수산화 알루미늄
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1. 개요
수산화 알루미늄(Al(OH)3)은 알루미늄과 수산기로 구성된 화합물로, 깁사이트, 바이어라이트 등 여러 다형체를 갖는다. 양쪽성 물질로, 산에서는 염기로, 염기에서는 루이스 산으로 작용하며, 난연제, 충전재, Al 화합물 전구체, 의약품 등 다양한 용도로 사용된다. 바이어 공법으로 보크사이트를 수산화 나트륨에 용해하여 생산하며, 제산제나 백신 보조제로 사용되기도 한다. 알루미늄 관련 신경 질환 연관성에 대한 논란이 있었으나, 현재까지 환경 노출과의 연관성은 밝혀지지 않았다.
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| 수산화 알루미늄 - [화학 물질]에 관한 문서 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
 | |
| |
| IUPAC 명칭 | 트라이하이드록시도알루미늄 |
| 다른 이름 | 알루민산 알루민산 수산화물 알루마네트리올 알루미늄(III) 수산화물 수산화 알루미늄 삼수산화 알루미늄 수화 알루미나 오르토알루민산 |
| 화학식 | Al(OH)3 |
| 몰 질량 | 78.00 g/mol |
| 외형 | 흰색의 비정질 분말 |
| 밀도 | 2.42 g/cm3, 고체 |
| 용해도 | 0.0001 g/100 mL |
| 다른 용매에 대한 용해도 | 산과 알칼리에 용해됨 |
| 용해도곱 상수 | 3×10−34 |
| 융점 | 300 °C |
| pKa | 7 초과 |
| 등전점 | 7.7 |
| 열화학 | |
| 표준 생성 엔탈피 | -1277 kJ·mol−1 |
| 약리학 | |
| ATC 코드 | A02AB01 (알겔드레이트) |
| 위험성 | |
| GHS 그림 문자 | 해당 없음 |
| H 문구 | 해당 없음 |
| P 문구 | P264, P261, P280, P271, P312, P304+340, P305+351+338, P337+313 |
| 인화점 | 불연성 |
| NFPA 704 | 1-0-0 |
| LD50 | 5000 mg/kg 초과 (쥐, 경구) |
| 관련 화합물 | |
| 관련 음이온 | 해당 없음 |
| 다른 화합물 | 붕산 갈륨(III) 수산화물 인듐(III) 수산화물 탈륨(III) 수산화물 스칸듐(III) 수산화물 산화 나트륨 알루미늄 산화물 수산화물 |
| 식별 정보 | |
| CAS 등록번호 | 21645-51-2 |
| DrugBank | DB06723 |
| KEGG | D02416 |
| PubChem | 10176082 |
| ChemSpider ID | 8351587 |
| ChEMBL | 1200706 |
| UNII | 5QB0T2IUN0 |
| RTECS | BD0940000 |
| ChEBI | 33130 |
2. 구조
는 수산화기 이중층으로 구성되어 있으며, 알루미늄 이온은 두 층 사이에 있는 팔면체 구멍의 3분의 2를 차지한다.[5][6] 다형체는 4가지가 알려져 있다.[7] 이들은 모두 팔면체 알루미늄 수산화물 단위 층을 특징으로 하며, 층 사이에 수소 결합이 존재한다. 다형체는 층의 적층 방식에 따라 달라지며, 모든 형태의 결정은 육각형이다.
3. 성질
는 수산화기 이중층으로 구성되어 있으며, 알루미늄 이온은 두 층 사이에 있는 팔면체 구멍의 3분의 2를 차지한다.[5][6] 네 가지 다형체가 알려져 있으며, 모두 팔면체 알루미늄 수산화물 단위 층을 특징으로 하고 층 사이에 수소 결합이 존재한다. 다형체는 층의 적층 방식에 따라 다르다. 모든 형태의 결정은 육각형이다:
- 깁사이트(γ- 또는 α-)
- 바이어라이트(α- 또는 ''β-알루미나 삼수화물'')
- 노르스트란다이트
- 도일라이트
과거에는 수산화 알루미늄으로 여겨졌던 ''수화점토석''은 인산 알루미늄이다. 그럼에도 불구하고, ''깁사이트''와 ''수화점토석''은 모두 수산화 알루미늄의 동일한 다형체를 지칭하며, 미국에서는 ''깁사이트''가, 유럽에서는 ''수화점토석''이 더 일반적으로 사용된다. 수화점토석은 물('''')과 점토('''')를 뜻하는 그리스어 단어에서 유래되었다.
