염소산 나트륨
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1. 개요
염소산 나트륨은 산업적으로 염화나트륨 수용액을 전해하여 생산되는 무색, 무취의 결정으로, 강한 산화 작용을 가진다. 주요 상업적 용도로는 이산화 염소 제조, 화학적 산소 발생기, 제초제 등이 있으며, 특히 펄프 표백에 사용되는 이산화 염소 생산에 널리 쓰인다. 또한, 비상용 산소 공급을 위한 화학적 산소 발생기나, 비선택성 제초제로 사용되기도 한다. 염소산 나트륨은 인체에 독성이 있으며, 섭취 시 치명적일 수 있어 취급에 주의해야 한다. 각국에서 저장 및 운반에 대한 규제를 받으며, 과거 폭발 사고 사례가 존재한다.
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- 염소산염 - 염소산 칼륨
염소산 칼륨은 무색 결정으로 강력한 산화제이며, 성냥, 불꽃놀이, 폭약 등의 원료로 사용되었으나 과염소산 칼륨으로 대체되는 추세이고, 화학 산소 발생기, 살충제, 사제 폭발물 제조에도 사용되며, 위험물로 분류된다. - 나트륨 화합물 - 몬모릴로나이트
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| 염소산 나트륨 - [화학 물질]에 관한 문서 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
 | |
| |
| |
| IUPAC 이름 | 염소산 나트륨 |
| 다른 이름 | 염소산 나트륨(V) |
| UNII | T95DR77GMR |
| CAS 등록번호 | 7775-09-9 |
| PubChem CID | 516902 |
| ChemSpider ID | 22895 |
| EINECS 번호 | 231-887-4 |
| UN 번호 | 1495, 2428 |
| MeSH 이름 | Sodium+chlorate |
| RTECS 번호 | FO0525000 |
| KEGG | C18765 |
| ChEBI | 65242 |
| 표준 InChI | 1S/ClHO3.Na/c2-1(3)4;/h(H,2,3,4);/q;+1/p-1 |
| 표준 InChIKey | YZHUMGUJCQRKBT-UHFFFAOYSA-M |
| SMILES | [Na+].[O-]Cl(=O)=O |
| InChI | 1S/ClHO3.Na/c2-1(3)4;/h(H,2,3,4);/q;+1/p-1 |
| InChIKey | YZHUMGUJCQRKBT-UHFFFAOYSA-M |
| 물리화학적 성질 | |
| 화학식 | NaClO3 |
| 몰 질량 | 106.44 g mol−1 |
| 외형 | 무색 또는 흰색 고체, 흡습성 |
| 냄새 | 무취 |
| 밀도 | 2.49 g/cm3 (15 °C) |
| 밀도 | 2.54 g/cm3 (20.2 °C) |
| 용해도 | 79 g/100 mL (0 °C) |
| 용해도 | 89 g/100 mL (10 °C) |
| 용해도 | 105.7 g/100 mL (25 °C) |
| 용해도 | 125 g/100 mL (40 °C) |
| 용해도 | 220.4 g/100 mL (100 °C) |
| 아세톤 용해도 | 약간 용해됨 |
| 글리세롤 용해도 | 20 g/100 g (15.5 °C) |
| 에탄올 용해도 | 14.7 g/100 g |
| 녹는점 | 248-261 °C |
| 끓는점 | 300-400 °C (분해) |
| 굴절률 | 1.515 (20 °C) |
| 다른 용매에 대한 용해도 | 글리세롤, 하이드라진, 메탄올에 용해됨 |
| 다른 용매에 대한 용해도 | 에탄올, 암모니아에 약간 용해됨 |
| 증기압 | <0.35 mPa |
| 자기 감수율 | −34.7·10−6 cm3/mol |
| 구조 | |
| 결정 구조 | 입방정계 |
| 공간군 | P213 |
| 점군 | P213 |
