질산 칼륨

1. 개요[편집]

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窒酸 칼륨 / Potassium nitrate

칼륨의 질산염으로 화학식은 KNO₃이다. 온도에 따른 용해도 차이가 큰 대표적인 물질로, 중·고등학교 화학 시간에 용해도 곡선 그래프에서 다른 물질에 비해 큰 기울기를 가진 용질의 사례로 자주 다뤄진다. 질산 칼륨과 설탕을 배합해 불을 붙이면 엄청난 속도로 타오른다.

화약의 주재료이기도 하며, 흑색화약은 질산 칼륨과 유황, 숯가루(목탄)를 섞어 만든 대표적인 화약이다. 중국 대륙에서 최초의 화약이 발명되면서부터 질산 칼륨의 중요성이 크게 올라갔다.

질산 칼륨의 광물 형태는 초석(硝石, niter)이라 한다. 사방정계 결정 구조를 가지며 동물의 시체나 배설물 등에 박테리아가 작용하여 생긴다. 칠레의 아타카마 사막이 초석 산지로 유명한데 칠레 해안에서 물새들이 정어리를 잡아먹고 배설한 배설물이 아타카마 사막의 건조한 기후에 굳어져 만들어진 것이다.

2. 제조법[편집]

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2.1. 전통식[편집]

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과거에는 염초(焰硝)라고 불렀다. 초기에는 오래된 초가 지붕, 처마 밑 흙이나 마루 밑이나 아궁이의 오래된 먼지흙과 재를 물로 우려내어 졸여 만들거나 박쥐가 사는 동굴 바닥에 박쥐똥이 발효해 질산염이 축적된 동굴의 벽의 흙을 모아 만들었으나 공급에 한계가 있었기 때문에 나중에는 염초 밭을 인공적으로 조성하여 화약용 염초를 생산했다.

큰 흙구덩이를 파고 액체가 새지 않게 진흙으로 바닥과 벽을 바른다. 칼륨을 많이 함유한 식물[1]을 태운 나무 재나 석회암 가루를 쌓고 그 위에 지푸라기나 나무, 잔가지, 숯 등 다공성의 물질들을 쌓고 그 위에 인간이나 동물의 똥[2]을 쌓고 지푸라기로 다시 덮는다. 그 위에 삭힌 오줌을 붓는다. 그렇게 지푸라기와 똥과 재의 층을 필요한 만큼 층을 쌓고 그 위에 오줌을 자주 부어준다. 그리고 한 달에 한 번 정도 뒤집어 주어 공기에 접촉시키고 세균으로 발효를 시킨다. 필요에 따라 오줌과 식물의 재를 보충해 준다. 바닥에 고이는 액체는 퍼서 다시 위에 부어준다. 이렇게 1~2년간 숙성시킨 짚더미는 꺼내어 짜내고 오줌을 부어 우려낸다. 구덩이에 고여 있는 용액은 나무 재를 담은 단지에 부어 질산염으로 만든다. 그 후 용액을 거른 후에 끓여서 증발시켜 농도를 높이는 분별결정화를 반복하면 백색의 염초 결정 가루를 얻을 수 있다.

과거 유럽에서는 나무를 태운 나뭇재(탄산 칼륨 함유)를 물에 녹인 후 걸러서 농축된 수산화 칼륨 용액을 먼저 만들고, 발효된 동물 똥이나 오줌으로 질산염 용액을 만든 다음, 이것들을 반응하게 하여 초석을 만들었다. 핵심은 질화박테리아가 번식하게 하고 오줌에 포함된 요소(urine)가 산화하면서 암모니아로 변화하게 만들어 질산염을 얻는 것이다.

이렇게 염초 밭까지 만들어가며 초석을 모은 이유는 간단하다. 자연산 초석 광산이 특정 지역에 편중되어 있었기 때문이다. 그 당시 신대륙(칠레)을 제외하면 오직 인도와 중국에서만 자연 채굴이 가능했다. 화약이 중국에서 처음 발명된 것도 원료인 초석을 자연에서 구할 수 있었기 때문이다.[3] 문제는 화약 무기가 발전하면서 화약의 소모량의 늘어나자 원료인 초석의 수요도 폭등했고 때문에 초석의 원산지가 아닌 국가들은 주기적으로 초석 수급 문제에 시달렸다.

당장 화력에 집중해온 조선의 경우 한반도 기후 특성상 주기적으로 찾아오는 장마 때문에 염초밭을 만들어도 생산 효율이 극히 떨어지는 불리한 환경이라 국내 초석 생산량이 크게 부족했다. 그래서 명나라에서 초석을 수입해 충당했음에도 화약 생산량을 원하는 만큼 맞추지 못했다. 실제로 중국은 이 점을 잘 알고 있어서 초석수출을 엄격하게 통제해서 조선의 군사력에 제한을 걸었다. 난중일기를 보면 이순신 장군이 초석(염초)를 얻기위해 엄청나게 고생했다는 대목이 나온다.

