글로벌 세계 대백과사전/기술·통신/재료기술/유기재료기술/석탄과 석탄화학공업

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석탄의 종류[편집]

( 石炭-種類 )   고대의 식물이 땅 속에 매몰되어 산소 공급이 불충분한 상태로 오랜 세월 동안에 지열(地熱)·지압(地壓) 등에 따라 차차 분해·변질되어 생성된 것이 석탄이다. 석탄은 당초의 식물의 종류, 탄화의 정도, 불순물의 다소에 따라 여러 종류가 있다. 탄화의 정도에 따라 탄화가 덜 된 것부터 이탄(泥炭)과 아탄(亞炭)·갈탄(褐炭)·역청탄(瀝靑炭)·무연탄으로 분류한다. 그 조성(組成)이라든지 물리적 및 화학적 성질은 각양각색인데, 보통 석탄이라고 할 경우에는 역청탄을 가리키는 일이 많다. 석탄의 조성은 〔표〕-1과 같으며, 그 밖에도 회분과 수분이 조금씩 있다.

 


〔표〕-1  석탄의 원소조성과 발열량


 


C


H


O


N


S


발열량

kcal/㎏


용  도


목  재

목  탄

석  유

이  탄

갈  탄

역청탄

 

무연탄

 


50

90∼95

83∼86

30∼45

43∼63

65∼79

 

79∼91

 


6

1∼2

11∼13

4∼6

4∼5

4∼6

 

2.5∼3

 


44

3∼6

3

15∼23

9∼13

7∼9

 

0.9∼2.3

 


 

 

1∼3

0.5∼2

0.5∼0.7

1∼2

 

1∼2

 


 

 

 

0.5∼1.3

0.3∼4.0

0.3∼4.5


3500∼4000

6500∼7500

10000∼11000

4000∼5000

5000∼6000

6000∼7000

 

7000∼8000


 

연  료

 

연  료

연  료

건류·발생

 로용연료

야금코크스·탄소전극용



 

석탄의 역사[편집]

石炭-歷史

석탄의 산지는 세계 각지에 분포되어 있어, 석유처럼 편재(偏在)되어 있지는 않다. 외국에서는 주로 고생대 석탄기(石炭紀)부터 중생대에 이르는 각 지층 속에 포함되어 있다. 석탄은 2000년도 넘는 옛날 그리스·이탈리아·중국 등에서 쓰여지고 있었는데, 오늘날처럼 탄갱에서 대대적으로 파내게 된 것은 19세기 이후의 일이다. 석탄의 매장량은 석유에 비하여 매우 많다.

석탄의 이용[편집]

石炭-利用

석탄은 탄소함유량이 대단히 많은 물질이다. 그 구조는 석유가 탄화수소의 혼합물인 데 반해 벤젠고리(benzene 環)를 위주로 방향족(芳香族) 화합물이 몇 개씩 서로 메틸렌 결합이나 에테르 결합으로 연결된 복잡한 고분자의 혼합체이다. 그 최대의 용도(用途)는 화력발전이나 각종 보일러·난방용 등의 연료로 이용되고 있다. 그리고 강점결성(强點結性)의 무연탄으로써 코크스를 만들어 철의 정련에 사용하거나 탄소전극의 재료로서도 중요하다. 게다가 건류(乾溜) 공정을 통한 석탄가스·콜타르는 여러 가지 화학제품을 만들게 된다.

석탄의 건류[편집]

石炭-乾溜

석탄은 산소를 차단한 채 1,000∼1,300℃의 고온으로 가열하면 열분해되어 석탄가스·가스경유(輕油)·가스액·콜타르 등을 만들어 내고 나머지는 코크스가 된다. 이와 같이 고체로 된 유기물을 산소가 없는 상태에서 열분해하여 휘발분과 불휘발분으로 나누는 것을 건류(高溫乾溜)라고 한다.

석탄의 건류는 1792년에 영국의 머독(1754∼1839)이 철로 된 레토르트를 사용하여 비로소 성공한 것인데, 초기에는 석탄에서 등화용 가스와 코크스를 제조할 목적으로 시작되었다. 그 뒤에 코크스로(爐)가 개량되어 콜타르 등의 부산물을 회수하게 되고 석탄가스도 등화용으로부터 도시의 연료용으로 이용되게 되었다. 오늘날에는 제철공장에서 주로 제철용 코크스를 만들기 위하여, 또 도시가스 고장이나 화학공장에서 석탄가스·콜타르를 제조하기 위하여 석탄을 고온건류하고 있다.

