수산화 나트륨은 상온에서 무색무취의 고체로, 강한 조해성과 강한 알칼리성을 띠며 물에 잘 녹는다. 이 물질은 강한 부식성을 가지고 있어 피부, 눈, 점막 등에 접촉 시 심각한 화학적 화상을 유발할 수 있으며, 섭취 시 심각한 소화기 손상을 일으킬 수 있어 취급에 주의해야 한다. 수산화 나트륨은 제지, 알루미늄 생산, 석유 정제, 비누 및 세제 제조 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되며, 배수구 세척제와 같은 가정용 제품에도 사용된다. 공업적으로는 염화 나트륨 수용액의 전기분해를 통해 생산되며, 대한민국에서는 유해화학물질로 지정되어 관리되고 국제 운송 시 부식성 물질로 규제된다.
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수산화 나트륨 - [화학 물질]에 관한 문서
개요
시계 접시 안의 수산화 나트륨 알갱이
단위 세포, 공간 채우기 모형 (나트륨, Na: 보라색, 산소, O: 빨간색, 수소, H: 흰색)
수산화 나트륨은 상온에서 무색무취의 고체이며, 시중에서는 주로 흰색 알갱이나 얇은 조각 형태로 유통된다. 대표적인 특징으로 강한 조해성이 있어 공기 중의 수증기를 쉽게 흡수하여 스스로 녹는 현상을 보이며, 공기 중의 이산화탄소와 반응하여 탄산 나트륨으로 변질되기도 한다.[56] 이 때문에 습기와 공기를 차단하여 밀폐 보관해야 한다.
물에 녹을 때 많은 열을 방출하는 강한 발열 반응을 보이며, 물에 녹아 강한 염기성(알칼리) 용액이 된다.[56] 이러한 강한 염기성은 산과의 중화 반응뿐만 아니라, 유리를 서서히 부식시키고 알루미늄과 같은 특정 금속과 반응하여 수소 기체를 발생시키는 원인이 된다.
또한 단백질이나 지방을 가수분해하는 성질이 매우 강하여 피부, 머리카락 등 생체 조직에 닿으면 심각한 화학 화상을 일으킬 수 있다. 이러한 강한 부식성 때문에 '가성소다(苛性소다)'라는 별칭으로도 불린다.[57][58] 따라서 취급 시에는 보호 장비를 착용하는 등 각별한 주의가 필요하다.
공업적으로는 고체 형태 외에도 약 48% 농도의 수용액 형태로도 많이 유통된다. 이 수용액은 어는점 약 10°C, 끓는점 약 138°C이다.
2. 1. 물리적 성질
순수한 수산화 나트륨은 무색무취의 결정성 고체이다. 녹는점은 318°C이며 분해되지 않고 녹고, 끓는점은 1388°C이다.[13] 밀도는 2.13 g/cm3이다. 조해성이 강하여 공기 중에 방치하면 수분을 흡수하여 스스로 녹는 현상을 보인다. 또한 공기 중의 이산화탄소를 흡수하여 탄산 나트륨을 생성하므로 밀폐하여 보관해야 한다.[56]
: 2 NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O
물에 매우 잘 녹으며(20°C에서의 용해도는 1110 g/L), 에탄올이나 메탄올과 같은 극성용매에도 녹지만 용해도는 낮다.[13] 에테르와 같은 비극성 용매에는 녹지 않는다. 물에 녹는 과정은 황산의 수화와 유사하게 매우 강한 발열 반응으로[14], 많은 열(용해열 44.5 kJ/mol[56])이 발생하여 용액이 튈 수 있으므로 주의해야 한다. 수용액은 일반적으로 무색무취이며, 다른 알칼리성 용액처럼 피부에 닿으면 비누화 반응으로 인해 미끈거리는 느낌이 난다. 강알칼리성은 단백질의 펩티드 결합이나 유지의 에스터 결합을 가수분해하므로 생체 조직을 부식시킨다. 이 때문에 '가성소다'라는 이름으로도 불린다. 피부에 닿으면 화학 화상을 입을 수 있으므로 즉시 다량의 물로 씻어내야 하며, 특히 눈에 들어갔을 경우 흐르는 물로 10분 이상 씻고 즉시 의사의 진료를 받아야 한다.[57][58]
농축된(50%) 수산화 나트륨 수용액의 점도는 실온에서 78 mPa·s로, 물(1.0 mPa·s)보다 훨씬 높고 올리브 오일(85 mPa·s)과 비슷하다. 다른 액체처럼 온도가 증가하면 점도는 감소한다. 수산화 나트륨 용액의 점도는 저장 및 사용 방식에 영향을 미친다.[13]
수산화 나트륨은 여러 종류의 수화물(NaOH·nH2O)을 형성하며, 이는 복잡한 용해도 양상을 보인다.[15] 알려진 수화물과 해당 포화 수용액의 대략적인 온도 및 농도(NaOH 질량 백분율) 범위는 다음과 같다.[17]
수화물
온도 범위 (°C)
농도 범위 (NaOH 질량 %)
칠수화물 (NaOH·7H2O)
-28°C ~ -24°C
18.8% ~ 22.2%[15]
오수화물 (NaOH·5H2O)
-24°C ~ -17.7°C
22.2% ~ 24.8%[15]
사수화물 (NaOH·4H2O), α형
-17.7°C ~ 5.4°C
24.8% ~ 32.5%[15][16]
사수화물 (NaOH·4H2O), β형
준안정[15][16]
삼반수화물 (NaOH·3.5H2O)
5.4°C ~ 15.38°C 및 5°C
32.5% ~ 38.8% 및 45.7%[15][17]
삼수화물 (NaOH·3H2O)
준안정[15]
이수화물 (NaOH·2H2O)
5°C ~ 12.3°C
45.7% ~ 51%[15][17]
일수화물 (NaOH·H2O)
12.3°C ~ 65.1°C 및 62.63°C
51% ~ 69% 및 73.1%[15][18]
이 중 안정적인 녹는점을 갖는 수화물은 NaOH·H2O(65.1°C)와 NaOH·3.5H2O(15.38°C)뿐이다. 다른 수화물(준안정형 제외)은 특정 조건에서 용액으로부터 결정화될 수 있지만, NaOH 용액은 과냉각되기 쉬워 다양한 수화물이 형성될 수 있다.[17][18] 예를 들어, NaOH 52.6%(질량) 용액을 냉각하면 보통 22°C 근처에서 일수화물이 먼저 결정화되지만, -15°C까지 과냉각되면 이수화물이 빠르게 형성될 수 있다.[17]
세 가지 안정적인 공융점이 존재한다:
약 62.63°C에서 NaOH 73.1%(질량) 용액은 무수물과 일수화물 결정의 혼합물로 응고된다.[19][18]
약 4.9°C에서 NaOH 45.4%(질량) 용액은 이수화물과 삼반수화물 결정의 혼합물로 응고된다.[17]
약 -28.7°C에서 NaOH 18.4%(질량) 용액은 물 얼음과 칠수화물 결정의 혼합물로 응고된다.[15][20]
시판되는 "수산화 나트륨"은 종종 일수화물(밀도 1.829 g/cm3) 형태이다.
