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황산

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1. 개요2. 황산의 제조3. 진한 황산4. 활용5. 위험성
5.1. 테러5.2. 사고
6. 창작물에서7. 악용 사례8. 기타

1. 개요

H2SO4

/ Sulfuric Acid, Vitriol[1]

염산, 질산과 더불어 강산으로 유명한 물질이며 화학 산업계에서 물 다음으로 많이 생산되는 화합물. 각 나라의 황산 생산량이 그 나라 화학 산업의 규모를 나타내기도 한다. 염산과 황산, 질산 3가지를 통틀어 3대 강산(強酸)이라고 한다. 다만 이보다 더 강한 초강산이 존재하며, 초강산의 판정 기준을 황산으로 잡는다. 순수 황산보다 산도가 높으면 초강산으로 분류한다.[2]

중국일본에서는 유황의 산이라 하여 유산(硫酸)이라 하고 북한에서도 류산이라고 하지만, 대한민국에서는 젖산을 뜻하는 유산(乳酸, 락트산)과 혼동할 수 있으므로 보통 누를 황(黃) 자를 써서 황산이라고 부른다.

화학 공업의 꽃이라고 할 정도로 산업적으로 중요한 물질. 이게 없으면 도금이란 산업은 존재할 수 없다. 금속의 부식 예방 및 습기 제거 용도로 많이 쓰이고, 유기물 합성에도 빠지지 않고 등장하며 납축전지에도 이게 들어간다.

묽은 황산에 전류를 흘려주면 양 극에서 수소산소 가스로 분리되어 나온다. 초기에는 납축전지를 주기적으로 뚜껑을 열어서 물[3]을 보충해줘야 했는데, 이유는 바로 물이 전기분해되어서 농도가 진해지기 때문이었다. 현재는 전기분해를 일으키지 않는 전극을 사용하기 때문에 완전밀봉 구조로 만들 수 있게 되었다. 물론 그 덕분에 안전성이 높아지기도 했다.

분석화학 등을 통해 알 수 있듯이, 황산은 1차 이온화도(pKa~10)와 2차 이온화도(pKa2=1.9)의 차이가 크다. 우리가 보통 강산으로 알고 있는 황산의 이온화는 황산(H2SO4)에서 황산수소이온(HSO4-)으로 가는 첫 번째 이온화이며, 황산수소이온이 황산이온(SO42-)으로 가는 2차 이온화는 pKa가 1~2 정도로 pH 1 이하에서는 이온화가 거의 이루어지지 않는다. 다만 농도가 묽으면 2차 이온화도 잘 되니 2차 이온화가 잘 안 된다고만 생각하다 시험에서 틀릴 수 있으니 주의하여야 한다.[4]

2. 황산의 제조

황산 제조를 화학식으로 정리하면 다음과 같다.

S+O2\rightarrow SO2
2SO2 + O2 \rightarrow 2SO3
SO3+H2O\rightarrowH2SO4
황(S)을 산화시켜서 이산화황(SO2)를 만든다. 이후 이 이산화황을 산화시켜서 삼산화황(SO3)을 만들고, 이 삼산화황을 물(H2O)에 반응시키면 황산(H2SO4)이 된다.[5]

공업용으로 제조할 때는 이 중 이산화황의 산화 방법이 둘로 나뉘는데 질산식과 접촉식(contact process)이 있다. 질산식은 질산을 반응시켜서 이산화 질소(NO2)를 제조한 뒤, 이 이산화질소를 이산화황과 발생시켜서 삼산화황을 제조하는 것. 여기서 이산화질소는 촉매의 역할로, 일산화질소(NO)가 되었다가 공기 중의 산소와 반응해서 다시 이산화질소로 돌아간다.

접촉식은 촉매를 이용하여 이산화황을 직접 산소와 반응시키는 방법이다. 산업 현장에서는 주로 오산화바나듐(V2O5)을 촉매로 사용한다.

3. 진한 황산

우리가 강산으로 많이 알고 있는 황산은 묽은 황산이다. 이름과는 다르게 오히려 묽은 황산의 산도가 더 높다. '진한 황산'은 황산 질량비 90% 이상의 수용액이며 (주로 시판되는건 96~98%) 물 분자가 부족하기에 이온화도가 매우 떨어져 산성을 나타내지 못한다.[6] 그렇다고 절대로 만져서는 안된다! 물로 씻을 수도 없고, 특유의 탈수반응으로 손의 수소와 산소를 빼앗아 숯덩어리로 만들어버리기 때문이다.