석탄은 건류에 의해 열분해를 받아 특히 가지(枝)부분과 가교(架橋)부분이 분해되어 메탄이나 일산화탄소가 된다. 또 성분의 일부는 탈수소(脫水素)·환화(環化)·축합(縮合) 등을 일으켜서 열적으로 안정된 방향족 화합물이 된다. 물론 열적으로 안정된 석탄의 구조(構造) 부분은 그대로 유지된다.

건류에 따라 생성되는 것은 석탄의 종류에 따라 차이가 있으나 대체적으로는 석탄가스 20%, 가스경유(輕油) 1%, 가스액 1%, 콜타르 5%, 코크스 70%이다.

⑴ 석탄가스의 주성분은 수소와 메탄이며, 그 밖에도 일산화탄소를 포함하며 기체연료가 된다.

⑵ 가스경유는 벤젠·톨루엔과 같은 비교적 저비점(抵沸點)인 방향족 탄화수소로 되어 있으며, 이 혼합물을 다시 정류(精溜)·분리하여 화학원료로 한다.

⑶ 콜타르는 각종 방향족 화합물이 복잡하게 혼합된 것으로, 끈기가 있는 검은 기름이다. 이 콜타르는 염료(染料)·의약품·합성섬유·합성수지 등의 중요 원료가 된다.

⑷ 가스액은 암모니아를 포함한 수용액으로서, 이것을 황산으로 처리하면 황산암모늄이 되며 비료로 이용된다.

⑸ 코크스는 흑회색의 딱딱한 다공질(多孔質) 덩어리이며, 철광석을 환원시켜 선철을 만들 때의 중요한 원료이다. 그 밖에 주물용으로 사용되며, 또 수성가스 반응으로 수소를 발생시키거나 황산암모늄이나 카바이드의 제조에 쓰이는 등 공업적으로 매우 중요한 원료이다.

석탄을 500∼600℃의 비교적 낮은 온도에서 건류하는 방법을 저온건류라고 한다. 이 때 얻어지는 코크스는 반성(半成)코크스 또는 콜라이트라고 부르며 가정용 연료로 사용된다. 저온건류의 특징은 열분해가 다소 온화하기 때문에 생성되는 저온가스·저온타르도 고온건류에 의해 생성된 것과는 다르며, 포화된 쇄상(鎖狀) 탄소화합물도 많다. 또 가스의 생성량이 적고 타르분이 많은 것도 특징이다.

콜타르의 이용[편집]

coaltar-利用

오늘날의 유기화학 산업을 발전시킨 기초를 이룬 것은 석탄을 원료로 하는 석탄화학공업이며, 독일을 중심으로 합성염료·의약품 등이 타르를 이용해서 만들어진 것이 그 시작이라고 할 수 있다. 석탄화학공업에는 석탄가스·가스액·콜타르·코크스 등 여러 종류의 것을 원료로 하는 것이 있는데, 현재 가장 큰 특징을 이루는 것은 300종 이상에 달하는 많은 방향족 화합물이 섞인 콜타르를 원료로 하는 분야이다.

콜타르의 분류[편집]

coaltar-分溜

1856년에 퍼킨이 최초로 보랏빛의 합성염료를 만들어 내었는데, 그 원료가 되는 아닐린을 콜타르 속의 벤젠으로부터 얻게 됨으로써 콜타르의 분류는 합성염료 공업의 발흥과 함께 공업적으로 이루어지게 되었다. 분류 공정에는 일반적으로 석유 분류와 마찬가지로 대규모의 분류탑을 사용한다. 맨 먼저 180℃ 이하에서는 경유, 그 다음으로 180∼240℃에서 중유(中油), 240∼270℃에서는 중유(重油), 270∼360℃에서는 안트라센유가 증발하고, 마지막으로 남는 것이 피치이다.

유분의 정제[편집]

溜分-精製

비등점(沸騰點)의 차이에 따라 이렇게 분류한 타르의 성분은 아직도 서로 다른 여러 가지 방향족들이 혼합되어 있으므로 공업적으로 이들을 더욱 정밀하게 분류하여 결정되기 쉬운 것은 결정체로, 그 밖의 것은 적당한 흡수제를 사용해서 분리해 낸다.

