질산 칼륨
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1. 개요
질산 칼륨은 전 세계적으로 사용되어 온 물질로, 다양한 이름으로 불린다. 화학식 KNO3를 가지며, 화약 제조, 비료, 식품 첨가물 등으로 사용된다. 역사적으로는 초석 밭에서 생산되었으며, 현대에는 질산암모늄과 수산화칼륨의 반응, 또는 질산과 수산화칼륨의 중화 반응 등을 통해 생산된다. 질산 칼륨은 물에 용해되며, 특정 온도에서 결정 구조가 변한다. 식품 첨가물로 사용될 경우 안전성 문제가 제기되기도 하며, 대중문화에서도 다양한 형태로 언급된다.
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| 질산 칼륨 - [화학 물질]에 관한 문서 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
 | |
| IUPAC 이름 | 질산 칼륨 |
| 다른 이름 | 초석 질산칼륨 칼륨 질산염 |
| 식별 정보 | |
| UNII | RU45X2JN0Z |
| KEGG | D02051 |
| ChEMBL | 1644029 |
| PubChem | 24434 |
| ChemSpider ID | 22843 |
| UN 번호 | 1486 |
| RTECS | TT3700000 |
| EINECS | 231-818-8 |
| CAS 등록번호 | 7757-79-1 |
| InChI | 1/K.NO3/c;2-1(3)4/q+1;-1 |
| InChIKey | FGIUAXJPYTZDNR-UHFFFAOYAM |
| SMILES | [K+].[O-][N+]([O-])=O |
| 표준 InChI | 1S/K.NO3/c;2-1(3)4/q+1;-1 |
| 표준 InChIKey | FGIUAXJPYTZDNR-UHFFFAOYSA-N |
| 특성 | |
| 화학식 | KNO3 |
| 몰 질량 | 101.1032 g/mol |
| 외관 | 흰색 고체 |
| 냄새 | 무취 |
| 용해도 | 133 g/L (0 °C) 316 g/L (20 °C) 383 g/L (25 °C) 2439 g/L (100 °C) |
| 다른 용매에 대한 용해도 | 에탄올에 약간 용해됨 글리세롤, 암모니아에 용해됨 |
| 밀도 | 2.109 g/cm³ (16 °C) |
| 녹는점 | 334 °C |
| 끓는점 | 400 °C (분해) |
| pKb | 15.3 |
| 굴절률 | 1.335, 1.5056, 1.5604 |
| 자기 감수율 | -33.7·10−6 cm³/mol |
| 구조 | |
| 결정 구조 | 사방정계, 아라고나이트 |
| 열화학 | |
| 표준 생성 엔탈피 | -494.00 kJ/mol |
| 열용량 | 95.06 J/mol·K |
| 위험성 | |
| 주요 위험 | 산화제, 삼키거나 흡입하거나 피부에 흡수되면 유해함. 피부 및 눈 부위에 자극을 유발함. |
| NFPA 704 | 건강: 1 인화성: 0 반응성: 0 기타: OX (산화제) |
| 인화점 | 불연성 (산화제) |
| LD50 | 1901 mg/kg (경구, 토끼) 3750 mg/kg (경구, 쥐) |
| 외부 MSDS | ICSC 0184 |
| 관련 화합물 | |
| 다른 음이온 | 아질산 칼륨 |
| 다른 양이온 | 질산 리튬 질산 나트륨 질산 루비듐 질산 세슘 질산 암모늄 질산 은 질산 칼슘 |
| 기타 화합물 | 황산 칼륨 염화 칼륨 |
2. 어원
초석(질산 칼륨)은 초기부터 전 세계적으로 사용되고 생산되었기 때문에 여러 이름으로 불려왔다.
질산칼륨은 역사적으로 다양한 방법으로 생산되고 활용되었다.
