황산 소듐

황산 소듐(혹은 황산 나트륨, sodium sulfate)은 Na₂SO₄의 화학식을 가지며 물에 잘 녹는 흰색 고체이다. 무수화물인 황산 소듐은 분자량 142.02 g/mol, 비중 2.664 g/cm³을 가지고, 습한 공기 중에 방치하면 수분을 흡수하여 10수화물(Na₂SO₄·10H₂O)로 변한다. 주로 가정용 분말 세탁 세제 및 종이 펄프화의 크라프트(kraft) 공정에서 충전제로 활용된다. 또한, 유리나 군청 따위의 제조에 활용되며 빛깔이 없는 단사정계(monoclinic system) 결정의 물리적 특성을 가진다.¹⁾²⁾³⁾

황산 소듐 ()

목차

자연계에서 황산 소듐은 세나다이트(thenardite)라는 무수화물(Na₂SO₄), 매우 희귀한 7수화물(sodium sulfate heptahydrate, Na₂SO₄·7H₂O), 화학 산업에서 널리 사용되고 광물 미라빌라이트(mirabilite)로 알려진 10수화물 (sodium sulfate decahydrate)의 형태로 존재한다.

황산 소듐 10수화물은 네덜란드/독일 화학자이자 약사인 요한 루돌프 글라우버(Johann Rudolf Glauber)가 1625년 오스트리아 샘물에서 발견하였는데, 그의 이름을 따서 글라우버의 소금으로도 알려져 있다. 18세기에 글라우버의 소금은 탄산 포타슘(K₂CO₃)과 반응하여 소다회(탄산 소듐, Na₂CO₃)를 공업적으로 생산하는 원료로 사용되기 시작했고, 소다회에 대한 수요가 증가하면서 황산 소듐의 공급도 이에 맞춰 증가해야 했다. 19세기에는 황산 소듐을 주요 중간체로 생산하는 대규모 르블랑 공정(Leblanc process)이 소다회를 생산하는 주요 방법이 되었다.

황산 소듐은 정전기적으로 결합된 이온성 황산염이다. 수용액에 황산염 이온이 존재한다는 것은 여기에 바륨 이온(Ba²⁺) 또는 납 이온(Pb²⁺)을 처리하였을 때 불용성 황산염이 쉽게 형성되는 것으로 알 수 있다.⁴⁾

Na₂SO₄ + BaCl₂ → 2NaCl + BaSO₄(불용성 황산염)

황산 소듐은 대부분의 산화제 또는 환원제와 반응하지 않지만, 고온에서 탄소를 이용한 열화학적 황산염 환원(thermo-chemical sulfate reduction, TSR) 반응에 의해 황화 소듐으로 전환될 수 있다.

Na₂SO₄ + 2C → Na₂S(황화 소듐) + 2CO₂

황산 소듐은 황산과 반응하여 산성 염인 중황산 소듐을 생성한다.

Na₂SO₄ + H₂SO₄ ⇌ 2NaHSO₄(중황산 소듐)

황산 소듐은 형태에 따라 물에 대한 특이한 용해도 특성을 갖는다. 황산 소듐 무수화물의 물에 대한 용해도는 0 °C와 32.384 °C 사이에서 10배 이상 증가하고, 100 g의 물에는 0 °C에서 5 g, 100 °C에서 42 g 녹으며, 알코올에는 녹지 않는다. 황산 소듐 10수화물은 100 g의 물에 15 °C에서 36 g, 34 °C에서 412 g 녹고, 무수물과 마찬가지로 알코올에는 녹지 않으며, 32.4 °C에서 녹기 시작한다. 과포화 상태의 황산 소듐 용액을 5 °C 이하로 냉각하거나 알코올을 가하여 얻을 수 있는 황산 소듐 7수화물은 100 g의 물에 0 °C에서 44.9 g, 26 °C에서 202.6 g 녹는다.

황산 소듐은 화학 산업의 많은 공정에서 부산물로 생성되는데, 그 양이 세계 생산량의 약 1/3을 차지한다. 부산물로서의 황산 소듐은 일차 공정(primary process) 생성물을 얻기 위한 피할 수 없는 과정에서 생산되지만 경제적으로 큰 도움이 되지는 못한다. 전 세계 황산 소듐의 약 1/3이 화학 산업의 다른 공정에서 부산물로 생성된다. 이 생산의 대부분은 1차 공정에 화학적으로 내재되어 있어 매우 경제적이다. 예를 들면, 대부분의 황산 소듐은 염산의 제작 과정인 만하임 공정(Mannheim) 혹은 하그리브스 공정(Hargreaves) 에서 부산물로 얻어진다.

만하임 공정: 2NaCl + H₂SO₄ → 2HCl + Na₂SO₄

하그리브스 공정: 4NaCl + 2SO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HCl + 2Na₂SO₄

황산 소듐은 식용 색소의 희석제로 사용된다.

황산 소듐은 목재 펄프 제조를 위한 크래프트 공정에서 충전제로 사용된다. 황산 소듐은 유리 산업에서 유리 용융물의 스컴 형성을 방지하거나 작은 기포를 제거하는데 도움이 되는 청징제로도 사용된다. 무수 황산 소듐은 유기 용액에서 미량의 물을 제거하기 위한 불활성 건조제로 널리 사용된다. 황산 소듐 10수화물은 변을 풀어주고 배변을 증가시키는 완하제로도 사용된다. 예를 들면 과다 복용된 아세트아미노펜과 같은 특정 약물을 체내에서 제거하는데 효과적이다.⁵⁾⁶⁾

황산 소듐은 일반적으로 무독성으로 알려져 있으나 주의해서 다룰 필요가 있다. 소량일지라도 일시적인 천식이나 눈의 염증을 일으킬 수 있다. 이러한 위험은 눈 보호대나 종이형 마스크를 이용하여 예방할 수 있다.⁷⁾⁸⁾

1.
2. https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1155639&cid=40942&categoryId=32260
3. https://terms.naver.com/entry.naver?docId=611812&cid=42420&categoryId=42420
4. Handbook of Chemistry and Physics (71st ed.). Ann Arbor, Michigan: CRC Press. 1990.The Merck Index (7th ed.). Rahway, New Jersey, US: Merck & Co. 1960.
5. Butts, D. (1997). Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. v22 (4th ed.). pp. 403–411.
6. Suresh, Bala; Kazuteru Yokose (May 2006). Sodium sulfate. CEH Marketing Research Report. Zurich: Chemical Economic Handbook SRI Consulting. pp. 771.1000A–771.1002J.
7. Sodium sulfate (WHO Food Additives Series 44)'. World Health Organization. 2000.
8. MSDS Sodium Sulfate Anhydrous'. James T Baker. 2006.