피리딘이나 키놀린 같은 염기성 물질은 묽은 황산에 녹기 때문에, 여기에다 흡수시킨 다음 분리한다. 페놀·크레졸 같은 페놀류는 산성이기 때문에 엷은 수산화나트륨에 녹여서 분리한다. 그리고 피리딘·카르바졸 등과 같이 고리(環) 속에 탄소 이외의 원소가 들어 있는 화합물을 복소환(複素環) 화합물이라고 부른다.

방향족 화합물의 구조와 종류[편집]

(芳香族化合物-構造-種類)방향족 화합물의 특징은 그 골격구조를 만드는 6개의 탄소원자가 서로 이중결합으로 연결하여 환상(環狀)을 이루고 있는 점이다. 탄소원자는 6개의 전자에 둘러싸여 있는데, 방향족의 결합을 알기 위해서는 그 모양을 좀더 자세히 살펴볼 필요가 있다.앞에서도 말한 것처럼, 원자핵을 둘러싸고 있는 전자각(電子殼) 중의 K각에는 s전자가 2개, L각에는 s전자 2개와 p전자 6개가 들어갈 수 있다. 그리고 각 전자에는 태양을 둘러싼 행성(行星)의 자전처럼 회전하는데 좌회전과 우회전이 있다.탄소원자의 경우 그 전자의 상태를 보통 1s22s22p2로 표시하며, 자회전 전자를 ↓, 우회전 전자를 ↑로 표시하면 전자 배치는 다음과 같다.


궤     도


1s


2s


2p


전자 배치


↑↓


↑↓





↑과 ↓의 전자(電子)가 서로 쌍(雙)을 이루고 있는 경우에는 대단히 안정된 상태이며, 다른 원자의 전자와 같은 궤도를 만들면서 상을 이룰 수는 없으며, 결합에 관계하는 가전자(價電子)가 되지 못한다. 이것으로 미루어 보면 탄소의 원자는 2가가 된다. 그러나 탄소원자는 에너지를 흡수하면 간단히 1s22s2p3의 상태가 되기 쉬우며, 다음과 같이 1개의 s전자와 3개의 p전자는 각각 다른 원자와 쌍을 이룰 수 있는 상태를 취하는 것이다.


궤     도


1s


2s


2p


전자 배치


↑↓







 이 4개의 전자가 동일하게 다른 원자와의 결합에 관계했을 경우, 정사면체의 구조에 결합의 손을 뻗친다. 이렇게 해서 연결된 것이 메탄·에탄을 비롯한 쇄상(鎖狀)의 탄소 화합물이다. 이와 같은 결합방식을 sp3결합이라 한다. 이것은 탄소의 s궤도의 전자와 3개의 p궤도의 전자가 완전히 동일하게 움직여서 결합해 관계하기 때문이다. 한편 이 4개의 전자 중에서 1개의 s전자와 2개의 p전자, 합계 3개가 동일하게 움직여서 같은 값의 결합을 이루고, 또 1개의 p전자는 이 3개와는 다른 작용의 결합을 하는 방식을 sp2결합이라고 한다. 이 경우의 탄소원자는 3개 방향으로 균일하게 결합의 손을 뻗치기 때문에, 평면으로 120°씩의 결합각을 이루며 연결된다. 그리고 또 1개의 전자는 이 면에 수직으로 선 상태로서, 이웃 원자의 같은 상태의 전자와 작용하면서 또 하나의 결합을 만든다. 이것이 이중결합이며, 이와 같은 작용으로 결합하는 전자를 π전자라고 부른다. 에틸렌이나 부타디엔은 sp2 상태에서 탄소원자가 연결된 것이며, 아세틸렌과 같은 삼중결합은 다시 또 1개의 전자가 π전자의 상태를 취한 것이다.  방향족 화합물의 골격을 이루는 탄소 6개의 고리는 탄소가 sp2의 모양으로 연결된 것인데, 이 때문에 각 탄소원자에 π전자가 있고, 이것이 서로 π결합을 만들고 있다. 이리하여 방향족인 탄소-탄소결합은 직쇄상(直鎖狀) 화합물인 탄소-탄소결합보다 훨씬 강하며, 열분해 등에도 쉽게 절단되지 않는다.또 이런 상태의 π전자는 재미있게도 각 탄소원자 위를 자유롭게 움직일 수가 있으며, 코일에 자장을 주게 되면 코일에 환전류(環電流)가 흐르는 것처럼 자장의 변화가 있으면 6개의 탄소환 위를 움직이면서 마치 전류가 흐르는 때와 같이 반응한다.방향족 화합물은 이처럼 특징 있는 구조를 가지고 있어, 다른 탄소화합물과는 달리 특이한 부가반응(附加反應)이나 치환반응(置換反應)을 일으킨다. 또 반응조건을 엄격하게 하면 환을 절단할 수도 있다.

