d라이브러리

알칼리는 아랍어로 '냄비에서 태운다'는 뜻이다. 옛날 아랍인들은 해초를 태운 재를 물에 녹여낸 것을 알칼리라고 불렀다.

오늘날 비누는 음의 치료, 성병예방, 피부감염, 외상과 화상의 예방과 치료에 사용되고 있다. 이 비누를 처음으로 사용한 것은 아랍인들이었다. 또 메소포타미아와 이집트에서 사용한 비누는 의약으로서 귀중품이었다. 기원전 1000년경 아랍에서 발견된 점토판에는 약제사가 만드는 비누에 대해 다음과 같이 기록되어 있다.

'용기에 물을 채운다. 그리고 타마리스크 왕귤나무 돗자리용 갈대 알칼리혼합맥주를 그 속에 넣는다. 다음에 사릴, 즉 금고리를 넣는다. 환자에게는 마시는 물을 준 다음 (a)준비한 용액을 그 환자 위에 뿌린다. 그리고 심황 뿌리를 뽑아 (b)순수한 염과 순수한 알칼리, 두루미의 지방과 함께 갈아 여기에 추가한다. 환자의 몸을 그것으로 일곱번 문지른다.'

알칼리는 아랍어로 '냄비에서 태운다'는 뜻이다. 당시 아랍인들은 해초(海草)를 태워서 얻은 재를 물에 녹여낸 것을 알칼리라고 불렀다. 따라서 알칼리는 식물의 재중에서 물에 잘 녹는 성분을 가리킨다고 볼 수 있다.

점토관에 쓰여진 약제사의 첫번째 처방 (a)는 환자 몸의 악취를 제거하고 소독을 하는 과정인 듯 여겨지며 두 번째 처방 (b)는 비누의 제조과정과 비누를 이용해서 환자 몸의 이물질을 닦아내는 과정이라 생각된다.

이들의 비누 제조과정을 보면 심황뿌리는 향료의 역할을 위해 넣은 듯하며 알칼리를 동물성기름인 두루미의 지방과 반응시켜 비누를 얻고 이것을 분리하기 위하여 염을 가하고 있다. 보통 비누는 물속에서 콜로이드형태로 용해돼 있기 때문에 염을 넣어서 응고시키는데, 이러한 방법을 염석이라고 한다. 이것은 콩을 갈아서 끓인 다음 간수(염의 용액)를 넣으면 엉겨서 두부가 되는원리와 같다.

그렇다면 비누의 원료인 알칼리의 화학적 성분은 무엇일까? 알칼리가 식물의 재 가운데에서 물에 잘 녹는 물질이므로 먼저 식물의 구성원소가 무엇인지에 대해서 살펴보고 그다음 식물의 재 속에 남아 있는 물질을 조사해 보자. 그리고 마지막으로 물에 잘 녹는 성분을 밝혀보자.

비누는 의약품으로 사용되기도

식물에 따라 구성성분의 차이는 있지만 대체로 식물속에는 탄소(C) 산소(O) 수소(H) 질소(N) 황(S) 칼륨(K) 칼슘(Ca) 나트륨(Na) 인(P) 철(Fe) 등의 원소가 주로 들어 있다. 이중 탄소 수소 산소가 전체의 90% 이상을 차지한다.

식물을 태우면 탄소 산소 수소 등 비금속원소는 대부분 산화물의 형태로 날아가고 칼륨 칼슘 나트륨 철 등 금속원소가 식물재의 대부분을 차지한다(표1). 비금속원소의 경우 산소와 결합하면 분자성 물질을 만들지만 금속원소는 비금속원소인 산소와 결합해 이온결정을 만들기 때문이다. 분자로 돼 있는 물질은 분자간에 작용하는 인력이 매우 적어서 불꽃의 높은 온도에 의해 쉽게 기체가 된다. 그러나 이온결정은 이온간의 단단한 힘으로 뭉쳐 있기 때문에 웬만큼 온도를 높여도 기체가 되기 어렵다.

이러한 재가 물에 용해되는 것은 주로 칼륨과 나트륨의 산화물이다. 결국 아랍인들이 알킬리라고 일컬었던 물질은 나트륨과 칼륨 등의 산화물이었던 것이다.

비누의 생성반응은 다음과 같이 표시할 수 있다.

R-COO-${CH}_{2}$
R-COO-CH +3NaOH →3R-${COO}^{-}$Na+글리세롤
R-COO-${CH}_{2}$ * R ; 17개의 탄소사슬
<;기름>; <;수산화나트륨>; <;비누>;

현재 사용되고 있는 알칼리(수산화나트륨)는 식물의 재에서 얻는 것이 아니라 소금물을 전기분해해 대량으로 얻어진 것이다. 소금물을 전기분해하면 수소이온과 염화이온이 제거되고 물속에는 수산화이온과 나트름이온만이 남는다. 수산화나트륨은 소금물을 전기분해시키고 남은 용액을 증발시키는 방법으로 대량으로 얻어진다.

