가장 중요한 화학합성물: 탄산 칼슘

탄산 칼슘은 자연적으로 발생하는 화합물로, 유기체와 지각에 널리 존재합니다. 석영 다음으로, 탄산 칼슘의 주요 형태인 방해석은 지각에서 두 번째로 흔한 광물입니다. 지질학적으로 탄산 칼슘은 방해석, 아라고나이트, 바테라이트와 같은 다양한 광물 형태로 나타납니다. 방해석이 가장 널리 퍼져 있는 반면, 바테라이트는 드물게 발견됩니다. 이러한 다양한 광물 형태는 형성 시의 온도와 압력과 같은 조건에 따라 결정 구조가 형성되면서 나타납니다.

탄산 칼슘 광물의 결정 구조는 중심에 칼슘이 있고 각 꼭짓점에 탄산 그룹이 있는 삼각형 모양을 닮았습니다. 방해석에서는 탄산 그룹이 하나의 평면에 정렬되지만, 아라고나이트에서는 두 개의 평면에 배치되어 더 조밀하게 배열되며 밀도가 높습니다. 방해석의 밀도는 약 2.7 g/cm3인 반면, 아라고나이트의 밀도는 약 2.9 g/cm3입니다. 탄산 칼슘은 다양한 암석에서 흔히 발견되며, 특히 백악, 석회석, 대리석과 밀접한 관련이 있습니다. 대리석은 변성된 석회석입니다.

많은 해양 생물들은 바닷물에서 탄산 칼슘을 추출하고 합성하여 골격 구조를 형성합니다. 연체동물, 해면동물, 유공충, 코콜리스포어, 산호 조류, 산호들은 용해된 칼슘과 이산화탄소를 사용하여 탄산 칼슘을 생성합니다. 예를 들어, 산호는 칼슘과 중탄산염의 반응을 통해 아라고나이트 골격을 분비합니다. 굴은 진주 형성 시 탄산 칼슘을 분비하여 껍질 내부의 이물질을 감싸줍니다. 수백만 년에 걸쳐 해양 생물의 잔해로부터 퇴적된 백악과 석회암이 쌓입니다.

인간은 탄산 칼슘을 주로 골다공증을 예방하기 위한 칼슘의 주요 공급원으로 이용합니다.

전 세계적으로 널리 분포된 석회암 매장량은 고대부터 탄산 칼슘을 중요한 건축 자재로 만들었습니다. 약 5,000년 전, 석회암은 이집트 피라미드와 스핑크스를 건설하는 데 주요 자재로 사용되었습니다. 현재 석회암은 여전히 중요한 건축 자원으로, 미국에서는 2005년에 도로, 댐, 채움재, 건물 등 다양한 건설 용도로 약 10억 톤의 부서진 석회암을 사용했습니다.

건설 외에도 탄산 칼슘은 다양한 산업 공정에서 중요한 역할을 합니다. 일반적으로 사용되는 형태로는 연삭 탄산 칼슘(GCC)과 침전 탄산 칼슘(PCC)이 있습니다. GCC는 석회암을 분쇄하여 미크론 단위로 만든 것이며, PCC는 특정 공정을 거쳐 원하는 형태(방해석 또는 아라고나이트), 크기 및 특성을 얻기 위해 탄산 칼슘을 가공한 것입니다.

PCC의 제조는 석회암을 소성하여 산화칼슘(석회, CaO)을 600°C에서 900°C의 온도로 생성하는 것에서 시작됩니다: CaCO3(s)→CaO(s)+CO2(g). 그 후, 산화칼슘을 수화하여 수산화칼슘을 만듭니다: CaO(s)+H2O(l)→Ca(OH)2(aq). 이 수산화칼슘은 석회암 소성 중 생성된 이산화탄소와 결합하여 탄산 칼슘과 물의 현탁액을 형성합니다: Ca(OH)2(aq)+CO2(g)→CaCO3(s)+H2O(l). 최종 단계에서는 탄산 칼슘을 여과 등의 방법으로 분리하여 침전 탄산 칼슘을 얻습니다. 다양한 온도와 석회암 원료를 사용하여 생산 공정을 조절함으로써 다양한 구조, 크기 및 특성을 가진 여러 형태의 탄산 칼슘을 다양한 용도에 맞게 생산할 수 있습니다.

탄산 칼슘은 제지 산업에서 충전제 및 코팅 안료로 널리 사용되어 종이의 백색도를 높입니다. 제지 공장에는 종종 PCC 생산을 위한 전용 시설이 포함됩니다. 제지 외에도, 탄산 칼슘의 두 번째로 널리 사용되는 산업적 용도는 플라스틱 제조입니다. 특히 폴리염화비닐(PVC), 열가소성 폴리에스터, 폴리올레핀 생산에 많이 사용됩니다. 또한 페인트, 코팅제, 입자 크기 분포 조절, 불투명도 조절, 내후성, pH 조절, 방부제 등으로도 사용됩니다.

농업에서는 탄산 칼슘이 산성 토양을 완충하는 데 사용됩니다. 탄산 칼슘이 토양의 황산과 반응하면 황산 칼슘(CaSO4), 이산화탄소, 물을 생성합니다: H2SO4(aq)+CaCO3(s)→CaSO4(s)+CO2(g)+H2O(l). 다양한 석회에 의한 토양 중화 능력은 탄산 칼슘 등가물로 정량화됩니다.

또한, 탄산 칼슘은 환경 응용에서도 중요한 역할을 합니다. 산성 강우가 수역에 미치는 영향을 완화하고, 공기 오염원에서 황 배출을 줄이기 위한 스크러버에서 가스 탈황에 사용됩니다. 널리 사용되는 습식 스크러빙 방법에서, 탄산 칼슘은 이산화황과 반응하여 황산칼슘(CaSO3)을 형성하며, 이는 추가 산화되어 석고(칼슘 황산염)를 생성할 수 있습니다.

Richard L. Myers (2009). The 100 Most Important Chemical Compounds: A Reference Guide. Greenwood Publishing Group. October 1, 2009. https://doi.org/10.1021/ed086p1182