알칼리

알칼리는 붉은 리트머스 종이를 푸르게 변화시키는 강염기로, 산과 반응하여 중성염을 만들고, 부식성이 있으며, 진한 알칼리는 유기조직을 부식시킨다.

알칼리란 용어는 칼슘·스트론튬·바륨 등의 알칼리 토금속의 수용성 수산화물과 수산화암모늄에도 사용한다. 이 용어는 원래 나트륨이나 칼륨을 포함한 식물을 태운 재를 일컫는 데 쓰였던 말로 나트륨과 칼륨의 산화물을 이 재에서 걸러낼 수 있었다. 공업용 알칼리의 제조는 보통 소다회(탄산나트륨[Na₂CO₃])와 가성소다(수산화나트륨[NaOH])의 생산과 관계 있으며, 그밖의 공업용 알칼리에는 수산화칼륨·칼리·잿물이 있다.

광범위한 소비재(消費財)의 생산은 어느 단계에서의 알칼리의 사용에 따라 달라진다. 소다회와 가성소다는 유리, 비누, 각종 화학약품들, 레이온과 셀로판, 종이와 펄프, 청정제와 세제, 직물, 수질연화제(水質軟化劑), 특정 금속류(특히 알루미늄), 중탄산소다, 가솔린, 그리고 다른 석유의 유도체 등을 생산하는 데 꼭 필요하다.

인류는 수세기 동안 알칼리를 사막토의 침출액(수용액)으로부터 최초로 얻은 이래 수세기 동안 사용해왔다.

18세기말에 나무나 해초의 재를 침출(浸出)하여 알칼리의 주원료로 사용하기 시작했다. 1775년 프랑스 과학 아카데미에서는 알칼리 제조에 대한 새로운 방법을 얻기 위해 재정적인 지원을 했고, 소다회에 대한 이 상금(賞金)은 프랑스인인 니콜라 르블랑에게 수여되었는데, 그는 1791년 식염(食鹽)을 탄산나트륨으로 전환시키는 공정으로 특허를 땄다.

르블랑법은 19세기말까지 세계 생산량의 대부분을 차지했으나, 제1차 세계대전부터는 1860년대에 벨기에의 에르네스트 솔베이가 창안한 또다른 염전환법으로 완전히 대체되었다. 19세기말에 가성소다를 생산하기 위한 전해법(電解法)이 고안되어 그 중요성으로 인해 급속히 발달하게 되었다.

소다회를 제조하기 위한 솔베이 법이나 암모니아-소다 법에서, 진한 염수에 녹아 있는 식염은 칼슘과 마그네슘 등의 불순물을 제거하기 위해 화학적으로 처리한 후 암모니아 흡수탑에 암모니아 기체를 재순환(再循環)시켜 간수를 포화시킨다. 암모니아성 간수는 다른 탑(솔베이 탑)에서 적당한 압력을 가하여 이산화탄소 기체로 탄화시킨다. 이 두 공정으로 탄산수소암모늄과 염화나트륨이 얻어지며, 이 둘을 반응시켜 염화암모늄과 탄산수소나트륨도 얻는다.

탄산수소나트륨을 가열하면 분해되어 원하는 탄산나트륨이 되며, 이 공정에서 이용된 암모니아는 염화암모늄을 석회(石灰)와 작용시켜 암모니아와 염화칼슘으로 거의 완전히 회수된다. 회수된 암모니아는 다시 그 공정에서 반복하여 사용된다.

가성소다의 전기분해 공정은 전해조에서 진한 염수를 전기분해(화학변화를 일으키기 위해 용액에 전류를 통하게 하여 화합물을 개개의 성분들로 분해하는 것)하는 것이다.

전기분해(electrolysis)

염화나트륨을 전기분해하면 염소와 수산화나트륨 또는 염소와 금속 나트륨이 생성된다. 어떤 경우에 수산화나트륨은 같이 사용될 경우에 탄산나트륨과 경쟁하고, 모든 경우에서 이 두 화합물은 다소 간단한 공정들을 거쳐 상호전환된다. 염화나트륨은 두 공정 중 어느 1가지 방법으로 알칼리로 될 수 있는데, 암모니아-소다법은 경제적 가치가 낮은 염화칼슘의 형태로 염소가 얻어지는 반면, 전해법은 화학공업 분야에서 용도가 많은 염소 원소를 생산한다는 점이 두 공정의 차이점이다.

이러한 이유로 인해, 르블랑 법을 대신하는 암모니아-소다법을 매우 효율적으로 계속 작동시키기 위해 오래된 공장을 고쳐나가고 있으며, 새로 건설하는 공장들에서는 전해법을 사용한다. 천연 알칼리로 알려진 소다회 형태의 상당량이 매장되어 있는 광상(鑛床)은 세계적으로 그 수가 적다. 광물은 대개 세스퀴탄산나트륨 또는 트로나(Na₂CO₃·NaHCO₃·2H₂O)로 산출된다.

미국에서는 와이오밍에 있는 지하광산의 막대한 양의 트로나 퇴적물에서, 캘리포니아에서는 건호층(乾湖層)에서 세계 천연 알칼리 대부분이 산출된다.