벤젠[편집]

benzene

최근에는 석탄 이외에 석유로부터도 상당히 많이 제조하게 되었다. 비등점이 약 80℃인 무색 액체로서 연소하기 쉽고, 점화하면 그을음을 내면서 맹렬하게 탄다. 용제(溶劑)로서, 그리고 합성화학의 기초 원료로서 매우 중요한 물질이며, 약품·염료·수지, 그 밖의 여러 가지 물건을 만든다.

톨루엔[편집]

toluene

벤젠의 핵 위의 수소 1개가 메틸기(-CH3)로 치환된 것으로서, 벤젠과 마찬가지로 타르 및 석유에서 얻는다. 비등점은 111℃이고, 성질은 벤젠과 비슷하다. 염료·폭약의 원료 및 용재로도 많이 쓰이고 있다.

크실렌[편집]

xylene

석유화학공업에서 제조하는 양(量)이 차차 증가하고 있다. 크실렌은 톨루엔에 또 하나의 메틸기가 붙은 것으로서, 그 위치에 따라 오르토(ortho)·파라(para)·메타(meta) 등 3가지 이성체가 생긴다.

파라크실렌은 산화하여 테레프탈산으로 만들고, 합성섬유 테트론의 원료가 되는 매우 중요한 물질이며, 오르토크실렌은 산화하면 무수(無水)프탈산이 된다. 이것은 플라스틱의 원료로 쓰인다.

에틸벤젠[편집]

ethyl benzene

벤젠에 에틸기(-C2H5)가 붙은 것으로서, 현재는 에틸렌과 벤젠으로부터 합성하고 있다. 이것은 탈수소(脫水素)하여 스티렌을 합성하는 데에 쓰인다.

나프탈렌[편집]

naphtalene

나프탈렌은 콜타르에서부터 분류(分溜)되는 양이 가장 많으며, 백색·휘발성의 고체(융점 80℃)로서, 방충제로 널리 알려져 있다. 나프탈렌의 구조는 벤젠이 2개 결합된 형태인데(〔그림〕-5). 이것은 산화하여 1개의 고리를 끊고 무수(無水)프탈산으로서 또는 각종 반응에 의해 염료 합성의 원료 등으로 많은 구실을 하고 있다.

안트라센[편집]

anthracene

융점 217℃의 백색 고체이다. 산화시켜 안트라키논을 만들며, 고급 염료의 원료로 쓴다. 안트라센은 콜타르가 유일한 자원이다.

석탄화학 공업에서의 방향족 화학[편집]

石炭化學工業-芳香族化學

석탄의 건류는 방향족 화합물의 복합체인 석탄으로부터 벤젠·톨루엔·크실렌 등 유용한 방향족 화합물을 열분해에 의해 빼내는 일이었다(〔그림〕-6).

그리고 이 여러 방향족 화합물은 벤젠고리 자신 또는 벤젠고리에 붙은 측쇄(側鎖)인 메틸기 등을 반응시켜 여러 가지 화합물을 만들어 낼 수가 있다.

벤젠고리 자체의 반응으로서는 다음과 같이 나뉜다.

⑴ 벤젠고리의 수소와 다른 원자 또는 원자단과를 치환하는 반응(置換反應).

⑵ 벤젠고리의 불포화 결합에 다른 원자단이 가해지는 반응(附加反應).

⑶ 벤젠고리가 절단되는 반응(開環反應) 등으로 나눌 수 있으며, 석탄화학공업에서는 이와 같은 반응을 이용하여 벤젠을 기초로 하는 유도체를 만든다.

치환반응[편집]

置換反應

벤젠에 농질산(濃窒酸)과 농황산의 혼합물을 저온으로 작용시키면, 벤젠고리에 붙은 수소 대신에 니트로기(-NO2)가 결합하여 니트로벤젠이 된다. 이와 같이 니트로기를 넣는 반응을 니트로화라고 한다. 톨루엔에서도 동일하게 니트로화가 행해지며, 충분히 반응시키면 3개의 니트로기가 결합된 트리니트로톨루엔(TNT)이 된다. 이것은 대표적인 화약이다.

