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탄산칼슘
탄산칼슘(Calcium carbonate)은 탄산이온과 칼슘이온이 만나 생성되는 흰색 물질로 탄산석회라고도 하며, 물에 잘 녹지 않아 수용액 상에서 침전한다. 석회암 동굴의 종유석이나 석순, 석주 등을 이루는 물질이며, 흑칠판에 쓰는 분필의 성분이기도 하다. 지구 상에 존재하는 대부분의 이산화탄소(CO₂)는 탄산칼슘의 형태로 존재한다. 공기와 차단한 상태에서 탄산 칼슘을 섭씨 900도 이상의 고온에서 가열하면 이산화탄소가 빠져 나가면서 산화 칼슘(CaO)이 생성된다. 산에는 쉽게 반응하여 이산화탄소를 발생하며 녹는다.
상세[편집]
칼슘의 탄산염이다. 화학식은 CaCO₃이며 상온에서 흰색의 고체이다.
산을 만나면 이산화탄소를 내놓으면서 반응한다든가, 열을 가하면 이산화탄소를 내놓으면서 산화물로 분해되는 점 등 일반적인 탄산염의 특성을 갖고 있다.
탄산칼슘은 매우 흔하게 볼 수 있는 성분이다. 각종 암석에 흔하게 들어 있고, 생명체에서도 흔히 볼 수 있다. 방해석이나 아라고나이트(선석, 霰石)는 순수한 탄산칼슘으로 이루어졌고, 석회석, 백악, 대리석 등에도 탄산칼슘이 많다.
이처럼 흔한 물질인데다 화학식량이 딱 100이라서 화학 문제에 자주 등장한다.
탄산칼슘은 이산화탄소가 녹아 있는 물과 반응하여 탄산수소칼슘이 된다. 물에 이산화탄소가 녹으면 탄산이 생성되고 이 탄산이 칼슘과 반응하기 때문이다. 자연에서 이런 반응이 흔히 일어나는데, 이것은 지형 생성에 중요한 역할을 한다. 탄산염이 많은 암석이 녹아 석회암 동굴 등의 침식 지형이 생성되기 때문이다. 즉, 카르스트 지형의 원인. 또한 탄산 칼슘이 녹은 물이 지열(地熱) 등에 의해 분해되면 다시 탄산칼슘이 침전되어 특이한 지형지물이 생성된다. 석회동굴 안의 종유석이나 석순 등이 이러한 침전으로 생성된 것이다.
탄산 칼슘은 생명체에서도 흔히 찾아볼 수 있다. 계란 껍데기나 조개, 소라, 달팽이 등의 껍데기가 탄산 칼슘으로 되어 있다. 굴의 껍데기는 사람이 먹는 칼슘 보충제로서 사용된다. 오스칼(Oyster + Calcium) 이라는 상표로 팔리는 것이 바로 굴에서 얻은 칼슘제. 보석의 하나인 진주 또한 탄산 칼슘으로 되어 있다. 의외로 식물에도 탄산 칼슘이 들어 있으며 브로콜리나 케일에 상당량이 포함되어 있다.
자연에 흔히 있는 성분이다 보니 합성이나 뭐 이런 것 없이 대부분 땅에서 직접 캐내서 생산한다. 조개껍데기나 굴 껍데기로부터 생산하기도 한다.
우유의 칼슘 이온과 탄산이 합쳐져서 탄산칼슘 앙금을 생성한다. 식감이 나쁠 뿐만 아니라 탄산칼슘은 체내 흡수력이 매우 낮아서 결과적으로 칼슘 섭취를 방해하게 된다. 밀키스, 암바사 등의 우유를 이용한 탄산음료들은 이 탄산칼슘 앙금을 사전에 처리해서 만든다.
화학 반응[편집]
탄산칼슘은 대부분의 탄산염과 비슷한 성질을 가진다. 몇 가지 대표적인 성질은 다음과 같다.
- 산과 반응하여 이산화탄소를 형성한다.
CaCO₃(s) + 2H + (aq) → Ca² + (aq) + CO₂(g) + H₂O(l)
- 열분해되어 이산화탄소를 발생한다. 매우 고온(840 °C 이상) 조건에서 소성(燒成: calcination)되어 산화칼슘(CaO)을 형성한다.
CaCO₃(s)→ CaO(s) + CO₂(g)
- 탄산칼슘은 이산화 탄소가 포화된 물과 빠르게 반응하여 탄산수소 칼슘(Ca(HCO₃)₂)을 형성한다.