진한 황산은 점조성이 있어 끈적거리며 밀도로 인해 매우 무겁다.[7] 진한 황산은 산성을 거의 띄지 않는 대신 탈수력이 대단해서, 탄수화물이나 단백질과 같은 수소와 산소가 분자식에 들어있는 물질이 혼합되기만 하면, 그 분자구조를 박살내고 수소 원자와 산소 원자를 2:1의 비율로 빼내 물을 합성하고 스스로 이온화한다. 실험시에는 주로 설탕으로 실험하며, 설탕에 황산을 넣어 숯덩이(진짜로 탄소덩어리다.)로 만든 사진은 여느 참고서에나 다 실려있다. 물론 다른 탄수화물도 분자식에서 수소와 산소가 2:1로 존재하는 탓에 결과는 같다. 진한 황산이 들어있는 비커에 나무젓가락을 담그자마자 다시 빼면, 딱 황산이 담겨있던 높이만큼 숯으로 변해서 나온다. 단 당알코올의 경우에는 상온상압에서 탄수화물처럼 반응하지는 않는다.[8] 이같은 성질 덕분에 진한 황산은 실험실에서 사용하는 데시케이터(건조기)의 제습제로 쓰인다.[9] 또한 유기합성 시 탈수반응을 일으키기 위하여 진한 황산이나 가열한 묽은 황산을 사용하는 일은 흔하여 여러 화학반응의 촉매 혹은 반응물로 사용된다. 진한 황산이 피부에 닿았을 때는 절대 바로 물로 씻지 말고 과량의 천이나 휴지 따위로 피부에 묻은 진한 황산을 최대한 제거한 후 세척해야한다.[10] 진한 황산은 물과 닿을 경우 열을 발생시키면서 묽어지기 때문에 피부에 묻었다고 무턱대고 씻으면 화상을 입을 수 있다. 또한 진한 황산이든 묽은 황산이든 위험한 건 매한가지이니 전문 교육을 받고 보호도구를 착용한 경우가 아닌 이상 취급하지 말자.[11]

물론 뛰는 놈 위에 나는 놈 있듯이, 황산에서 물을 뺏어서 삼산화황으로 되돌리는 십산화사인(P4O10)같은 물질도 있다. 백린연막탄이 타면서 나오는 게 이것이다. 진한 황산에다가 소량의 십산화사인을 섞으면 황산이 탈수되어 삼산화황이 되고 이것이 다시 다른 황산과 반응해서 발연 황산(oleum)이 된다. 발연황산+진한황산+진한인산의 혼합물이 생기는데, 여기에 과황산(S2O82-)같은 산화제를 또 집어넣어서 보통 산화되기 어려운 흑연이나 탄소나노튜브과 같은 무기물질을 산화시키는데 사용한다.

묽은 황산을 만들 때에는, 반드시 다량의 물에 진한 황산을 유리막대를 이용하여 몇 방울씩 흘려넣으며 만들어야 한다. 간혹, 중고등학교 과학(화학) 선생님들이, '묽은 황산을 만들 때, 물에 황산을 탈까? 황산에 물을 탈까?'라고 물어보시기도 하는 게 바로 그 예시.

진한 황산에 수분이 공급되면 급격히 이온화하면서, 물이 끓어넘칠 정도로 신속하게 다량의 열을 방출하기 때문. 진한 황산은 물보다 비중이 크기 때문에, 진한 황산을 물에 흘려넣을 경우 황산 방울이 신속히 물속으로 가라앉으며 열을 수중으로 분산시키는 반면, 반대로 물을 진한 황산에 흘려넣으면 물이 황산 위에 뜬 채로 끓어서 황산 용액이 밖으로 튀기 쉬워진다. 더불어 급격한 온도 변화 때문에 황산액을 담은 유리 용기에 금이 가거나 깨지는 경우도 종종 발생한다. 때문에 화학 관련 실험에는 열팽창계수가 낮은 실험용 유리를 사용하는 게 일반적이며, 비전공자들이 많이 들어오는 일반화학실험에서는 조교가 미리 묽은 황산 용액을 만들어 놓는 것이 일반적이다. 문제는 전공실험에서도 황산에 물을 넣으면서 비커를 손으로 잡는 위험한 짓거리를 한다는 거지만...

