칼륨 명반

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1. 개요
2. 역사
3. 특성
4. 생성
5. 용도
6. 안전성
참조

1. 개요

칼륨 명반은 고대부터 사용된 화합물로, 주로 황산 알루미늄 칼륨으로 알려져 있다. 역사적으로 유리 제조, 무두질, 염색 등에 사용되었으며, 고대 이집트에서는 물 정화에도 활용되었다. 현재는 의학에서 수렴제, 지혈제, 방부제로 사용되며, 데오도란트, 백신 면역 보조제, 식품 첨가물, 방염제, 수질 정화 등 다양한 산업 분야에서 활용된다.

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칼륨 명반 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
칼륨 명반
IUPAC 이름	칼륨 명반
다른 이름	칼륨 명반 황산염 백반 명반-(K)
식별 정보
CAS 등록번호	10043-67-1
CAS 등록번호 (12수화물)	7784-24-9
UNII	09OXB01F3O
UNII (12수화물)	1L24V9R23S
PubChem	24856
ChEBI	86463
SMILES	'[O-]S(=O)(=O)[O-].[O-]S(=O)(=O)[O-].[Al+3].[K+]'
InChI	1S/Al.K.2H2O4S/c;;21-5(2,3)4/h;;2(H2,1,2,3,4)/q+3;+1;;/p-4
특성
화학식	KAl(SO₄)₂·12H₂O
몰 질량 (무수물)	258.192 g/mol
몰 질량 (12수화물)	474.37 g/mol
외형	흰색 결정
냄새	물과 같은 금속성
밀도	1.725 g/cm³
용해도	14.00 g/100 mL (20.5 °C)
용해도	36.80 g/100 mL (50 °C)
다른 용매 용해도	아세톤에 불용
녹는점	92 ~ 95 °C
끓는점	200 °C 에서 분해
굴절률	1.4564
위험성
NFPA 704	건강: 2 화재: 0 반응성: 0
구조
결정 구조	입방정계
열화학
표준 생성 엔탈피	−6061.8 kJ mol−1
엔트로피	687.4 J mol−1K−1
열용량	651.03 J mol−1K−1
관련 화합물
관련 화합물	크롬 명반
참고 문헌
참고 문헌	Material Safety Data Sheet - Aluminum potassium sulfate dodecahydrate Crystal structure of the alums alum \| chemical compound What is Alum? Alum Block for Shaving – When and How to Use One

2. 역사

칼륨 명반은 고대 그리스, 중세 시대부터 19세기까지 양모 산업에서 널리 사용되었으며, 양모를 염료로 염색된 천 묶음으로 만드는 과정에서 매염제 또는 염료 고착제로 사용되었다.

2. 1. 고대

칼륨 명반은 고대 이집트인들에게도 알려졌으며, 그들은 서부 사막의 증발암에서 이를 얻었고, 물의 가시적인 흐림 (탁도)을 줄이기 위해 기원전 1500년경부터 사용했다고 전해진다.

메소포타미아 화학 역사의 전문가인 마틴 레비에 따르면, 칼륨 명반은 고대인들에게 알려진 몇 안 되는 화합물 중 하나로, 자연에서 비교적 순수한 형태로 발견될 수 있으며, 메소포타미아 화학 기술에서 확실하게 식별할 수 있는 몇 안 되는 화학 물질 중 하나이다.^[9] 칼륨 명반은 자연산과 수입산을 모두 사용했다.^[9] 칼륨 명반은 다른 물질들과 함께 유리 제조, 무두질, 그리고 천, 나무, 그리고 아마도 머리카락 염색에 사용되었다.^[9] 칼륨 명반을 이용한 무두질 과정은 기원전 1천 년의 점토판에 묘사되어 있다.^[9] 레비가 1958년에 논문을 작성했을 당시에는 염색 과정에 대한 설명은 발견되지 않아 칼륨 명반이 어떻게 사용되었는지는 알려져 있지 않다. 메소포타미아 의학에서 칼륨 명반은 가려움증, 황달, 일부 눈 질환, 그리고 확인되지 않은 질병 등에 광범위하게 사용되었다.^[9]

레비에 따르면 칼륨 명반은 "고전 시대"에 플럭스로 사용되어 구리 납땜, 나무의 내화 처리, 은과 금의 분리에 사용되었지만, 메소포타미아에서 이러한 용도가 존재했다는 증거는 없다.^[9]

명반석에서 칼륨 명반을 생산했다는 고고학적 증거가 레스보스 섬에서 발견되었다.^[10] 이 유적지는 7세기에 버려졌지만, 최소 2세기 CE까지 거슬러 올라간다.