전기분해 전에 물속에 존재하는 이온들 ⇒ 전기분해 후 남아있는 이온들
양이온 : ${Na}^{+}$, ${H}^{+}$ 양이온 : ${Na}^{+}$
음이온 : ${Cl}^{-}$, ${OH}^{-}$ 음이온 : ${OH}^{-}$

비누의 구조는 크게 두 부분으로 나뉜다. 한 부분은 물에 용해되기 어렵고 기름에 잘 섞이는 부분이며 다른 한 부분은 물에 잘 용해되고 기름에 섞이기 어려운 부분이다. 전자를 친유성 부분이라고 하며 후자를 친수성 부분이라고 한다. 비누는 친유성인 부분과 친수성인 부분을 한 분자 내에 모두 가지고 있으므로 물에 녹기 어려운 기름 때를 물에 녹을 수 있도록 매개하는 역할을 하는 것이다.

비누 분자의 친유성 부분이 기름을 에워싸면 형성된 덩어리의 표면이 비누의 친수성인 부분으로 이루어지므로 물과 잘 섞이게 된다.
 

"전기분해로 분해못할 원소 없다"

근대 화학자인 라부아지에는 나트륨이나 칼륨의 산화물인 알칼리를 원소로 생각했다. 그것은 나트륨이나 칼륨은 산소와 결합해 산화물을 형성하고 있을 때나, 물속에 용해돼 있을 때나 전자를 하나 잃고 ${Na}^{+}$, ${K}^{+}$와 같이 양이온의 상태로 있으며, 이러한 상태가 매우 안정한 까닭에 좀처럼 전자를 얻어 Na K로 환원되기 어렵기 때문이다. 산화철 속에 들어 있는 ${Fe}^{2+}$이온이 탄소에 의해서 Fe로 환원되는 것과는 대조적이다. 이처럼 양이온 상태로 있는 것이 상대적으로 안정한 금속을 '이온화 경향이 크다'고 한다.

영국의 과학자인 데이비는 전기분해에 의해 나트륨과 칼륨을 얻어냈다. 여기서는 금속 칼륨을 얻는 과정을 소개하기로 한다.

그는처음에는 ${K}^{+}$가 용해돼 있는 수용액을 전기 분해했다. 그러나 이 경우에 음극에서는 K는 얻어지지 않았고 물의 한 성분인 수소기체가 발생할 뿐이었다. 이것은 물속에 들어있는 두 종류의 양이온, 즉 ${H}^{+}$와 ${K}^{+}$중에서 칼륨의 이온화경향이 크기 때문에 ${H}^{+}$+${e}^{-}$→H와 같이 수소의 환원이 진행되므로 음극에서 수소기체가 발생한다.

이러한 실패를 반복하면서 데이비는 고체 상태의 수산화칼륨염(이 염의 결정에는 ${K}^{+}$이온이 포함돼 있다)을 직접 전기분해하려 했다. 그러나 이러한 그의 시도는 번번이 실패로 끝났다. 이온결정은 이온이 결정구조 속에 고정돼 있기 때문에 이동이 불가능하며 이 때문에 전하를 운반할 수 없다. 전기분해를 위해서는 전류가 흘러야 가능한데 전하운반체가 없는 상태에서는 전류가 흐를 수 없다.

그러자 그는 수산화칼륨을 가열해 액체상태에서 전기분해를 해야겠다고 생각하였다. 그는 수산화칼륨이 담긴 백금 접시를 알코올램프 위에 올려놓고 미리 준비해둔 산소 풍구를 불길에 부어 주었다. 불길은 산소 때문에 강하게 타올랐으며 잠시 후에 백금 위의 수산화칼륨은 걸죽한 액체가 됐다. 데이비는 곧바로 전지의 양극은 백금 접시에 연결하고 음극은 액체상태의 수산화칼륨 속으로 집어 넣었다. 그러자 음극의 백금선 근처에서는 가늘고 아름다운 연보라색 불길이 일어났다. 이러한 불길은 전류가 통과하고 있는 동안은 계속됐다. 그러나 음극에서 생성되는 물질이 생성되자마자 연소돼 버렸기 때문에 그 물질을 얻어낼 수 없었다.

그의 첫번째 실험이 실패한 이유는 물 속 수소이온의 방해에 있었다. 두번째는 전류가 흐르지 않았기 때문에 실패했다. 세번째는 수산화칼륨을 액체로 만들기 위해서 온도를 높였기 때문에 발생한 물질이 반응해버렸다. 그러나 세번째 실험을 통해 그는 알칼리가 전기에 의해 분해된다는 분명한 확신을 갖게 됐다.