수산화 알루미늄은 양쪽성 물질이다. 가열하면 물을 잃고 산화 알루미늄이 된다.
3. 1. 화학 반응
양쪽성 물질인 수산화 알루미늄은 산에서는 브뢴스테드-로우리의 염기로 작용하여 산을 중화시키고 염을 생성한다.[9]: 3 HCl + Al(OH)₃ → AlCl₃ + 3 H₂O
염기에서는 수산화 이온을 결합시켜 루이스 산으로 작용한다.[9]
: Al(OH)₃ + OH⁻ → [Al(OH)₄]⁻
수용액에서 새로 생성된 겔 형태의 침전은 산 및 염기 수용액에 쉽게 용해된다. 수산화 알루미늄 자체의 용해도곱은 매우 작지만, 산성에서는 수산화물 이온(OH⁻)의 농도가 매우 작아 용해 방향으로 평형이 이동하고, 염기성에서는 OH⁻에 의한 배위 결합이 생성되어 테트라히드록시도알루민산 이온([Al(OH)₄]⁻)을 생성하기 때문이다.
: Al(OH)₃(s) ⇌ Al³⁺(aq) + 3 OH⁻(aq), Ksp = 5 × 10⁻³³
: Al(OH)₃(s) + H₂O(l) ⇌ H⁺(aq) + [Al(OH)₄]⁻(aq), Ksp = 4 × 10⁻¹³
하지만 침전 후 시간이 경과했거나 결정성 수산화 알루미늄은 특히 염기 수용액에 용해되기 어려워진다. 수산화 알루미늄(Al(OH)₃)에는 γ형으로 된 깁사이트(gibbsite, 단사정) 및 α형으로 된 바이어라이트(bayerite, 단사정)가 존재하며, 25℃, 105 Pa 하에서는 깁사이트가 열역학적으로 안정하다.
또한 열수 용액 중에서는 일분자 탈수되어 AlO(OH)을 생성하며, 여기에는 뵈마이트(Boehmite) 및 다이아스포어(diaspore)가 존재한다. 이들은 모두 보크사이트의 주요 성분이다.
이러한 수산화물은 모두 가열하면 물을 쉽게 잃고 산화 알루미늄이 된다.
: 2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O
: 2AlO(OH) → Al₂O₃ + H₂O
4. 생성
상업적으로 사용되는 거의 모든 수산화 알루미늄은 바이어 공법으로 제조되는데, 이는 최대 270°C의 온도에서 보크사이트를 수산화 나트륨에 용해시키는 과정을 포함한다. 폐기물 고체인 보크사이트 잔재(적니)를 제거하고, 남은 알루민산 나트륨 용액으로부터 수산화 알루미늄을 침전시킨다. 이 수산화 알루미늄은 소성을 통해 산화 알루미늄 또는 알루미나로 전환될 수 있다.
주로 산화 철로 이루어진 보크사이트 잔재는 잔류 수산화 나트륨으로 인해 부식성이 매우 강하다. 과거에는 석호에 저장되었는데, 이로 인해 2010년 헝가리에서 댐이 붕괴되어 9명이 사망한 아카 알루미나 공장 사고가 발생했다. 또한 122명이 화학 화상 치료를 받았다. 진흙은 40km2의 토지를 오염시켰고 다뉴브 강에 도달했다. 진흙은 낮은 수준의 중금속으로 인해 비독성으로 간주되었지만, 관련된 슬러리의 pH는 13이었다.