칼륨 명반은 플리니우스에 의해 ''alumen'' 또는 ''salsugoterrae''라는 이름으로 기술되었으며,^[11] 이는 디오스코리데스가 설명한 ''stypteria''(στυπτηρία)와 명백히 동일하다.^[12]

칼륨 명반은 차라카 삼히타, 수스루타 삼히타, 아슈탕가 흐리다야와 같은 아유르베다 경전에 '스파티카 크샤라', '피트카리', 또는 '사우라스트리'라는 이름으로 언급되어 있다. 전통 중국 의학에서는 '밍판'이라는 이름으로 사용된다.

2. 2. 중세

13세기와 14세기에 명반(알루나이트에서 유래)은 포카이아(스미르나 만)에서 제노바와 베네치아(제노바와 베네치아 사이의 전쟁의 원인이 됨)를 거쳐 피렌체로의 주요 수입품이었다.^[13]^[14] 콘스탄티노폴리스가 함락된 후 교황령의 톨파에서 알루나이트(명반의 원료)가 발견되었다(1461년).^[13]^[14] 브뤼헤와 이탈리아, 그리고 나중에는 잉글랜드의 여러 지역의 섬유 염색 산업에서는 염료를 직물에 고정하고(염료를 "견뢰하게" 만들고) 색상을 밝게 하기 위해 명반이 필요했다.^[13]^[14]

2. 3. 근대

칼륨 명반은 주로 중동에서 수입되었고, 15세기 말부터 수백 년 동안 교황령에서 수입되었다. 칼륨 명반은 잉글랜드의 주요 산업 중 하나였던 양모의 염료 고착제(매염제)로 사용되었으며, 염색을 하면 그 가치가 크게 증가했다. 그러나 이러한 공급처는 신뢰할 수 없었고, 특히 헨리 8세의 파문 이후 교황령으로부터의 수입이 중단되면서 잉글랜드 내에서 자체적인 공급원을 개발하려는 노력이 이루어졌다.^[15]

16세기 내내 국가 자금 지원을 받아 시도가 이루어졌지만, 17세기 초까지 성공을 거두지 못했다. 주요 성분인 황산 알루미늄을 함유한 셰일을 가공하기 위한 산업이 요크셔에 설립되었으며, 이는 산업 혁명에 중요한 기여를 했다. 셰일과 인뇨로 명반을 생산하는 가장 오래된 역사적 장소 중 하나는 노스 요크셔의 레이븐스카에 있는 피크 명반 공장이다. 18세기까지 이 과정으로 인해 요크셔 북동부의 풍경은 황폐화되었는데, 이 과정은 약 30.48m 높이의 셰일 더미를 건설하고 몇 달 동안 지속적으로 장작을 사용하여 불을 지피는 것을 포함했다. 나머지 생산 과정은 채석, 추출, 셰일 재를 인뇨와 해초를 함께 담그고, 끓이고, 증발시키고, 결정화하고, 분쇄하고, 수출을 위해 자루에 담는 것으로 구성되었다. 채석은 이 지역의 절벽을 잠식했고, 숲은 숯을 위해 벌채되었으며, 토지는 황산과 재로 오염되었다.^[16]

3. 특성

칼륨 명반은 모서리가 평평한 정팔면체 형태로 결정화되며 물에 매우 잘 녹는다. 용액은 약간 산성이며 맛이 수렴성이다. 명반 용액을 수산화 칼륨으로 중화하면 알루미나()의 분리가 시작된다.

적열에 가까운 온도로 가열하면 다공성 부스러기 덩어리가 생성되며, 이는 "소성 명반"으로 알려져 있다. 자체 결정수 내에서 92°C에서 용융된다.

