염화칼슘(CaCl2) - 특성, 제법, 용도와 유해성에 대하여

 

겨울철 도로에서 운전을 하다 보면 폭설을 대비해 제설용으로 비치해둔 하얀 가루가 담긴 포대를 많이들 보셨을 거라 생각합니다. 제설제로 널리 쓰이는 이 하얀 가루의 정체는 바로 '염화칼슘'이라는 물질인데, 염화칼슘이 어떤 물질이며 왜 제설제로 널리 쓰이는지 한 번 알아보았습니다.

 

염화칼슘(Calcium Chloride)이란?

 

 

 

염화칼슘은 화학식 CaCl₂를 가지는 이온성 무기화합물입니다. 상온에서 흰색의 결정성 고체로 존재하며 녹는점은 772℃, 끓는점은 1935℃이며 물에 매우 잘 녹는 특징이 있습니다.

 

조해성이 있어 공기 중 수분과 쉽게 반응하여 수화물을 형성합니다. 무수물 상태에서 밀도는 2.15 g/cm³이며 용해도는 74.5 g/100 mL 입니다. 물 이외에 아세트산이나 메탄올, 에탄올에도 잘 녹습니다.

 

염화칼슘(무수물)을 물에 녹일때 많은 열이 발생하는데 이는 염화칼슘의 용해열(heat of solution)이 매우 커서 나타나는 현상으로, 대량의 염화칼슘을 용해시킬때는 주의하여야 합니다.

 

염화칼슘의 제법

 

염화칼슘은 탄산칼슘에 염산을 반응시켜 얻을 수 있습니다. 이 반응식은 아래와 같습니다.

 

CaCO₃ + 2HCl => CaCl₂ + H₂O + CO₂

 

Solvay Process

 

하지만 산업적으로는 석회석을 이용해 소다회(탄산나트륨)을 만드는 공정의 부산물로 얻어지는데, 이 공정은 Solvay 공정이라고 합니다. 위의 그림을 보면 관련물질들의 순환 공정을 알 수 있는데 간단히 요약한 반응식은 아래와 같습니다.

 

2NaCl + CaCO₃ => Na₂CO₃ + CaCl₂

 

염화칼슘의 용도는?

 

(1) 제설제

 

 

염화칼슘 제설제

 

사실 대부분의 사람들이 '염화칼슘=제설제'라고 생각할 정도로 널리 알려진 염화칼슘의 대표적인 용도입니다. 제설제의 원리는 '어는점 내림'이라는 현상으로 설명할 수 있습니다. 얼음이 언다는 것은, 물 분자의 운동이 줄어들고 주변의 분자들과 일정한 배열을 가지는 결정을 만드는 과정을 겪게 되는데 만약 움직임이 줄어든 물 분자 주위에 물 분자가 아닌 다른 분자나 이온들이 존재하게 되면 결정이 만들기 어려워집니다. 이러한 현상에 의해 순수한 물 대비 제설제가 녹아있는 수용액은 더 낮은 온도에서 얼게 되는 것입니다.

 

이런 어는점 내림 현상의 정도는 '용액의 총괄성'으로 설명할 수 있는데, 총괄성이란 용액의 물리적 특성 변화는 불순물의 종류가 아닌, 불순물의 개수(number)에 의존하는 특성을 뜻합니다. 이러한 용액의 총괄성을 바탕으로 생각하면 이온성 물질인 염화칼슘은 물에 녹아 2가의 칼슘(Ca) 양이온 하나와 1가의 염소(Cl) 음이온 2개, 총 3개의 이온를 만들어 내기 때문에 이온성 물질이 아닌 설탕보다 3배, 2개의 이온으로 구성된 소금(NaCl)과 보다 약 1.5배의 어는점 내림 효과가 있다고 생각할 수 있습니다. 