CaCO₃(s) + CO₂(g) +H₂O(l) → (Ca(HCO₃)₂(aq)
이 반응은 고드름 모양을 가지는 종유석 형성에 관련된 화학 반응이다.
제법[편집]
탄산 칼슘은 주로 암석으로부터 추출하여 얻지만 화학 반응으로도 제조할 수 있다. 산화 칼슘과 물을 반응시키면 수산화 칼슘[Ca(OH)₂]을 형성하는데 이를 이산화탄소와 반응시키면 탄산칼슘을 얻을 수 있다.
CaO(s) + H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq)
Ca(OH)₂(aq) + CO₂(g) → CaCO₃u(s) + H₂O(l)
구조[편집]
열역학적으로 안정한 탄산칼슘의 결정 구조는 칼사이트(calcite)이다. 이외에 다른 결정 구조가 존재하는데, 대표적으로 아라고나이트(aragonite)나 배터라이트(vaterite)가 있다. 칼사이트 결정 구조에서는 한 개의 칼슘 원자가 여섯 개의 산소 원자와 배위 결합을 형성한다.
아라고나이트의 경우 한 개의 칼슘 원자가 아홉 개의 산소 원자와 배위 결합을 형성하며, 배터라이트의 경우는 현재 연구 중에 있다. 탄산 마그네슘(MgCO₃)은 칼사이트와 동일한 결정 구조에서 칼슘이 마그네슘으로 치환된 구조를 가지고, 탄산 스트론튬(SrCO₃)과 탄산 바륨(BaCO₃)에서는 아라고나이트 결정구조를 가지게 되는데, 이는 스트론튬과 바륨의 비교적 큰 이온 반지름 때문이다.
용도[편집]
탄산칼슘은 값도 싸고 무게도 가벼워서 이런 저런 용도로 널리 쓰인다.
- 건축재료로 많이 사용된다. 도로를 까는 데 쓰이는 아스팔트에 충전재로서 추가된다. 미세한 가루로 만든 탄산칼슘은 콘크리트의 충전재로 들어간다. 예전에는 탄산칼슘이 많은 석회암을 이용해서 석상 등을 만들기도 했지만, 요즘은 산성비 때문에 석회암을 건축 재료로 직접적으로 사용하지는 않는다. 산성비에 포함된 산이 탄산칼슘을 녹이기 때문이다.
- 용광로에서 철을 정련할 때 사용된다. 탄산칼슘에서 나온 칼슘 산화물이 철광석의 각종 불순물과 결합해서 찌꺼기로 떨어져 나가기 때문이다. 즉, 불순물을 제거하는 역할을 해주는 것.
- 탈황 처리, 불소 제거에 사용된다.
- 유리 제조에 사용되어 점도를 조절한다.
- 타일용 접착제의 주성분이다. 마감용 실런트에도 들어간다.
- 각종 제품에서 충전재로 사용된다. 제지 공정에서 종이에 첨가된다. 최대 20%를 차지하기도 한다. 페인트나 플라스틱류에도 충전재로 첨가된다.
- 농업용 석회의 주 성분이다. 비료용은 아니고, 땅이 산성화한 것을 중화시키는 용도의 토양 개선제로 사용된다.
- 분필의 주재료로도 사용된다. 대표적으로는 문교 탄산칼슘 분필.
탄산칼슘은 의약품이나 식품첨가물로도 사용된다.
- 칼슘 보충제로 사용되기도 하고 칼슘 강화를 위해 식품에 첨가되기도 한다. 두유 등에 첨가되는 칼슘 성분이 바로 이것이다. 다만 체내 흡수율이 5%라는 이야기가 있을 정도로 너무 낮으며, 칼슘도 너무 많이 먹으면 몸에 해롭다. 신장 손상이나 알칼리혈증, 요로결석 등을 일으킬 수 있기 때문. 실제로 석회암 지형이 많아서 칼슘염이 많이 함유된 석회수가 대부분이었던 유럽에서는 옛날부터 문제가 되었다.
- 제산제로 사용된다. 미국에서 유명한 제산제 TUMS의 주 성분이 바로 탄산칼슘이다.
- 알약의 부피를 늘리기 위한 충전재로서 추가되기도 한다. 약이 너무 작으면 집거나 쪼개는 등의 취급이 힘들기 때문이다.
그밖에 치약에 첨가되어 연마제 역할을 하거나 기저귀에 미세한 분말 형태로 추가되어 흡수재로 쓰이기도 하며 애완돌에게 뿔을 만들어 줄 때도 사용한다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
