탄산 소듐

탄산 소듐(sodium carbonate, Na₂CO₃)은 탄산 이온(CO₃^2-)과 소듐 이온(Na⁺)으로 형성된 무기 화합물이다. 흔히 베이킹소다로 불리는 중탄산 이온(HCO₃^-)과 소듐 이온으로 형성된 탄산수소 소듐(NaHCO₃)과 착각하는 경우가 많아 주의를 필요로 한다.

탄산 소듐은 물 분자와 다양한 수화물(hydrate)을 형성하며, 상온에서 대부분 흰색의 고체 상태로 존재한다. 탄산 소듐은 소듐이 풍부하게 존재하는 토양에서 자란 식물을 연소시켜 생성된 재(ash)로부터 추출하여 소다 애시(soda ash)라 불렸다. 현대에는 염화 소듐(sodium chloride)과 석회석(limestone)의 반응인 솔베이 공정(Solvay process)을 이용하여 탄산 소듐을 대량으로 생산한다. 

탄산 소듐()

목차

탄산 소듐은 다음의 세 가지 다른 수화물(hydrated compound) 형태와 무수물(anhydrous compound)로 존재한다.

10개의 물 분자를 함유한 탄산 소듐 십수화물(decahydrate)은 -2.1~32 °C 범위에서 결정화를 통해 형성될 수 있다. 칠수화물(heptahydrate)은 좀 더 좁은 온도 범위인 32.0~35.4 °C 범위에서 형성되고, 일수화물(monohydrate)은 앞선 온도 범위 이상에서 형성된다. 건조한 대기 환경에서 탄산 소듐 십수화물과 칠수화물은 물 분자를 잃고 주로 일수화물을 형성한다.¹⁾

탄산 소듐 일수화물의 구조 ()

탄산 소듐은 채굴(mining)이나 화학 합성법을 통해 생산된다. 앞서 언급한 솔베이 공정이 탄산 소듐의 대표적 화학 합성법이다.

1861년 벨기에의 화학자 에르네스트 솔베이(Ernest Solvay)는 암모니아-소다 공정(ammonia-soda process)을 개발하였다. 이는 무수 탄산 소듐(anhydrous sodium carbonate)을 생산하는 공정으로서 소금물(brine)과 석회석 그리고 암모니아가 주 원료이다.

본 공정에 사용되는 원료 물질들은 쉽게 구할 수 있고 값이 싸 높은 경제적 이점을 가진다. 암모니아-소다 공정 개발로 제조업에 다방면으로 사용되는 기초물질인 탄산 소듐을 쉽게 생산할 수 있었고, 이러한 업적을 기려 암모니아-소다 공정을 솔베이 공정이라 명명하였다. 솔베이 공정은 다음 일련의 화학 반응을 통해 탄산 소듐을 생산한다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ NaCl(aq) + NH3(g) + CO2(g) + H2O(l) -> NaHCO3 v (s) + NH4Cl(aq) }@@NAMATH_DISPLAY@@

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 2NaHCO3(s) -> Na2CO3 (s) + H2O (l) + CO2 (g) }@@NAMATH_DISPLAY@@

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 2NH4Cl(aq) + CaO(s) -> 2NH3 ^ (g) + CaCl2(aq) + H2O (l) }@@NAMATH_DISPLAY@@

솔베이 공정은 이전에 존재하던 탄산 소듐 생산법인 르블랑 공정(Leblanc process)을 효과적으로 대체하였다. 르블랑 공정은 황산과 염화 소듐을 반응 시켜 탄산 소듐을 생산하는 공정으로서 부산물로 염산, 이산화 탄소, 그리고 황화 칼슘이 생성된다. 르블랑 공정의 부산물인 황화 칼슘은 높은 염기성을 나타내어 토양과 하천 생태계를 교란시켰고, 염산은 기체 상태로 방출되어 산성비의 원인이 되었다.

반면, 솔베이 공정은 비교적 환경 오염의 원인이 되는 부산물 형성이 적고 탄산 소듐 생산 효율이 높아 큰 관심을 받았고, 개발 후 40년이 지난 1900년대에는 세계 탄산 소듐 생산량의 대부분(95%)이 솔베이법으로 생산되었다.²⁾ 솔베이는 솔베이 공정의 개발로 축적한 막대한 부를 고등 교육과 기초 과학 연구를 포함한 사회공헌 활동에 사용하였다. 특히, 솔베이는 1911년부터 솔베이 학술대회(Solvay conferences)를 개최하여 당대의 기초 과학자들을 초빙하였고, 1927년에 개최된 학술대회에서는 양자 역학의 기틀을 마련하기도 하였다. 3년마다 개최되는 솔베이 학술대회는 물리학과 화학을 비롯한 기초 과학 발전에 크게 기여하였으며, 오늘날까지 이어지고 있다.

1927년 개최된 다섯번째 솔베이 학술대회. 본 학술대회에서 진행된 전자와 광자에 대한 토론은 후대 양자 역학 발전의 시초가 되었다. 본 학술대회 29명의 참가자 중 17명이 노벨상을 수상하였다.()

탄산 소듐은 제조업의 기초 물질로 다양한 응용 분야에 사용된다. 예를 들어, 유리나 종이를 제조하는 원료로 사용되고 비누나 세제 제조에도 사용된다.

탄산 소듐은 유리의 원료인 실리카(SiO₂)의 녹는점을 낮추어 융해를 촉진하는 융제(flux)로 사용된다. 흔히 소다 라임 유리(soda-lime glass)로 알려진 유리는 유리병이나 유리창의 원재료로서, 이 소다 라임 유리를 만들 때 대표적으로 사용되는 원료 물질이 탄산 소듐이다.

탄산 소듐은 물에 용해된 마그네슘 이온(Mg²⁺)과 칼슘 이온(Ca²⁺)을 제거하는 연수 작용을 수행한다. 예를 들어, 칼슘 이온은 탄산 소듐의 탄산 이온과 결합하여 침전되므로 물에서 손쉽게 제거할 수 있다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ Ca^2+ (aq) + CO3^2- (aq) -> CaCO3 v (s) }@@NAMATH_DISPLAY@@

탄산 소듐은 식품의 산도를 조절하거나 식품이 굳는 것을 방지하는 고화 방지제(anticaking agent), 그리고 안정제(stabilizer) 역할을 하는 식품 첨가제로 사용된다.

1. Richards, T. W.; Fiske, A. H. J. Am. Chem. Soc. 1914, 36, 485–490
2.