황산

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1. 개요[편집]

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H₂SO₄
黃酸 / Sulfuric Acid, Vitriol[1]

이는 유리를 뜻하는 라틴어 "Vitreus"에서 온 것으로, 황산을 얻는 원광인 각종 황산염 광물이 유리질 광택을 가진 것에 기인한다.

염산, 질산과 더불어 강산으로 유명한 물질이며 화학 산업계에서 물 다음으로 많이 생산되는 화합물. 각 나라의 황산 생산량이 그 나라 화학 산업의 규모를 나타내기도 한다. 염산과 황산, 질산 3가지를 통틀어 3대 강산(強酸)이라고 한다. 다만 이보다 더 강한 초강산이 존재하며, 초강산의 판정 기준을 황산으로 잡는다. 순수 황산보다 산도가 높으면 초강산으로 분류한다.[2]

일본과 중국에서는 유황의 산이라 하여 유산(硫酸)이라 하고 북한에서도 류산이라고 하지만, 대한민국에서는 젖산을 뜻하는 유산(乳酸, 락트산)과 혼동할 수 있으므로 보통 누를 황(黃) 자를 써서 황산이라고 부른다.

화학 공업의 꽃이라고 할 정도로 산업적으로 중요한 물질. 예컨대, 이게 없으면 도금이란 산업 자체가 성립되지 못하며 금속의 부식 예방 및 습기 제거 용도로 많이 쓰이고, 유기물 합성에도 빠지지 않고 등장하며 납축전지에도 이게 들어간다.

묽은 황산에 전류를 흘려주면 양 극에서 수소와 산소 가스로 분리되어 나온다. 초기에는 납축전지를 주기적으로 뚜껑을 열어서 물[3]을 보충해줘야 했는데, 이유는 바로 물이 전기분해되어서 농도가 진해지기 때문이었다. 현재는 전기분해를 일으키지 않는 전극을 사용하기 때문에 완전밀봉 구조로 만들 수 있게 되었다. 물론 그 덕분에 안전성이 높아지기도 했다.

분석화학 등을 통해 알 수 있듯이, 황산은 1차 이온화도(pKa~10)와 2차 이온화도(pKa2=1.9)의 차이가 크다. 우리가 보통 강산으로 알고 있는 황산의 이온화는 황산(H₂SO₄)에서 황산수소이온(HSO₄^-)으로 가는 첫번째 이온화이며, 황산수소이온이 황산이온(SO₄^2-)으로 가는 2차 이온화는 pKa가 1~2 정도로 pH 1 이하에서는 이온화가 거의 안된다. 다만 농도가 묽으면 2차 이온화도 잘 되니 2차 이온화가 잘 안 된다고만 생각하다 시험에서 틀릴 수 있으니 주의하자.[4]

2. 황산의 제조[편집]

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황산 제조를 화학식으로 정리하면 다음과 같다.

S+O₂<math>\rightarrow</math> SO₂
2SO₂ + O₂ <math>\rightarrow</math> 2SO₃
SO₃+H₂O<math>\rightarrow</math>H₂SO₄
황(S)을 산화시켜서 이산화황(SO₂)를 만든다. 이후 이 이산화황을 산화시켜서 삼산화황(SO₃)을 만들고, 이 삼산화황을 물(H₂O)에 반응시키면 황산(H₂SO₄)이 된다.[5]

공업용으로 제조할 때는 이 중 이산화황의 산화 방법이 둘로 나뉘는데 질산식과 접촉식(contact process)이 있다. 질산식은 질산을 반응시켜서 이산화질소(NO₂)를 제조한 뒤, 이 이산화질소를 이산화황과 발생시켜서 삼산화황을 제조하는 것. 여기서 이산화질소는 촉매의 역할로, 일산화질소(NO)가 되었다가 공기 중의 산소와 반응해서 다시 이산화질소로 돌아간다.

접촉식은 촉매를 이용하여 이산화황을 직접 산소와 반응시키는 방법이다. 산업 현장에서는 주로 오산화바나듐(V₂O₅)을 촉매로 사용한다.

