 칼륨

2. 성질 및 구조

수산화 칼륨(KOH)은 높은 열적 안정성과 비교적 낮은 녹는점을 가져 펠릿이나 막대 형태로 만들어지는 경우가 많다. 표면적이 적어 취급하기 편리하지만, 조해성 물질이라 공기 중에서 끈적해진다. 상업용 수산화 칼륨은 약 90% 순수하며 나머지는 물과 탄산염이다.^[11]

물에 녹으면 강한 발열 반응을 일으키며, 농축된 수용액은 수산화 칼륨 잿물이라고 불린다. 고체 KOH는 고온에서도 쉽게 탈수되지 않는다.^[12] 조해성이 있어 물, 에탄올에 잘 녹고, 수용액은 강알칼리성을 띤다. 단백질에 대해 강한 부식성을 가져 독물 및 극물 단속법에 의해 극물로 지정되어 있다.

수화열 및 물에 대한 용해열은 수산화 나트륨보다 크다.^[29]

수산화 나트륨보다 알칼리 강도가 더 크지만, 무기 화학 공업에서는 저렴하고 성질이 비슷한 수산화 나트륨으로 대체되기도 한다. 그러나 벤젠설폰산염을 알칼리 융해할 때나 유지의 검화 반응처럼, 수산화 칼륨이 필요한 경우도 있다. 이는 묽은 수용액에서는 수평화 효과로 염기성 차이가 거의 없지만, 진한 수용액이나 용융염에서는 칼륨 이온이 나트륨 이온보다 이온 반지름이 커 수산화물 이온과의 상호작용이 작아져 더 강한 염기성을 나타내기 때문이다.

이산화 탄소 흡수 능력이 뛰어나며, 특히 고체 및 진한 수용액에서 수산화 나트륨보다 강하다. 이는 생성된 탄산 칼륨의 용해도가 탄산 나트륨보다 크기 때문이다.

:2KOH + CO2 -> K2CO3 + H2O

과거에는 식물을 태운 재가 칼륨 자원이었지만, 현재는 암염 광산의 부산물(복염) 등이 사용된다. 대한민국은 칼륨 광물 자원이 없어 수입에 의존하며, 나트륨보다 산출량이 적어 칼륨 화합물은 대체로 더 비싸다.

2. 1. 구조

고온에서 고체 수산화 칼륨(KOH)은 염화 나트륨(NaCl) 결정 구조를 갖는다. 실온에서는 OH|OH^영어^- 그룹이 정렬되어 있으며, K|K^영어⁺ 중심 주변 환경은 왜곡되어 있고, K|K^영어⁺-OH|OH^영어^- 거리는 OH 그룹의 방향에 따라 2.69~3.15 Å이다. KOH는 일련의 결정성 수화물을 형성하며, 구체적으로 일수화물 KOH * H2O^영어, 이수화물 KOH * 2H2O^영어 및 사수화물 KOH * 4H2O^영어이다.^[13]

2. 2. 반응

수산화 칼륨은 강염기로서 다양한 화학 반응에 참여한다. 수산화 나트륨보다 강한 염기성을 띠는 경우가 많아, 가수 분해와 같이 더 강한 염기성이 필요한 반응에 사용된다.^[29]

수화열 및 물에 대한 용해열은 수산화 나트륨보다 크다.^[29]

:{KOH(s)} + H2O(l) <=> KOH \cdot H2O(s),

\mathit{\Delta} H^\circ = -38.31 \mbox{kJ mol}^{-1}

:KOH(s) <=> {K^+(aq)} + OH^-(aq),

\mathit{\Delta} H^\circ = -57.61 \mbox{kJ mol}^{-1}

벤젠설폰산염을 알칼리 융해할 때 수산화 나트륨만으로는 반응이 잘 일어나지 않지만, 수산화 칼륨을 일부 첨가하면 반응이 빠르게 진행된다. 유지의 검화 반응도 수산화 칼륨이 알코올에 더 잘 녹기 때문에 수산화 나트륨보다 쉽게 진행된다. 이는 묽은 수용액에서는 수평화 효과 때문에 염기성의 차이가 크지 않지만, 진한 수용액이나 용융염 상태에서는 칼륨 이온이 나트륨 이온보다 이온 반지름이 커서 수산화물 이온과의 상호작용이 작아지므로 수산화 칼륨이 더 강한 염기성을 나타내기 때문이다.