벤젠을 농황산 또는 발연황산(發煙黃酸:농황산에 삼산화황 SO3를 흡수시킨 것)으로써 약간 고온(약 180℃)으로 반응시키면 벤젠설폰산이 된다. 이것은 수소를 대신해서 설폰기(-SO3H)가 결합하는 반응으로 '설폰화'라고 한다.

공업적으로는 프로피렌 4량체(四量體)와 벤젠으로 합성한 디데실벤젠을 설폰화하여서 합성세제인 소프레스 소프를 만드는 반응에 이용되고 있다. 또 철이나 요드를 촉매로 하여 염소와 반응시키면 클로르벤젠이 된다. 이와 같이 할로겐 원자가 결합하는 반응을 '할로겐화'라고 한다.

이러한 반응은 모두 산화성 원자단이라는 공통점이 있으며 전자를 끌어들이기 쉬운 성질 때문에 전자밀도가 큰 벤젠핵과 반응하는 것이다. 이러한 원자단을 양성원자단(陽性原子團)이라고 한다.

부가반응[편집]

附加反應

벤젠에다 촉매를 사용해서 수소를 가하면 6원자인 수소가 부가되고, 이중결합이 풀려서 시클로헥산(C6H12)이 된다. 또 광선을 비추면서 염소를 공급해 주면 벤젠에 6원자의 염소가 부가되어 육염화(六鹽化) 벤젠이 된다. 이것은 BHC라고 부르는 대표적인 살충제이다.

이러한 반응은 모두 벤젠의 불포화 결합에 다른 원자가 부가하는 반응이다.

개환반응[편집]

開環反應

벤젠고리는 매우 안정하기는 하지만 강하게 산화하여 탄소-탄소의 고리를 절단할 수도 있다. 나프탈렌으로부터 무수마레인산의 합성은 이의 대표적인 예이다.

측쇄의 반응[편집]

側鎖-反應

톨루엔과 같은 측쇄를 가진 방향족 화합물은 반응조건을 골라서 행하면 측쇄만을 반응시킬 수도 있다.

가령 염소와 반응시킬 경우, 촉매를 사용하지 않고 가열하여 염소를 공급하면 메틸기가 염소화되어 염화벤질·염화벤잘·벤조트리클로리드 등과 같이 메틸기의 수소원자가 점차 염소원자로 치환된다.

여러 가지 방향족 화합물[편집]

-芳香族合物

이 때까지는 벤젠을 중심으로 하여 갖가지 화합물이 만들어진다는 것과 그 방법 등에 대해서 살펴보았다. 이러한 벤젠의 유도체 중에서 공업적으로 중요한 몇 가지 물질에 대해서 좀더 언급하기로 하자.

페놀류[편집]

phenol 類

벤젠핵(核)에 수산기(-OH)가 붙은 화합물로서, 중요한 종류로는 〔그림〕-7과 같은 것이 있다. 이들 가운데서 가장 간단한 C6H5OH는 콜타르의 분류(分溜)로 얻어지는 산성유(酸性油)의 주성분이기 때문에 석탄산이라고도 하는데, 단순히 페놀이라고 할 경우에는 이것을 가리킨다.

현재로는 공업적인 수요가 커서 분류만으로는 부족하여 벤젠을 원료로 하여 합성하고 있다. 합성법으로 벤젠을 먼저 설폰화한 다음 알칼리 처리하는 방법과 벤젠을 염소화하여 클로르벤젠으로 만들고 다시 알칼리로 고온·고압으로 처리하는 방법, 벤젠과 프로필렌에서 크멘을 만든 다음 이것을 산화시켜 직접 페놀과 아세톤을 만드는 크멘법 등이 있다.

페놀은 산성이 강하여 이것을 묽은 용액으로 만들어 살균·소독용으로 사용하며, 공업원료로는 나일론·베이클라이트·염료·의약품·화약 등의 합성에 필요한 원료이다.

그리고 크레졸에는 오르토(o)·메타(m)·파라(p)의 3종류의 이성체(異性體)가 있는데, 화학적 성질은 페놀과 비슷하다. 히드로키논은 환원성이 강해서 사진 현상액으로 쓰이고 있다.