그러던 중 그는 수산화칼륨이 공기중의 수분을 흡수해 촉촉해지는 것을 발견하고 촉촉해진 상태에서 전극을 연결하였다. 그러자 그 순간 음극에서 광택있는 작은 입자가 생기며 얼마 후 이 입자는 폭음과 불꽃을 내며 연소됐다. 그는 수차례의 실험으로 음극에서 생기는 작은 입자를 모았다. 수산화칼륨이 촉촉하게 수분을 머금게 되면 전기 전도성이 좋아지고 칼륨이온이 음극으로 끌려와 금속으로 환원되므로 금속 칼륨을 환원시키는 것에 성공한 것이다(그림 1).

그는 이렇게 얻은 금속을 포타슘이라고 이름지었는데, 다른 과학자들은 아랍어인 알칼리로부터 칼륨이라고 부를 것을 제안해 지금도 이 금속은 두가지 이름으로 사용되고 있다. 그는 자신의 전기분해 실험이야말로 가장 본때 있는 실험이라고 자신했고 전기 분해를 통해 분리해내지 못할 원소는 존재하지 않는다고 장담했다. 실제로도 그는 전기분해로 이전에 분리하지 못했던 많은 원소들을 분리해냈다.
 

가장 먼저 발견된 할로겐원소는 염소

스웨덴의 과학자 베르셀리우스는 플루오르 염소 브롬 요오드 등이 금속원소와 강렬하게 반응해 염을 잘 만든다는 뜻에서 할로겐이란 이름을 처음 사용하였다.

할로겐원소 가운데 가장 먼저 발견된 원소는 염소다. 1774년 셸레는 염산에 이산화망간을 넣자 황록색의 기체가 생성되는 것을 발견했다. 이 기체를 염소, 즉 chlorine이라고 했는데 이 말은 그리스어로 황록색을 의미한다.

1786년 프랑스의 화학자 베르톨레가 염소를 물에 녹인 염소수는 표백제로 이용될 수 있다는 것을 발견한 이래 많은 공장에서는 염소수로 직물을 표백했다. 그런데 습기가 있는 조건에서 염소가 금속을 맹렬하게 침식하자 공장설비는 얼마가지 않아 못쓰게 됐다. 이리하여 개발된 것이 염소를 알칼리 수용액에 흡수시킨 표백제다. 현재 시판되고 있는 표백제 가운데 염소계 표백제는 그 성분이 하이포아염소산나트륨으로 염소를 수산화나트륨에 통과시켜 제조한 물질이다.

${Cl}_{2}$ + 2NaOH → NaClO + NaCl + ${H}_{2}$O
염소 수산화나트름 하이포아염소산나트륨 염화나트륨 물

염소는 수도물의 소독에도 이용된다. 염소는 물에 녹아 하이포아염소산(HClO)을 만든다. 이것은 다시 물 속에서 이온화평형을 이룬다.

하이포아염소신의 생성 ${Cl}_{2}$+${H}_{2}$O → HClO+HCl
이온화 평형 HClO ⇄ ${H}^{+}$+${ClO}^{-}$

여기에서 생성된 HClO와 ${ClO}^{-}$는 소독작용을 한다. 그런데 물속에 유기물이 많으면 HClO와 ${ClO}^{-}$는 소독 작용과 동시에 THM(트리할로메탄)이라는 발암물질을 만들기도 한다. CH${Cl}_{3}$는 염소의 소독시에 생성되는 대표적인 THM이다. 한 암(癌)연구소의 실험결과에 따르면 매일 0.145~2.32mg의 THM을 생쥐에게 4개월간 투여할 경우에 전부가 간종양에 걸렸다. 우리나라의 경우 식수의 THM 허용치는 0.1mg/L이다.

플루오르는 형석이라는 광물속에서 발견된다. 중세에는 형석을 광물 속에 포함되어 있는 귀금속을 얻어내는 융제로 사용하였다. 야금하려는 광물을 가루로 만들어 형석과 섞은 후 여기에 황산을 부으면 형석 속에서 기체가 생성돼 광물을 녹여 흐르게 한다. 라틴어로 '흐른다'는 뜻의 플루오르란 이름이 붙여진 것도 이와 같은 이유 때문이다.