수산화 칼륨은 이산화 탄소를 흡수하는 성질이 있는데, 고체나 진한 수용액 상태에서 수산화 나트륨보다 흡수 능력이 뛰어나다. 이는 생성되는 탄산 칼륨의 용해도가 탄산 나트륨보다 크기 때문이다.^[29]

:2KOH + CO2 -> K2CO3 + H2O

강한 염기성 때문에 가성 소다 (수산화 나트륨)나 계면 활성제와 함께 세정제로 사용되어 기름때나 담배 진 제거에 효과적이다. 하지만 위험한 성질을 가지므로 주로 업무용으로 사용된다. 탄산 칼륨의 원료나 의약품 제조에도 사용된다.

독우산광대버섯과 흰알광대버섯 등의 일부 버섯을 판별하거나, 피부 조직 검사를 통해 진균류 감염 여부를 확인하는 데에도 사용된다.

2. 2. 1. 용해도 및 건조 성질

상온에서 약 112g의 수산화 칼륨(KOH)이 물 100mL에 녹으며, 이는 수산화 나트륨(NaOH)의 100g/100mL와 대조적이다.^[14] 몰 기준으로 KOH가 NaOH보다 약간 더 잘 녹는다. 메탄올, 에탄올, 프로판올과 같은 저분자량의 알코올 역시 훌륭한 용매이며, 이들은 산-염기 평형에 참여한다. 메탄올의 경우, 칼륨 메톡사이드(메틸레이트)가 생성된다.^[15]

수산화 칼륨은 물에 대한 친화력이 높아 실험실에서 건조제로 사용된다. 특히 아민과 피리딘과 같은 염기성 용매를 건조하는 데 자주 사용된다. 조해성이 있으며, 물, 에탄올에 잘 녹으며, 수용액은 강알칼리성을 나타낸다.

2. 2. 2. 유기 화학에서의 친핵체 역할

수산화 칼륨(KOH)은 수산화 나트륨(NaOH)과 같이 의 공급원 역할을 하는 강한 친핵체이다. 수용액 상태의 KOH는 에스터를 비누화하여 칼륨 비누를 생성한다.^[16] 이 반응은 피부의 지방을 비누와 글리세롤로 빠르게 전환시켜 KOH를 만졌을 때 "미끄러운" 느낌을 준다.

용융된 KOH는 할로젠화물 및 기타 이탈기를 치환하는 데 사용되며, 특히 방향족 시약에서 해당 페놀을 생성하는 데 유용하다.^[16]

수산화 나트륨보다 알칼리로서 강도가 더 크지만, 칼륨 제품을 얻는 경우를 제외하고는 무기 화학 공업에서는 저렴하고 성질이 비슷한 수산화 나트륨으로 대체되기도 한다. 하지만, 벤젠설폰산염을 알칼리 융해할 때 수산화 나트륨만으로는 반응이 거의 진행되지 않지만, 수산화 칼륨을 일부 첨가하면 반응이 빠르게 완료된다. 또한, 유지의 검화는 수산화 나트륨 수용액에서는 시간이 오래 걸리지만, 수산화 칼륨은 알코올에 잘 녹아 균일하게 반응이 쉽게 진행된다.

이는 희박 수용액에서는 수평화 효과에 의해 염기성의 차이가 거의 없지만, 농후 수용액이나 용융염에서는 수산화 나트륨보다 활성도가 높아져 더 강한 염기성이 발휘되기 때문이다. 이는 나트륨 이온보다 칼륨 이온의 이온 반지름이 커서 수산화물 이온과의 상호 작용이 작기 때문이다.

가수 분해 등에서 더 강한 염기성이 필요할 경우 수산화 칼륨이 사용된다. 유지의 검화가를 적정으로 조사하기 위해 페놀프탈레인을 지시약으로 하여 에탄올에 유지를 녹여 데운 후, 수산화 칼륨의 에탄올 용액을 적하한다. 수산화 나트륨은 에탄올에 잘 녹지 않고 반응 속도도 느려 사용되지 않으며, 검화가의 정의에는 KOH의 식량이 포함된다.

2. 2. 3. 무기 화합물과의 반응

산화물과의 반응에서, 이산화 규소(SiO₂)는 수산화 칼륨에 의해 공격받아 용해성 규산 칼륨을 생성한다. 또한, 수산화 칼륨은 이산화 탄소와 반응하여 탄산 수소 칼륨을 생성한다.^[29]

:KOH + CO₂ → KHCO₃

많은 염기에서 볼 수 있듯이 이산화 탄소를 흡수하는 성질을 가지며, 그 능력은 고체 및 농후 수용액에서 수산화 나트륨보다 강하다. 이는 생성된 탄산 칼륨의 물에 대한 용해도가 탄산 나트륨보다 크기 때문이다.^[29]

:2KOH + CO₂ → K₂CO₃ + H₂O

3. 제조

역사적으로 수산화 칼륨(KOH)은 수산화 칼슘(소석회) 용액에 탄산 칼륨을 첨가하여 제조되었다. 이 염 메타테스 반응은 고체 탄산 칼슘의 침전을 유발하여 수산화 칼륨을 용액에 남긴다.

