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탄산 나트륨

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목차

1. 개요

탄산 나트륨은 화학식 Na₂CO₃를 갖는 나트륨의 탄산염으로, 다양한 수화물 형태로 존재하며, 소다회, 세탁 소다 등으로 불린다. 수용액에서 염기성을 나타내며, 세척, 유리 제조, 식품 첨가물 등 다양한 용도로 사용된다. 산업적으로는 트로나 채굴, 솔베이 공법, 르블랑 공정 등을 통해 생산되며, 르블랑 공정은 환경 오염 문제를 야기했다.

2. 화학적 성질

탄산 나트륨은 다양한 분야에서 비교적 강한 염기로 사용된다. 수산화 나트륨보다 저렴하고 취급이 훨씬 안전하여, 특히 가정용으로 사용하기에 적합하다.

사진 현상액의 pH 조절, 수영장 및 수족관 물의 pH와 탄산 경도(KH) 유지, 섬유 염색에서 염료가 섬유와 잘 결합하도록 돕는 매염제, 부유 선광 공정에서 유리한 pH를 유지하는 등 다양한 용도로 사용된다.

탄산 나트륨의 적분 용해 엔탈피는 10% w/w 수용액에 대해 -28.1 kJ/mol이다.[20] 탄산 나트륨 일수화물의 모스 굳기 척도는 1.3이다.[4]

2. 1. 염기성

탄산 나트륨의 pH는 11.3(1% 수용액)이다.[30] 탄산 나트륨은 수용액에서 다음과 같이 이온화된다.

# Na2CO3 -> {2Na+} + CO3^{2-}

# HCO3^- <=> {H+} + CO3^{2-}

# {CO3^{2-}} + H2O -> {HCO3^-} + OH^-

2번 반응의 평형은 현저히 왼쪽으로 치우쳐 있기 때문에 CO3^{2-} 이온이 물에서 H+ 이온을 빼앗는 능력이 강하다. 따라서 3번 반응과 같이 OH- 이온을 생성하는 가수분해가 일어난다.

그 때문에 탄산 나트륨 수용액은 염기성을 나타내며, 맛은 쓰다. 과자를 만들 때 첨가하는 베이킹 파우더는 탄산수소나트륨이 주성분이며, 열분해하여 탄산 나트륨이 생성되면 알칼리성이 되어 쓴맛을 나타내므로, 중화제로 주석산도 첨가되어 있다.

2. 2. 소다회와 세탁 소다

탄산 나트륨 10수화물(Na2CO3·10H2O)은 10개의 결정수 분자를 포함하는 탄산 나트륨의 가장 흔한 수화물로, '''세탁 소다'''라고도 불린다. 탄산 소다는 물에 용해되어 결정화 과정을 거쳐 세탁 소다를 얻는다.

Na2CO3 + 10H2O -> Na2CO3.10H2O

이는 물에 용해되는 몇 안 되는 금속 탄산염 중 하나이다. 무수염은 '''소다회'''라고 한다.[30]

결정 구조에 10개의 물 분자를 포함하는 십수화물은 '''세탁 소다'''라고 불리며, 예전부터 면포 세탁에 이용되어 왔다.[30]

십수화물(Na2CO3·10H2O)은 풍해하여 일수화물(Na2CO3·H2O)이 된다. 수송 시 부피와 질량을 줄이기 위해 300°C 이상으로 가열하여 무수염으로 만든다.

2. 3. 수화물

탄산 나트륨은 세 가지 수화물과 무수 염 형태로 얻어진다.

  • 탄산 나트륨 십수화물(나트론), Na2CO3·10H2O는 쉽게 풍해되어 일수화물을 형성한다.
  • 탄산 나트륨 칠수화물(광물 형태로 알려지지 않음), Na2CO3·7H2O.
  • 탄산 나트륨 일수화물(테르모나트라이트), Na2CO3·H2O. '''결정 탄산염'''이라고도 한다.
  • 무수 탄산 나트륨(나트라이트)은 소다회라고도 하며, 수화물을 가열하여 형성된다. 또한 솔베이 공정의 마지막 단계에서와 같이 탄산수소 나트륨을 가열(소성)할 때 형성된다.