3. 진한 황산[편집]

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우리가 강산으로 많이 알고 있는 황산은 묽은 황산이다. 이름과는 다르게 묽은 황산의 산도가 더 높다. '진한 황산'은 황산 질량비 90% 이상의 수용액이며 (주로 시판되는건 96~98%) 물 분자가 부족하기에 이온화도가 매우 떨어져 산성을 나타내지 못한다.[6] 그렇다고 절대로 만져서는 안된다! 물로 씻을 수도 없고, 특유의 탈수반응으로 손의 수소와 산소를 빼앗아 숯덩어리로 만들어버리기 때문이다.

진한 황산은 점조성이 있어 끈적거리며 밀도로 인해 매우 무겁다.[7] 진한 황산은 산성을 거의 띄지 않는 대신 탈수력이 대단해서, 탄수화물이나 단백질과 같은 수소와 산소가 분자식에 들어있는 물질이 혼합되기만 하면, 그 분자구조를 박살내고 수소 원자와 산소 원자를 2:1의 비율로 빼내 물을 합성하고 스스로 이온화한다. 실험시에는 주로 설탕으로 실험하며, 설탕에 황산을 넣어 숯덩이(진짜로 탄소덩어리다.)로 만든 사진은 여느 참고서에나 다 실려있다. 물론 다른 탄수화물도 분자식에서 수소와 산소가 2:1로 존재하는 탓에 결과는 같다. 진한 황산이 들어있는 비커에 나무젓가락을 담그자마자 다시 빼면, 딱 황산이 담겨있던 높이만큼 숯으로 변해서 나온다. 단 당알코올의 경우에는 상온상압에서 탄수화물처럼 반응하지는 않는다.[8] 이같은 성질 덕분에 진한 황산은 실험실에서 사용하는 데시케이터(건조기)의 제습제로 쓰인다.[9] 또한 유기합성 시 탈수반응을 일으키기 위하여 진한 황산이나 가열한 묽은 황산을 사용하는 일은 흔하여 여러 화학반응의 촉매 혹은 반응물로 사용된다. 진한 황산이 피부에 닿았을 때는 절대 바로 물로 씻지 말고 과량의 천이나 휴지 따위로 피부에 묻은 진한 황산을 최대한 제거한 후 세척해야한다.[10] 진한 황산은 물과 닿을 경우 열을 발생시키면서 묽어지기 때문에 피부에 묻었다고 무턱대고 씻으면 화상을 입을 수 있다. 또한 진한 황산이든 묽은 황산이든 위험한 건 매한가지이니 전문 교육을 받고 보호도구를 착용한 경우가 아닌 이상 취급하지 말자.[11]

물론 뛰는 놈 위에 나는 놈 있듯이, 황산에서 물을 뺏어서 삼산화황으로 되돌리는 십산화사인(P₄O₁₀)같은 물질도 있다. 백린연막탄이 타면서 나오는 게 이것이다. 진한 황산에다가 소량의 십산화사인을 섞으면 황산이 탈수되어 삼산화황이 되고 이것이 다시 다른 황산과 반응해서 발연 황산(oleum)이 된다. 발연황산+진한황산+진한인산의 혼합물이 생기는데, 여기에 과황산(S₂O₈^2-)같은 산화제를 또 집어넣어서 보통 산화되기 어려운 흑연이나 탄소나노튜브과 같은 무기물질을 산화시키는데 사용한다.

묽은 황산을 만들 때에는, 반드시 다량의 물에 진한 황산을 유리막대를 이용하여 몇 방울씩 흘려넣으며 만들어야 한다. 간혹, 중고등학교 과학(화학) 선생님들이, '묽은 황산을 만들 때, 물에 황산을 탈까? 황산에 물을 탈까?'라고 물어보시기도 하는 게 바로 그 예시.