바이어 공법으로 수산화 알루미늄을 만드는 과정은 다음과 같다.
# 보크사이트를 수산화 나트륨의 고온 수용액(약 175°C)에 녹인다.
# 상기에서 생성된 용액을 여과한다.
# 용액을 냉각하면 수산화 알루미늄이 석출된다.
:
5. 용도
수산화 알루미늄은 다음과 같은 다양한 용도로 사용된다.
- 난연제 및 충전재: 수산화 알루미늄은 무색이고 저렴하며 난연성이 우수하여 고분자 응용 분야에서 난연 충전재로 사용된다.[12] 수산화 마그네슘, 헌타이트 및 수마그네사이트 혼합물도 유사하게 사용된다.[13][14][15][16][17] 또한, 폴리에스터, 아크릴, 에틸렌 비닐 아세테이트, 에폭시, 폴리염화 비닐(PVC), 고무 등에서 연기 억제제로도 효과적이다.[19] 인조 석재 복합 재료, 종종 아크릴 수지에서 충전재로 사용된다.
- Al 화합물 전구체: 소성 알루미나, 황산 알루미늄 등 다른 알루미늄 화합물 제조의 원료로 사용된다.[6] 갓 침전된 수산화 알루미늄은 겔을 형성하며, 이는 알루미늄 염을 응집제로 사용하여 물을 정화하는 데 사용된다. 탈수 및 가열 과정을 거쳐 건조제, 흡착제, 촉매 지지체로 사용되는 활성 알루미나로 변환된다.[12]
- 의약품: 알젤드레이트라는 일반 명칭으로, 사람과 동물에게 제산제로 사용된다. 불용성이기 때문에 위산 과다 분비를 유발하지 않는 장점이 있다.[20][21] 소화성 궤양, 속쓰림, 소화불량 증상 완화에 사용되지만, 변비를 유발할 수 있어 수산화 마그네슘이나 탄산 마그네슘과 함께 사용되기도 한다.[22][23] 신부전 환자의 고인산혈증 조절에도 사용되며, 백신의 보조제로도 활용된다.
5. 1. 난연제 및 충전재
수산화 알루미늄은 고분자 응용 분야에서 난연 충전재로 사용된다. 그 이유는 대부분의 고분자처럼 무색이고, 저렴하며, 우수한 난연성을 가지고 있기 때문이다.[12] 수산화 마그네슘과 헌타이트 및 수마그네사이트 혼합물도 비슷하게 사용된다.[13][14][15][16][17] 이 혼합물은 180°C에서 220°C 사이(사용된 수산화 알루미늄 종류에 따라 다름)에서 분해되기 시작하며, 이 과정에서 상당한 양의 열을 흡수하고 수증기를 배출한다. 수산화 알루미늄 분해 속도는 온도가 증가함에 따라 증가하며, 250°C에서 최대 속도를 나타낸다고 보고되었다.[18]난연제 역할 외에도 폴리에스터, 아크릴, 에틸렌 비닐 아세테이트, 에폭시, 폴리염화 비닐(PVC), 고무 등 광범위한 고분자에서 연기 억제제로 매우 효과적이다.[19]
수산화 알루미늄은 일부 인조 석재 복합 재료, 종종 아크릴 수지에서 충전재로 사용된다.