십수화물은 -2.1°C~32°C의 온도 범위에서 결정화되는 수용액에서 형성되며, 칠수화물은 32°C~35.4°C의 좁은 범위에서, 그리고 이 온도 이상에서는 일수화물이 형성된다.[13] 건조한 공기 중에서 십수화물과 칠수화물은 물을 잃어 일수화물을 생성한다. 탄산 나트륨 단위당 2.5개의 물 분자("펜타 헤미수화물")를 갖는 다른 수화물도 보고되었다.[14]

탄산 나트륨 10수화물(Na2CO3·10H2O), 일명 세탁 소다는 10개의 결정수 분자를 포함하는 탄산 나트륨의 가장 흔한 수화물이다. 탄산 소다는 물에 용해되어 세탁 소다를 얻기 위해 결정화된다.

:Na2CO3 + 10H2O → Na2CO3·10H2O

이는 물에 용해되는 몇 안 되는 금속 탄산염 중 하나이다.

3. 제조법

공업적으로 탄산 나트륨은 천연 트로나를 정제하거나, 솔베이 공정(암모니아-소다법)으로 제조된다.[30] 전 세계 생산량의 약 28%는 천연 트로나에서 얻는다.[32]

1792년 프랑스 화학자 니콜라 르블랑은 소금(염화 나트륨), 황산, 석회석(탄산 칼슘), 석탄을 이용하여 탄산 나트륨을 생산하는 르블랑 공정을 개발하여 특허를 냈다.[27] 르블랑 공정은 다음과 같은 단계로 이루어진다.

# 만하임 공정을 통해 염화 나트륨과 황산을 반응시켜 황산 나트륨(''소금 케이크'')과 염화 수소를 생성한다.

# 소금 케이크와 분쇄된 석회석을 석탄과 함께 가열하여 환원시킨다. 이 과정은 두 단계로 나뉜다.

## 탄소가 환원 반응을 통해 황산염을 황화물로 환원시킨다. (탄소열반응)

## 황화 나트륨과 탄산 칼슘이 반응하여 탄산 나트륨과 황화 칼슘을 생성한다.

# 이 혼합물(''흑회'')에서 물을 이용하여 탄산 나트륨을 추출하고, 추출물을 증발시켜 고체 탄산 나트륨을 얻는다. (침출)

르블랑 공정은 염산으로 인한 대기 오염과 황화 칼슘 폐기물 처리 문제를 야기했지만, 1880년대 후반까지 탄산 나트륨의 주요 생산 방법으로 사용되었다.[26][28]

1861년, 벨기에의 산업 화학자 에르네스트 솔베이는 염화 나트륨, 암모니아, 물, 이산화 탄소를 반응시켜 탄산 수소 나트륨과 염화 암모늄을 생성하는 솔베이 공정을 개발했다.[27] 이후 생성된 탄산 수소 나트륨을 가열하여 탄산 나트륨, 물, 이산화 탄소로 분해한다. 솔베이 공정에서는 부산물인 염화 암모늄을 산화 칼슘(석회)으로 처리하여 암모니아를 재생하고, 염화 칼슘을 생성한다. 솔베이 공정은 암모니아를 재활용하고, 염화 칼슘만 폐기물로 배출하므로 르블랑 공정보다 훨씬 경제적이다. 솔베이 공정은 전 세계 탄산 나트륨 생산을 빠르게 장악했으며, 1900년에는 탄산 나트륨의 90%가 이 공정으로 생산되었다. 1920년대 초에는 마지막 르블랑 공정 공장이 문을 닫았다.[27]

솔베이 공정의 두 번째 단계인 탄산 수소 나트륨 가열은 프레첼이나 알칼리 국수 등 요리에 사용되는 탄산 나트륨을 소규모로 만드는 데 사용된다. 이 방법은 베이킹 소다(탄산 수소 나트륨)를 약 121.1°C~약 148.9°C의 온도로 가열하면 탄산 나트륨으로 쉽게 변환할 수 있기 때문에 널리 사용된다.[17]

3. 1. 채굴

트로나는 세스퀴탄산나트륨(중탄산탄산나트륨 이수화물, Na3HCO3CO3·2H2O)이라고도 불리는데, 미국 여러 지역에서 채굴되며 미국 탄산 나트륨 소비량의 거의 전부를 공급한다. 1938년에 발견된 와이오밍 주 그린 리버 근처의 대규모 자연 매장량으로 인해 북미에서는 산업 생산보다 채굴이 더 경제적이다. 터키에도 중요한 트로나 매장량이 있다.[24] 앙카라 인근 매장량에서 200만ton의 소다회가 추출되었다.