황산 알루미늄 칼륨이라고도 한다. 황산 알루미늄과 황산 칼륨 수용액을 당량 반응시키면 생성되는 복염 결정이다.

:{Al2(SO4)3} + {K2SO4} + 24H2O -> 2AlK(SO4)2 \cdot 12H2O

알루미늄을 수산화 칼륨에 녹여 황산을 첨가해도 생성된다.

:{2Al} + {2KOH} + 6H2O -> {2K[Al(OH)4]} + 3H2

:{K[Al(OH)4]} + {2H2SO4} + 8H2O -> AlK(SO4)2 \cdot 12H2O

12수화물 결정은 을 포함하며, 또한 6개의 에 가 둘러싸여 있다. 12수화물은 물에 대해 흡열적으로 용해되므로 용해도의 온도 의존성이 크며, 재결정에 의해 정팔면체형의 큰 결정이 얻어진다. 64.5℃에서 9개의 결정수를 잃고, 200℃에서는 무수물이 된다^[59]。무수물은 소명반이라고 불린다.

4. 생성

1700년대 초, 게오르크 에른스트 슈탈은 황산을 석회석과 반응시키면 일종의 명반이 생성된다고 주장했다.^[17]^[18] 그러나 요한 포트와 안드레아스 마르그라프는 알칼리를 명반 용액에 부었을 때 얻어지는 침전물(즉, 알루미나)이 석회나 백악과는 다르며, 일반적인 점토의 성분 중 하나임을 밝혀내 이 오류를 수정했다.^[19]^[20]

마르그라프는 알루미나를 황산에 용해하고 칼륨이나 암모니아를 농축 용액에 첨가하면 명반과 같은 성질을 가진 결정을 얻을 수 있음을 보였다.^[21] 1767년, 토르베른 베리만은 황산 알루미늄을 명반으로 전환하기 위해 칼륨 또는 암모늄 황산염이 필요하며, 나트륨이나 칼슘은 효과가 없다는 것을 관찰했다.^[22]

당시 칼륨("potash")은 식물에서만 발견되는 것으로 알려졌으나, 1797년 마르틴 클라프로트는 백운모와 리튬운모 광물에서 칼륨을 발견했다.^[23]^[24]

이후 루이 바클랭은 칼륨이 다른 많은 광물의 성분일 것이라 추측했다. 마르그라프와 베리만의 실험을 바탕으로 그는 이 알칼리가 천연 명반의 필수 성분이라고 생각했다. 1797년 그는 명반이 황산, 알루미나, 칼륨으로 구성된 복염임을 증명하는 논문을 발표했다.^[25] 같은 저널에서 장-앙투안 샤프탈은 로마 명반, 레반트 명반, 영국 명반, 그리고 자신이 제조한 명반 등 네 가지 종류의 명반 분석 결과를 발표하여 바클랭의 결과를 뒷받침했다.

황산알루미늄칼륨 12수화물은 황산염 광물인 명반-(K)로 자연에서 발견되며, 주로 황화물 광물과 칼륨 함유 광물이 풍화 및 산화되는 지역의 암석에서 발견된다.

과거에는 황산알루미늄칼륨을 황 함유 화산 퇴적물에서 채굴된 명반석에서 얻었다.^[27] 명반석은 칼륨과 알루미늄의 공급원이다.^[28]^[29] 명반석에서 명반을 얻기 위해, 명반석을 소성한 후 공기에 노출시키고 물을 뿌려 미세한 가루로 만든다. 이 가루를 뜨거운 물로 침출시키고, 액체를 따라낸 후 명반을 결정화시킨다.

수화물의 일종인 11수화물은 섬유질 광물인 칼리나이트로도 존재한다.^[30] 칼륨 명반은 역사적으로 주로 명반석에서 추출되었다.

칼륨 명반은 현재 황산 알루미늄 농축 용액에 황산 칼륨을 첨가하여 산업적으로 생산된다.^[31] 황산 알루미늄은 명반 편암, 보크사이트, 빙정석 등을 황산으로 처리하여 얻는다. 황산염에 철이 많으면 황산 칼륨 대신 염화 칼륨을 사용하는 것이 좋다.