총기류가 급격히 발전한 유럽 국가들의 경우에도 크게 다르지 않아 프랑스 왕국이나 프로이센 왕국 같은 유럽에서 힘 꽤나 쓴다는 나라들 역시 부족한 화약의 소모량을 감당할 수 없다는 이유로 어쩔 수 없이 자국군에게 화약을 사용한 훈련을 금지시키고 제식훈련만 반복적으로 숙달시켰다. 이 문제에서 자유로운 나라는 인도를 식민지 삼아 초석광산을 독점한 영국 밖에 없었다. 그 덕분에 화약이 풍족하여 일개 말단 병사들도 실탄 사격훈련이 가능할 정도였고, 레드코트는 타 군대 대비 압도적인 연사력을 자랑하였다. 또한, 영국 왕립해군은 해상 포격 훈련을 수시로 수행할 수 있었는데 비록 영국의 군함 건조 기술이 프랑스나 스페인에게 미치지 못했음에도, 잘 훈련된 수병들을 기반으로 제해권을 공고히 할 수 있었다.

2.2. 현대식[편집]

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프리츠 하버에 의해 질소 화합물을 인공적으로 합성하는 방법이 개발되면서, 현대에는 공장에서 제조해 사용하고 있다.[4]

• NH₄NO₃ + KOH → NH₃ + KNO₃ + H₂O
• NH₄NO₃ + KCl → NH₄Cl + KNO₃
• KOH + HNO₃ → KNO₃ + H₂O
• NaNO₃ + KCl → NaCl + KNO₃

3. 용도[편집]

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질산 칼륨은 질산을 만드는 재료로도 이용되었고, 상술했듯이 흑색화약의 산화제로도 이용되었다. 고대부터 쇠고기 등 식육을 썩지 않게 보존하고 붉은 색깔을 내는 식육 보존제 발색제로도 이용되었지만 현대에는 아질산 나트륨으로 대체되었다. 기타 비료나 치약 등에도 쓰였다. 이외에도 로켓의 산화제, 화약의 산화제, 발색제, 비료, 로켓 캔디, 연막탄을 만들 때 이용된다. 질소 이온원으로 여러 산업적인 용도가 많다.

대항해시대에 선원들이 성욕을 억제한다며 음식에 뿌려먹기도 하였는데, 당연히 어림도 없었고 애꿎은 선원들의 사망률을 높여주기만 했다.[5] 항상성이 유지되는 상태에서 요구되는 칼륨 이온 농도는 상대되는 나트륨에 비해 매우 낮은 수준이고, 맛을 맞추기 위해 질산 칼륨 등의 칼륨 화합물을 소금 뿌리듯 뿌리면 십중팔구 과량 섭취하게 되는데 그러면 심장이 망가지기 때문.[6]

염장고기 등 고기 가공품에도 보툴리누스균을 막기 위해 초석이 들어갔는데 현대에는 아질산 나트륨이 대신 쓰인다.

자매품으로 아마추어 로켓에 주로 사용되는 KNSB 연료라는 것이 있는데, 음식에도 이용되는 소르비톨과 질산 칼륨을 섞어 만든다.

치약의 유효성분으로도 사용된다. 질산 칼륨은 상아세관이나 법랑질의 미세균열을 폐쇄하여 치아의 민감성을 완화, 제거할 수 있기 때문이다.

4. 여담[편집]

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윗 문단에서도 서술했지만, 신체에 접촉, 호흡기로 흡입하거나 섭취하면 몸에 심히 해롭다. 만약 눈에 들어갔을 때는 다량의 붕산과 물로 씻어야 한다.

화약이 연소한 뒤에는 특유의 오줌 비슷한 지린내가 나는데 그 이유가 이 질산 칼륨 때문이다.

신은미 토크 콘서트 테러사건으로 대한민국에서 민간 판매가 중지되었다.

판타지 장르, 특히 대체역사물에서는 국가의 국방력 강화를 위해 필수적으로 대량 확보해야 하는 자원으로 등장한다. 과학 지식을 활용하여 염초를 보다 효율적으로 생산하거나, 혹은 역사 지식을 살려 초석광산이 있는 지역의 국가와 교류하거나 아예 선점하는 식으로 염초를 효율적으로 확보하여 군사력을 강화시키는 식.

염초밭은 동물사체를 뿌려두는 것으로도 해결이 가능한데 혁명은 내 취향이 아니었다라는 대체역사 소설에서는 화끈한 방법으로 염초를 확보한다. 혁명군이 유럽에서는 동물로도 염초를 만든다는 사실을 습득하고 동물과 사람의 신체 구성 성분이 동일하다라는 사실을 이용하여 혁명에 저항한 반동분자들을 죽인후 시체를 토막내어서 염초를 만든다. 그리고 염초로 화약 무기를 만들어서 반동분자들을 죽이고 이과정을 무한반복한다.