무수 NaOH와 일수화물은 각각 사방정계 결정을 형성한다. 무수물은 공간군 Cmcm, 일수화물은 Pbca에 속한다. 일수화물의 단위 셀 크기는 a = 1.1825 nm, b = 0.6213 nm, c = 0.6069 nm이다. 원자들은 수산화 알루미늄과 유사한 층상 구조로 배열되며, 나트륨 원자는 6개의 산소 원자(수산화 이온 3개, 물 분자 3개)에 둘러싸여 있다. 층 내에서는 강한 수소 결합이 존재하며, 인접한 층은 물 분자 사이의 수소 결합으로 연결된다.[21]
수산화 나트륨은 유리를 서서히 부식시켜 규산 나트륨을 생성하므로 유리 용기, 특히 유리 마개 사용은 피해야 한다. 또한, 알루미늄과 같은 양쪽성 원소와 반응하여 알루민산 나트륨 수용액을 만들고 수소 기체를 발생시킨다. 아연이나 갈륨 등도 진한 수용액과 반응한다.
: 2 NaOH + 2 Al + 6 H2O → 2 Na[Al(OH)4] + 3 H2
2. 2. 화학적 성질
수산화 나트륨은 물에 잘 녹아 강한 염기성을 나타낸다. 물에 녹을 때 많은 열을 방출하는 발열 반응이 일어나며, 물 분자와 결합하여 수화물을 형성하기도 한다.[56]
NaOH(s) <=> Na+(aq) + OH-(aq), ΔH° = -44.51 kJ mol⁻¹[56] 산과의 반응 (중화)산과 반응하여 염과 물을 생성하는 중화 반응을 일으킨다. 예를 들어, 염산(HCl)과 반응하면 염화 나트륨(NaCl)과 물이 생성된다.
NaOH(aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H2O(l)
이러한 중화 반응의 알짜 이온 반응식은 다음과 같다.
OH-(aq) + H+(aq) → H2O(l)
강산과의 중화 반응은 상당한 열을 방출하는 발열 반응이며, 산-염기 반응은 적정에 이용될 수 있다. 그러나 수산화 나트륨은 공기 중의 수분을 흡수하는 조해성이 있고 이산화 탄소를 흡수하여 탄산 나트륨으로 변하기 때문에 일차 표준 물질로는 사용되지 않는다. 산성 산화물과의 반응이산화 황(SO₂)이나 이산화 탄소(CO₂)와 같은 산성 산화물과 반응하여 염을 생성한다.
2 NaOH + SO2 → Na2SO3 + H2O
2 NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O
이러한 성질을 이용하여 석탄 연소 시 발생하는 유해한 산성 가스(예: SO₂, H₂S)를 제거하는 세정 시설에 사용되어 대기 오염을 줄이는 데 기여한다. 또한, 실험실에서는 이산화 탄소 흡수제로 사용되기도 한다. 금속과의 반응
양쪽성 금속: 알루미늄(Al), 아연(Zn), 납(Pb)과 같은 양쪽성 금속은 수산화 나트륨 수용액과 반응하여 수소(H₂) 기체를 발생시키고 각각 알루민산 나트륨, 아연산 나트륨, 납산 나트륨과 같은 염을 형성한다.
2 Al + 2 NaOH + 6 H2O → 2 Na[Al(OH)4] + 3 H2
1986년 영국에서는 알루미늄 탱크 트럭에 실수로 25% 수산화 나트륨 용액을 넣어 수소 기체가 발생하고 압력이 높아져 탱크가 손상되는 사고가 있었다.[23] 이 반응은 금속 표면을 식각하거나 양극 산화 피막을 제거하는 데 사용될 수 있다. 또한, 알루미늄 생산의 핵심 공정인 베이어 공정에서는 보크사이트에 포함된 알루미나(Al₂O₃)를 수산화 나트륨 용액에 녹여 분리하고 정제하는 데 이 반응을 이용한다. 알루미나는 양쪽성 산화물이므로 강염기성 용액에 녹지만, 산화 철과 같은 불순물은 녹지 않고 적색 침전물로 제거된다. 아연과 납 염도 진한 수산화 나트륨 용액에 녹아 각각 Na2ZnO2 또는 Na2PbO2 형태의 투명한 용액을 만든다.