묽은 황산을 보다 안전하게 만들려면 비커가 잠기지 않을 정도의 얼음물을 넣은 대야 안에 비커를 넣고 물을 채운 후 황산을 천천히 흘려주면 된다. 황산으로 인해 열이 발생하더라도 얼음물이 그 열을 잡아주기 때문에 보다 안전한 진행이 가능하다.

그 외에도 합성실험을 하면서 간혹 기술적인 제한사항으로 어쩔 수 없이 황산에다가 물을 넣어야 하는 경우가 있다. 드라이아이스나 -40도 이하로 냉각시킨 이소프로필 알코올(소독용으로 쓰는 그것)에다가 플라스크를 처박고 열이 빨리 분산되도록 빠르게 저어가면서 해야 한다.

4. 활용

황산과 과산화수소를 3:1 ~ 7:1 정도의 비율로 섞은 액체를 '피라냐 용액(Piranha solution)'이라고 부른다. 아주 강력한 산화력을 지니고 있어서[12] 대부분의 유기물질을 날려버릴 수 있으므로, 실험실에서 용기를 세척하거나, SPM 공정이라고 하여 반도체 세척 공정에서 웨이퍼 표면의 PR 등 유기물질을 세척할 때 자주 사용한다. 추가로 물질에 하이드록시기(-OH)를 붙여서 친수성 코팅을 해주기도 한다. 이런 특성도 유용하고 황산과 과산화수소를 섞어 즉석에서 만들어 쓸 수 있는 편리함 덕에 여러 실험실에서 널리 쓰이긴 하지만 황산이 과산화수소에 포함된 물과 반응하면서 아주 뜨거워지는데다 당연히 인체에도 매우 위험하니 주의해서 다뤄야 한다.

몇몇 산화제는 진한 황산과 혼합되면 산화력이 엄청난 버프를 받는다. 위에서 예시로 든 과산화수소도 그렇고 그 외에 주로 혼합되는 친구로 질산과 다이크로뮴산칼륨(중크롬산칼륨)이나 과망가니즈산칼륨 등이 있다. 주의해야 할 것은 어떤 산화제든 황산 안에서 농도가 너무 높아지지 않게 해야 한다는 것. 황산+강산화제 혼합물인 상태에서 산화제가 많으면 폭발 위험성이 있다.

마찬가지로 위의 피라냐 용액도 3:1보다 진하게는 폭발 위험성 때문에 잘 안 만든다. 질산+황산 혼합물[13]은 혼산(混酸, mixed acid)라고 불리는데 결과적으로 초강산이면서 초강산화성이라는 두 가지 극단적 성질을 모두 가진다. 방향족성 화합물의 니트로기를 다는 데 쓰이기도 한다.[14]

과망가니즈산칼륨과 혼합하면 과망가니즈산 분자 2개를 모아서 탈수해서 칠산화망가니즈(Mn2O7)이라는 진한 초록색 액상[15]의 끝판왕급 산화제를 만든다. 얼마나 강하냐면 액체에 종이를 갖다대면 그냥 불이 훡 붙는다.[16] 피라냐 용액보다 더 강하다. 이 성질을 이용해서 서바이벌키트에는 과망가니즈산칼륨이 들어있는 경우가 종종 있다. 과망가니즈산칼륨을 바닥에 붓고 자동차 배터리를 까서 황산을 부은 후 낙엽 한 소쿠리를 모아서 그 위에 부으면 불길이 확 일면서 즉석 모닥불이 생긴다.

농업적으로는 씨앗이 지나치게 단단하거나, 왁스층 때문에 물이 침투하기 어려울 때, 그것을 벗기기 위해 황산으로 처리한다. 예를 들어서 옻나무의 씨앗. 이 때 보통 쓰는 농도는 15%이다.

의료용도로는 황산의 수소(H2)를 바륨으로 치환하여 황산바륨(BaSO4)이라는 소화기관용 투시조영제를 만드는 데 사용한다. 그 외에 약명에 sulfate가 들어가는건 다름아닌 황산염이기 때문이다.

유산지라고 하는, 황산으로 가공 처리한 종이는 뛰어난 발수성으로 인해 식품가공에서 상당히 널리 쓰인다.

5. 위험성

5.1. 테러

염산과 함께 범죄용도로 많이 악용된다. 대구 어린이 황산 테러 사건이 대표적인 예시. 자세한 것은 생화학 테러 참조.

