염소 (원소)

앰플 염소 가스

자연계에 널리 분포하는 염소. 소금은 염소(Cl)과 소듐(Na)의 화합물이다.

염소의 준위별 전자 수

염소(chlorine, 鹽素)는 할로젠에 속하는 화학 원소이다. 원소 기호는 Cl(씨엘)이고 원자 번호는 17번이다. 염화 이온(Cl⁻)은 소금의 주요 성분으로, 자연계에 널리 분포하며, 특히 생명에게 필수적이다. 염소는 표준 상태에서 이원자 분자 형태로 존재하는 황록색 기체로 불쾌한 냄새가 있고 공기보다 2.5배 무겁다. 전자친화도는 원소 중 가장 높고, 전기음성도는 네 번째로 높다. 또, 두번째로 풍부한 할로젠 원소이며, 지각에서 21번째로 많이 존재한다. 염소 기체는 생물에게 매우 유독하고 위험하다. 제1차 세계대전에서는 최초의 기체 화학 무기로 사용되기도 했다. 염소 용액은 산화제, 표백제, 살균제 등으로 쓰인다. 자외선 존재하에 수소와 반응하여 염화수소를 생성하며, 앙금 생성 반응을 통해 산출되는 염화은(AgCl)은 흰색 앙금이다.

개요

염소의 원소 기호는 Cl이며 원자 번호 17의 화학 원소이다. 중성 상태의 염소는 17개의 양성자와 17개의 전자를 가지고 있으며, 바닥 상태의 전자 배치는 [Ne]3s²3p⁵ 이다. 주기율표 17족의 두 번째인 비금속, 할로젠 원소로써, 주기율표에서 플루오린과 브로민 사이에 위치한다. 염소는 실온에서 황록색 가스이며, 반응성이 매우 큰 강력한 산화제이다. 원소 중 가장 높은 전자 친화도와 세 번째로 높은 전기음성도를 가지고 있다. 가장 일반적인 화합물인 염소와 염화 소듐(흔히 말하는 소금)은 고대로부터 알려져왔다. 약 1630년에 염소 가스가 화학 반응을 통해 처음으로 합성되었지만 근본적으로 중요한 물질로 인식되지는 않았다. 칼 빌헬름 쉘레(Carl Wilhelm Scheele)는 1774년에 새로운 원소의 산화물이라고 가정하고 염소 기체를 설명하였다. 하지만 1809년 화학자들이 이 기체가 순수한 원소일 가능성을 제안하였고, 1810년 험프리 데이비(Humphry Davy) 경에 의해 이것이 사실임이 확인되었다. 그는 이 기체가 옅은 녹색을 띠는 성질에 기반하여 옅은 녹색을 의미하는 고대 그리스어로부터 khlôros로 명명하였다.

염소는 지각에서 두 번째로 풍부한 할로젠 원소이며, 스물 한 번째로 풍부한 화학 원소이지만, 매우 큰 반응성 때문에 지각의 모든 염소는 식염을 포함하여 이온성 염화 화합물로 존재하며, 대부분의 염화물은 바다에 용해되어 있고 실제 지각의 침전물은 매우 적은 양이다. 상업적으로 염소는 소금물의 전기 분해에 의해 생산된다. 염소의 높은 산화력은 상업용 표백제 및 소독제의 개발을 가능하게 하였고 화학 산업의 공정을 위한 시약으로 사용된다. 염소는 다양한 소비재의 제조에 사용되며, 폴리염화비닐과 같은 유기 화합물의 약 2/3 및 플라스틱이나 염소를 포함하지 않은 최종 제품의 중간체에 사용된다. 염소는 일반적인 소독제로써, 청결과 위생을 유지하기 위하여 원소 염소 및 염소 생성 화합물은 수영장에 직접적으로 사용된다. 고농도의 염소는 모든 생물체에 극도로 위험하고 유독하며, 제1차 세계 대전에서 최초의 가스 화학 무기로 사용되었다.

역사

이온 형태의 염소(염소 음이온)는 모든 알려진 종의 생활에 필수적이지만, 다른 유형의 염소 화합물은 살아있는 유기체에게는 드물며 인위적으로 생성된 염소를 포함하는 유기물은 불활성에서 독성까지 다양한 성질을 띤다. 가장 흔한 형태의 염소 화합물인 염화 소듐은 고대로부터 알려져 왔다. 고고학자들은 암염이 기원전 3000년 전부터, 소금물이 기원전 6000년 전부터 사용되었다는 증거를 발견하였다. 왕수의 발견과 염소가 금을 녹이는 성질을 발견한 약 1200년에 처음으로 염소가 분리되었을 것으로 추정된다. 왜냐하면 왕수와 금을 녹이는 반응의 부산물이 염소 가스이기 때문이다. 하지만 발생된 염소 기체가 새로운 물질로 인지되지는 않았다.

