염소산

염소(Cl)와 산소(O)가 결합된, 물에 잘 녹는 할로젠 산소산 중 하나로, HClO₃의 분자식을 가지며 매우 강한 산성을 나타낸다.

목차

플루오린(F), 염소(Cl), 브로민(Br), 아이오딘(I)과 같은 할로젠이 산소와 결합되어 있는 산을 할로젠 산소산(oxyacid)이라고 부르고, 이중 염소를 중심 원소로 하는 화합물을 염소산으로 분류한다. 플루오린의 산소산을 플루오린산, 브로민 산소산을 브로민산, 아이오딘 산소산을 아이오딘산으로 구분한다. 이 산소산에서 수소 양이온(H⁺)을 제거하여 산소산음이온(oxyanion)을 얻을 수 있는데, 일반적으로 산소산음이온은 산소산보다 안정하고, 특히 염소산 및 염소산 염류는 산소산들 중에서도 가장 안정하다. 염소산은 염소에 결합된 산소의 수에 따라 구체적으로 그 이름을 하이포염소산(HClO, hypochlorous acid), 아염소산(HClO₂, chlorous acid), 염소산(HClO₃, chloric acid), 과염소산(HClO₄, perchloric acid)으로 구분한다.

하이포염소산 염을 사용하여 미국 클로락스에서 생산하여 판매하는 '클로락스' 표백제 ()

염소산의 분자 구조를 살펴보면 전기음성도가 낮은 수소가 염소 원자가 아닌 전기음성도가 가장 높은 산소 원자에 연결되어 있다. 가장 간단한 하이포염소산을 물과 함께 비교해보면, 아래 그림과 같다. 하이포염소산에서는 전자가 O-Cl 쪽으로 더 쏠려서, 산성 수소가 떨어졌을 때 생성되는 짝염기의 안정성에 의해 물보다 더 강한 산성을 보이게 된다.

물(위)과 하이포염소산(아래)의 루이스 구조와 산성도 비교 (출처: 대한화학회)

하이포염소산에 산소가 하나 더 추가되어 아염소산이 되면, 염소에 산소가 하나 더 결합한 상태이고, 아염소산에서 염소산으로 변화될 때도 역시 염소에 산소가 추가로 결합하게 된다. 최종적으로 과염소산을 보면 염소 원자를 중심으로 하여 네 개의 산소 원자가 결합되고, 그 산소 원자 중 하나에 수소 원자가 달려 있는 분자 모형을 이루게 된다. 하이포염소산에 두 번째부터 추가로 도입되는 산소 원자는 스스로가 가진 비공유 전자쌍을 염소 원자에 제공하여 추가적인 배위 결합을 갖기 때문에, 이중 결합성을 가진다.

아염소산(위), 염소산(중간), 과염소산(아래)의 루이스 구조와 산성도 비교 (출처: 대한화학회)

염소에 결합된 산소의 수가 증가할수록 염소의 산화수가 증가하고, 산의 세기가 커진다. 하이포염소산의 K_a는 3.0 X 10^-8 정도, 아염소산은 1.1 X 10^-2 정도를 갖고, 염소산 및 과염소산은 거의 황산이나 질산만큼 강산이다. 또한, 산소산들은 강한 산화제이다. 산화제는 자신은 환원되며 다른 대상을 산화시키는 물질이다. 하이포염소산염(ClO^-)은 강한 산화력을 바탕으로 표백제와 살균제로 사용되며, 과염소산염의 경우 가열 조건에서 강한 산화제로 이용된다. 과염소산 암모늄(ammonium perchlorate, NH₄ClO₄)의 경우 우주 왕복선의 고체 추진제로 이용되며 폭발성이 있다.

염소산은 황산과 염소산 바륨을 반응시켜 얻는다. 양이온과 음이온 짝이 서로 바뀌는 복분해 반응을 통해 염소산과 황산 바륨이 얻어지는데, 이때 황산 바륨은 용해도가 매우 낮은 고체 화합물로 쉽게 거름 장치를 통해 분리할 수 있다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ Ba(ClO3)2 + H2SO4 -> 2HClO3 + BaSO4 }@@NAMATH_DISPLAY@@

또 다른 염소산의 합성법은 하이포염소산의 가열이다. 세 분자의 하이포염소산을 가열하면 한 분자의 염소산과 두 분자의 염산 기체가 생성된다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 3HClO -> HClO3 + 2HCl }@@NAMATH_DISPLAY@@

염소산은 차가운 수용액 상태로 약 30% 비율까지 안정하다고 알려져 있으며, 그 이상의 비율에서는 아래와 같은 분해 반응이 진행되는 것으로 알려져 있다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 8HClO3 -> 4HClO4 + 2H2O + 2Cl2 + 3O2 }@@NAMATH_DISPLAY@@

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 3HClO3 -> HClO4 + H2O + 2ClO2 }@@NAMATH_DISPLAY@@

염소산은 매우 강한 산화제이므로 직접적인 접촉을 피하고, 특히 높은 농도의 염소산이 유기물과 섞일 경우 폭발할 수 있으므로 반드시 주의해야 한다.