수산화나트륨: 성질 및 용도
수산화나트륨은 화학식 NaOH를 가진 강염기입니다. 순수 형태로는 흰색 결정성 고체이지만, 물에 쉽게 녹아 무색 용액을 형성합니다.
자연 상태에서는 발견되지 않으며 가용한 원료를 바탕으로 대규모로 생산됩니다. 수산화나트륨은 수많은 화학 공정에서 널리 사용됩니다.
많은 물질과 접촉 시 화학적 화상을 입히는 성질 때문에 ‘가성소다(caustic soda)’라고도 불립니다.
수산화나트륨 용액의 사용은 초기 아프리카-동양 문화권까지 거슬러 올라가며, 당시 사람들은 탄산나트륨과 소성된 석회석의 반응(소다의 가성법)을 이미 인지하고 있었습니다.
기원전 3세기경의 이집트 무덤에서는 쿠푸왕(Cheops)의 피라미드 근처에서 3% 수산화나트륨 용액이 담긴 알라바스터 그릇이 발견되기도 했습니다.
서기 초반 가성소다 생산에 관한 최초의 문헌 기록은 이집트와 인도에서 나타났습니다.
1. 수산화나트륨의 성질
수산화나트륨은 물에 대한 친화력이 매우 높기 때문에 순수한 상태의 물리적, 화학적 성질을 정확히 결정하는 것은 매우 어려운 과제입니다.
대부분의 경우, 불순물이 포함된 수산화나트륨의 성질을 외삽하여 순수 물질의 성질을 추정합니다.
마찬가지로 수산화나트륨 수용액을 연구할 때 농도에 따른 물리적 성질은 수용액이 과포화되는 경향이 있어 결정하기가 쉽지 않습니다.
1.1. 수산화나트륨의 물리적 성질
고체 수산화나트륨의 주요 물리적 성질은 다음과 같습니다:
- 수산화나트륨의 몰 질량: 40 g/mol
- 외관: 흰색, 결정성
- 수산화나트륨의 밀도(액체, 350 °C): 1.77 g/cm3
- 녹는점(소다 및 수분 제거 시): 322 ± 2 °C
1.2. 수산화나트륨의 화학 반응
수산화나트륨은 강염기입니다.
순수한 수산화나트륨은 강한 흡습성을 가지고 있어 물리적, 화학적 성질을 결정하기 어렵습니다. 물에 녹을 때 열을 방출하며 6가지의 뚜렷한 수화물을 형성합니다.
일부 수화물의 녹는점이 0 °C 이상이므로, 수산화나트륨 용액을 운송하거나 보관할 때는 용기를 가열하거나 단열 처리해야 합니다.
NaOH는 습기가 있는 상태에서 대기 중의 이산화탄소와 쉽게 반응하여 탄산나트륨을 생성합니다. 마찬가지로 압력이 가해진 상태에서 습기가 존재하면 일산화탄소와 반응하여 포름산나트륨을 생성합니다.
수산화나트륨의 높은 수분 친화력은 수증기압을 감소시키므로 효과적인 건조제로 활용됩니다. 메탄올과 에탄올에는 중간 정도의 용해도를 보입니다.
무수 수산화나트륨은 대부분의 물질과 천천히 반응하며, Fe, Mg, Ca, Cd와 같은 금속은 실온에서 아주 미미하게 부식됩니다. 하지만 온도가 상승하면 부식 속도가 현저히 빨라집니다.
니켈, 은, 금, 백금과 같은 귀금속은 특히 산화성 분위기에 노출될 때만 약간의 영향을 받습니다.
반면 아연, 알루미늄, 주석, 납과 같은 양쪽성 금속은 실온에서도 희석된 수산화나트륨 용액에 의해 부식되는 반면, 철, 스테인리스강, 니켈은 상대적으로 내성이 강합니다.
또한 수산화나트륨은 유기산 및 무기산과 모두 반응하여 나트륨염을 형성합니다.
2. 수산화나트륨(가성소다)의 용도
수산화나트륨 소비자들은 대부분 희석된 수용액 상태로 사용합니다. 전체 생산량의 56% 이상이 화학 산업에서 소비됩니다.
무기 화학 분야에서는 나트륨염 제조, pH 조절 및 알칼리성 광석 침출 등에 적용됩니다.
유기 화학 산업에서는 친핵성 음이온 중간체 생산, 에테르화, 에스테르화, 비누화 반응, 염기 촉매 작용 및 유리 유기 염기 제조 등 다양한 용도로 수산화나트륨을 활용합니다.
수산화나트륨 용액은 폐가스 세정 및 폐수 중화에도 사용됩니다.
제지 산업에서는 리그닌을 제거하기 위한 목재 조해 공정에 사용됩니다. 섬유 산업에서는 비스코스 및 비스코스 스테이플 섬유 제조에 활용되며, 면의 표면 특성을 개선하기 위해 머서화(mercerization) 공정을 적용합니다.
세제 산업에서는 인산나트륨 생산을 위해 상당량의 수산화나트륨이 소비됩니다.
유지(fats and oils)를 수산화나트륨 용액으로 비누화하여 비누를 제조하며, 유기 설폰산과 수산화나트륨을 반응시켜 세제를 생산합니다.
알루미늄 산업에서는 주로 보크사이트 처리에 수산화나트륨을 사용합니다.
수처리 및 폐수 처리를 위한 이온 교환 수지는 수처리 시설에서 희석된 수산화나트륨 용액을 통해 재생됩니다.
그 외 소비처로는 전기 도금 기술, 천연가스 및 석유 산업, 유리 및 철강 산업, 금 추출(시안화 침출) 등이 있습니다.
식품 산업에서는 감자 껍질 벗기기나 탈지 등 다양한 세척 목적으로 수산화나트륨을 고용합니다.
펄프 및 종이 생산에서 가성소다 소비량은 전 세계 수요의 약 4분의 1을 차지합니다. 이러한 시장은 비교적 성숙한 상태이므로 수요 증가세는 완만할 것으로 보입니다.
전 세계 NaOH 수요의 나머지 75%는 현지 제조 기반의 건전성을 따르는 경향이 있으며, 이는 현지 국내총생산(GDP)과 밀접하게 연계되어 있습니다.
참고 문헌
Sodium Hydroxide; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim: Wiley-VCH.- https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a24_345.pub2