진한 황산에 수분이 공급되면 급격히 이온화하면서, 물이 끓어넘칠 정도로 신속하게 다량의 열을 방출하기 때문. 진한 황산은 물보다 비중이 크기 때문에, 진한 황산을 물에 흘려넣을 경우 황산 방울이 신속히 물속으로 가라앉으며 열을 수중으로 분산시키는 반면, 반대로 물을 진한 황산에 흘려넣으면 물이 황산 위에 뜬 채로 끓어서 황산 용액이 밖으로 튀기 쉬워진다. 더불어 급격한 온도 변화 때문에 황산액을 담은 유리 용기에 금이 가거나 깨지는 경우도 종종 발생한다. 때문에 화학 관련 실험에는 열팽창계수가 낮은 실험용 유리를 사용하는 게 일반적이며, 비전공자들이 많이 들어오는 일반화학실험에서는 조교가 미리 묽은 황산 용액을 만들어 놓는 것이 일반적이다. 문제는 전공실험에서도 황산에 물을 넣으면서 비커를 손으로 잡는 위험한 짓거리를 한다는 거지만...

묽은 황산을 보다 안전하게 만드려면 비커가 잠기지 않을 정도의 얼음물을 넣은 대야 안에 비커를 넣고 물을 채운 후 황산을 천천히 흘려주면 된다. 황산으로 인해 열이 발생하더라도 얼음물이 그 열을 잡아주기 때문에 보다 안전한 진행이 가능하다.

그 외에도 합성실험을 하면서 간혹 기술적인 제한사항으로 어쩔 수 없이 황산에다가 물을 넣어야 하는 경우가 있다. 드라이아이스나 -40도 이하로 냉각시킨 이소프로필 알코올 (소독용으로 쓰는 그것)에다가 플라스크를 처박고 열이 빨리 분산되도록 빠르게 저어가면서 해야 한다.

4. 활용[편집]

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황산과 과산화수소를 3:1 ~ 7:1 정도의 비율로 섞은 액체를 '피라냐 용액(Piranha solution)'이라고 부른다. 아주 강력한 산화력을 지니고 있어서[12] 대부분의 유기물질을 날려버릴 수 있으므로, 실험실에서 슬라이드 등을 세척할 때 자주 사용한다. 추가로 물질에 하이드록시기(-OH)를 붙여서 친수성 코팅을 해주기도 한다. 이런 특성도 유용하고 황산과 과산화수소를 섞어 즉석에서 만들어 쓸 수 있는 편리함 덕에 여러 실험실에서 널리 쓰이긴 하지만 황산이 과산화수소수에 포함된 물과 반응하면서 아주 뜨거워지는데다 당연히 인체에도 매우 위험하니 주의해서 다뤄야 한다.

몇몇 산화제는 진한 황산과 혼합되면 산화력이 엄청난 버프를 받는다. 위에서 예시로 든 과산화수소도 그렇고 그 외에 주로 혼합되는 친구로 질산과 다이크로뮴산칼륨(중크롬산칼륨)이나 과망가니즈산칼륨 등이 있다. 주의해야 할 것은 어떤 산화제든 황산 안에서 농도가 너무 높아지지 않게 해야 한다는 것. 황산+강산화제 혼합물인 상태에서 산화제가 많으면 폭발 위험성이 있다.

마찬가지로 위의 피라냐 용액도 3:1보다 진하게는 폭발 위험성 때문에 잘 안 만든다. 질산+황산 혼합물[13]은 혼산(混酸, mixed acid)라고 불리는데 결과적으로 초강산이면서 초강산화성이라는 두 가지 극단적 성질을 모두 가진다. 방향족성 화합물의 니트로기를 다는 데 쓰이기도 한다.[14]

과망가니즈산칼륨과 혼합하면 과망가니즈산 분자 2개를 모아서 탈수해서 칠산화망가니즈(Mn₂O₇)이라는 진한 초록색 액상[15]의 끝판왕급 산화제를 만든다. 얼마나 강하냐면 액체에 종이를 갖다대면 그냥 불이 훡 붙는다.[16] 피라냐 용액보다 더 강하다. 이 성질을 이용해서 서바이벌키트에는 과망가니즈산칼륨이 들어있는 경우가 종종 있다. 과망가니즈산칼륨을 바닥에 붓고 자동차 배터리를 까서 황산을 부은 후 낙엽 한 소쿠리를 모아서 그 위에 부으면 불길이 확 일면서 즉석 모닥불이 생긴다.