| 격자 상수 a | 6.57584 Å |
| 단위 세포당 분자 수 | 4 |
| 열화학 | |
| 표준 생성 엔탈피 | -365.4 kJ/mol |
| 표준 깁스 자유 에너지 | -275 kJ/mol |
| 엔트로피 | 129.7 J/mol·K |
| 열용량 | 104.6 J/mol·K |
| 위험성 | |
| 신호어 | 위험 |
| NFPA 704 | NFPA-H: 2 NFPA-F: 0 NFPA-R: 3 NFPA-S: OX |
| 인화점 | 불연성 |
| LD50 | 600 mg/kg (쥐, 경구) |
| LD50 | 700 mg/kg (개, 경구) |
| ICSC | ICSC 1117 |
| 관련 화합물 | |
| 다른 음이온 | 염화 나트륨 차아염소산 나트륨 아염소산 나트륨 과염소산 나트륨 브롬산 나트륨 아이오딘산 나트륨 |
| 다른 양이온 | 염소산 암모늄 염소산 칼륨 염소산 바륨 |
| 관련 화합물 | 염소산 |
| 일본어 이름 | |
| IUPAC 이름 | 염소산 나트륨 |
| 다른 이름 | 염소산 소다 |
| 한국어 이름 | |
| IUPAC 이름 | 염소산 나트륨 |
2. 합성
산업적으로 염소산 나트륨은 염화나트륨(NaCl) 수용액을 전기분해하여 생산한다. 이 과정은 염소와 수산화 나트륨을 생산하는 클로르알칼리 공정과 혼동되어서는 안 된다.[32] 전해 과정에서 염화물(Cl-)은 차아염소산염(ClO-)을 거쳐 염소산염(ClO3-)으로 산화된다. 반응식은 다음과 같다.[32]
:NaCl + 3 H2O → NaClO3 + 3 H2
실험실에서는 차아염소산 나트륨(NaClO)을 불균등화 반응시켜 얻을 수 있다.[32]
:3NaClO → NaClO3 + 2NaCl
위 반응은 섭씨 60도의 온도에서만 일어난다.
전해 하에서 수소와 수산화 나트륨이 음극에서 형성되고 염화물 이온이 양극에서 방전된다(혼합 금속 산화물 전극이 자주 사용됨). 발생된 염소는 기체로 빠져나가지 않고 가수분해를 거친다.
:Cl2 + H2O ⇋ HClO + H+ + Cl−
염소의 가수분해는 빠르다고 여겨진다. H+ 이온의 형성은 양극의 경계면을 강하게 산성으로 만들 것이며, 이는 낮은 염화물 농도에서 관찰된다. 그러나 산업용 염소산염 셀에서 발생하는 것과 같은 대량의 염화물은 가수분해 평형을 왼쪽으로 이동시킨다. 경계면에서 H+의 농도는 벌크 전해질로 확산될 만큼 충분히 높지 않다. 따라서 수소는 양극에서 H+보다는 차아염소산의 형태로 대부분 운반된다. 차아염소산은 pH가 높고 차아염소산염 이온이 양극으로 다시 확산되는 벌크 전해질에서 해리된다. 차아염소산염의 3분의 2 이상이 양극에 도달하기 전에 완충 작용으로 소비된다. 나머지는 염소산염과 산소를 형성하기 위해 양극에서 방전된다.
:3 ClO− + 1.5 H2O → ClO3− + 3 H+ + 2 Cl− + 0.75 O2
벌크 전해질에서 차아염소산의 자동 산화는 다음의 단순화된 전체 방정식에 따라 진행된다.
:3 HClO → ClO3− + 2 Cl− + 3 H+
이 반응은 관여된 차아염소산의 일부 해리를 선행한다.
:HClO → ClO− + H+
이 반응은 상당한 정도로 발생하기 위해 양극으로부터 특정 거리가 필요하며, 여기서 전해질은 음극에서 형성된 수산기에 의해 충분히 완충된다. 차아염소산염은 나머지 산과 반응한다.
:2 HClO + ClO− → ClO3− + 2 Cl− + 2 H+
자동 산화는 양극 거리 외에도 온도 및 pH에 따라 달라진다. 전형적인 셀은 80°C와 90°C 사이의 온도와 6.1–6.4의 pH에서 작동한다.
반응 경로와 관계없이 염소산염 1 mol을 생성하기 위해 6 mol의 염화물 방전이 필요하다. 그러나 양극 산화 경로는 50%의 추가 전기 에너지를 필요로 한다. 따라서 산업용 셀은 자동 산화를 선호하도록 최적화된다. 양극에서의 염소산염 형성은 손실 반응으로 처리되며 설계에 의해 최소화된다.