전이 금속: 수용액 상태에서 대부분의 전이 금속수산화물은 물에 잘 녹지 않는다. 따라서 수산화 나트륨 용액을 첨가하면 전이 금속 이온을 수산화물 형태로 침전시킬 수 있다. 생성되는 침전물의 색깔은 금속의 종류에 따라 다르다.
수산화 알루미늄 침전은 정수 처리 과정에서 미세 입자를 제거하는 응집제로 사용되기도 한다.
철과의 반응: 상온에서는 철(Fe)을 부식시키지 않지만, 500°C 이상의 고온에서는 철과 흡열 반응하여 산화 철(III)(Fe₂O₃), 나트륨(Na) 금속, 수소(H₂) 기체를 생성할 수 있다.[22]
4 Fe + 6 NaOH → 2 Fe2O3 + 6 Na + 3 H2 (용융 상태 반응) 유리 및 규산염과의 반응실온에서도 유리의 주성분인 이산화 규소(SiO₂)와 서서히 반응하여 녹는 규산 나트륨(Na₂SiO₃)을 형성한다.
2 NaOH + SiO2 → Na2SiO3 + H2O
이 때문에 수산화 나트륨 용액을 유리 용기, 특히 스톱콕이나 마개가 있는 유리 용기에 장기간 보관하면 유리가 부식되어 표면이 뿌옇게 되거나 마개 부분이 고착될 수 있다. 고온에서는 이러한 부식 작용이 더 빠르게 일어난다. 따라서 수산화 나트륨 용액은 유리 마개가 아닌 고무나 플라스틱 마개를 사용하여 밀봉 보관하는 것이 좋다. 유기 화합물과의 반응 (가수분해)
에스터 가수분해 (비누화): 유지(지방)의 에스터 결합을 가수분해하여 지방산 나트륨(비누)과 글리세롤을 생성한다. 이를 비누화 반응이라고 한다.
아미드 가수분해: 단백질을 구성하는 아미드 결합(펩타이드 결합)을 가수분해한다. 이 때문에 수산화 나트륨은 피부, 머리카락 등 생체 조직에 강한 부식성을 나타낸다. '가성(苛性) 소다'라는 이름은 이러한 부식성 때문에 붙여졌다. 피부에 닿으면 단백질과 지방이 분해되면서 미끈거리는 느낌이 나며, 심한 화학 화상을 입을 수 있으므로 취급 시 각별한 주의가 필요하다.[57][58]
기타: 알킬 할라이드의 가수분해에도 사용될 수 있다.[13] 하지만 유기 용매에 대한 용해도가 낮아, 유기 반응에서는 종종 용해도가 더 좋은 수산화 칼륨(KOH)이 선호된다.
조해성 및 이산화 탄소 흡수수산화 나트륨은 공기 중의 수분을 흡수하여 스스로 녹는 조해성이 매우 강하다. 또한 공기 중의 이산화 탄소를 흡수하여 탄산 나트륨으로 변질된다.
2 NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O
따라서 고체 수산화 나트륨이나 그 수용액은 공기와의 접촉을 차단하여 밀폐된 용기에 보관해야 한다. 시판되는 수산화 나트륨 시약에는 표면에 생성된 약간의 탄산 나트륨이 포함되어 있을 수 있다. 하지만 50% 정도의 고농도 수용액에서는 탄산 나트륨의 용해도가 매우 낮아 대부분 침전되므로, 이를 제거하고 비교적 순수한 수산화 나트륨 용액을 얻을 수 있다.
3. 제조
수산화 나트륨은 주로 공업적으로 생산되며, 가장 일반적인 방법은 염화 나트륨(소금) 수용액을 전기분해하는 염소-알칼리 공정이다.[24] 이 과정에서 염소 기체와 수소 기체가 부산물로 함께 생성된다.[24] 생산된 수산화 나트륨 수용액은 농축 과정을 거쳐 다양한 농도로 사용되거나, 물을 증발시켜 플레이크, 프릴, 주조 블록 형태의 고체로 만들어 판매된다.[25]
역사적으로는 탄산 나트륨을 수산화 칼슘(소석회)과 반응시키는 복분해 반응을 통해 생산하기도 했다. 이 방법은 '가성화(causticization)'라고 불렸으며, 수산화 나트륨은 용해되고 부산물인 탄산 칼슘은 침전되는 원리를 이용한 것이다.[27] 그러나 현재 이 방법은 효율성이 더 높은 염소-알칼리 공정으로 대체되었다.
또한, 순수한 나트륨 금속을 물과 직접 반응시켜 수산화 나트륨을 얻을 수도 있다. 이 반응은 많은 열과 수소 기체를 발생시키며 폭발 위험이 있어 매우 위험하다. 따라서 상업적인 생산에는 거의 사용되지 않고, 주로 교육적인 목적의 시연 등에서 알칼리 금속의 반응성을 보여주기 위해 사용된다.
3. 1. 상업적 생산
수산화 나트륨은 주로 염화 나트륨(NaCl) 수용액을 전기분해하는 염소-알칼리 공정을 통해 공업적으로 대량 생산된다.[24] 이 공정에서는 음극에서 수소 기체(H₂)가, 양극에서는 염소 기체(Cl₂)가 발생하며, 용액에는 수산화 나트륨(NaOH)이 남게 된다. 전체 반응식은 다음과 같다.