질산염을 뜻하는 이집트어와 히브리어 단어는 자음 'n-t-r'을 포함하는데, 이는 그리스어 ''nitron''과 어원적으로 관련이 있을 것으로 추정된다. 그리스어 ''nitron''은 라틴어 ''nitrum'' 또는 ''nitrium''으로 변형되었고, 이후 고대 프랑스어 ''niter''를 거쳐 중세 영어 ''nitre''가 되었다. 15세기 유럽에서는 이를 ''saltpetre''라고 불렀는데, 이는 특히 인도산 초석을 가리키는 말이었다(참고로 칠레초석은 질산 나트륨이다).[8][9] 화합물의 화학적 성질이 더 명확히 밝혀지면서 나중에는 ''nitrate of potash''라는 이름으로 불리기도 했다.
아랍 문화권에서는 질산 칼륨을 "중국 눈"(ثلج الصين|thalj al-ṣīnar)이라고 불렀으며, بارود|bārūdar라고도 칭했는데, 이 단어의 정확한 기원은 불분명하지만 나중에는 화약을 의미하게 되었다. 이란/페르시아에서는 "중국 소금"[10][11][12] 또는 "중국 염전의 소금"(نمک شوره چينی|namak shūra chīnīfa)이라고 불렀다.[23][13]
17세기 청나라에서 편찬된 기술 서적인 천공개물에는 화약 및 자연에서 얻는 다른 유용한 물질들의 생산 과정이 상세히 기록되어 있다. 또한, 알베르투스 마그누스의 저서로 추정되는 『비밀의 책(Book of Secrets)』에서는 질산 칼륨을 "Stony Salt"로 언급하고 있다.
3. 역사적 생산
마우리아 제국 시대 인도에서는 초석 제조업자들이 누니야(Nuniya)와 라바나(Labana) 카스트를 형성했다.[14] 카우틸리아의 아르타샤스트라(기원전 300년~기원후 300년 편찬)에는 초석의 독성 연기를 전쟁 무기로 사용했다는 기록이 있다.[15] 그러나 추진력을 위한 사용은 중세 시대 이후에 나타났다.
1270년, 시리아의 화학자이자 기술자인 하산 알라마는 자신의 저서 『알푸루시야 와 알마나시브 알하르비야』(군사 기마술과 독창적인 전쟁 장치의 책)에서 질산칼륨 정제 과정을 상세히 설명했다. 그는 최소한의 물로 끓이고 뜨거운 용액만을 사용하여 '바루드'(بارود|바루드ar, 미정제 초석 광물)를 정제하는 방법과, 탄산칼륨(목재 재 형태)을 사용하여 탄산염을 침전시켜 칼슘과 마그네슘을 제거하는 방법을 기술했다. 이렇게 정제된 질산칼륨 용액을 건조시켜 화약 및 폭발 장치 제조에 사용했다.[16] 알라마가 사용한 용어는 그가 기술한 화약 제조법이 중국에서 유래했음을 시사한다.[17] 아랍인들은 초석을 "중국 눈"(ثلج الصين|탈즈 알신ar)이라고 불렀으며, 이란/페르시아인들은 "중국 소금"[10][11][12] 또는 "중국 염전의 소금"(نمک شوره چينی|나마크 슈라 치니fa)[23][13]이라고 불렀다.
중세 유럽에서는 13세기경 스페인 아라곤의 바다 근처 특정 산에서 초석이 발견되었다는 기록이 있다.[23][24]
질산칼륨의 주요 자연 공급원 중 하나는 동굴 벽에서 결정화된 퇴적물과 동굴 속 박쥐 배설물(구아노) 축적물이었다.[18] 배설물을 하루 동안 물에 담가 걸러낸 후, 걸러진 물에서 결정을 수확하는 방식으로 추출했다. 전통적으로 라오스에서는 방파이(Bang Fai) 로켓의 화약 제조에 이 배설물을 사용했다.[19] 또한, 가축의 오줌이 스며든 축사 벽에서도 질산칼슘 형태로 발견되었다.[9]
인공적인 생산 방법으로는 초석 제조소(nitrary) 또는 초석 밭(nitre bed)이 이용되었다.
