탄산 나트륨

1. 개요[편집]

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탄산 나트륨(sodium carbonate) 또는 탄산소다, 줄여서 소다(소다회)는 나트륨의 탄산염으로, 염기성을 띄는 무색의 흡습성 결정이다. 화학식은 [math(\rm Na_2CO_3)]이다.

2. 용도[편집]

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가장 중요한 용도는 유리 제조 공정으로, 예로부터 오늘날까지도 판유리를 만드는 소다유리 공정에 필수적이다. 소다유리에 사용되는 소다회(soda ash)는 규사와 생석회와 탄산나트륨을 섞어 만든다. 또 탄산나트륨은 수산화 칼슘(소석회)와 섞어 수산화 나트륨으로 만들어[1] 비누 및 세제 공업에 쓰거나, 탄산수소 나트륨으로 만들어 베이킹소다로 식품공업에 쓰이고, 제산제 등 제약산업에도 쓰인다.

3. 제조법[편집]

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제조법은 르블랑공법, 솔베이공법, 염안소다법 등이 있다. 르블랑공법은 비교적 쉽지만 염산이 튀어나와 부식이 심하고, 솔베이공법은 더 효율적이지만 염화칼슘이 폐기물로 나오고, 염안소다법은 그 염화칼슘을 다시 쓰는 대신 암모니아를 계속 넣어야 한다.

3.1. 르블랑 공법[편집]

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1791년, 니콜라 르블랑이 개발한 공법이다. 그러나 정작 르블랑 본인은 프랑스 혁명으로 자신의 소다 공장이 부도가 나자 다리에서 뛰어내리는 극단적 선택을 하고, 산업혁명 시기 영국에서 미친 듯이 쓰이게 된다.

• 먼저 소금(염화나트륨)에 진한 황산을 섞고 용광로에서 가열한다. 그러면 200°C에서 황산수소나트륨과 염산이 나오는데, 황산수소나트륨은 800°C에서 다시 소금과 만나 황산나트륨이 된다. 그 결과 결론적으로 황산나트륨(황산소다, 무수망초와 같은 말)과 염산을 만든다. 이 과정을 만하임 공법이라고 하며, 염산을 추출할 때 사용한다. 따라서 르블랑 공법으로 탄산나트륨을 만들면 염산이 같이 튀어나온다.#

• 그 다음 생성된 황산나트륨을 잘게 부수고 숯(탄소)과 석회석(탄산칼슘)을 넣은 후 용광로에 900~1000°C의 온도로 가열하면 탄산나트륨이 생성된다. 구체적으로는 먼저 황산나트륨의 산소가 숯의 탄소로 빠져 황화나트륨이 되고, 탄산칼슘의 탄산이 황화나트륨의 황과 바뀌며 탄산나트륨이 된다. 결론적으로 탄산나트륨은 흑회(탄산나트륨+숯+황화칼슘)의 형태로 나오게 된다.

요약하자면, 소금과 황산과 숯과 석회석을 넣고 태우면 탄산나트륨이 나오는 게 르블랑 공법이다. 다만 이 과정에서 염산이 같이 나오기 때문에 기계의 부식이 너무 심하고 환경 오염의 문제까지 있어서 솔베이 공법이 나오고 나서부터는 거의 안 쓰인다.

3.2. 솔베이 공법[편집]

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4가지 과정으로 구성되는데, 흡수탑, 탄화탑(중화탑, 침전탑), 가소로, 증류탑이다. # 원재료는 염화나트륨(소금), 탄산칼슘(석회암), 암모니아다.

• 흡수탑에서 소금(염화나트륨)에 물을 타 소금물로 만든다. 그 후 솔베이 암모니아 흡수탑의 상부에서 비처럼 떨어뜨리고, 하부에서 암모니아를 보내어 암모니아함수(암모니아 소금물)를 제조한다. 이 과정은 0°C에서 시행된다.

• 한편 탄산칼슘(석회암)는 다른 곳에서 약 1000°C로 분해되어 이산화탄소와 산화칼슘(생석회)으로 쪼개진다. 이 산화칼슘은 물 또는 수증기와 반응시켜 수산화칼슘(소석회)으로 만든다.

• 이후 탄화탑에서 탄산칼슘에서 나온 이산화탄소를 암모니아함수에 포화시켜 탄산화하면 탄산수소암모늄이 나오는데, 이게 다시 소금과 만나면 탄산수소나트륨과 염화암모늄이 된다. 이에 탑 바닥에 조(거친, 粗)탄산수소나트륨이 석출된다.

• 가소로에서 탄산수소나트륨을 회전가마에 넣고 약 300°C에서 태워 탄산나트륨을 만든다.이 과정에서 나온 이산화탄소는 회수되어 흡수탑에서 재활용된다.

• 이렇게 만든 공정에서 만들고 남은 염화암모늄이 부산물로 생기며 이로부터 암모니아를 다시 빼내야 한다. 이에 증류탑에서 염화암모늄을 앞서 생성했던 수산화칼슘과 반응시킨다. 이 때 나온 암모니아는 흡수탑으로 돌아가서 재활용되고, 생성된 염화칼슘과 물은 섞여서 염화칼슘 수용액(염화칼슘물)이 되는데, 이건 그대로 폐기되거나 물을 제거하여 다른 용도(제설제 등)로 사용된다.

요약하자면, 암모니아와 이산화탄소를 탄 소금물을 끓이면 탄산나트륨이 나오는 것이다. 그리고 위의 화학식들을 모두 모아 합쳐서 간략화하면 탄산칼슘과 소금으로부터 탄산나트륨과 염화칼슘이 생성되는 화학식이 된다. 그러니까 원래는 탄산나트륨과 염화칼슘이 만나면 소금과 탄산칼슘이 생성되는데 이 반응의 역반응을 일으키는 것이 바로 솔베이 공법인 것.