초기에는 32% 농도의 수산화 나트륨 수용액으로 생산된 후, 50% 농도로 농축된다.[24] 이 수용액에서 물을 증발시키면 고체 수산화 나트륨을 얻을 수 있으며, 이는 보통 플레이크(flake), 프릴(prill), 또는 주조된 블록 형태로 판매된다.[25]
역사적으로는 탄산 나트륨(Na₂CO₃)을 수산화 칼슘(소석회, Ca(OH)₂)과 반응시키는 복분해 반응을 통해 수산화 나트륨을 생산하기도 했다. 이 방법은 수산화 나트륨은 물에 잘 녹지만 반응 부산물인 탄산 칼슘(CaCO₃)은 침전되는 성질을 이용한 것으로, '가성화(causticization)' 공정이라고 불렸다.[27]
Ca(OH)₂(aq) + Na₂CO₃(s) → CaCO₃(s) + 2 NaOH(aq)
이 공정에 필요한 탄산 나트륨은 19세기 초에는 르블랑 공정, 후반에는 솔베이 공정을 통해 생산되었으나, 가성화 공정 자체는 현재 효율성이 더 높은 염소-알칼리 공정으로 완전히 대체되었다.
염소-알칼리 공정에는 과거 수은법과 격막법 등이 사용되었다. 특히 수은법은 수은 유출로 인한 심각한 환경 문제(예: 미나마타병)를 일으켰다. 이 때문에 일본을 비롯한 여러 국가에서는 수은법 사용을 규제하였고, 격막법을 거쳐 현재는 대부분 이온교환막법을 사용한다. 이온교환막법은 염소와 수산화 나트륨을 동시에 생산하며, 어느 한쪽만을 선택적으로 생산하기는 어렵다. 최근에는 수소를 부산물로 생성하지 않고 이온교환막법보다 소비 전력이 적은 가스확산전극법도 개발되어 2013년부터 일본에서 상업 운전을 시작했다.[59]
2022년 기준으로 전 세계 수산화 나트륨 생산량은 약 8300만ton (건조톤 기준), 수요는 약 5100만ton으로 추산된다.[25] 1998년의 세계 총 생산량은 약 4500만ton이었으며, 북미와 아시아가 각각 약 1400만ton, 유럽이 약 1000만ton을 생산했다. 미국에서는 올린(Olin)이 주요 생산업체로, 연간 약 570만ton을 생산하며, 그 외 옥시켐(Oxychem), 웨스트레이크(Westlake), 신테크(Shintek), 포모사(Formosa) 등의 업체가 있다. 이들 업체는 모두 염소-알칼리 공정을 사용한다.[26]
이 반응은 폭발성이 있어 매우 위험하며, 주로 학술 환경에서 알칼리 금속의 반응성을 보여주기 위한 시연 용도로 사용될 뿐 상업적인 생산에는 이용되지 않는다. 다만, 수은법 공정에서 생성된 나트륨 아말감을 물과 반응시키는 경우는 예외이다.
3. 2. 실험실 제법
실험실에서는 수산화 칼슘(Ca(OH)₂) 수용액에 탄산 나트륨(Na₂CO₃)을 반응시키는 복분해 반응을 이용하여 수산화 나트륨을 만들 수 있다. 이 방법은 과거 공업적으로 사용되던 가성화 공정과 원리가 같으며, 실험실 환경에서 비교적 간편하게 수산화 나트륨을 얻을 수 있는 방법이다.[27] 반응이 진행되면 물에 녹지 않는 탄산 칼슘(CaCO₃)이 침전물로 생성되고, 수용액 상태의 수산화 나트륨이 남게 된다.
순수한 나트륨(Na) 금속을 물(H₂O)과 직접 반응시켜 수산화 나트륨을 얻을 수도 있다. 이 반응은 매우 격렬하게 일어나며 많은 열과 수소(H₂) 기체를 발생시키고, 때로는 불꽃을 동반하기도 한다. 반응의 위험성 때문에 상업적으로는 거의 사용되지 않지만, 학교 실험실 등에서는 알칼리 금속의 높은 반응성을 보여주기 위한 시연 용도로 사용되기도 한다.
: 2 Na(s) + 2 H2O(l) → 2 NaOH(aq) + H2(g)↑
염화 나트륨(NaCl) 수용액을 전기분해하는 방법으로도 수산화 나트륨을 제조할 수 있다. 이는 공업적으로 널리 사용되는 염소-알칼리 공정의 기본 원리와 동일하다. 전극에 전압을 걸어주면 음극에서는 물이 분해되어 수소 기체와 수산화 이온(OH⁻)이 생성되고, 양극에서는 염화 이온(Cl⁻)이 산화되어 염소 기체(Cl₂)가 발생한다. 결과적으로 용액에는 수산화 나트륨이 생성된다.
수산화나트륨은 산업에서 널리 사용되는 강한 염기이다. 비용 및 취급 편의성 때문에 대량으로는 주로 수용액 형태로 다룬다.[28] 주요 용도로는 나트륨염과 세제 제조, pH 조절, 유기 합성 등이 있다.[28]
기초 산업 화학약품으로서 다양한 분야에서 활용된다. 대표적으로 제지 공업, 섬유 공업, 금속 공업(알루미늄 제련 등), 석유화학 공업(정유, 시추 등), 화학 공업(염료, 표백제 제조 등), 환경 분야(수처리, 중화제 등)에서 중요한 역할을 한다.[28][29][30][46][47]
비누화 작용을 이용하는 대표적인 약품으로, 특히 고체 비누 제조에 주로 사용된다.[31][32] 가정에서는 배수구 세척제의 주성분으로 쓰여 배관을 막는 지방이나 기름을 분해한다.
식품 산업에서는 프레첼과 같은 특정 식품의 가공 보조제로 사용되기도 한다.[44] 과거 라면 면의 탄력을 높이기 위해 사용된 적도 있으나, 현재는 식품위생법상 사용에 제한이 있다.[61]
학교 교육 현장에서는 식물 잎의 잎맥 추출 실험이나 물의 전기 분해 실험 시 보조 시약으로 사용되기도 한다.