다른 손실 반응도 전류 효율을 감소시키며 산업 시스템에서 억제되어야 한다. 주요 손실은 음극에서 차아염소산염의 역 환원에 의해 발생한다. 이 반응은 전해질에 소량의 이크롬산염(1–5 g/L)을 첨가하여 억제된다. 음극 증착에 의해 크롬 수산화물의 다공성 막이 형성된다. 이 막은 음이온의 음극으로의 확산을 방해하는 반면, 양이온의 접근과 환원은 촉진된다. 막은 특정 두께에 도달하면 자체적으로 성장을 멈춘다.[7]
공업적인 주류는 열 농후 식염수의 전기 분해이다. 전기 분해 시 양극에는 식염수 전해용 치수 안정성 전극, 이산화 납, 흑연, 백금 등의 내산화성이 있는 것이 필요하다. 온도와 pH가 중요하며, 저온이나 고pH 조건에서는 차아염소산 나트륨이 생성된다.
:
공업적으로는 쇠퇴했지만, 열 농후 수산화 나트륨에 염소를 불어넣어도 얻을 수 있다.
:
실험실적으로는 차아염소산 나트륨의 가열, 표백분과 나트륨 염을 반응시킨 후 가열함으로써 불균등화 반응하여 생성한다. 어느 경우든 수용액의 pH가 수율에 중대한 영향을 미친다.
:
3. 성질
4. 이용
염소산 나트륨은 이산화 염소(ClO2)를 합성하여 펄프를 표백하거나, 각종 염소산염의 원료로 사용되는 등 공업적으로 널리 쓰인다.
일상생활에서는 비선택성 토양 처리형 제초제로 이용된다. 과거 순도 98%의 염소산 나트륨이 농약으로 유통되었으나, 위험성이 높고 폭발물 제조에 악용되는 사례가 빈번하여 1970년대 이후 탄산 나트륨 등이 배합된 제제로 대체되었다. 유럽 연합(EU)에서는 2009년부터 제초제 사용이 금지되었다.[8]
솜, 옥수수, 콩, 쌀, 해바라기 등의 고엽제 및 건조제로도 사용된다.[7]
화학적 산소 발생기는 상업용 항공기에서 객실 기압 저하 시 승객 보호를 위해 비상 산소를 제공하는 데 사용된다.
4. 1. 제초제
염소산 나트륨은 비선택성 제초제로, 나팔꽃, 엉겅퀴, 대나무, 망종화 등 다양한 식물에 사용할 수 있다.[7] 식물독성을 나타내며 뿌리 흡수를 통해서도 작용한다.[7]솜, 옥수수, 콩, 쌀, 해바라기 등의 고엽제 및 건조제로도 사용된다.[7] 아트라진과 함께 사용하면 효과의 지속성이 증가하고, 2,4-D와 함께 사용하면 성능이 향상된다.[7] 염소산 나트륨은 토양 살균제 효과도 있다.[7]
유럽 연합(EU)에서는 2009년부터 건강 위험을 이유로 제초제 사용이 금지되었다.[8]
4. 2. 이산화 염소 생성
염소산 나트륨의 주요 상업적 용도는 이산화 염소(ClO2) 제조이다.[7] 염소산염 사용량의 약 95%를 차지하는 이산화 염소의 가장 큰 용도는 펄프 표백이다.[7]4. 3. 화학적 산소 발생
화학적 산소 발생기는 상업용 항공기에서 객실 기압 저하로부터 승객을 보호하기 위해 비상 산소를 제공하는 데 사용된다. 산소는 염소산 나트륨의 고온 분해에 의해 생성된다.[9]:2 NaClO3 → 2 NaCl + 3 O2
이 반응을 시작하는 데 필요한 열은 염소산 나트륨과 혼합된 소량의 철 분말의 산화에 의해 생성되며, 반응은 생성되는 산소보다 적은 산소를 소비한다. 과산화 바륨(BaO2)은 분해 부산물인 염소를 흡수하는 데 사용된다.[10] 점화 장치는 비상 마스크를 잡아당겨 활성화된다.
항공기나 잠수함, 국제 우주 정거장의 비상용 또는 휴대용 의료 기기로서 화학적 산소 발생기(클로레이트 캔들)에도 사용되고 있다. 소량의 쇳가루가 산화하면서 발열하고, 그것에 의해 염소산 나트륨이 열분해함으로써, 다량의 산소를 공급할 수 있다. 이때 부산물인 염소는 과산화 바륨에 흡수시킨다.