5.2. 사고

공업 쪽에서 작업시 유출 등으로 부상이나 사망 사건이 나기도 하며 일부 안전불감증 걸린 사람들이 황산을 잘못 관리하여 사고가 나기도 한다. 한 사건으로는 황산과 염산을 별도의 안전장치도 없이 지인에게 택배로 보냈다가 택배기사가 상하차시 유리병에서 유출된 황산을 뒤집어쓰고 얼굴과 성대가 타버리는 안타까운 사건도 있었다. #

6. 창작물에서

이 문서에 스포일러가 포함되어 있습니다.

이 문서가 설명하는 작품이나 인물 등에 대한 줄거리, 결말, 반전 요소 등을 직·간접적으로 포함하고 있습니다.


아무래도 황산이 염산 다음으로 유명하고 위력은 염산보다도 더 무서운 물질이다 보니 각종 호러·고어물에 염산 다음으로 많이 등장하는 공포요소이다.

7. 악용 사례

주의. 사건·사고 관련 내용을 설명합니다.

사건 사고 관련 서술 규정을 유의하시기 바랍니다.

약 30% 고농도 염산의 경우, 탄산수소나트륨 등 약알칼리 용액[19]을 과량 이용하여 씻어내면 적어도 목숨은 건질 수 있지만, 진한 황산이면 조치를 취하기도 전에 사망할 수도 있다. 그냥 두면 피부 조직의 수분을 뺏기면서 숯덩이가 되고, 물로 씻으면 강한 발열[20]로 인한 화상 + 강산성 물질이 되어버리므로 매우 위험하다. 이게 범죄에 쓰일 수 있는 이유는 플라스틱이나 유리와 반응하지 않기 때문이다. 즉, 플라스틱병이나 유리병에 황산을 넣어 소지할 수 있다는 얘기다.