약 1630년에 플랑드르 화학자이자 의사인 헬몬트(Jan Baptist van Helmont)에 의해 염소는 가스로 인지되었다. 염소는 스웨덴 화학자 쉘레에 의해 1774년 처음으로 상세히 연구되었으며, 그는 염소의 발견을 기록으로 남겼다. 쉘레는 무기질 이산화 망간광 형태의 MnO₂와 HCl을 반응시켜 염소를 생성하였다.

MnO₂ + 4HCl → MnCl₂ +2H₂O + Cl₂

쉘레는 리트머스 종이의 표백 효과, 곤충에 대한 치명적인 영향, 황록색, 왕수와 비슷한 냄새 등의 다양한 염소의 성질을 발견하였다. 그는 이것을 가스 형태와 염산으로부터 온다는 사실에 근거하여 탈 플로지스톤의 염산 가스라고 불렀다. 하지만, 그는 염소를 원소로써 인지하지는 못하였다. 1809년에 게이-뤼삭(Joseph Louis Gay-Lussac)과 테나르드(Louis-Jacques Thénard)는 탈 플로지스톤의 염산 가스를 반응시켜 자유 원소 염산과 이산화 탄소를 방출함으로써 분해하고자 하였다. 그들은 성공하지 못하였으며 탈 플로지스톤의 염산 가스가 원소일 가능성을 고려한 보고서를 발표하였으나 확신은 없었다. 1810년에 험프리 데이비(Humphry Davy) 경은 같은 실험을 시도하였고 앞선 물질이 화합물이 아닌 원소라고 결론을 발표하였다. 그 당시 그는 황록색을 의미하는 그리스어 χλωρος (chlōros)에서 새로운 원소를 ‘염소’라고 명명하였다. 1826년에 마이클 패러데이(Michael Faraday)가 처음으로 염소를 액화하였으며 고체 염소로 알려진 화합물은 실제로 염소 수화물 (Cl₂•H₂O)의 구조를 하고 있음을 증명하였다.

염소 가스는 프랑스 화학자 클라우드 베르톨레(Claude Berthollet)에 의해 1785년 섬유를 표백하는데 처음 사용되었다. 현대 표백제는 베르톨레의 추가 작업에 의해 생성되었는데, 그는 염소 가스를 탄산 소듐 용액에 통과시킴으로써 차아염소산 소듐을 처음으로 생산하였다. 오 드 자벨(Eau de Javel)로 알려진 이 액체는 차아염소산 소듐 묽은 용액이다. 이 과정은 효과적이지 않았으며 그에 대한 대안책이 발명되었다. 스코틀랜드의 화학자이자 사업가인 찰스 테넌트(Charles Tennant)는 차아염소산 칼슘 용액과 탄산염 차아염소산염 고체(표백제)를 처음 발명하였다. 이 화합물은 낮은 수준의 염소를 생산하고 차아염소산 소듐보다 효율적으로 운송이 가능하였다. 차아염소산은 물을 제거하는 과정에서 위험하며 불안정한 산화제가 되기 때문에 묽은 용액 상태를 유지해야 한다. 19세기 말, 스미스(E. S. Smith)는 소금물의 전기 분해를 통해 수산화 소듐과 염소 가스를 생성한 후 그들을 섞어 차아염소산 소듐을 생산하는 방법으로 특허를 취득했다. 이것은 1892년에 산업적 규모로 처음 도입된 염화 알칼리 공정으로 알려져 있으며 현재는 가장 기본적인 염소 및 수산화 소듐의 공급원이다. 1884년 독일의 그리사임(Chemischen Fabrik Griesheim)은 1888년에 상업 생산에 들어간 또 다른 염화 알칼리 공정을 개발하였다. 염기성 물에 용해된 염소 용액은 질병의 세균 이론이 확립되기 훨씬 전인 1820년대에 프랑스의 부영양화 방지제 및 소독제로 처음 사용되었다. 염소는 국소적 항균제(상처 세척제 등)와 공중 위생, 특히 수영과 식수에서 소독제로 꾸준히 사용되고 있다.