 

용액의 총괄성 측면에서 염화칼슘이 제설제로서 우수하기도 하지만 염화칼슘이 제설제로 널리 사용되는 이유는 더 있습니다. 첫째, 저온에서도 물에 대한 용해도가 매우 크며 둘째, 조해성이 높으면서도 용해열이 매우 커 주변의 수분을 쉽게 빼앗아 발열하고 그 열로 얼음을 녹이기 쉽기 때문입니다. 그 이외에 상대적으로 토양이나 식물에 덜 해롭다는 장점도 있습니다.

 

물-염화칼슘 상평형도

 

위의 그림은 물과 염화칼슘의 상평형도입니다. 이를 보면 좀 더 구체적인 어는점 내림의 정도를 알 수 있습니다. 그림과 같이 염화칼슘을 넣을수록 어는 점이 내려가 약 30%의 염화칼슘이 물에 포함되면 어는점이 약 -50℃까지 내려가는 것을 알 수 있습니다. 이정도의 어는점 내림 효과라면 한겨울에도 대한민국에서 녹이지 못할 눈은 거의 없다고 보는게 맞습니다.

 

(2) 흡습제

 

앞서 말씀드린것과 같이, 염화칼슘은 조해성이 매우 높아 주변의 수분과 쉽게 반응하여 수화물을 형성한다고 말씀드렸습니다. 실제로 염화칼슘은 자기 자신의 약 14배에 해당하는 양의 물을 흡수할 수 있습니다. 이러한 조해성은 칼슘 이온에 대한 물의 배위결합으로 설명할 수 있습니다.  칼슘 이온은 2가의 양이온으로, 높은 전하 대 크기 비율을 갖는데 물 분자에서 전기음성도가 큰 산소는 염화칼슘의 칼슘이온으로 향해 배위결합을 하기 쉽게 때문에 수화반응이 쉽게 일어나게 되는 것입니다. 이런 반응은 공기의 습도와 염화칼슘 수화물의 증기압이 평형을 이룰때까지 일어납니다. 이 반응은 가역적이기 때문에 주변의 습도가 낮아진다면 염화칼슘 수화물에서 물이 다시 증발할 수 있습니다.

 

이러한 높은 흡습성으로 인해 다양한 분야의 제습제 또는 흡습제로 사용하지만 제설제에서는 오히려 좋지 않은 결과를 가져옵니다. 염화칼슘을 이용해 제설을 하게 되면 높은 흡습성으로 제설된 물이 쉽게 증발되지 않아 도로가 오래도록 마르지 않기 때문입니다.

 

(3) 기타 응용분야

 

염화칼슘은 페인트, 건설 분야에도 널리 사용됩니다. 특히 콘크리트 혼합물에 첨가되어 초기 빠른 경화를 유도합니다. 다만 염화칼슘이 철근의 부식을 유발하기 때문에 철근 콘크리트 구조물에는 사용하지 않습니다. 그 이외 식품용 염화칼슘은 안정제 및 응고제, 증점제, 영양 보조제 등으로 사용되기도 합니다. 

 

염화칼슘의 유해성

 

염화칼슘은 의학적인 목적으로 병원에서 링거액 혹은 주사제로도 많이 사용되는 물질로, 그 자체가 독극물로 분류되어 있는 물질은 아니지만, 피부에 닿을 시 해로울 수 있으며 다량으로 경구 복용시 매우 위험할 수 있습니다.

 

염화칼슘이 피부에 닿게되면 염화칼슘의 흡습성으로 인해 물을 흡수하여 피부를 건조하게 자극할 수 있습니다. 그럴 일은 거의 없겠지만 만약 대량의 염화칼슘이 체내에 들어가 물과 만나게 되면 급격한 발열반응이 일어나 화상을 입을 수 있고 고칼슘혈증을 유발하니 유의해야 합니다. 국내에서 실제로 31세의 남성이 염화칼슘 제습제 통의 물을 실수로 마셨다가 고칼륨혈증과 기타 합병증으로 4일만에 사망한 사례가 있습니다.