4. 4. 기타 용도
오산화 바나듐 촉매 존재 하에, 염소산 나트륨은 하이드로퀴논을 퀴논으로,[12] 푸르푸랄을 말레산과 푸마르산 혼합물로 산화시키는 등 다양한 유기 화합물의 산화제로 작용한다.[13]염산과 함께 사용하면 방향족 화합물을 염소화할 수 있다. 이때 염소산 나트륨은 염산을 산화시켜 HOCl 또는 Cl2를 생성하고, 이들이 활성 염소화제로 작용한다.[11]
과거에는 설탕과 혼합하여 폭발물을 제조하기도 했으나, 현재는 염소산 칼륨 등으로 대체되었다.
유럽 연합에서는 2009년 환경 문제로 제초제 사용을 금지했다. 미국에서는 면화나 대두 수확 전 잎을 제거하는 데 사용하지만, 1995년 이후 사용량이 감소하고 있다.[22]
항공기, 잠수함, 국제 우주 정거장에서 비상용 산소 발생기(클로레이트 캔들)로 사용된다. 소량의 쇳가루 산화열로 염소산 나트륨이 열분해되어 다량의 산소를 공급하고, 부산물인 염소는 과산화 바륨이 흡수한다.
5. 인체에 대한 영향 및 응급 조치
염소산 나트륨은 독성이 있으며, 몇 그램의 염소산염만으로도 치명적일 수 있다.[7] 염소산 나트륨은 헤모글로빈에 대한 산화 작용으로 메트헤모글로빈 형성을 유발하며, 이는 글로빈 단백질의 변성과 적혈구 막 단백질의 가교결합으로 이어진다. 그 결과 막 효소가 손상되고, 막의 투과성이 증가하여 심각한 용혈을 유발한다. 헤모글로빈의 변성은 G6PD 대사 경로의 용량을 초과하며, G6PD 효소는 염소산염에 의해 직접 변성된다.
급성 심한 용혈은 다발성 장기 부전, DIC 및 신부전을 유발하며, 근위 세뇨관에 직접적인 독성을 나타낸다.[14] 치료는 교환 수혈, 복막 투석 또는 혈액 투석으로 구성된다.[15]
흡입했을 경우, 코 등의 점막을 자극하여 호흡 곤란 등을 일으킨다. 흡입했을 경우에는 환자를 신선한 공기가 있는 곳으로 옮기고 안정을 취하게 해야 한다. 피부에 닿았거나 눈에 들어갔을 경우에는 다량의 물로 씻어내야 한다. 이러한 응급 조치는 의사의 처치를 받기 전의 임시 조치이며, 이것만으로 충분하지 않다.
섭취했을 경우, 헤모글로빈이 메트헤모글로빈으로 변하여 적혈구막의 단백질을 변성시켜 용혈을 일으키고, 신장 기능을 손상시킨다.
6. 규제
화학물질의 분류 및 표시 등에 관한 세계 조화 시스템(GHS)의 산화성 고체(구분 2)에 해당하며, 각국에서 저장 및 운반에 규제가 있다. (유엔 번호 1495) 일본에서는 선박 안전법 및 항공법에 의해 GHS에 따른 규제가 있으며, 소방법에 근거한 위험물 제1류로 지정되어 있다. 일본 국내에서는 독물 및 극물 단속법에 의거하여 극물로 지정되어 있지만(1965년 정령 제2호), 급성 독성 및 자극성은 다른 극물만큼 높지 않다.
7. 사건 및 사고
1916년 5월 5일, 현재의 오사카시 후쿠시마구 노다 6초메에 있던 도쿄 창고에서 염소산 소다가 폭발하는 사고가 발생했다. 이 사고로 43명이 사망하고 316명이 중경상을 입었다.[24]
1930년대 뉴질랜드에서는 제초제로 사용된 염소산 나트륨이 양모나 면에 묻어 Exploding trousers|폭발 바지영어가 되는 문제가 발생했다.[23] 역사학자 제임스 왓슨(James Watson)은 매시 대학교에서 이와 관련한 사고에 대한 "리처드 버클리 씨의 폭발하는 바지의 의미"라는 제목의 기사를 작성하여 널리 보도되었다.[17][18]
1971년 9월 5일, 가나가와현의 사카타 종묘 회사(현 사카타노타네)에서 화재가 발생했다. 이 화재로 창고가 불탔고, 제초제로 보관하고 있던 염소산 나트륨 200kg이 폭발했다.[25]
참조
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락스의 화학!! 독가스, 폭발물, 그리고 피부 관리(?)까지 락스의 모든 과학!
https://www.youtube.[...]
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