특징

물리적 특성

표준 상태에서 염소는 두 개의 원자가 결합하여 염소 분자를 형성한다. 두 원자 사이의 결합력은 약 242.580kJ/mol 정도로 비교적 약한 편이라서 반응성이 큰 편이다. 1기압에서의 끓는점은 -34.0℃이나 실온에서 740kPa 이상의 압력을 가하면 액화할 수 있다.

화학적 특성

염소는 플루오린, 브로민, 아이오딘, 아스타틴과 함께 주기율표의 할로겐족을 이루며, 헬륨과 네온을 제외한 거의 모든 원소와 반응하여 화합물을 만든다. 염소는 -1에서 +7까지의 모든 홀수 산화수를 가질 수 있으며, 종류에 따라 0,+4,+6의 산화수를 가질 수도 있다.

존재

지구상에 존재하는 염소는 대개 염과 결합한 화합물의 형태로 존재한다. 주로 암염, 카널라이트 등의 형태로 발견된다. 또한, 바닷물에 많은 양의 염화 이온이 녹아있다. 해수 전체 질량의 약 1.9%는 염화 이온이다. 현재까지 약 2000가지의 염소 화합물이 알려져 있다.

동위 원소

염소의 동위원소 중 가장 안정한 두 가지 동위원소는 ³⁵Cl(75.77%)와 ³⁷Cl(24.23%)이다. 두 종류의 동위원소의 존재 비율을 고려한 염소의 평균 원자량은 35.4527이다. 모든 원자는 수소 원자량의 정수배라는 주장을 한 프로스트의 법칙과 방사성 동위원소라는 개념이 알려지지 않았던 초기 화학의 부족함 때문에 이렇게 정수로 나오지 않는 염소의 원자량은 당시의 화학자들에게 큰 혼란을 일으켰다.

이외에 자연에는 미량의 ³⁶Cl이 존재하는데, 그 존재비율은 안정한 방사성 동위원소 7×1013 개에 1개 정도이다. ³⁶Cl은 대기 중에서 36Ar이 우주선(cosmic ray)과 상호작용하여 붕괴되면서 생성된다. 지하에서는 ³⁵Cl의 중성자 포획이나 40Ca의 뮤온 포획의 결과물로써 생성된다. ³⁶Cl은 반감기가 약 30만 8000년 정도로, ³⁶S과 ³⁶Ar으로 붕괴한다. 방사능 연대 측정에 적용하면 약 6만 년에서 100만 년 전까지의 연대를 측정할 수 있다. 인공적으로는 1952년과 1958년 대기권에서 행해진 핵실험으로 인해 발생된 방사선이 해수에 포함된 염소를 ³⁶Cl로 변화시켜 상당량의 ³⁶Cl이 생성되기도 했다. 이들이 대기에 머무른 기간은 약 1주일 정도였다. 이외에도 물속에서는 약 50년 정도의 연대를 측정할 수 있으며, 빙하와 빙퇴석에 관련된 지질학 연구에도 유용하게 사용된다.

용도

염소 기체는 1915년 4월 22일 2차 이프르 전투에서 독일군이 처음으로 화학 무기로 사용되었다. 염소는 폐 속 수분과 반응하여 염산을 생성하는데 이는 생명에 치명적일 수 있다. 이러한 염소 기체에 의한 피해는 활성탄이나 다른 흡착 물질이 들어간 방독면을 통해 어느 정도 막을 수 있으나, 당시에는 이러한 방독면이 잘 보급되지 않아 연합국 군인들이 큰 피해를 입었다. 나중에 암모니아를 인공적으로 합성하는 방법을 개발한 공로로 노벨 화학상을 수상하는 프리츠 하버(Fritz Haber)가 이를 개발했는데, 그의 아내가 이를 말리다가 결국 자살했다.

• 상하수도 살균제로 사용된다.
• 아이스크림, 냉장식품, 냉동식품 살균제로 사용된다.
• 화학공업에 사용된다.
• 락스 제조에 사용된다.
• 폭발물, 수류탄, 연막탄, 섬광탄 제조에 사용된다.

독성

염소가스가 신체에 닿을 경우 염산으로 변해 심각한 화상을 입을 수 있으며, 공기보다 무거워 10PPM~20PPM만 흡입하면 몸속 장기들이 찢어지거나 녹아내리게 할 수 있는 유독물질이다.

참고자료

• 〈염소 (원소)〉, 《위키백과》
• 〈염소〉, 《화학백과》

같이 보기

• 염화나트륨
• 염산

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