탄산 나트륨

1. 개요2. 용도3. 제조법

3.1. 르블랑 공법3.2. 솔베이 공법

1. 개요

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

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

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

3.1. 르블랑 공법

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 부산물로 염산이 같이 튀어나온다.#
NaCl + H₂SO₄ → NaHSO₄ + HCl
NaHSO₄ + NaCl → Na₂SO₄ + HCl

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.
Na₂SO₄ + 2C (+ CaS) → Na₂S + 2CO₂ (+ CaS)
Na₂S + CaCO₃ (+ C) → CaS + Na₂CO₃ (+ C)

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

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.
NaCl + H₂O + NH₃

한편 탄산칼슘(석회암)는 다른 곳에서 약 1000°C로 분해되어 이산화탄소와 산화칼슘(생석회)으로 쪼개진다. 생성된 산화칼슘은 물 또는 수증기와 반응시켜 수산화칼슘(소석회)으로 만들어 놓는다.
CaCO₃ → CO₂ + CaO
CaO + H₂O → Ca(OH)₂

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.
NH₃ + CO₂ + H₂O → NH₄HCO₃
NH₄HCO₃ + NaCl → NaHCO₃↓ + NH₄Cl

석출된 탄산수소나트륨을 가소로의 회전가마에 넣고 약 300°C에서 태워 탄산나트륨을 만든다. 이 과정에서 나온 이산화탄소는 회수되어 흡수탑에서 재활용된다.
2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O + CO₂

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, 방습제 등)로 사용된다.
2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → 2NH₃ + CaCl₂ + 2H₂O

요약하자면, 암모니아와 이산화탄소를 탄 소금물을 끓인 뒤 거르고 남은 물질(탄산수소나트륨)을 태우면 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.

[1] 이를 탄산 나트륨의 가성화법이라고 하며 반응식은 아래와 같다.
Na₂CO₃ + Ca(OH)₂ → 2NaOH + CaCO₃↓