5. 2. Al 화합물 전구체
수산화 알루미늄은 소성 알루미나, 황산 알루미늄, 폴리알루미늄 클로라이드, 염화 알루미늄, 제올라이트, 알루민산 나트륨, 활성 알루미나, 질산 알루미늄 등 다른 알루미늄 화합물 제조의 원료로 사용된다.[6]갓 침전된 수산화 알루미늄은 겔을 형성하며, 이는 알루미늄 염을 응집제로 사용하여 물을 정화하는 데 사용된다. 이 겔은 시간이 지나면서 결정화된다. 수산화 알루미늄 겔은 에탄올과 같이 물에 섞일 수 있는 비수성 용매를 사용하여 탈수시켜 산에 쉽게 용해되는 무정형 수산화 알루미늄 분말을 형성할 수 있다. 가열하면 건조제, 가스 정화의 흡착제, 촉매 지지체로 사용되는 활성 알루미나로 변환된다.[12]
5. 3. 의약품
알젤드레이트라는 일반 명칭으로도 알려진 수산화 알루미늄은 사람과 동물(주로 고양이와 개)에게 제산제로 사용된다. 탄산수소나트륨과 같은 다른 제산제보다 수산화 알루미늄이 선호되는데, Al(OH)3영어가 불용성이기 때문에 위장의 pH를 7 이상으로 증가시키지 않아 과도한 위산 분비를 유발하지 않기 때문이다. 상품명으로는 Alu-Cap, Aludrox, Gaviscon, Pepsamar 등이 있다. 수산화 알루미늄은 위에서 과도한 산과 반응하여 위 내용물의 산도를 감소시켜, 소화성 궤양, 속쓰림, 소화불량 증상을 완화한다.[20][21] 그러나 알루미늄 이온이 위장관 내 평활근 세포의 수축을 억제하여 연동 운동을 늦추고 대변이 결장을 통과하는 시간을 늘려 변비를 유발할 수 있다.[22] 이러한 부작용을 최소화하기 위해 일부 제품은 수산화 마그네슘이나 탄산 마그네슘을 포함하여 제조되는데, 이들은 상쇄적인 완하제 효과를 갖는다.[23]수산화 알루미늄은 신부전 환자의 고인산혈증(혈중 인산염 수치 상승)을 조절하는 데도 사용된다. 신부전 시 신장은 혈액에서 과도한 인산염을 걸러내지 못해 인산염이 축적될 수 있다. 알루미늄 염은 섭취 시 창자에서 인산염과 결합하여 인의 흡수를 줄인다.[24][25]
침전된 수산화 알루미늄은 일부 백신(예: 탄저병 백신)에 보조제로 포함된다. Brenntag Biosector에서 제조한 Alhydrogel이 대표적인 수산화 알루미늄 보조제 브랜드이다.[26] 수산화 알루미늄은 백신 내 단백질이 용기 벽에 침전되거나 달라붙는 것을 방지하여 백신을 안정화하는 역할도 한다. 수산화 알루미늄은 여러 황산염 중 하나에 일반적으로 사용되는 용어인 "명반"이라고도 불리기도 한다.
수산화 알루미늄을 함유한 백신 제제는 면역학적 위험 신호인 요산 방출을 유도하여 면역 체계를 자극한다. 이는 특정 유형의 단핵구를 유인하여 수지상 세포로 분화시킨다. 수지상 세포는 항원을 포착하여 림프절로 운반하고 T 세포와 B 세포를 자극한다.[27] Th2 반응 유도에 기여하여 항체에 의해 차단되는 병원체 예방 접종에 유용하다. 그러나 많은 병원체에 대한 방어에 중요한 세포(Th1) 면역 반응을 자극하는 능력은 거의 없으며,[28] 펩타이드 기반 항원에는 유용하지 않다.[29]
의료 분야에서는 백신의 보조제로서 인산 알루미늄 등과 함께 빈번하게 사용된다.
6. 안전성
1960년대와 1970년대에는 알루미늄이 알츠하이머병을 포함한 다양한 신경 질환과 관련이 있다는 추측이 있었다.[30][31] 이후 여러 역학 연구에서 환경이나 섭취를 통한 알루미늄 노출과 신경 질환 사이의 연관성은 발견되지 않았지만, 주사된 알루미늄은 이러한 연구에서 조사되지 않았다.[32][33][34]
걸프전 증후군(GWI)을 동기로 한 생쥐 실험에서 신경 질환이 발견되었다. 미국 군인에게 투여된 것과 동등한 용량의 수산화 알루미늄을 주사한 결과, 척수 및 대뇌 피질 내에서 반응성 별아교세포 증가, 운동 신경 세포의 세포자멸사 증가 및 미세아교세포 증식이 나타났다.[35]
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