1561년, 스페인의 필리프 2세와 전쟁 중이던 잉글랜드 왕국의 엘리자베스 1세 여왕은 초석 수입이 막히자 독일 선장 게라르드 호니크에게 금 300파운드를 지불하고 초석 제조 기술(초석 제조소의 비밀)을 확보해야 했다.[25] 영국에서는 1588년 이전부터 기록가로 알려진 존 이블린 가문이 왕실로부터 폭약 제조 독점권을 부여받기도 했다.
미국 남북 전쟁 당시 남부 연합은 심각한 초석 부족에 시달렸다. 이를 해결하기 위해 초석 및 광산국이 설립되어 초석 밭과 정부 질산염 제조소에 배설물 공급을 장려하는 등 국내 생산을 독려했다. 이 과정에서 강제 노역이 동원되었는데, 버지니아주에서만 29,000명이 넘는 흑인들이 동원되었고, 사우스캐롤라이나주 찰스턴 외곽의 애슐리 페리 질산염 공장에서는 1864년 4월 노예 31명이 강제로 일해야 했다.[27] 당시 남부 연합의 절박함은 알라바마의 한 관리가 신문에 변기 내용물을 수집을 위해 모아달라는 광고를 낼 정도였다고 전해진다. 조셉 르콩트는 남부 연합의 필요에 부응하기 위해 초석 생산 증대 방안을 연구하며 농촌 공동체를 대상으로 쉬운 설명과 지시 사항을 담은 글을 썼다.[28]
일본의 전국 시대 일부 지역에서는 화장실 바닥 밑의 흙을 채굴하거나, 마른 풀에 오줌을 뿌려 발효시키는 방식으로 초석을 제조하기도 했다.
17세기 청나라에서 출판된 천공개물에는 화약 및 초석 생산 과정이 자세히 기술되어 있다.
최소한 1845년까지 칠레와 캘리포니아에서는 질산염 매장지가 개발되었다.[18] 20세기 초에는 칠레 사막의 막대한 질산나트륨 결정석(칠레초석) 매장량이 중요한 원료 공급원이 되었다. 질산나트륨을 정제한 후 염화칼륨(KCl)과 반응시키면 용해도가 낮은 염화나트륨이 침전되고, 질산칼륨 수용액을 얻을 수 있었다. 현대에는 주로 질산을 기반으로 질산칼륨이 제조된다.[69]
4. 현대적 생산
현대에는 주로 질산암모늄과 수산화칼륨을 결합하여 질산 칼륨을 생산한다. 이 반응에서는 암모니아가 부산물로 생성된다.
NH4NO3 + KOH → NH3 + KNO3 + H2O
암모니아 부산물 없이 질산 칼륨을 생산하는 또 다른 방법은 즉석 아이스팩에 사용되는 질산암모늄[30]과 무나트륨 소금 대용품으로 쉽게 구할 수 있는 염화칼륨을 반응시키는 것이다.
NH4NO3 + KCl → NH4Cl + KNO3
질산을 수산화칼륨으로 중화시켜 질산 칼륨을 생산할 수도 있다. 이 반응은 열을 많이 발생시키는 발열 반응이다.
KOH + HNO3 → KNO3 + H2O
산업적으로는 질산나트륨과 염화칼륨 사이의 이중 치환 반응을 이용하여 질산 칼륨을 제조한다. 이 방법은 과거 칠레 사막의 질산나트륨 결정석(칠레초석)을 원료로 사용하던 방식과 유사하다. 정제된 질산나트륨과 염화칼륨을 반응시키면 용해도가 낮은 염화나트륨이 먼저 침전되고, 질산 칼륨 수용액을 얻을 수 있다.