나트륨이 풍부한 환경에서 자란 식물(중동의 초목, 염생 식물, 스코틀랜드의 다시마, 스페인의 해조류 등)의 잿더미에서 탄산나트륨이 추출되었다. 이러한 나트륨이 풍부한 식물의 재는 탄산 칼륨을 얻을 수 있는 목재의 재와 달랐기 때문에 소다회(soda ash)라고 불리게 되었다.[31] 이것들은 19세기 초까지 유럽 및 다른 지역에서 행해졌다.

호수 등에 용해된 탄산 나트륨은 물의 증발에 의해 석출되어 호저에서 자연적으로 채취될 수 있다. 이러한 광물은 나트론이라고 불렸다. 이집트의 건조한 호수 등에서 얻어져 유리 원료나 미라 제조에 사용되었다.

탄산 나트륨의 무수 광물 상태는 매우 드물며, 나트라이트(natrite)라고 불린다. 탄자니아의 올도이뇨 렝가이 화산에서도 분출된다. 과거에도 이와 유사한 분출이 있었을 것으로 생각되지만, 지표면에서는 불안정하여 물에 침식되었을 가능성이 있다. 예를 들어 러시아의 콜라 반도에서는 탄산 나트륨, 트로나(Trona|트로나영어), 세스퀴탄산나트륨의 3종의 광물 형태로 존재한다. 트로나, 세스퀴탄산나트륨은 현재에도 탄산 나트륨의 원료로 채굴되고 있다.

3. 2. 역사적 제조법

염생식물과 해조류를 가공하여 불순한 형태의 탄산 나트륨을 얻는 방법은 19세기 초까지 유럽 등지에서 널리 사용되었다. 육상 식물(주로 퉁퉁마디나 나문재)이나 해조류(주로 모자반)를 수확, 건조, 연소시킨 후, 재를 물로 씻어 알칼리 용액을 만들었다. 이 용액을 끓여 건조시키면 "소다회"라는 최종 제품이 만들어졌다. "소다회"라는 이름은 아랍어 단어 'soda'에서 유래했으며, 이는 다시 생산에 사용된 해변 식물 중 하나인 ''Salsola soda''에서 따온 것이다. "바릴라"는 해안 식물이나 다시마에서 얻은 불순한 형태의 탄산 칼륨을 가리키는 상업적 용어였다.[25]

소다회의 탄산 나트륨 농도는 해조류에서 추출한 "다시마"의 경우 2~3%, 스페인에서 나문재로 만든 최고급 바릴라의 경우 30% 정도로 다양했다. 18세기 말, 소다회와 관련 알칼리인 잿물의 식물 및 해조류 공급원이 부족해지면서, 소금 등으로부터 탄산 나트륨을 합성하는 상업적 방법 개발이 활발해졌다.[26]

1792년, 프랑스 화학자 니콜라 르블랑은 소금, 황산, 석회석, 석탄으로 탄산 나트륨을 생산하는 공정을 특허받았다. 첫 단계에서 염화 나트륨은 만하임 공정을 통해 황산과 반응하여 황산 나트륨(소금 케이크)과 염화 수소를 생성한다.

소금 케이크와 분쇄된 석회석(탄산 칼슘)은 석탄으로 가열되어 환원된다.[27] 이 과정은 두 단계로, 첫 번째는 탄소가 환원되어 황산염을 황화물로 만드는 탄소 열 반응이다.

두 번째 단계에서는 탄산 나트륨과 황화 칼슘이 생성된다.

이 혼합물을 '흑회'라고 하며, 물을 이용하여 흑회로부터 탄산 나트륨을 추출한다. 이 추출물을 증발시키면 고체 탄산 나트륨이 생성되며, 이 추출 공정을 침출이라 불렀다.

르블랑 공정에서 발생하는 염산은 심각한 대기 오염을 유발했고, 황화 칼슘 부산물도 폐기물 처리 문제를 일으켰다. 그럼에도 불구하고 이 공정은 1880년대 후반까지 탄산 나트륨 생산의 주요 방법으로 사용되었다.[26][28]

중동의 초목, 염생 식물, 스코틀랜드의 다시마, 스페인의 해조류 등 나트륨이 풍부한 환경에서 자란 식물의 재에서도 탄산 나트륨이 추출되었다. 이러한 식물의 재는 탄산 칼륨을 얻는 목재 재와 달리 소다회(soda ash)라고 불렸다.[31]

호수 등에 용해된 탄산 나트륨은 물이 증발하면서 석출되어 자연적으로 채취되기도 했는데, 이를 나트론이라 불렀다. 이집트의 건조한 호수 등에서 채취된 나트론은 유리 원료나 미라 제조에 사용되었다.