방향족 카르본산[편집]

芳香族carbon 酸

벤젠핵에 카르복시기(-COOH)가 결합한 화합물로서, 안식향산·프탈산·살리실산 등이 있다. 무수프탈산은 페놀프탈레인 염료의 제조나 플라스틱 같은 원료로서 대량으로 쓰인다. 이 무수프탈산은 부틸알코올·옥틸알코올 등과 에스테르화한 DBP나 DOP는 대표적인 가소제(可塑劑)로 염화비닐 같은 것에 소성(塑性)을 주고 있는 물질이다. 테레프탈산은 폴리에스테르계(系) 합성섬유의 원료로서 특히 중요한 것이다. 살리실산은 나트륨페노라트를 이산화탄소 가압하에서 반응시켜서 만든다. 살리실산과 초산(醋酸)과의 에스테르인 아세틸살리실산은 아스피린(해열제)으로 유명하며, 메틸알코올과의 에스테르인 산리실산메틸도 의약용으로 쓰인다.

벤조알데히드[편집]

benzoaldehyde

아몬드 같은 종자 속에 함유되어 있어서 냄새를 내는 성분으로, 벤젠핵에 카르보닐기(-CO)가 붙은 것이다. 이것과 같은 그룹을 방향족 알데히드라고 한다. 일반적으로 알데히드류는 향료와 관계가 깊다. 공업적으로 염화벤잘을 가수분해하여 얻는다.

방향족 아민[편집]

芳香族 amine

벤젠핵에 아미노기(-NH2)가 결합한 화합물로서, 대표적인 것으로는 아닐린(C6H5NH2)이 있다. 아닐린은 비등점 180℃의 무색 액체로 약한 염기성을 나타낸다.

아닐린의 중요한 성질로는, 이것을 아질산나트륨과 염산 등에 작용시키면 염화벤젠디아조늄(C6H5ClN2)이라는 매우 반응성이 큰 화합물이 되는 점을 들 수가 있다. 이것은 페놀류 등과 반응하여 디아조카플링이라는 반응을 일으키는데, 이 반응은 염료의 합성상 매우 중요한 반응이다.

아닐린을 황산산성(黃酸酸性)의 중크롬산칼륨으로 산화시키면 아닐린블랙이라는 대표적인 흑색 염료가 된다. 그 밖에 아닐린과 그 유도체는 의약품·염료 합성상 없어서는 안 될 물질이다.

천연유지[편집]

천연유지[편집]

天然油脂

평지기름(菜種油)이나 동물의 기름은 전등이 출현하기 전까지 등화용으로 널리 사용되었으며, 그 자원으로서의 유채(油菜)나 동백나무의 재배 또는 바다짐승 등의 수렵은 소중한 작업이었다. 그러나 현재에는 이런 용도는 없어지고 이와 같은 기름을 원료로 해서 여러 가지 물건을 만들어 내는 자원으로서 중요하게 되었다.

유지(油脂)는 단백질·탄수화물과 함께 동식물체(動植物體)의 주요 성분이며, 특히 식물의 종자·동물의 피하조직에 많이 함유되어 있다. 이것은 각종 지방산의 글리세린에스테르(지방산과 알코올의 1종인 글리세린이 결합된 것)의 혼합체로서, 상온에서 고체로 되어 있는 것은 지방(脂肪), 액체로 된 것은 지유(脂油)라고 부르는 일도 있으나, 본질적인 차이는 없다. 일반적으로 불포화산의 에스테르가 많이 함유되어 있는 것은 상온에서는 액체이다.

유지의 대표적인 것은 페트(쇠기름:牛脂)·라드(돼지기름)·고래기름·어유(魚油)·평지기름·올리브유·아마인유(亞麻仁油)·야자유 등이 있다.

유지의 채취[편집]

油脂-採取

동물이나 식물로부터 유지를 채취하는 방법으로는 주로 다음의 4가지가 있다.

융출법[편집]

融出法

동물성 원료를 가열하여 원료 속에 포함된 유지를 녹여서 채취하는 방법이다. 원료를 직접 또는 간접으로 증기 단위로 가열하거나 혹은 원료를 물과 함께 고온으로 삶아서 수면에 뜨는 기름을 모으는 방법이 있는데, 특히 유지분량(油脂分量)이 많은 원료의 경우에 쓰인다. 라드·페트·고래기름 등의 채취법이다.

압착법[편집]

壓搾法

주로 식물성 원료, 예컨대 콩·평지·깨 등의 식물기름을 모을 때에 사용한다. 압착기 같은 것을 사용하여 원료의 유지분만을 짜내는 방법이다.

추출법[편집]

抽出法

석유벤진·이황화탄소 등의 용매(溶媒)를 사용해서 유지분만을 그 속에 녹인 다음 용매를 증발시켜 제거하는 방법이다. 초기에는 하나하나의 추출조(抽出槽)를 사용해서 빼내고 있었으나, 최근에는 유지의 원료와 용매를 연속적으로 접촉시키고 또 연속적으로 용매를 증발시키는 장치가 발명·사용되고 있다.