8. 기타



[1] 이는 유리를 뜻하는 라틴어 "Vitreus"에서 온 것으로, 황산을 얻는 원광인 각종 황산염 광물이 유리질 광택을 가진 것에 기인한다.[2] 너무 강한 산성이나 염기성을 가진 물질은 pH를 통한 산도의 측정이 곤란하여 산도함수 등의 다른 지표를 사용하게 된다.[3] 반드시 증류수를 사용해야 한다.[4] 실제 한 고등학교 화학 1 시험의 옳은 것 찾는 문항에서, 황산의 2차 이온화가 거의 안 된다 생각하고 '주어진 황산(문제 조건에 의해 계산하면 농도가 0.001 M)의 pH가 3'이란 진술을 옳다고 한 학생들이 있었고 그것을 오답 처리한 교사에게 항의한 사례가 있었다. 그런데 황산의 2차 이온화도는 화학 1 교육과정에서 다루지 않으며(그냥 100% 이온화한다 생각하고 풀면 되고), 2차 이온화의 평형 상수를 고려하면 그 정도의 묽은 농도라면 두 번째 이온화도도 높다. 그래서 평형 상수를 고려하여 계산한 pH는 100% 이온화라 가정한 경우와 소수 둘째 자리에서나 차이가 난다. 즉 교육과정 외 내용을 확실히 공부한 것이 아니라 공부하다 만 것이다.[5] 이는 황 또는 황화광의 배소, SO2의 전화, SO3의 흡수 공정이다.[6] 그렇기 때문에 철제 드럼통에 담아 운반이 가능하다. 그래서 황산을 철도 화물로 운송할때 황산차는 유조차처럼 철로 만들어 운송을 하며, 옆에는 유조차와 달리 '물기주의'라고 쓰여있다. 산업용으로 대량을 저장할 때에도 탄소강 혹은 합금강 재질의 대형 탱크를 사용한다. 다만 습기가 침투하면 탱크를 산화시켜 버리기 때문에 용접도 매우 꼼꼼하게 해야하고, 벤트에는 별도의 제습장치를 달아줘야 한다.[7] 황산의 밀도는 1.84g/cm3이며 같은 부피의 물보다 1.84배정도 무겁다.[8] 화학 교사가 학생들 앞에서 직접 설탕에 진한 황산을 떨어트리는 실험은 학교 내에서 자주 있는 실험이니, 직접 본 사람도 적지 않을 것이다.[9] 요즘은 어지간하면 황산 대신 취급하기 간편하고 안전한 실리카겔 등을 사용한다. 이건 맨손으로 만져도 괜찮고, 다 쓰면 오븐에 넣어 탈수시켜 재활용할 수도 있다.[10] 어느 유튜버의 경우 손에 진한 황산을 들이붓는다. 다만 손의 경우 굳은 살이 아주 두터워 일시적으로는 버틸 수 있다. 문제는 탈수가 시작되면 온도는 급격히 상승하므로 미친 속도로 탈수가 된다. 이때는 정말 돌이킬 수 없을 정도로 화상을 입고 손이 덩이로 변하니 절대로 따라하지 말자. 영상[11] 당초 이런 위험한 약품은 전문가가 아니면 판매도 못하니 대부분의 사람들은 만져보지도 못할 가능성이 크다.[12] 해당 영상, 닭다리 녹이는 영상을 보면 어마어마한 속도로 유기물을 녹이는 것을 볼 수 있다. 3대 강산인 황산, 질산, 염산보다 비교도 안될 정도로 빠르게 녹인다. 녹이는 원리는 영상의 설명과 같이 황산이 탈수 담당, 과산화수소가 탄소 담당을 하므로 공격받은 유기물은 정말 아무것도 남지 않고 다 가스로 증발해버린다.[13] 흔히 왕수(王水)라 불리는 염산질산의 혼합물과는 다르다. 왕수에서는 반응성이 매우 낮은 금조차 산화된다.[14] 황산이 질산을 탈수해서 강산화성인 니트로늄(NO2+) 이온을 만든다. 질산의 농도가 높으면 위험하기 때문에 차악으로서 진한 황산에 진한 질산을 넣는 위험한 과정을 거쳐야 한다. 여기에 유기물을 넣으면 시뻘건 이산화질소가 뿜뿜하면서 순식간에 숯으로 변하는 모습을 볼 수 있다. 톨루엔TNT로 바꿔버린다.[15] 순물질 칠산화망간은 피처럼 붉은 액체지만 진한 황산에 녹아 있으면 압생트처럼 진하고 깊은 초록색을 띈다. 금속산화물 주제에 액체이니 얼마나 상궤를 벗어나 있는 물질인지 알 수 있다.[16] 유기용매가 튀어들어가면 그냥 폭발한다. 불안정한 물질이기 때문에 농도가 높으면 아무것도 없이 지 혼자서도 펑 하고 폭발할 수 있다. 유기화합물은 아세트산이나 이산화탄소 수준으로 무차별적으로 아작을 내버리기 때문에 유용한 반응은 -80°C로 냉각시켜서 반응성을 엄청 너프먹여야 겨우 보인다. 참고로 액체질소 온도(77K)에서 오존(O3)이나 사산화오스뮴(OsO4)와 같이 알켄을 다이올(diol)로 선택적으로 산화시킨다. 상온에서는 그냥 반응물이 뭐건 바로 확 태워버린다.[17] 우선 위험한 황산가스를 찾기 위해 은창을, 채집을 위해서 방독면을 만들어야 했다.[18] 참고로 히메지 미즈키는 애초에 왕수를 만들 생각이 없었다.[19] 수산화나트륨, 수산화칼륨 등의 강염기 물질은 피부조직을 손상시키므로 사용하면 안된다.[20] 탈수 현상이 벌어지면서 고열이 발생한다.[21] 무기징역이 아니라면 징역형 자체의 상한선이 15년이었던 당시 법률 때문에 어쩔 수가 없었다.[22] 빚에 시달려 채권자를 살해한 다음 그 채권자의 부모 및 지인이 찾아올 때 죄다 살해했던 것.[23] 당시 이 인물이 믿고있었던 법리학 용어중 하나인 Corpus Delicti는 범죄의 기초가 되는 실질적인 사실을 의미한다. 이걸 라틴어로 표현하면 사체가 되고 하이는 이것을 사체가 없으면 범인이 아님으로 해석하고 시체들을 녹인 것이다.[24] 정확히는 틀니였다. 영국 전역에서 치과를 찾아가서 틀니를 만든 치과의사를 찾아내 피해자를 찾아내는데 성공했다.[25] 이렇게 잔인한 방법을 쓰는 이유는 이란을 비롯한 이슬람권 국가들은 개를 부정한 동물로 여기기 때문이다.[26] 실제로는 농도 96%의 묽은 황산 외에 중크롬산나트륨이 80kg가량 함께 사용되었는데, 황산의 농도가 너무 진하면 시신보다 통이 먼저 부식된다는 이유로 크롬이 함유된 물질을 넣어서 농도를 낮췄다고 한다.[27] 게다가 두개골은 작게 쪼그라든 상태였다.[28] 다른 황화물도 보통 황색은 아니다.[29] 3965, 3967(철암→온산)열차와, 3966, 3968(온산→석포)열차 이다.

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