농업적으로는 씨앗이 지나치게 단단하거나, 왁스층 때문에 물이 침투하기 어려울 때, 그것을 벗기기 위해 황산으로 처리한다. 예를 들어서 옻나무의 씨앗. 이 때 보통 쓰는 농도는 15%이다.

의료용도로는 황산의 수소(H₂)를 바륨으로 치환하여 황산바륨(BaSO₄)이라는 소화기관용 투시조영제를 만드는 데 사용한다. 그 외에 약명에 sulfate가 들어가는건 다름아닌 황산염이기 때문이다.

유산지라고 하는, 황산으로 가공 처리한 종이는 뛰어난 발수성으로 인해 식품가공에서 상당히 널리 쓰인다.

5. 위험성[편집]

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5.1. 테러[편집]

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염산과 함께 범죄용도로 많이 악용된다. 대구 어린이 황산 테러 사건이 대표적인 예시. 자세한 것은 산 테러 참조.

5.2. 사고[편집]

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공업쪽에서 작업시 유출 등으로 부상이나 사망 사건이 나기도 하며 일부 안전불감증 걸린 사람들이 황산을 잘못 관리하여 사고가 나기도 한다. 한 사건으로는 황산과 염산을 별도의 안전장치도 없이 지인에게 택배로 보냈다가 택배기사가 상하차시 유리병에서 유출된 황산을 뒤집어쓰고 얼굴과 성대가 타버리는 안타까운 사건도 있었다. #

6. 창작물에서[편집]

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아무래도 황산이 염산 다음으로 유명하고 위력은 염산보다도 더 무서운 물질이다 보니 각종 호러·고어물에 염산 다음으로 많이 등장하는 공포요소이다.

• Day R Survival

• 괴도 조커

• 닥터 스톤

• 킬 위드 미

• 바보와 시험과 소환수의 히로인인 히메지 미즈키가 부록 에피소드에서 애정이 담긴 비밀 레시피로 고기감자조림을 만드는데 썼다. 탄수화물을 당으로 분해하기 위해 진한 황산을 넣고 깔끔한 신맛을 추가하기 위해 클로로아세트산, 거기에 방부제 기능을 위해 질산칼륨을 첨가한 결과로 왕수(!!!)가 완성되었다. 만든 본인은 그이의 혀를 녹일 것이라고 자신하지만 혀는 고사하고 여러가지를 녹여버릴 것이라는 나레이션의 설명이 압권. 말 그대로 진짜 독극물 요리가 되었다. 재료는 이상하게 멀쩡하지만 넘어가자 그리고 이걸 시식해야 하는 요시이의 운명은...[18]
  참고로 히메지 미즈키는 애초에 왕수를 만들 생각이 없었다.

• 우에키의 법칙

• 큐브

• 팩토리오

• 화이트데이(2015년 버전)

• 말죽거리 잔혹사

• 모범택시

• 여고추리반2

• 펜트하우스 시리즈

• 아리스 인 보더랜드

• 휴먼버그대학교의 이쥬인 시게오

7. 악용 사례[편집]

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약 30% 고농도 염산의 경우, 탄산수소나트륨 등 약알칼리 용액[19]을 과량 이용하여 씻어내면 적어도 목숨은 건질 수 있지만, 진한 황산이면 조치를 취하기도 전에 사망할 수도 있다. 그냥 두면 피부 조직의 수분을 뺏기면서 숯덩이가 되고, 물로 씻으면 강한 발열[20]로 인한 화상 + 강산성 물질이 되어버리므로 매우 위험하다. 이게 범죄에 쓰일 수 있는 이유는 플라스틱이나 유리를 못 녹이기 때문이다. 즉, 플라스틱병이나 유리병에 황산을 넣어 소지할 수 있다는 얘기다.