형석에 황산을 가할 때 발생하는 기체는 플루오르화수소 HF다. 1771년 쉘레가 플루오르화수소를 만들어내자 당시 과학자들은 이것의 성질이 염산과 비슷하고 아직까지 알려지지 않은 원소와 수소와의 화합물이라고 생각되었다. 이리하여 플루오르화수소로부터 플루오르를 분해하기 위한 순례가 시작됐다. 플루오르는 매우 반응성이 큰 물질이기 때문에 이 물질을 분해했다 해도 곧바로 다른 물질과 반응해버리기 때문에 물질을 얻어내기란 대단히 어려웠다. 게다가 이 물질은 인체에도 해로웠다. 여러 명의 과학자가 이 물질을 연구하다가 생명을 바쳤고 또한 많은 과학자가 플루오르 중독으로 온전치 못한 생애를 보내야 했다.

프랑스인 무앗상은 1886년 드디어 플루오르를 얻어냈다. 영하23℃로 냉각시킨 U자 모양의 백금용기에 플루오르화수소를 넣고 전기전도성을 증가시키기 위해 플루오르화칼륨을 넣었다. 여기에 백금전극 대신 구리로 된 전극을 연결했다. 플루오르는 구리와 반응, 표면에 플루오르화물의 얇은 막을 형성해 더 이상의 산화를 방지해준다. 음극에서는 수소가 생성됐고 양극에서는 플루오르가 생성됐다(그림2).
 

할로겐 화합물의 두 얼굴

할로겐은 반응성이 커서 다양한 화합물을 만든다. 그러나 인간의 필요에 의해 사용되는 할로겐 화합물 가운데에는 인류의 생존을 크게 위협하는 것도 있다. 그 대표적인 물질이 CFCs, 즉 프레온가스라 불리는 물질이다. 이 물질의 정확한 명칭은 염화플루오르화탄소이다.

이 물질은 1930대 미국의 제너럴모터스사에서 발명해 듀폰사가 처음으로 상품화시켰다. 당시 이 물질은 독특한 성질 때문에 대단한 각광을 받았다. 비부식성이어서 장치 내의 관을 손상시키지 않고, 독성이 없어서 식품 사용에 용이하고 비교적 낮은 압력에서도 쉽게 액화해 열효율이 좋으므로 냉장고 에어콘 등의 냉매제로 사용된다. 또한 불이 붙지 않고 독성이 없어서 취급자들이 제조 과정에서도 안심하고 다룰 수 있다. 이 외에도 반도체의 인쇄회로 기판의 먼지제거용으로 좋고 용매와 잘 섞이고 무취성이며 분사능력이 좋아 에어로졸 분사제로도 이용됐다.

이 환상적인 물질이 인류의 생존에 중대한 문제를 야기시킨다는 사실이 처음 밝혀지기 시작한 것은 1971년 러브록이 프레온가스의 한 종류인 CFC-11의 대류권에서의 농도를 측정하고나서 부터였다. 이후 CFCs가 대류권에서 매우 안정한 상태로 존재하다가 성층권에 도달하면 오존과 반응해 오존층을 파괴시킨다는 가정이 제시됐고 이 이후 프레온가스가 오존층을 파괴시키고 있다는 것이 밝혀졌다. 그 과정을 살펴보면 다음과같다.

우선 성층권에 도달한 CFCs가 자외선에 의히여 분해되면 염소원자가 생성된다.

CF${Cl}_{3}$ + 자외선 → CF${Cl}_{2}$ + Cl

이 때 오존은 염소원자를 촉매로 해 산소로 분해된다. 이 반응은 촉매반응이므로 매우 빠르게 진행된다.

${O}_{3}$ + CI → CIO + ${O}_{2}$
CIO + O → CI + ${O}_{2}$
${O}_{3}$ + O → 2${O}_{2}$

프레온가스에 의한 오존의 분해과정이 존재하지 않는다면 성층권에서는 오존의 분해과정과 생성과정의 평형에 의해 오존의 농도가 일정하게 유지될 것이다. 오존의 생성괴정에는 산소원자가 필요하다. 프레온가스에 의한 오존 분해단계에서 산소원자가 제거되므로 오존의 생성속도는 느려지고, 이로 인해 오존의 농도는 감소한다(그림3).

비록 CFCs는 우리생활에 없어서는 안될 것이지만 오존층 파괴는 인류의 생존을 위협하는 것이므로 그 사용을 규제하기 시작했다. 처음에는 에어로졸의 사용을 규제하였는데 CFCs의 사용이 줄어들지 않고 오히려 다른 부분에서의 사용량이 급증하자 결국 오존층의 보호에 아무런 효과를 보지 못했다. 그후에 1987년 몬트리올의 정서가 채택됐으며 이것은 1990년 런던회의에서 개정되었다.

우리나라는 CFCs의 수요가 매년 43%씩 증가하는 추세에 있으며 1백 50여개 업체에서 이를 사용하고 있다. 대체물의 개발이 시급한 실정이다.