염화나트륨

염화나트륨

대표적인 이온 화합물인 염화나트륨의 결정 구조 NaCl. 보라색은 나트륨 양이온, Na⁺를 나타내고 녹색은 염화 음이온, Cl⁺을 나타낸다.

염화나트륨(NaCl)은 염소와 나트륨의 화합물로 식용 소금의 주성분이다. 염화소듐이라고도 한다. 해수의 염류 중 차지하는 비율이 가장 많다. 염화나트륨은 나트륨 이온(Na⁺)과 염화 이온(Cl⁺)이 결합하여 극성 구조를 가지기에 같은 극성 용매인 물에 잘 녹는다. 염화나트륨의 결정 구조는 팔면체를 띠는 각 원자는 6개의 가장 가까운 이웃을 가지고 있는 형태이다. 앙금이 아닌 수용성 염이다.

• 화학식 : NaCl
• 화학식량 : 58.44g
• 녹는점 : 800.4℃
• 끓는점 : 1400℃
• 비중 : 2.16 (20℃)
• 비열용량 : 36.79J/(mol·K)
• 용해도 : 359g/L

엄밀한 의미에서 염화나트륨을 주성분으로 하는 식용 소금과 순수화학약품으로서의 염화나트륨은 구분해야 한다. 사람이 살아가는 데 있어서, 또 화학공업의 원료로서 극히 중요하기 때문에, 옛날부터 다량으로 채취되었다. 천연으로는 바닷물 속에 평균 2.8% 함유되어 있으며, 암염(岩鹽)으로 땅 속에도 존재한다.

암염은 유럽·북아메리카·중국 등에서 산출되는데, 특히 독일의 슈타스푸르트가 유명하며, 한국에서는 아직 발견되지 않고 있다. 공업용으로는 캐낸 것을 그대로 사용하나, 식용으로 쓸 때는 재결정시켜 정제한다. 바닷물에서 채취하는 경우 한국에서는 보통 염전법으로 채취하였으나, 이온교환수지를 사용하는 방법으로 대치하고 있다.

제법

• 암염은 그대로 채굴되어 공업용으로는 사용되나 식용으로는 많은 경우 재결정하여 정제한다.
• 해수로 만드는데는 천일(天日), 풍력, 동결 등에 의해 먼저 농축한 후 진한 용액을 다시 천일 또는 연료에 의해 증발시키고 적당한 농축도로 하여 석출되는 식염을 취한다(⇀ 제염법).

정제법

천연으로 만든 것은 암염에 드물게 순수한 것이 있는 외에는 많은 불순물이 포함되므로 수용액에서 염화바륨, 석회유, 탄산암모늄 등에 의해 Mg²⁺, Ca²⁺, 등을 침전시킨 후 거른액에 염화수소 가스를 통하여 염화나트륨을 결정시켜서 정제한다. 이렇게 해도 염화칼륨 등이 약간 남기 때문에 특히 순수한 것은 백금 도가니 속에서 용융하여 분별 결정에 의해 정제하는 것도 행하여지고 있다.

구조

결정은 암염형 구조. 격자 상수 a 5.640Å, 결합 간격 Na-Cl 2.820Å. 녹는점 이상에서는 휘발성이 높고 기체 분자에서는 중합되지 않고 결합 간격 Na-Cl 2.51±0.03Å으로 된다.

성질

보통의 무수염의 결정은 무색 등축 결정계 육면체이며 적외선을 잘 투과한다. 천연산의 암염에는 가끔 청색의 것도 있는데 이것은 염류 중에 존재하는 극히 미량의 방사성 물질에 의해 장기간의 지질 연대 중에 NaCl의 결정 격자가 파괴되어 착색 중심으로 되어 있기 때문이라고 생각된다. 녹는점 800.4℃, 끓는점 1413℃, 2.164, n 1.5443. 포화 용액에 에탄올을 주입하고 급속히 결정시켰을 때에 결정 발광이 보인다. 순수한 것에는 조해성은 없으나 정제하지 않은 것은 마그네슘, 칼슘의 염류를 함유하기 때문에 조해성을 나타낸다. 용해도 물 0℃, 35.7g/100g ; 100℃, 39.8g/100g. 에탄올에 잘 녹지 않는다. 글리세롤에 녹는다. 진한 염산에 녹지 않는다. 포화 용액은 0℃ 이하에서 무색 단사 결정계의 2수화염 NaClㆍ2H₂O를 생성하고 －21.3℃에서 함빙정(含氷晶)을 만든다. 이것을 이용하여 한제(寒劑)를 만드는 것은 예로부터 잘 알려져 있다.

용도

• 염소, 염산, 나트륨 및 수산화나트륨, 황산나트륨, 탄산나트륨 등의 나트륨염의 제조 원료로서 매우 중요(⇀ 해염 공업).
• 단독으로 조미료로서, 또 된장, 간장의 원료로서, 식품의 저장용으로 중요
• 도자기의 유약
• 비누 등의 염석(鹽析) 등. 실제로 매우 용도가 광범위하고 또 실험실에서는
• 얼음과 함께 한제로서
• 큰 단결정은 적외선(파장 1~16μ)을 투과시키므로 적외선 분광기의 프리즘에 사용된다.
• 의약품, 6국 기재. 생리 식염액, 링거액(6국)의 조제에 사용한다.

배터리

염화나트륨을 2차전지 전극으로 활용하는 기술이 개발되었다. 한국과학기술연구원(KIST)은 정경윤 에너지저장연구단 박사팀이 염화나트륨을 기반으로 하는 나트륨이온 이차전지용 전극 재료를 개발하고, 이는 267mAh/g 수준의 초기 방전 용량을 보이는 것을 확인했다. 전기화학적인 에너지저장 기술인 2차전지(배터리)는 소형 전자기기·전기자동차·대규모 전력저장 등 다양한 용도로 사용된다. 기존 리튬이온 2차전지는 성능이 우수하지만 최근 경제성 문제 탓에 대체 2차전지 기술이 개발되고 있다. 나트륨이온 배터리는 흔한 소금에서 쉽게 구할 수 있어 주목 받고 있다. 하지만 소금은 나트륨이온이 이동하기 어려운 구조라 아직까지는 2차전지의 소재로 사용되지 못했다. 나트륨이온 2차전지의 개발을 위해서는 배터리 내에서 실제 전기화학 반응에 참여하는 양극(+)과 음극(-) 소재의 개발이 중요한 실정이었다.

연구진은 염화나트륨의 전기화학적 활성화 공정을 활용했다. 염화나트륨의 나트륨이온에 빈자리를 유도한 후 상전이를 유도하고 이 과정에서 나트륨이온이 화합물에 삽입됐다. 이어지는 방전 과정에서 나트륨이온이 염화나트륨 구조로 다시 이동해 전기화학적으로 활성이 효과적으로 나트륨이온을 수용하고 나트륨이 풍부한 화합물을 형성할 수 있었다. 이렇게 형성된 활성 염화나트륨 초기 방전 용량은 267mAh/g에 달했다.

참고자료

• 〈염화 나트륨〉, 《위키백과》
• 〈염화나트륨〉, 《두산백과》
• 〈염화나트륨〉, 《화학대사전》
• * 최소망 기자, 〈염화나트륨을 이차전지 전극으로 활용…"'소금→배터리' 가능성 높여"〉, 《뉴스원》, 2019-08-06

같이 보기

• 염
• 소금
• 나트륨이온 배터리

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