과탄산소다(Sodium Percarbonate)의 특성과 용도

과탄산소다의 특성과 용도에 대하여

과탄산소다란 무엇이며 어떤 특성을 가지고 있나요?

 

과탄산소다의 분자구조

 

과탄산소다(Sodium Percarbonate, SPC)는 Na₂H₃CO₆의 화학식을 가지는 물질로, 조금 더 알기 쉽게 표현하면 2Na₂CO₃·3H₂O₂의 화학식을 가지는 하얀색의 결정성 고체입니다. 화학식을 보시면 아시겠지만 2개의 소다(Na₂CO₃)에 과산솨수소(H₂O₂)가 3개 합쳐져 구성된 물질로 IUPAC상 공식 명칭은 sodium carbonate—hydrogen peroxide (2/3) 입니다.

 

과탄산소다의 결정구조

과탄산소다의 밀도는 2.1 g/cm³이며 상온에서 사방정계(모서리의 길이가 모두 다른 직육면체)의 결정구조를 가집니다. 위의 사진은 과탄산소다의 결정구조를 입체적으로 나타낸 그림입니다. 여기서 나트륨(Na, Sodium) 원자는 보라색, 탄소는 검은색, 산소는 빨간색, 수소는 하얀색이며 왼쪽 상단의 점선으로 이루어진 사각형이 과탄산소다의 Unit Cell입니다. 

 

과탄산소다 수용액의 화학 반응식

 

위의 화학 반응식을 보면 과탄산소다의 화학적 특성을 잘 이해할 수 있습니다. 과탄산소다는 탄산나트륨(소다)과 과산화수소로 구성되어있다고 말씀드렸는데, 물에 녹아 탄산나트륨과 과산화수소로 분해되고 과산화수소는 최종적으로눈 물과 산소로 분해됩니다.

 

따라서 과탄산소다는 산소를 발생시키는 용도로 사용되며 특히 용해 과정에서 발생하는 활성산소는 산화력이 굉장히 크게 때문에 소독 또는 세척효과를 나타내어 표백제의 원료로 널리 사용됩니다.

 

과탄산소다의 포화 용해도는 150 g/L로 물에 매우 잘 녹으며 공기중의 수분을 흡수하는 특성이 있습니다. 과탄산소다 1% 농도 수용액의 pH가 약 10 이상이 되는 약 알칼리성 물질입니다.

 

과탄산소다와 과산화수소의 관계는?

 

과탄산소다는 2개의 소다와 3개의 물분자로 이루어진 물질이라고 설명드렸습니다. 여기서 과탄산소다의 분자량(2Na₂CO₃·3H₂O₂ 기준)은 313.96 g/mol 인데 화학식을 보시면 아시겠지만 총 3개의 과산화수소가 나오게 됩니다. 과산화수소의 분자량은 34.014 g/mol 이며 총 3개가 포함되어 있으므로(3 ×  34.014 = 102.04 g/mol ) 과탄산소다 수용액 내 과산화수소의 몰 비율은 102.04 / 313.96 = 32.5% 농도로 포함되어 있습니다. 즉 과탄산소다를 이용하면 과탄산소다 수용액 농도의 약 32.5% 만큼의 과산화수소를 용액을 만들 수 있습니다. (나머지는 소다로 존재합니다.)

 

과탄산소다의 제법

 

과탄산소다가 물에 녹을 경우 탄산나트륨과 과산화수소로 분해된다고 말씀드렸습니다. 상업적인 생산을 위해서는 이의 역반응을 이용하는데 최종 제품을 얻는 과정은 건식, 분무 과립법, 결정화법 등으로 나눌 수 있습니다.

 

건식 공정법은 과산화수소 수용액을 고체 탄산나트륨에 분무하는 고체-액체 반응을 통해 과탄산소다를 만드는 방법이며 분무 과립법은 유동층 반응기에서 탄산나트륨과 과산화수소 수용액을 챔버 내의 종결정 상에 동시에 분무하고 물을 증발시켜 과탄산소다를 만드는 방법입니다. 결정화법은 탄산나트륨은 보통 염석제(Salting Agent)인 소금(NaCl, Sodium Chloride)의 존재 하에 적절한 pH와 농도를 맞춘 탄산나트륨과 과산화수소의 수용액의 반응을 통해 과탄산소다를 만드는 방법입니다. 참고로 과탄산소다는 2016년 기준 전 세계적으로 약 2억 5천만 파운드(11만톤) 이상 생산된 중요한 물질입니다.

 

과탄산소다의 용도와 사용법

 

과탄산소다의 가장 주된 용도는 표백제입니다. 과탄산소다는 불에 타지 않으며 최종 부산불로 산소와 물만 발생되며 인체에 유해하지 않기 때문에 염소계 표백제보다 더 친환경적이며 안전한 세재로 널리 알려져 있습니다. 특히 산소계 표백제로 가장 널리 알려진 'Oxy' 제품에는 과탄산소다가 약 65%, 탄산나트륨이 35% 포함되어 있습니다. 

 

과탄산소다가 포함된 표백제

 

또한 과탄산소다가 물에 용해되는 과정에서 발생하는 활성산소는 산화력이 높아 호수, 연못, 관상용 수영장, 분수대, 저수지 등에서 조류를 제어하며 유해한 균을 제거하는 살균제로도 사용될 수 있습니다.

 

과탄산소다가 포함된 연못 살균제

과탄산소다를 표백제나 살균제로 사용하기 위해서는 제품을 물에 용해시켜야 하는데 일반적으로 과탄산소다가 물에 용해되어 산소를 발생시키는 시간은 대략 5시간 내외로 알려져 있습니다. 즉 표백제 또는 살균제로서의 활성은 5시간 이내로 제한되기 때문에 미리 만들어 사용하게 되면 효과를 전혀 볼 수 없으니 주의해야 합니다. 또한 공기중의 수분과 반응하여 산소를 발생시킬 수 있기 때문에 밀폐된 용기에 과탄산소다를 보관하면 서서히 용기 내부의 압력이 증가해 최종적으로 용기가 파손될 수 있으니 주의해야 합니다.