• 대구 어린이 황산 테러 사건
• 2003년 중국에서 학업 성적이 뛰어난 친구를 질투하여 얼굴에 황산을 뿌리고 사형 선고를 받은 여학생의 이야기가 알려졌다(사진 주의). 하지만 타겟의 친구를 타겟으로 오인했다.
• 수원지방검찰청 대학교수 황산 테러 사건 : 2014년 12월에 전직 교수였던 서모(37)씨가 전 제자이자 조교였던 학생과 분쟁조정 중 검찰 내 형사조정실에서 플라스틱 통에 담아온 540㎖(소주병 한 병 반 분량)의 황산을 학생과 가족에게 투척했다. 강모(21·대학생)씨는 얼굴과 전신 40%에 화상을, 그의 아버지(47)는 얼굴, 다리 등 신체 20%에 화상을 입어 중태인 것으로 현재 알려져 있다. 학생의 어머니 조모(48)씨, 형사조정위원 이모(50)씨, 법률자문위원 박모(62)씨 등도 상해를 입었다. 궁금한 이야기 Y 2014년 12월 19일 방송에서 이 사건을 다루었다. 서모씨는 1심에서 징역 15년이 선고되었지만, 최종적으로 징역 8년을 선고하였다.
• 2009년 6월경 모 벤처기업가가 임금체불에 대한 손배소송을 걸어 승소한 직원에 대해 직원 등과 공모하여 황산을 끼얹은 사건이 있었다. 이들은 3개월 전 부터 소송에 대한 앙심을 품고 황산을 구입하고 사건 구역을 답사하고 알리바이를 조작하는 등 계획을 세웠다고 한다. 범행을 실행한 직원은 곧바로 체포되었지만. 범행을 사주한 사장은 심장질환을 이유로 입원 3개월만에 퇴원 후 잡혔다. 관련기사

• 이란의 한 여성이 자신에게 황산을 뿌려 얼굴을 흉측하게 만들고 시력을 잃게 만든 남성에게 이슬람의 율법에 따라 자신에게 했던 짓과 똑같은 형벌을 요구해 논란이 된 적이 있다. 아메니 바흐라미는 사건 당시 24살이였고, 같은 학교에 다니던 19살의 마지드 모바헤디는 아메니에게 반해 구애했다. 그러나 아메니가 받아주지 않자 마지드는 그녀의 얼굴에 산성 용액을 투척했다. 아메니는 양쪽 안구를 상실했고 얼굴 전면이 녹아내렸으며 몸에도 화상을 입었다. 법원에서는 여성의 요구를 받아들여 죄를 지은 남성의 눈에 황산 20방울을 넣는 형을 선고했으나, 그녀는 고뇌 끝에 "힘을 가졌을 때 용서하는 것이 최선"이라며 형을 집행하기 직전 범인을 용서해주기로 하면서 범인은 눈물을 흘리며 그녀의 용서에 감사했다고 한다. 대신 징역형을 선고받고 현재 복역 중, 피해자에 대한 배상은 금전적 배상으로 대신하기로 결정됐다. 이 사례는 KBS 스펀지 310회에 소개되었다.
• 1940년대 후반, 영국의 존 조지 하이라는 인물은 사람을 살인한 후[22]
  빚에 시달려 채권자를 살해한 다음 그 채권자의 부모 및 지인이 찾아올 때 죄다 살해했던 것.
  그 시체를 황산에 녹여 없애는 엽기적인 행각을 벌인 연쇄살인마로서 Acid bath murderer라는 이명을 얻게 되었다.[23]
  당시 이 인물이 믿고있었던 법리학 용어중 하나인 Corpus Delicti는 범죄의 기초가 되는 실질적인 사실을 의미한다. 이걸 라틴어로 표현하면 사체가 되고 하이는 이것을 사체가 없으면 범인이 아님으로 해석하고 시체들을 녹인 것이다.
  미처 녹지않은 시체의 일부 조각[24]
  정확히는 틀니였다. 영국 전역에서 치과를 찾아가서 틀니를 만든 치과의사를 찾아내 피해자를 찾아내는데 성공했다.
  이 나오면서 교수형 확정.