NaNO3 + KCl → NaCl + KNO3
2023년 현재는 질산을 기반으로 제조하는 방식이 주로 사용된다.[69]
5. 성질
질산칼륨은 상온에서 사방정계 결정 구조[31]를 가지며, 128°C에서 삼방정계로 변환된다. 200°C에서 냉각될 때는 124°C와 100°C 사이에서 또 다른 삼방정계 상이 형성된다.[32][33]
질산 나트륨은 탄산 칼슘의 가장 안정적인 형태인 방해석과 구조가 같지만, 상온의 질산칼륨은 탄산 칼슘의 덜 안정적인 다형체인 아라고나이트와 구조가 같다.[34] 이러한 차이는 질산 이온(NO3-)과 탄산 이온(CO32-)의 크기가 비슷하고, 칼륨 이온(K+)이 나트륨(Na+) 및 칼슘(Ca2+) 이온보다 크기 때문에 발생한다.
상온 질산칼륨 구조에서 각 칼륨 이온은 6개의 질산 이온으로 둘러싸여 있으며, 각 질산 이온은 6개의 칼륨 이온으로 둘러싸여 있다.[31]
질산칼륨은 물에 중간 정도로 용해되며, 용해도는 온도가 올라갈수록 증가한다. 수용액은 거의 중성이며, 시판되는 분말 10% 용액의 경우 14°C에서 pH 6.2를 나타낸다. 흡습성이 매우 낮아, 50일 동안 80% 상대습도에서 약 0.03%의 물만 흡수한다. 알코올에는 녹지 않으며 독성이 없다. 환원제와 섞이면 폭발적으로 반응할 수 있지만, 질산칼륨 자체는 폭발성이 없다.[2]
질산칼륨은 550~790 °C 사이의 온도에서 아질산 칼륨과 산소로 분해되어 온도에 따라 평형 상태에 도달한다.[35]
2 KNO3 ⇌ 2 KNO2 + O2
6. 용도
질산 칼륨은 다양한 용도로 사용되며, 주로 질산염의 공급원으로 쓰인다. 역사적으로 질산은 황산과 질산염(예: 초석)을 반응시켜 생산되었으나, 현대에는 오스트발트법으로 생산된 질산을 이용해 질산염을 만든다.[36]
질산칼륨의 가장 잘 알려진 용도는 흑색화약의 산화제로 사용되는 것이다. 고대부터 1880년대 후반까지 흑색화약은 전 세계 화기의 주요 폭발력을 제공했다. 이후 코르다이트와 같은 무연 화약으로 대체되었지만, 오늘날에도 흑색화약 로켓 모터나 설탕 등 다른 연료와 혼합한 로켓 캔디(아마추어 로켓 추진제) 등에 사용된다. 또한 연막탄을 포함한 불꽃놀이 제품에도 쓰인다.[36] 담배의 균일한 연소를 돕기 위해 첨가되기도 하며,[37] 구식 리볼버의 종이약통이 완전히 연소되도록 하는 데에도 사용된다.[38] 수백 도로 가열하여 강철 부품에 특정 색상을 내는 초석 푸른색 처리에도 사용된다.
식품 분야에서는 고대 또는 중세 시대부터 염장육의 재료로 사용되었다.[39][6] 현대에는 아질산나트륨 제제가 더 널리 쓰이지만, 질산칼륨은 여전히 살라미, 건조 숙성 햄, 샤퀴테리 및 일부 국가의 비프 코른드 제조에 사용되는 브라인(때로는 아질산나트륨과 함께) 등에 첨가된다.[41] 영국 셰틀랜드 제도의 지역 특산물인 레스티트 뮤턴(훈제 양고기) 제조에도 쓰인다.[42] 식품 첨가물로 사용될 경우, 유럽 연합에서는 E252로 표기하며,[43] 미국,[44] 호주 및 뉴질랜드[45]에서도 사용이 승인되었다(INS 번호 252).[2]
비료로 사용될 때는 식물의 성장에 필수적인 다량 영양소인 질소와 칼륨을 공급한다. 단독으로 사용될 경우 NPK 비율은 13-0-44이다.[48][49]
의료 및 위생 분야에서는 1980년대부터 일부 치약에 치아 과민증 완화 목적으로 사용되어 왔으나,[50] 그 효과에 대해서는 명확한 과학적 근거가 부족하다는 평가가 있다.[51][52][70] 과거에는 천식 치료에 사용되었으며,[53] 일부 치약에는 천식 증상 완화 목적으로 포함되기도 했다.[54] 또한 고혈압에 효과가 있어 한때 혈압 강하제로 사용되었다.[56] 태국에서는 방광염, 신우염, 요도염 증상 완화를 위한 신장 정제 성분으로 사용된다.[55]
그 외에도 다양한 산업 및 기술 분야에서 활용된다.