황산 알루미늄 칼륨은 황산 알루미늄과 황산 칼륨 수용액을 반응시켜 생성되는 복염 결정이다.

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알루미늄을 수산화 칼륨에 녹여 황산을 첨가해도 생성된다.

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12수화물 결정은 을 포함하며, 6개의 에 가 둘러싸여 있다. 12수화물은 물에 대해 흡열적으로 용해되어 온도에 따라 용해도가 크게 변하며, 재결정을 통해 정팔면체 모양의 큰 결정을 얻을 수 있다. 64.5℃에서 9개의 결정수를 잃고, 200℃에서는 무수물이 된다.^[59] 무수물은 소명반이라고 불린다.

5. 용도

칼륨 명반은 다음과 같은 다양한 용도로 사용된다.

섬유 및 재료: 천, 나무, 종이 등을 덜 타게 만드는 방염제로 사용된다.^[31] 가죽 무두질에 사용되어 가죽에서 수분을 제거하고 부패를 방지한다.^[47] 염색 시 매염제로 사용되어 염료와 섬유 사이에 영구적인 결합을 형성하며,^[48] 마블링에도 사용된다.^[49]
수처리: 탁한 액체를 정화하는 데 사용되어 왔다.^[50] 식수 및 산업 공정수 정화, 폐수 처리, 호수 처리 등에 사용된다.^[51] 물에 첨가하면 음전하를 띤 콜로이드 입자가 뭉쳐져 "플록"을 형성하고, 이 플록은 침전되거나 떠올라 여과를 쉽게 한다.^[31]
화학: 세라믹 유약 현탁액의 점성을 증가시킨다. 레이크 안료의 기질 역할을 한다.^[54]
기타: 명반 용액은 강철을 용해하는 성질이 있어 가공된 주조물에 박힌 강철 도구 비트를 녹이는 데 사용될 수 있다.^[55]^[56] 전통 일본 미술에서 종이 사이징의 하도장으로 사용되는 ''도사''(:ja:礬水)의 재료이다. 어린이용 모델링 화합물 재료로 사용되기도 한다. 과거에는 사진 유제의 경화제로 사용되었으나, 현재는 다른 화학 물질로 대체되었다.

5. 1. 의학 및 화장품

칼륨 명반은 의학에서 주로 수렴제(또는 지혈제) 및 방부제로 사용된다.^[32] 지혈 펜슬은 칼륨 명반 또는 황산알루미늄으로 구성된 막대로, 가벼운 상처(특히 면도로 인한) 및 찰과상, 코피, 치질의 출혈을 줄이고, 벌침과 물린 상처의 통증을 완화하기 위해 국소적으로 사용된다. 면도 후에는 칼륨 명반 덩어리를 젖은 피부에 문지른다.^[7]

칼륨 명반은 여드름과 뾰루지를 제거하고, 입안의 아프타성 궤양 및 구내염을 소작하는 데에도 국소적으로 사용된다. 해당 부위에 현저한 건조 효과를 주어 자극을 줄여준다.^[33]^[34] 출혈성 방광염의 출혈을 멈추는 데 사용되기도 하며,^[35] 일부 국가에서는 다한증 치료제로 사용된다. 치과에서는 (특히 치은 퇴축 코드에서) 수렴성 및 지혈 특성 때문에 사용된다.

칼륨 명반과 암모늄 명반은 일부 발한 억제제 및 데오도란트의 활성 성분으로, 체취의 원인이 되는 박테리아의 성장을 억제하는 방식으로 작용한다. 명반의 발한 억제 및 항균 특성^[36]^[37]은 겨드랑이 데오도란트로 전통적으로 사용되는 데 기여했다.^[11] 유럽, 멕시코, 태국(여기서는 'sarn-som'이라고 불림), 아시아 전역, 필리핀(여기서는 'tawas'라고 불림)에서 이 목적으로 사용되었다. 오늘날, 칼륨 또는 암모늄 명반은 "데오도란트 크리스탈"로 이 목적을 위해 상업적으로 판매된다.^[38]^[39]^[6]

칼륨 명반은 백신의 효능을 높이기 위해 사용되는 주요 면역 보조제였으며, 1920년대부터 사용되었다.^[40] 그러나 상업용 백신에서는 수산화 알루미늄 및 인산 알루미늄으로 거의 완전히 대체되었다.^[41]

명반은 체모 제거에 사용되는 제모 왁스에 사용되거나, 왁싱 직후의 피부에 진정제로 적용될 수 있다. 1950년대에는 크루컷 또는 플랫탑 헤어스타일을 한 남성들이 머리카락을 세우기 위해 포마드 대신 명반을 머리카락에 바르기도 했다.