원심분리법[편집]

遠心分離法

유지가 물 등에 유화(乳化)·분산되어 있을 경우, 원심분리기로 유지만을 모으는 방법으로서, 우유에서 크림을 분리할 때 등에 쓰인다.

유지의 성분[편집]

油脂-成分

유지에 산이나 알칼리 또는 효소인 리파제를 작용시키면 지방산염과 글리세린으로 분해된다.

CH2COOR1

CH2OH R1COONa + CHCOOR2+3NaOH → CHOH+R2COONa + CH2COOR3 CH2OH R3COONa또 가압수증기를 통과시킴으로써도 분해된다. 이것으로도 알 수 있는 바와 같이 유지는 비교적 장쇄(長鎖)인 알킬기와 카르복시기로 구성된 지방산 속에, 1분자 중 3개의 수산기를 가진 글리세린이 작용한 에스테르(글리세리드라고 한다)이다.

지방산[편집]

( 脂肪酸)    유지의 종류에 따라 그 조성 지방산은 달라진다. 그러나 탄소수 16 또는 18의 지방산이 대부분이다. 상온에서 고체인 지방(脂肪)은 주로 팔미틴산(C15H31COOH)·스테아린산(C17H35COOH)과 같은 포화지방산 글리세리드로 되어 있으며,  액체로 된 지방은 대부분 올레인산(C17H33COOH) 또는 리놀산(C17H31COOH) 등의 불포화지방산이 주성분이다. 불포화지방산은 포화지방산에 비해 융점이 낮기 때문에 이와 같이 액체와 고체의 유지가 있는 것이다. 그러나 야자유의 경우는 라우린산(C11H23COOH)과 같이 탄소수가 비교적 적은 포화지방산인 글리세리드가 많기 때문에 융점이 낮은 것이다. 유지에는 이처럼 동유(桐油)·아마인유같이 불포화도가 높은 지방산의 글리세리드를 중심으로 하는 것과 야자유·올리브유와 같이 포화도가 높은 지방산 글리세리드가 많은 것이 있다.

  전자는 공기중에서 가열한다든지 적당한 금속 산화물을 첨가하면 중합(重合)해서 굳어지기 쉬우므로 건성유(乾性油)라고 부르고, 후자는 그 성질이 약하므로 불건성유(不乾性油)라고 부른다. 콩기름·평지기름·면실유(棉實油) 등은 중간적인 성질이므로반건성유라고 한다.어유와 같이 불포화도가 높은 유지는 산화되기 쉽고 악취를 풍긴다. 이것을 니켈 촉매 같은 것을 사용하여 수소를 첨가하면 포화도가 높은 지방산 에스테르가 되어 악취 없는 고체 지방이 된다. 이 조작을 경화(硬化)라고 하며, 이렇게 처리한 것을 경화유라고 하는데, 식용유·비누 등의 제조에 흔히 쓰이는 방법이다.

 


〔표〕-2  유지에 함유되는 주요한 지방산


 


분 자 식


융  점


소      재


낙 산

카 프 론 산

카 프 린 산

라 우 린 산

시 리 스 틴 산

팔 미 틴 산

스 테 아 린 산

올 레 인 산

리 놀 산

놀 레 인 산


C4H8O2

C6H12O2

C10H26O2

C12H24O2

C14H24O2

C16H32O2

C18H36O2

C18H34O2

C18H32O2

C15H30O2


-8

-2

  32

  44

  54

  63

  72

  14

-10

 -


버터

버터·야자유 등

버터·야자유 등

야자유 등

야자유 등

거의 모든 유지

거의 모든 유지

거의 모든 유지

건성유·반건성유 속

건성유

글리세린[편집]

glycerine

지방산과 마찬가지로 유지 성분이며, 공업적으로도 유지를 분해함으로써 얻어진다. 글리세린은 3개의 수산기를 가진 3가(三價) 알코올이다. 무색의 끈기 있는 액체로 흡습성(吸濕性)이 있으며 감미가 조금 있고, 융점 20℃, 비등점 290℃(分解)이다.