- 염다리의 전해질로 사용된다.
- 응축 에어로졸 소화 장치 시스템의 주요 성분이다. 불꽃의 라디칼과 연소될 때 탄산칼륨을 생성하여 소화 작용을 돕는다.[57]
- 알루미늄 세척제로 사용된다.
- 나무 그루터기 제거제(stump remover)의 주성분(일반적으로 약 98%)으로 사용된다. 이는 나무를 분해하는 균류에 질소를 공급하여 자연적인 분해를 가속하거나, 또는 그루터기에 구멍을 뚫고 질산칼륨 용액을 침투시킨 뒤 건조시켜 연소 시 산화제로 작용하게 하여 제거를 돕는다.
- 금속의 열처리에서 중간 온도 용융염욕으로, 보통 아질산나트륨과 함께 사용된다. 유사한 욕조는 화기류 등에서 볼 수 있는 내구성 있는 청흑색 마감을 생성하는 데 사용된다. 그 산화 특성, 수용성 및 저렴한 비용으로 인해 이상적인 단기간 녹 방지제가 된다.[59]
- 필리핀에서 망고 나무의 개화를 유도한다.[60][61]
- 태양열 발전 시스템의 열 저장 매체이다. 나트륨 및 질산칼륨 염은 헬리오스타트가 모은 태양 에너지를 이용하여 용융 상태로 저장된다. 질산칼슘 또는 질산리튬을 첨가한 삼원 염은 용융염의 열 저장 용량을 향상시키는 것으로 밝혀졌다.[62]
- 화학 강화 유리에서 나트륨 이온과의 교환을 위한 칼륨 이온의 공급원으로 사용된다.
일각에서는 질산칼륨이 금욕 효과가 있어 남학교 급식에 첨가된다는 오해가 퍼져 있으나, 실제로는 인체에 그러한 영향을 미치지 않는다.[71]
6. 1. 대한민국에서의 이용
질산 칼륨은 치약 및 화약 제조에 사용된다. 질산 칼륨과 설탕, 그리고 베이킹 소다(탄산수소 나트륨)를 섞어 불을 붙이면 연기가 발생하며, 이는 '스모크 밤(Smoke bomb)'으로 이용되기도 한다.7. 안전성 및 규제
질산칼륨은 고대 또는 중세 시대부터 염장육의 일반적인 재료로 사용되었다.[39] 하지만 질산염이 널리 사용된 것은 비교적 최근의 일로, 대규모 육류 가공 산업의 발달과 관련이 깊다.[6] 질산칼륨은 "프라하 파우더"나 분홍색 "훈연염"과 같은 아질산나트륨 제제에 비해 효과가 느리고 일관성이 떨어져 현재는 사용이 많이 줄었다. 그럼에도 불구하고, 살라미, 건조 숙성 햄, 샤퀴테리 및 일부 국가의 비프 코른드를 만드는 브라인(때로는 아질산나트륨과 함께) 등 일부 식품 가공에는 여전히 사용되고 있다.[41] 영국 셰틀랜드 제도에서는 양고기를 훈연하여 만드는 지역 특산물인 레스티트 뮤턴에 질산칼륨이 사용된다.[42]
유럽 연합에서는 질산칼륨이 식품 첨가물로 사용될 경우 E 번호 E252로 분류된다.[43] 미국[44]과 호주 및 뉴질랜드[45]에서도 식품 첨가물로 사용이 승인되었으며, 국제 식품 규격 위원회(Codex Alimentarius)에서는 INS 번호 252로 등재되어 있다.[2]