수산화나트륨은 세계적으로 대량 생산되는 기초 화학 물질 중 하나이다. 2001년 기준 세계 생산량은 4,218만 톤에 달했으며, 미국, 중국, 일본 3개국이 전체 생산량의 절반 이상을 차지했다.
4. 1. 산업 분야
수산화나트륨은 산업 전반에서 널리 사용되는 강한 염기이다. 주로 나트륨염과 세제 제조, pH 조절, 유기 합성에 사용되며, 대량으로 취급할 때는 비용과 편의성 때문에 대부분 수용액 형태로 다루어진다.[28] 혼합물의 알칼리도를 높이거나 산을 중화시키는 데 유용하게 쓰인다.
'''펄프 및 제지 산업'''
수산화나트륨은 종이나 재생 섬유 제조를 위한 목재 펄핑 공정에 필수적이다. 생산되는 수산화나트륨의 약 56%가 산업용으로 사용되며, 그중 25%가 제지 산업에서 소비된다. 황화나트륨과 함께 크라프트법에서 사용되는 백액의 주요 성분으로, 목재의 리그닌을 셀룰로오스 섬유에서 분리하는 역할을 한다. 또한, 펄핑 후 생성된 갈색 펄프를 표백하는 후속 공정(예: 산소 탈리그닌화, 산화적 추출, 단순 추출)에서도 pH를 10.5 이상으로 유지하는 강알칼리성 환경을 조성하는 데 중요한 역할을 한다.
석유 산업에서는 시추 진흙에 첨가되어 벤토나이트 진흙 시스템의 알칼리도를 높이고 점도를 증가시키며, 시추 과정에서 발생하는 산성 가스(예: 황화수소 및 이산화탄소)를 중화하는 데 사용된다. 또한, 저품질 원유 정제 시 '가성 세척' 공정을 통해 황 함유 불순물을 제거하는 데 쓰인다. 이 공정은 황화수소나 메르캅탄과 같은 약산과 반응하여 비휘발성 나트륨염을 형성시켜 제거하는 방식이지만, 독성이 강하고 처리가 어려운 폐기물을 발생시켜 많은 국가에서 금지되었다. 2006년, 트라피구라 사는 이 공정을 사용한 후 코트디부아르에 폐기물을 투기하는 사건이 발생했다.[29][30]
석탄 연소 과정 등에서 발생하는 유해한 산성 가스(예: 이산화황(SO2), 황화수소(H2S))를 제거하는 "세정" 공정에도 활용되어 대기 배출을 막는다. 예를 들어 이산화황과의 반응은 다음과 같다.
:2 NaOH + SO2 → Na2SO3 + H2O
'''금속 산업'''
알루미늄 제련의 핵심 공정인 베이어 공정에서 보크사이트 광석을 정제하여 알루미나(산화알루미늄)를 추출하는 데 사용된다. 알루미나는 양쪽성이므로 강알칼리성인 수산화나트륨 용액에 녹지만, 산화철과 같은 불순물은 녹지 않고 고알칼리성 적색 침전물 형태로 분리된다. 추출된 알루미나는 홀-에루 공정을 통해 알루미늄 금속을 생산하는 원료가 된다.
또한, 금속 표면의 이물질 제거, 식각, 광택 처리 등에도 사용된다. 알루미늄과 반응하여 수소 가스를 발생시키므로 취급에 주의가 필요하다. 1986년 영국에서는 알루미늄 탱크 트럭에 실수로 25% 수산화나트륨 용액을 운반하다가 수소 가스 발생으로 인한 압력 증가로 탱크가 손상되는 사고가 있었다.[23] 반응식은 다음과 같다.
:2 Al + 2 NaOH + 6 H2O → 2 Na[Al(OH)4] + 3 H2
아연, 납과 같은 다른 양쪽성 금속도 진한 수산화나트륨 용액에 용해되어 각각 아연산나트륨(Na2ZnO2)과 납산나트륨(Na2PbO2)을 형성한다.
대부분의 전이 금속 수산화물은 물에 잘 녹지 않으므로, 수산화나트륨 용액을 이용하여 침전시킬 수 있다. 예를 들어 구리(II)는 파란색, 철(II)은 녹색, 철(III)은 노란색/갈색 침전을 형성한다. 상온에서는 철을 부식시키지 않지만, 고온(예: 500°C 이상)에서는 철과 흡열적으로 반응하여 산화철(III)(Fe2O3), 나트륨 금속, 수소 가스를 생성할 수 있다.[22]
:4 Fe + 6 NaOH → 2 Fe2O3 + 6 Na + 3 H2
'''화학 및 세제 산업'''
비누와 세제 제조에 널리 사용된다. 특히 고체 비누(바 비누) 제조 시 유지를 비누화하는 데 필수적이다(콜드 프로세스).[40] 액체 비누에는 주로 수산화칼륨이 사용되지만, 수산화나트륨이 더 저렴하고 적은 양이 필요하여 더 자주 쓰인다.[31][32] 가정에서 폐유를 이용한 수제 비누 제작에도 사용되나, 강력한 염기성 및 큰 수화열로 인한 위험성 때문에 취급에 각별한 주의가 필요하다.
바이오디젤 생산 시 메탄올과 트리글리세리드의 에스터 교환 반응을 위한 촉매로 사용된다. 이때 물이 있으면 비누화 반응이 일어나므로 무수 상태의 수산화나트륨이 필요하다. 수산화칼륨보다 저렴하여 더 선호된다.[41]
산업용 세척제(종종 "가성소다"로 불림)로도 활용된다. 가열된 수용액은 공정 장비나 저장 탱크의 그리스, 기름, 지방, 단백질 기반 침전물을 효과적으로 용해한다. 스테인리스강이나 유리 제빵 용품의 강력한 이물질 제거제로도 쓰이며, 오븐 세척제의 일반적인 성분이기도 하다. 부품 세척기용 세척제에도 사용되는데, 계면활성제, 녹 방지제, 소포제 등과 함께 배합되어 강력한 세척력을 보인다. 이는 과거 몬트리올 의정서에 의해 사용이 금지된 1,1,1-트리클로로에탄과 같은 용매 기반 세척 시스템을 대체하는 환경 개선으로 간주된다.