5. 2. 식품

칼륨 명반은 고온에서 두 번째 팽창 단계를 제공하기 위해 베이킹 파우더의 산성 성분으로 사용될 수 있다(하지만 알루미늄 명반이 이러한 목적으로 더 일반적으로 사용된다). 예를 들어, 칼륨 명반은 중국 전역에서 전통적인 중국식 튀김빵인 의 팽창에 자주 사용된다.^[42]

명반은 1800년대 영국에서 빵을 더 하얗게 만들기 위해 제빵사들이 사용했다. 존 스노우를 포함한 일부 사람들은 이것이 구루병을 유발한다고 이론화했다.^[43]^[44] 1875년 식품 및 의약품 판매법(38 & 39 Vict. c. 63)은 이러한 위조 행위를 금지했다.^[45]

"명반 가루"라는 이름의 칼륨 명반은 미국의 많은 식료품점의 향신료 코너에서 찾을 수 있다. 주요 요리 용도는 과일과 채소를 보존하고 아삭함을 더하기 위한 피클 레시피에 사용된다.^[46]

5. 3. 산업

칼륨 명반은 황산 알루미늄 농축 용액에 황산 칼륨을 첨가하여 산업적으로 생산된다.^[31] 황산 알루미늄은 일반적으로 명반 편암, 보크사이트, 빙정석과 같은 광물을 황산으로 처리하여 얻는다. 황산염에 철이 많이 존재할 경우, 황산 칼륨 대신 염화 칼륨을 사용하는 것이 더 바람직하다.

칼륨 명반은 역사적으로 명반석에서 주로 추출되었는데, 15세기 말부터 수백 년 동안 교황령에서 수입되었다. 그러나 헨리 8세의 파문 이후 교황령으로부터의 수입이 중단되면서 잉글랜드 내에서 자체적인 공급원을 개발하려는 노력이 이루어졌다.

17세기 초, 황산 알루미늄을 함유한 셰일을 가공하기 위한 산업이 요크셔에 설립되었다. 이는 산업 혁명에 중요한 기여를 했다. 셰일과 인뇨로 명반을 생산하는 가장 오래된 역사적 장소 중 하나는 노스 요크셔의 레이븐스카에 있는 피크 명반 공장이다. 18세기까지 이 과정은 셰일 더미를 건설하고 몇 달 동안 장작을 사용하여 불을 지피는 것을 포함했다. 나머지 생산 과정은 채석, 추출, 셰일 재를 인뇨와 해초와 함께 담그고, 끓이고, 증발시키고, 결정화하고, 분쇄하고, 수출을 위해 자루에 담는 것으로 구성되었다.

화학 반응식은 다음과 같다.

:{Al2(SO4)3} + {K2SO4} + 24H2O -> 2AlK(SO4)2 \cdot 12H2O

알루미늄을 수산화 칼륨에 녹여 황산을 첨가해도 생성된다.

:{2Al} + {2KOH} + 6H2O -> {2K[Al(OH)4]} + 3H2

:{K[Al(OH)4]} + {2H2SO4} + 8H2O -> AlK(SO4)2 \cdot 12H2O

5. 4. 기타

명반 용액은 비철금속에는 영향을 미치지 않으면서 강철을 용해하는 성질을 가지고 있다. 따라서 가공된 주조물에 박힌 강철 도구 비트를 녹이는 데 사용될 수 있다.^[55]^[56]

전통적인 일본 미술에서는 명반과 동물성 접착제를 물에 녹여 ''도사''(:ja:礬水)라는 액체를 만들어 종이 사이징의 하도장으로 사용했다.

명반은 어린이용 "플레이 클레이" 또는 "플레이 도"라고 불리는 수제 모델링 화합물 레시피의 재료로 사용되기도 한다.