탄산 나트륨의 무수 광물 형태는 매우 드물며, 나트라이트(natrite)라고 불린다. 탄자니아의 올도이뇨 렝가이 화산에서 분출되기도 하며, 과거에도 유사한 분출이 있었을 것으로 추정되지만 지표면에서는 불안정하여 물에 침식되었을 가능성이 있다. 러시아 콜라 반도에서는 탄산 나트륨, 트로나(Na3H(CO3)2·2H2O), 세스퀴탄산나트륨(Na2CO3·NaHCO3)의 세 가지 광물 형태로 존재하며, 트로나와 세스퀴탄산나트륨은 현재도 탄산 나트륨 원료로 채굴되고 있다.

3. 3. 공업적 제조법

프랑스의 화학자 니콜라 르블랑은 1792년에 소금(염화 나트륨), 황산, 석회석(탄산 칼슘), 석탄을 이용하여 탄산 나트륨을 생산하는 르블랑 공정을 개발하여 특허를 냈다.[27] 르블랑 공정은 다음과 같은 단계로 이루어진다.

# 만하임 공정을 통해 염화 나트륨과 황산을 반응시켜 황산 나트륨(''소금 케이크'')과 염화 수소를 생성한다.

#: 2NaCl + H2SO4 → Na2SO4 + 2HCl

# 소금 케이크와 분쇄된 석회석을 석탄과 함께 가열하여 환원시킨다. 이 과정은 두 단계로 나뉜다.

## 탄소가 산화 환원 반응을 통해 황산염을 황화물로 환원시킨다. (탄소열반응)

:: Na2SO4 + 2C → Na2S + 2CO2

## 황화 나트륨과 탄산 칼슘이 반응하여 탄산 나트륨과 황화 칼슘을 생성한다.

:: Na2S + CaCO3 → Na2CO3 + CaS

# 이 혼합물(''흑회'')에서 물을 이용하여 탄산 나트륨을 추출하고, 추출물을 증발시켜 고체 탄산 나트륨을 얻는다. (침출)

르블랑 공정은 염산으로 인한 대기 오염과 황화 칼슘 폐기물 처리 문제를 야기했지만, 1880년대 후반까지 탄산 나트륨의 주요 생산 방법으로 사용되었다.[26][28]

1861년, 벨기에의 산업 화학자 에르네스트 솔베이는 염화 나트륨, 암모니아, 물, 이산화 탄소를 반응시켜 탄산 수소 나트륨과 염화 암모늄을 생성하는 솔베이 공정을 개발했다.[27]

: NaCl + NH3 + CO2 + H2O → NaHCO3 + NH4Cl

이후 생성된 탄산 수소 나트륨을 가열하여 탄산 나트륨, 물, 이산화 탄소로 분해한다.

: 2NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2

솔베이 공정에서는 부산물인 염화 암모늄을 산화 칼슘(석회)으로 처리하여 암모니아를 재생하고, 염화 칼슘을 생성한다.

: 2NH4Cl + CaO → 2NH3 + CaCl2 + H2O

솔베이 공정은 암모니아를 재활용하고, 염화 칼슘만 폐기물로 배출하므로 르블랑 공정보다 훨씬 경제적이다. 솔베이 공정은 전 세계 탄산 나트륨 생산을 빠르게 장악했으며, 1900년에는 탄산 나트륨의 90%가 이 공정으로 생산되었다. 1920년대 초에는 마지막 르블랑 공정 공장이 문을 닫았다.[27]

솔베이 공정의 두 번째 단계인 탄산 수소 나트륨 가열은 프레첼이나 알칼리 국수 등 요리에 사용되는 탄산 나트륨을 소규모로 만드는 데 사용된다. 이 방법은 베이킹 소다(탄산 수소 나트륨)를 약 121.1°C~약 148.9°C의 온도로 가열하면 탄산 나트륨으로 쉽게 변환할 수 있기 때문에 널리 사용된다.[17]

1930년대 중국의 화학자 허우더방은 하버-보슈 공정과 결합된 허우 공정을 개발하였다. 허우 공정은 다음과 같다.