침전된 탄산 칼슘을 걸러내고 용액을 끓이면 수산화 칼륨("소성 또는 부식성 가성가리")이 얻어진다. 이러한 수산화 칼륨 생산 방식은 19세기 말까지 지배적이었으며, 이후 염화 칼륨 용액의 전기 분해라는 현재의 방식으로 대부분 대체되었다.^[11] 이 방법은 수산화 나트륨의 제조와 유사하다(클로르알칼리 공정 참조).

수소 가스는 음극에서 부산물로 생성된다. 동시에 염화물 이온의 양극 산화가 일어나 염소 가스가 부산물로 생성된다. 이 공정에는 전기 분해 전지에서 양극과 음극 공간을 분리하는 것이 필수적이다.^[17]

4. 용도

수산화 나트륨(NaOH)과 수산화 칼륨(KOH)은 여러 용도로 서로 바꿔 사용할 수 있지만, 산업에서는 더 저렴한 수산화 나트륨이 선호된다. 하지만 가수 분해 등에서 더 강한 염기성이 필요할 경우 수산화 칼륨이 사용된다. 유지의 검화가 측정에는 페놀프탈레인을 지시약으로 사용하며, 수산화 칼륨의 에탄올 용액을 사용한다. 수산화 나트륨은 에탄올에 잘 녹지 않고 반응 속도도 느리기 때문에 검화가 측정에는 수산화 칼륨이 사용된다.^[11]

일반적으로 수산화 칼륨은 폐유, 모발로 인한 배관 막힘 세정제나 비누 재료로 사용된다. 수산화 나트륨은 고체 비누, 수산화 칼륨은 액체 비누의 재료이다. 강한 염기성을 이용해 가성 소다(수산화 나트륨)나 계면 활성제와 함께 세정제로 사용되기도 한다. 심한 기름때나 담배 진 제거에 효과적이지만, 위험성 때문에 주로 업무용으로 사용된다.

탄산 칼륨의 원료, 의약품 제조에도 사용된다. 2008년 일본 내 수산화 칼륨(고체+액체) 생산량은 136,272t, 소비량은 28,044t이었다.

독우산광대버섯과 흰알광대버섯 등 일부 버섯 판별, 피부과에서 사람의 피부 조직을 녹여 진균류 감염 여부를 검사하는 방법(피부 병변 KOH 검사)에도 사용된다.^[26] 독우산광대버섯은 수산화칼륨 용액에 닿으면 황변하지만, 흰알광대버섯은 변색되지 않는다.

4. 1. 수열 가스화 공정 촉매

수열 가스화 공정에서 수산화 칼륨(KOH)은 가스 수율과 수소량을 향상시키는 좋은 촉매로 사용된다.^[18] 예를 들어, 석탄에서 코크스를 생산할 때 많은 코크스 폐수가 발생하는데, 초임계 유체를 이용하여 이를 일산화 탄소, 이산화 탄소, 수소, 메탄을 포함하는 합성 가스로 전환한다. 압력 변동 흡착을 사용하여 다양한 가스를 분리한 다음 파워 투 가스 기술을 사용하여 연료로 전환할 수 있다.^[18] 한편, 수열 가스화 공정은 하수 슬러지 및 식품 공장 폐기물과 같은 다른 폐기물도 분해할 수 있다.

4. 2. 다른 칼륨 화합물의 전구체

많은 칼륨 염은 수산화 칼륨을 포함하는 중화 반응으로 제조된다. 탄산 칼륨, 시안화 칼륨, 과망간산 칼륨, 인산 칼륨 및 다양한 규산염의 칼륨 염은 산화물 또는 산을 수산화 칼륨과 반응시켜 제조한다.^[11]

4. 3. 부드러운 비누 제조

수산화 나트륨을 이용해 만든 비누보다 더 부드러운 칼륨 비누를 만들기 위해 지방의 비누화에 사용한다.^[19] 칼륨 비누는 부드럽고 용해도가 높아 액화에 물이 덜 필요하며, 액화된 나트륨 비누보다 더 많은 세정제를 함유할 수 있다.^[19]

4. 4. 전해질

수용액 상태의 수산화 칼륨은 니켈-카드뮴, 니켈-수소, 이산화 망간-아연을 기반으로 하는 알칼리 전지의 전해질로 사용된다. 수산화 칼륨은 수산화 나트륨보다 용액의 전도성이 더 높기 때문에 선호된다.^[20] 토요타 프리우스의 니켈 수소 배터리는 수산화 칼륨과 수산화 나트륨의 혼합물을 사용한다.^[21] 니켈-철 배터리 또한 수산화 칼륨 전해질을 사용한다.