철물점에서 판매하는 배수구 세척제로 사용되는 수산화나트륨
가정에서는 배수관 막힘을 해결하는 배수구 세척제로 사용된다. 고체 결정이나 농축 액체 젤 형태로 판매되며, 배수관을 막는 기름이나 머리카락과 같은 단백질을 가수분해하여 용해시킨다. 물과 반응 시 발생하는 열이 이 과정을 촉진한다. 이러한 알칼리성 배수구 세척제는 매우 부식성이 강하므로 취급에 매우 주의해야 한다.
'''식품 산업'''
식품 산업에서는 E524로 등재된 식품 첨가물 및 가공 보조제로 사용된다. 과일이나 채소의 세척 및 화학적 껍질 벗기기, 초콜릿 및 코코아 가공, 캐러멜 색소 생산, 가금류 데치기, 탄산음료 가공, 아이스크림 농축 등에 활용된다.[43]
올리브를 부드럽게 만들거나,[45] 프레첼이나 독일식 라이 롤 표면에 특유의 광택을 내고 바삭하게 만들기 위해 굽기 전에 수산화나트륨 용액으로 처리하기도 한다. (다만 고온에서 구워지면 탄산나트륨으로 변해 최종 제품에는 거의 남지 않는다.)[44] 이 외에도 중국식 월병이나 노란색 중국식 국수 제조에 사용되는 라이수(알칼리수)의 성분이기도 하며, 피단 생산 시 계란 흰자를 겔화시키는 데 쓰인다. 필리핀 디저트인 kakanin|카카닌fil의 일종인 쿠친타fil나 pichi-pichi|피치피치fil에 소량 첨가되어 젤리 같은 질감을 부여하고, 노르웨이 요리인 루테피스크( lutfisk|루테피스크no ) 제조에도 사용된다. 호미니(hominy)는 말린 옥수수 알갱이를 라이수에 담가 불린 것으로, 멕시코 요리의 마사(masa) 가루(옥수수 토르티야, 타말레스 등의 재료)의 원료가 된다. 과거 한국에서는 라면 면발의 탄력을 높이기 위해 간수 대용으로 사용되기도 했으나, 현재 식품위생법상 최종 식품 완성 전에 중화하거나 제거해야 하는 등 사용에 제한이 있다.[61] 간장 제조 시 탈지대두를 염산으로 가수분해하여 얻은 아미노산을 중화시키는 과정에도 사용된다.
'''수처리'''
물 정화 과정에서 물의 pH를 높이는 데 사용된다. pH가 높아지면 물의 부식성이 낮아져 배관 부식을 줄이고, 납, 구리 등 유해 금속이 식수로 용출되는 것을 막는 데 도움이 된다.[46][47] 또한, 정수 처리 시 황산알루미늄과 반응시켜 수산화알루미늄(Al(OH)3) 응집제를 생성하여 물 속의 미세 입자를 제거하는 데 사용된다.
'''페인트 제거''': 가성소다를 이용한 페인트 제거 전통적으로 목재용 페인트 제거제로 사용되었으나, 목재 표면을 손상시켜 나무결을 일으키고 변색시킬 수 있어 사용이 줄었다.
'''조직 분해''': 단백질 가수분해 능력을 이용하여 동물 사체(예: 로드킬) 처리 등에 사용된다.[34] 과거 이탈리아의 연쇄 살인범 레오나르다 치안치울리(Leonarda Cianciulli)가 시신을 비누로 만드는 데 사용하거나,[36] 멕시코 마약 카르텔 조직원이 시신을 처리하는 데 악용한 사례도 있다.[37]
'''실험실 시약''': 에스터, 아미드, 알킬 할라이드의 염기 촉진 가수분해(비누화)에 사용될 수 있으나, 유기 용매에 대한 용해도가 낮아 수산화칼륨(KOH)이 선호되기도 한다.[13] 학교 실험에서는 잎의 잎맥 추출이나 물의 전기 분해 시 전해질로 사용되기도 한다.
'''시멘트 혼합''': 일부 시멘트 혼합 플라스티사이저로 사용되어 혼합물의 균질성을 높이고 필요한 물의 양을 줄이며 작업성을 향상시킨다.
'''화장품''': 얼굴 세안제, 크림, 로션 등 일부 화장품에 낮은 농도로 pH 조절제로 사용된다.[42]
'''탈색제''': 일부 전문가용 머리 매직 탈색제에 사용된다. 화학적 화상의 위험 때문에 소비자가 직접 사용하는 제품에는 다른 알칼리성 화학 물질이 주로 쓰인다.
수산화나트륨은 유리와 느리게 반응하여 가용성 규산염을 형성하므로, 유리 용기나 조인트, 스톱콕 등에 장기간 노출되면 손상되거나 고착될 수 있다. 고온에서는 더욱 심하며, 유리 표면이 뿌옇게 변할 수 있다.
4. 2. 기타 용도
수산화 나트륨은 메스암페타민 등 마약 제조 과정에서 화학 반응 시 pH를 조절하기 위한 강염기로 사용될 수 있다. 이는 제조 원료로 직접 투입되는 것은 아니며, 불법적인 용도에 해당한다.