그러나 질산칼륨을 포함한 질산염 및 아질산염 첨가물과 가공육 섭취의 안전성에 대한 우려가 꾸준히 제기되고 있다. 2015년 10월, 세계보건기구(WHO) 산하 국제암연구소(IARC)는 여러 역학 연구 결과를 종합하여 가공육을 1군 발암물질(인체에 암을 유발하는 것이 확실한 물질)로 분류하였다.[46]
또한, 2023년 4월 프랑스 리모주 고등항소법원은 식품 성분 분석 앱을 운영하는 비정부기구 유카(Yuka)가 질산칼륨 및 아질산나트륨 등(E 번호 E249~E252)을 "발암 위험"이 있는 첨가물로 묘사한 것이 정당하다고 판결했다. 이는 해당 표기에 반발한 프랑스 샤퀴테리 업계의 소송을 기각한 것으로, 질산염 및 아질산염 첨가물의 안전성 논란을 다시 한번 확인시켜 주었다.[47]
8. 대중문화
질산칼륨은 한때 발기부전을 유발한다고 여겨졌으며, 여전히 군대 식량과 같은 기관 급식에 들어 있다는 소문이 있다. 그러나 이러한 속설에 대한 과학적 증거는 없다.[64][65]
다양한 대중문화 작품에서 질산칼륨이 언급된다.
- 영화
- * 뱅크 샷(Bank Shot): 엘(조앤나 캐시디)이 월터 발란타인(조지 C. 스콧)에게 감옥에서 질산칼륨을 먹었다고 말한다.
- * 뻐꾸기 둥지 위로 날아간 새: 랜들은 간호사들이 주는 약의 성분을 알지 못한 채, 누군가 자신에게 "질산칼륨을 몰래 먹이지 않기를" 바란다고 말하며 자위행위를 하는 시늉을 한다.
- * 21 점프 스트리트: 젠코(채닝 테이텀)가 화학 수업에서 질산칼륨에 대해 운율을 넣어 발표한다.
- * 이팅 라울(Eating Raoul): 폴은 아내에 대한 라울의 성욕을 줄이기 위해, 도미나트릭스를 간호사로 고용하여 라울에게 질산칼륨을 먹이도록 한다.
- 텔레비전 시리즈
- * 스타 트렉: "아레나" 에피소드에서 커크 선장은 질산칼륨을 주요 성분으로 하는 화약을 이용해 만든 간이 대포로 고른에게 부상을 입힌다.
- * 심슨 가족: "호머의 신비한 여정(El Viaje Misterioso de Nuestro Jomer)" 에피소드에서 번스 씨는 자신의 칠리 요리인 "올드 엘리후의 예일식 질산칼륨 칠리"에 질산칼륨을 넣는 장면이 나온다.
- * 덱스터: 오리지널 씬(Dexter: Original Sin): 첫 번째 에피소드에서 덱스터의 첫 번째 희생자는 다른 피해자들을 살해하는 데 질산칼륨을 사용한다.
- 소설
- * 베르나르 코른웰의 ''샤프'' 시리즈: 인도에서 공급받는 질산칼륨이 나폴레옹 전쟁에서 영국 군사력 우위에 중요한 요소로 여러 번 언급된다. ''샤프의 혼란''에서는 프랑스군 장교 아르장통이 프랑스가 오수구(오줌 구덩이)에서 질산칼륨을 모아야 하는 현실을 한탄한다.
- * 마르틴 크르판: 슬로베니아 민중 영웅인 주인공 마르틴 크르판이 생계를 위해 불법으로 '영국 소금'을 밀수하는데, '영국 소금'이 화약 제조에 사용된다는 점에서 질산칼륨(초석)을 가리키는 은어일 가능성이 있다.
참조
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