칼륨 명반은 과거 사진 유제 (필름 및 종이)의 경화제로 사용되었으며, 일반적으로 고착액의 일부였다. 그러나 현재는 다른 화학 물질로 대체되었다.

황산 알루미늄 칼륨이라고도 하며, 황산 알루미늄과 황산 칼륨 수용액을 당량 반응시키면 생성되는 복염 결정이다. 화학 반응식은 다음과 같다.

:{Al2(SO4)3} + {K2SO4} + 24H2O -> 2AlK(SO4)2 \cdot 12H2O

알루미늄을 수산화 칼륨에 녹여 황산을 첨가해도 생성된다. 화학 반응식은 다음과 같다.

:{2Al} + {2KOH} + 6H2O -> {2K[Al(OH)4]} + 3H2

:{K[Al(OH)4]} + {2H2SO4} + 8H2O -> AlK(SO4)2 \cdot 12H2O

12수화물 결정은 을 포함하며, 6개의 에 가 둘러싸여 있다. 12수화물은 물에 대해 흡열적으로 용해되므로 용해도의 온도 의존성이 크며, 재결정에 의해 정팔면체형의 큰 결정이 얻어진다. 64.5℃에서 9개의 결정수를 잃고, 200℃에서는 무수물이 된다.^[59] 무수물은 소명반이라고 불린다.

매염제, 무두질제로 사용된다. 또한 혈액 응고성이 있으므로 지혈제로도 사용된다.^[60]

6. 안전성

칼륨 명반은 피부에 약한 자극을 줄 수 있다.^[57]

참조

_[1] 간행물 RedBook2005
_[2] 웹사이트 Material Safety Data Sheet - Aluminum potassium sulfate dodecahydrate https://fscimage.fis[...] 2020-07-26
_[3] 웹사이트 Crystal structure of the alums http://crystallograp[...] 2018-04-15
_[4] 서적 Chemistry 1310: Laboratory Manual School of Chemistry & Biochemistry, Georgia Institute of Technology / Hayden-McNeil Publishing 2010
_[5] 간행물 alum | chemical compound http://www.britannic[...] 2016-01-18
_[6] 웹사이트 What is Alum? http://chemistry.abo[...] About.com 2013-04-19
_[7] 웹사이트 Alum Block for Shaving – When and How to Use One https://blakenblade.[...] Blake'n Blade Shave Shop 2020-01-15
_[8] 문서 See Henry VII of England trade section. Henry broke the Pope's monopoly by financing shipping bootstrapping a trading system with the Ottoman Empires mines
_[9] 논문 Alum in Ancient Mesopotamian Technology https://www.jstor.or[...] 1958
_[10] 문서 A. Archontidou 2005, "Un atelier de preparation de l'alun a partir de l'alunite dans l'isle de Lesbos" in L'alun de Mediterranée. ed P. Borgard et al.
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_[12] 문서 Dioscorides, book 5, chapter 123.
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_[15] 웹사이트 How alum shaped the Yorkshire coast https://www.national[...] National Trust, UK 2018-02-05
_[16] 뉴스 Was alum the first example of the north-east's 'dirty' industries? | UK news https://www.theguard[...] 2013-11-20
_[17] 간행물 Specimen Beccherianum http://www.e-rara.ch[...] Johann Ludwig Gleditsch, Leipzig 1703
_[18] 간행물 Ausführliche Betrachtung und zulänglicher Beweiss von den Saltzen, daß diesselbe aus einer zarten Erde, mit Wasser innig verbunden, bestehen https://books.google[...] Wäysenhaus, Halle 1723
_[19] 간행물 Chymische Untersuchungen, welche fürnehmlich von der Lithogeognosia oder Erkäntniß und Bearbeitung der gemeinen einfacheren Steine und Erden ingleichen von Feuer und Licht handeln https://books.google[...] 1746
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_[21] 간행물 Expériences qui concernent la régénération de l'alun de sa propre terre, l'après avoir séparé par l'acide vitriolique ; avec quelques compositions artificielles de l'alun par moyen d'autres terres, et dudit acide http://babel.hathitr[...] 1754
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