산업 현장에서는 매우 다양한 용도로 활용되는 중요한 강염기이다. 주로 수용액 형태로 사용되는데, 이는 비용이 저렴하고 취급이 용이하기 때문이다.[28] 주요 산업적 용도는 다음과 같다.
석유 산업: 시추 과정에서 벤토나이트 진흙 시스템의 알칼리도와 점도를 높이고, 지층에서 발생하는 산성 가스(황화수소, 이산화탄소 등)를 중화하기 위해 첨가제로 사용된다.[28] 또한, 저품질 원유에서 황 함유 불순물을 제거하는 '가성 세척' 공정에 사용된다. 이 공정은 황화수소나 메르캅탄과 같은 약산을 비휘발성 나트륨염으로 만들어 제거하는 방식이지만, 발생하는 폐기물의 독성이 강하고 처리가 어려워 여러 국가에서 금지되었다. 2006년 트라피구라 사는 이 공정으로 발생한 폐기물을 코트디부아르에 불법 투기하여 큰 문제를 일으켰다.[29][30]
화학 공업: 나트륨염 및 세제 제조, pH 조절, 유기 합성에 사용된다.[28] 염수 분무 시험 시 염산과 함께 pH 조절에 사용되기도 한다.[28]
비누 및 세제 제조: 주로 고체 비누 제조에 사용된다. 액체 비누에는 수산화칼륨이 주로 쓰이지만, 수산화 나트륨이 더 저렴하고 적은 양으로도 효과가 있어 널리 사용된다.[31][32] 가정에서 튀김 기름 폐유 등을 이용한 수제 비누를 제작할 때에도 필수적이지만, 강력한 염기성 약품일 뿐만 아니라, 수화열이 크기 때문에 취급에 각별한 주의가 필요하다.
제지 공업:펄프 제조 시 원료 목재의 리그닌을 용해하는 증해 공정에서 황화나트륨과 함께 다량 소비된다. 생산되는 수산화 나트륨의 약 56%가 산업에서 사용되며, 그중 25%가 종이 산업에서 사용된다.[28]
금속 공업:알루미늄의 원료인 알루미나(산화알루미늄)를 보크사이트 광석에서 추출하는 베이어 공정에 필수적이다.[28] 금속의 표면 처리나 이물질 제거, 도금 공장의 탈지 처리에도 사용된다.
기타 산업:정유, 염료 및 표백제 제조, 상수도·하수도 및 산업 폐수 처리 시 중화제로 사용되는 등 기초 산업 화학약품으로서 광범위하게 활용된다.
가정에서는 배수관 세척제로 흔히 사용된다. 배관을 막는 지방이나 기름 성분을 비누화시켜 물에 녹게 만들어 제거하는 원리이다. 시판되는 제품 중에는 세정력 강화를 위해 수산화칼륨이나 계면활성제를 첨가한 것도 있다.
식품 분야에서는 빵이나 스낵과자의 일종인 프레첼 반죽을 수산화 나트륨 수용액에 담가 표면에 특유의 광택을 내고 식감을 개선하는 데 사용된다. 이 경우 고온에서 굽는 과정에서 탄산나트륨으로 변하기 때문에 최종 제품에는 거의 남지 않는다. 과거 라면 면발의 탄력을 높이기 위해 간수 대용품으로 사용된 적도 있으나, 현재는 식품위생법상 식품첨가물로서 사용이 엄격히 규제되어 최종 식품 완성 전에 중화하거나 제거해야 한다.[61]
교육 현장에서는 식물 잎의 잎맥을 추출하는 실험이나, 물의 전기분해 실험 시 물의 전기 전도도를 높이기 위해 소량 첨가하기도 한다.
5. 안전성
수산화나트륨 용액으로 인한 화학적 화상. 노출 44시간 후 촬영.
수산화 나트륨은 강한 염기성을 띠는 부식성 물질이다. 고체 상태이거나 고농도 수용액 상태일 때 피부에 닿으면 심각한 화학적 화상을 일으킬 수 있으며, 영구적인 상처나 실명과 같은 심각한 손상을 유발할 수 있다.[9][10] 피부의 단백질과 지질을 아마이드 가수분해 및 에스터 가수분해를 통해 쉽게 분해하기 때문이다.[9][10] 묽은 용액이라도 피부에 닿으면 미끈거리는 느낌이 드는데, 이는 천연 피부 기름과 비누화 반응을 일으키기 때문이다. 피부에 닿았을 경우, 즉시 다량의 흐르는 물로 최소 10분에서 15분간 씻어내야 한다. 눈에 들어갔을 경우 특히 위험하며 영구적인 실명을 초래할 수 있으므로 즉시 응급 처치를 받고 의사의 진료를 받아야 한다.[38] GHS 분류상 피부 부식성 및 심각한 눈 손상성 모두 가장 위험한 등급인 범주 1로 분류된다.[62][69]
수산화 나트륨 분진이나 미스트를 흡입하면 호흡기 점막에 자극을 주며, 심한 경우 폐부종을 일으킬 수 있다.[69] 미국 노동안전보건연구소(NIOSH)는 탈출 한계 농도(IDLH)를 10mg/m3로 설정했다.[63] 수용액은 무색무취이기 때문에 실수로 마실 경우 심각한 결과를 초래할 수 있다. 섭취 시 구강, 식도, 위 등 소화기관에 심각한 부식과 손상을 일으키며, 심하면 사망에 이를 수도 있다.[69][65]
고체 수산화 나트륨을 물에 녹이는 과정은 매우 강한 발열 반응이다.[14] 이때 발생하는 열로 인해 용액이 끓어 넘치거나 튀어서 열화상을 입을 수 있으며, 주변의 가연성 물질을 발화시킬 수도 있다.[72][79] 산과의 반응에서도 열이 발생한다.