# 수증기 개질을 통해 메테인과 물에서 이산화 탄소와 수소를 생성한다.

#: CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2

# 하버-보슈 공정을 통해 수소와 질소에서 암모니아를 생성한다.

#: 3H2 + N2 → 2NH3

# 암모니아, 이산화 탄소, 물을 반응시켜 탄산 수소 암모늄을 생성한다.

#: NH3 + CO2 + H2O → NH4HCO3

# 탄산 수소 암모늄과 염화 나트륨을 반응시켜 염화 암모늄과 탄산 수소 나트륨을 생성한다.

#: NH4HCO3 + NaCl → NH4Cl + NaHCO3

탄산 수소 나트륨은 낮은 용해도로 인해 침전물로 수집되며, 80°C 또는 95°C로 가열하여 순수한 탄산 나트륨을 얻는다. 이후 남은 용액에 염화나트륨을 더 첨가하고 30-40℃에서 암모니아를 추가로 주입한 뒤, 온도를 10℃ 미만으로 낮추면 공통 이온 효과에 의해 염화 암모늄이 침전된다.

허우 공정은 "결합 알칼리 제조법"을 의미하는 ''lianhe zhijian fa'' ()라고도 불린다. 허우 공정은 하버-보슈 공정과 결합하여 원자 경제성을 높이고 염화 칼슘 생성을 제거하며, 부산물인 염화 암모늄은 비료로 판매될 수 있다.

현재 공업적으로 탄산 나트륨은 천연 트로나를 정제하거나, 솔베이 공정(암모니아-소다법)으로 제조된다.[30] 전 세계 생산량의 약 28%는 천연 트로나에서 얻는다.[32]

4. 이용 및 용도

탄산 나트륨은 다양한 용도로 사용된다.


  • 가정에서 세탁 세제로 사용되며, 많은 드라이 비누 가루의 성분이기도 하다. 지방과 기름을 비누화 과정을 통해 세제 특성을 가지게 한다.[27]
  • 물의 경도를 낮추는 데 사용된다.[16]
  • 유리,[15] 비누,[15] 종이 제조에 사용된다.
  • 붕사와 같은 나트륨 화합물 제조에 사용된다.
  • 실리카의 녹는점을 낮추는 플럭스 역할을 한다. 소다-석회 유리 제조에 사용되며, 이는 수세기 동안 가장 흔한 형태의 유리였다.[27]
  • 경수 속의 칼슘, 마그네슘 이온을 제거하고 나트륨 이온으로 대체하여 물을 연화시킨다.[16]
  • 요리 분야에서 탄산수소 나트륨보다 강한 염기성을 이용하여 일본 요리의 라멘, 중국 요리의 라미엔, 광둥 요리의 월병, 독일 요리의 프레첼 등에 사용된다.[17]
  • 샤베트 가루 생산에 사용된다.
  • 식품 첨가물(E500)로 사용되며, 스누스 생산에도 사용된다.
  • 알루미늄 조리 기구, 식기, 포일에 부식성이 있으므로 주의해야 한다.[18]
  • 수산화 나트륨보다 저렴하고 안전하여 다양한 화학 공정에서 염기로 사용된다.
  • 사진 현상액, 수영장, 수족관 물의 pH 조절제로 사용된다.
  • 섬유 염색에서 매염제로 사용된다.
  • 부유 선광 공정에서 pH 조절제로 사용된다.
  • 탄산수소나트륨 제조에 사용된다.
  • 아황산수소나트륨 제조에 사용되며, 발전소 배기가스 중 이산화황 제거에 활용된다.
  • 면 산업에서 황산 중화에 사용된다.
  • 이온 교환을 통해 다른 금속의 탄산염 형성에 사용된다.
  • 벽돌 산업에서 점결제로, 주조에서는 "결합제"로 사용된다.
  • 치약에서 발포제, 연마제, 구강 pH 증가제로 사용된다.
  • 동물 가죽 가공 및 무두질에 사용된다.[19]
  • 중화면의 간수나 곤약 응고제로 사용된다.[33]
  • 분말 비누나 합성 세제의 알칼리 조제로 배합되며, 건조제 역할도 한다.[33]
  • 세탁, 기름때 제거, 단백질 오염 제거 등에 사용된다.[30]
  • 세스키탄산나트륨보다 강한 염기성이지만 피부에 더 자극적이며, 물에 잘 녹지 않고 흡습하면 굳는 성질이 있다.[33]
  • 소다 석회 유리의 원재료로 사용된다.[30]
  • 고대 이집트에서 미라 제작에 사용된 나트론의 주성분이다.[33]

참조

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[45] 서적 토목기사 대비 상하수도 공학 한솔아카데미 2016
[46] 서적 완자 화학 Ⅰ(1권) 비유와상징 2006-07-01


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