4. 5. 식품 산업

식품에서 수산화 칼륨은 식품 증점제, pH 조절제 및 식품 안정제로 작용한다. 미국 식품의약국(FDA)은 우수 제조 관리 기준에 따라 사용될 경우 직접 식품 첨가물로 일반적으로 안전하다고 간주한다.^[22] E 번호 시스템에서는 E525로 알려져 있다.

4. 6. 틈새 응용 분야

수산화 칼륨은 수산화 나트륨과 같이 다양한 특수 용도로 사용되며, 그 대부분은 강한 화학 염기로서 여러 물질을 분해하는 능력에 기반한다. 예를 들어, "화학적 화장" 또는 "레소메이션"이라고 불리는 과정에서 수산화 칼륨은 동물과 사람의 연조직을 분해하여 뼈와 기타 경조직만 남도록 한다.^[23] 곤충학자들은 곤충의 미세 구조를 연구하기 위해 10% 수산화 칼륨 수용액을 사용하기도 한다.^[24]

화학 합성에 있어서 수산화 칼륨(KOH)과 수산화 나트륨(NaOH) 중 어떤 것을 사용할지는 생성되는 염의 용해도나 보존성에 따라 결정된다.

수산화 칼륨의 부식성은 KOH에 의한 부식에 견딜 수 있는 표면과 재료를 청소하고 소독하는 데 유용한 성분으로 만든다.^[17] 또한 반도체 칩 제조(예: 비등방성 습식 에칭)에도 사용된다.

수산화 칼륨은 매니큐어 트리트먼트에 사용되는 화학적 "큐티클 제거제"의 주요 활성 성분이기도 하다.

공격적인 염기는 모발의 큐티클을 손상시키기 때문에, 수산화 칼륨은 동물 가죽에서 털을 화학적으로 제거하는 데 사용된다. 무두질 공정의 털 제거 단계를 준비하기 위해 가죽을 KOH와 물 용액에 몇 시간 동안 담가둔다. 이와 같은 효과는 면도 준비를 위해 인모를 약화시키는 데에도 사용된다. 면도 전 제품과 일부 면도 크림에는 수산화 칼륨이 포함되어 있어 모발 큐티클을 강제로 열고 흡습제 역할을 하여 물을 모발로 끌어들여 더 많은 손상을 입힌다. 이렇게 약화된 상태에서 모발은 면도날로 더 쉽게 잘린다.

수산화 칼륨은 일부 곰팡이 종을 식별하는 데 사용된다. 3–5% 수산화 칼륨 수용액을 버섯의 살에 바르고 연구자는 살의 색상이 변하는지 여부를 기록한다. 특정 종의 주름버섯, 볼레테, 구멍장이버섯 및 지의류^[25]는 이 색상 변화 반응을 기반으로 식별할 수 있다.^[26] 독우산광대버섯과 흰알광대버섯을 구별할 때도 사용되는데, 독우산광대버섯은 수산화칼륨 용액을 묻히면 황변하지만, 흰알광대버섯은 변색하지 않는다.

피부과에서는 사람으로부터 채취한 피부 조직을 녹여, 진균류에 감염되었는지 검사하는 방법 (피부 병변 KOH 검사)에도 사용된다.

5. 안전성

수산화 칼륨은 부식성 알칼리이며, 그 용액은 낮은 농도에서는 피부 및 기타 조직에 자극을 주지만 높은 농도에서는 부식성이 매우 강하다. 특히 눈은 취약하며, 먼지나 미스트는 폐에 심한 자극을 주어 폐부종을 유발할 수 있다.^[27] 안전 고려 사항은 수산화 나트륨의 안전성과 유사하다.

수산화 칼륨의 부식성은 높은 알칼리성에서 기인하지만, 비독성 산으로 중화하면 비독성 칼륨 염이 된다. 식품 첨가물로는 코드 E525로 승인되었다.

참조

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_[39] 간행물 PGCH

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