수산화 나트륨은 알루미늄, 아연, 납과 같은 양쪽성 금속과 반응하여 가연성 기체인 수소를 발생시킨다.[50][72]
이 반응은 밀폐된 공간에서 일어날 경우 수소 가스 축적으로 인해 폭발 위험이 있다. 1986년 영국에서는 알루미늄 탱크 트럭으로 수산화 나트륨 용액을 운반하다가 이 반응으로 인해 내부 압력이 상승하여 탱크가 손상되는 사고가 발생하기도 했다.[23]
또한 수산화 나트륨은 유리를 서서히 부식시켜 규산염을 형성한다. 이 때문에 유리 용기, 특히 마개 달린 유리 기구에 장기간 보관하면 마개 부분이 고착될 수 있다.[49] 고온에서는 철과도 반응할 수 있다.[22] 아세트알데히드나 아크롤레인과 같은 특정 유기 화합물과는 격렬하게 반응하여 위험할 수 있다.[72][79]
수산화 나트륨은 단백질을 분해하는 성질 때문에 동물의 사체 처리 등에 사용되기도 한다.[34][35]
이러한 위험성 때문에 수산화 나트륨을 취급할 때는 반드시 고무 장갑, 보안경, 보호의 등 적절한 보호 장비를 착용해야 한다. 보관 시에는 공기 중의 수분과 이산화 탄소를 흡수하여 변질되는 것을 막기 위해 밀폐 용기에 보관해야 한다.[13]
수산화 나트륨이 하천 등 수계에 유출될 경우, 강한 알칼리성으로 인해 수질 오염을 일으키고 어류 폐사 등 수생 생태계에 피해를 줄 수 있다.[70] 세리오다프니아와 같은 수생 생물에 대한 급성 독성(LC50)이 보고되어 있다.[69]
5. 1. 규제
대한민국에서는 화학물질관리법에 따라 유해화학물질로 지정되어 관리된다.[75] (이전 독극물 및 화학물질의 관리에 관한 법률에서는 극물로 지정되었으며, 수산화 나트륨 함유율 5% 미만 제제를 제외하고 동일하게 극물로 취급되었다.[76]) 또한 수질 및 수생태계 보전에 관한 법률 시행규칙에 따라 지정물질로 지정되어 있어,[77] 사고 등으로 인해 공공 수역에 유출될 경우 신고할 의무가 있다.[78]
국제 운송에서는 제8류 부식성 물질 위험물로 규제되며, 고체는 UN 번호 1823[73], 수용액은 UN 번호 1824가 할당되어 있다.[74]
미국에서는 포괄적 환경 대응·보상·책임법(Superfund)에 따른 유해 물질로 지정되어 있으며, 그 보고 기준량은 약 453.59kg이다.[79]
6. 역사
수산화 나트륨은 비누 제조업자들이 처음으로 제조하였다.[51] 수산화 나트륨 제조법은 13세기 후반 예멘의 술탄 알-무자파르 유수프 이븐 우마르 이븐 알리 이븐 라술(1295년 사망)이 편찬한 아랍어 서적인 Al-mukhtara' fi funun min al-suna'|알무크타라 피 푸눈 민 알수나ara(다양한 산업 기술의 발명)에 비누 제조법의 일부로 기록되어 있다.[52][53] 이 방법은 알칼리(아랍어: al-qily|알킬리ara)와 생석회(산화 칼슘, CaO) 혼합물을 물에 여러 번 통과시켜 수산화 나트륨 용액을 얻는 방식이었다. 여기서 '알칼리'는 소듐(나트륨)이 풍부한 퉁퉁마디와 같은 염생 식물의 재를 의미하며, 이는 불순한 탄산 나트륨이었다.[54] 유럽의 비누 제조업자들도 이러한 방식을 따랐다.
역사적으로 수산화 나트륨은 탄산 나트륨을 수산화 칼슘(소석회)과 반응시키는 복분해 반응을 통해 생산되었다. 이 과정에서 수산화 나트륨은 물에 녹지만, 반응 부산물인 탄산 칼슘은 녹지 않는 성질을 이용했다. 이 공정을 가성화(causticization)라고 한다.[27]
:Ca(OH)2(aq) + Na2CO3(s) → CaCO3(s) + 2 NaOH(aq)
초기에는 퉁퉁마디와 같은 식물의 재에서 얻은 천연 "소다회"(불순한 탄산 나트륨)가 사용되었다.[51] 1791년, 프랑스의 화학자이자 외과의사인 니콜라 르블랑(1742–1806)이 르블랑 공정을 통해 탄산 나트륨을 대량 생산하는 방법을 개발하면서 천연 소다회는 점차 인공적으로 생산된 탄산 나트륨으로 대체되었다.[51] 19세기 후반에는 솔베이 공정이 개발되어 탄산 나트륨 생산에 이용되었다.
그러나 20세기에 이르러 염화 나트륨 수용액을 전기분해하여 수산화 나트륨을 직접 생산하는 염소-알칼리 공정이 주요 생산 방식으로 자리 잡으면서, 탄산 나트륨을 가성화하여 수산화 나트륨을 만드는 공정은 점차 사용되지 않게 되었다.[55]
한편, 순수한 나트륨 금속을 물과 반응시켜 수산화 나트륨을 만들 수도 있다. 이 반응은 수소 기체와 함께 많은 열을 발생시키며 때로는 불꽃을 동반하기도 한다.
:2 Na(s) + 2 H2O(l) → 2 NaOH(aq) + H2(g)
이 반응은 주로 교육적인 목적으로 알칼리 금속의 반응성을 보여주기 위해 사용되며, 염소-알칼리 공정 중 수은 전해법에서 나트륨 아말감이 물과 반응하는 경우를 제외하고는 상업적으로 이용되지 않는다.
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