• 관악경찰서 황산 테러 사건

• 2017년 7월 이래로 최근 영국, 특히 런던에서 묻지마 산 테러가 꾸준히 발생하고 있으며 절도까지 한다. 게다가 구급대원까지 공격받는다고 한다. #
• 이란에서는 유기견들을 처리할 때 한꺼번에 잡아서 강황산을 주사하여 서서히 죽인다. 심지어 이는 개인이 하는 게 아닌 국가에서 오래 전부터 지시한 사항이라 동물학대 논란이 있다. 황산주사를 맞은 유기견들은 체내의 모든 혈관이 녹아내리는 엄청난 고통 속에서 서서히 죽어간다.[25]
  이렇게 잔인한 방법을 쓰는 이유는 이란을 비롯한 이슬람권 국가들은 개를 부정한 동물로 여기기 때문이다.
• 워낙 엽기적인 처형방법을 만들어낸 이라크 레반트 이슬람 국가에서 인질을 처형할 때에도 황산을 주사하여 처형하기도 한다. 그냥 조그만 주사기가 아닌 커다란 관장용 주사기를 동시에 몸의 여러 곳에 찔러 넣어 처형한다.
• 위에 언급된 존 조지 하이와 비슷한 사례로, 1956년 일본에서 한 피혁 가공업체 직원이 동료와 술을 마시다가 시비가 붙은 끝에 동료를 살해하고 시신을 원피 처리용 황산통에 넣어 훼손한 사건이 있었다. 당시 경찰이 통에 들어 있던 황산[26]
  실제로는 농도 96%의 묽은 황산 외에 중크롬산나트륨이 80kg가량 함께 사용되었는데, 황산의 농도가 너무 진하면 시신보다 통이 먼저 부식된다는 이유로 크롬이 함유된 물질을 넣어서 농도를 낮췄다고 한다.
  을 전부 빼내자 그 안에서 나온 시신의 상태는 실로 처참했는데, 두개골과 척추뼈는 연조직이 녹아 있었고[27]
  게다가 두개골은 작게 쪼그라든 상태였다.
  손발 등의 뼈가 상당 부분 소실되는 바람에 골격이 전신의 20% 가량밖에 남지 않았다고 한다. 그나마 존 조지 하이와는 달리 이 사건의 범인은 동료를 살해한 것에 죄책감을 느껴 자신이 살인을 저질렀다는 유서를 남기고 자살하려 했으나 미수에 그쳤다. 이 사건으로 범인은 징역 6년을 선고받았다.
• 2021년 8월 일본 시로카네타카나와역 구내에서 25세 남성이 황산으로 추정되는 약품을 뿌려 20대 남성에게 얼굴 등에 전치 6개월의 중상을 입히는 사건이 발생했다. 범인은 사건 발생 4일 후 오키나와에서 체포되었으며, 조사 결과 범인이 피해자와 같은 류큐대학 출신임이 밝혀졌다. 그러나 피해자가 범인과 면식이 있기는 하지만 이렇다 할 문제가 있었던 적은 없었다고 증언했고, 범인이 대학을 중퇴하고 현재 다른 대학에 편입하여 재학중임이 밝혀짐에 따라 정확한 범행 동기를 조사중이다. #

8. 기타[편집]

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• 위와 같은 악용 사례 때문에, 법원이나 검찰청, 정부청사에 들어갈 때에는 음료수통 등 액체가 든 물품은 아예 가지고 들어가지 못하게 하고 있다.
• 이름은 황(黃)산이지만 노랗지 않다.[28]
  다른 황화물도 보통 황색은 아니다.
  오히려 질산이 노란빛을 띤다.
• 영풍에서 황산 화물열차를 보유하고 있다. 영동선 석포역에서 출발하여 온산선 온산역까지 매일 운행하며[29]
  3965, 3967(철암→온산)열차와, 3966, 3968(온산→석포)열차 이다.
  , 위험성이 높아 프로필렌조차에 준하는 수준의 열차조성(기관차-격리차-차장차-격리차-황산조차)으로 운행한다. 주로 태백선과 중앙선에서 많이 보이는데 그 이유는 영동선의 한반폭우 사태로 유실되었기 때문이다.