글리세린은 글리프탈 수지 등의 합성 원료로 쓰이는 외에 윤활제(潤滑劑) 혹은 연고 같은 약품, 담배나 화장품의 방건제(防乾劑)·정미제(呈味劑) 등에, 나아가서는 방동제(防凍劑)·냉각제·인쇄잉크 등 대단히 넓은 이용도를 가진 중요한 물질이다. 그러므로 오늘날에는 이와 같은 유지 분해에 의해서뿐 아니라 프로필렌을 원료로 하는 합성법에 의해서도 다음과 같이 제조되고 있으며, 천연품(天然品)·합성품이 거의 같은 분량을 차지하고 있다.

알코올[편집]

알코올[편집]

alcohol

알코올이라는 말은 술이나 소독제 또는 온도계나 알코올 램프 등으로서 우리에게 매우 친근한 말이며, 공업적으로도 갖가지 유기물을 합성하거나 물에 녹지 않는 것을 녹여서 유효하게 작용하도록 하는 용매 등으로 다량으로 사용되고 있다.

현재 주류 등의 양조 공업 이외는 거의 천연가스 성분이나 석유 분류(分溜)에 의한 성분으로부터 합성하는 석유화학공업 중에 포함되어 가고 있지만, 역사적으로 볼 때는 곡물이나 과일로 인류가 가장 오래 전부터 이용해 온 유기물의 일종이며, 오늘날에 와서도 기초적인 유기원료이다.

알코올 이용의 역사[편집]

alcohol 利用-歷史

당액(糖液)이나 녹말로 술을 만드는 일은 아마 유사 이전부터 있었을 것이다. 원숭이는 나무 구멍에 떨어진 과일이 발효되어 술이 된다는 것을 알고 있다고 하는데, 인간이 술 만드는 법을 알게 된 것도 이런 기회로 말미암았으리라 생각된다.

발효 현상이란 당질이 알코올과 이산화탄소로 분해되는 반응이란 것이 18세기 말 라부아지에에 의해서 밝혀졌다. 그리고 발효가 효모에 의해서 일어나며, 식품의 부패도 미생물의 작용이라는 것을 확인한 사람은 프랑스의 파스퇴르(1822∼1895)이다. 또한 독일의 부흐너(1860∼1917)는 효모를 짠 즙과 당분이 알코올 발효를 일으켜 효모 속의 효소, 즉 생물체로 이루어지는 촉매(觸媒) 물질에 의해 발효가 일어난다는 사실을 발견했다. 현재도 술은 쌀·보리·감자 등의 전분으로 효모를 작용시켜서 만든다.

알코올의 종류[편집]

alcohol-種類

당액과 알코올의 발효에 의해 얻어지는 술을 증류하면 알코올이 된다. 이는 알코올의 대표적인 에틸알코올이다. 알코올이란 탄화수소의 수소원자가 수산기로 치환된 것이며, 에틸알코올은 에탄의 수소원자 1개 대신 수소기가 부착된 것이다. 가장 간단한 것은 메탄의 수소원자 1개가 수산기로 치환된 메틸알코올이다. 이들은 수산기가 1개인 1가(價) 알코올이고 그 밖에 수산기 2개가 붙은 에틸렌글리콜이나 프로필글리콜 등의 2가 알코올, 나아가서 글리세린과 같이 1분자 속에 3개의 수산기를 가진 3가 알코올 등이 있다.

에틸알코올(에탄올)[편집]

ethyl alcohol(ethanol)

에틸알코올은 술의 주성분으로서 주정(酒精)이라고 한다. 에틸알코올은 응고점 -114.15℃, 비등점 78.3℃의 특유한 냄새와 맛이 있는 무색 액체로, 물이나 에테르·클로로포름·탄화수소와 잘 섞인다. 공업적으로는 발효법 외에 에틸렌에 황산을 작용시켜 다시 가수분해하거나, 아세틸렌으로부터 아세트알데히드를 합성한 다음 다시 환원시켜 만드는 방법 등이 있다. 에틸알코올은 합성음료·용제(溶劑) 및 의료용 등과 그 밖에 초산에틸·에테르·초산, 기타 합성원료로 널리 쓰이고 있다.

메틸알코올(메탄올)[편집]

methyl alcohol(methanol)

가장 간단한 알코올인데, 1661년에 목재를 건류(乾溜)해서 얻은 건류액 속에서 발견되었다. 그 후 1812년에 영국의 테일러에 의해서 상세히 연구되어 에틸알코올과는 다른 물질이라는 것이 밝혀졌다. 나무에서 얻은 술이라는 뜻에서 '목정(木精)'이라 부르기도 한다. 공업적인 제법은 일찍이 목재 건류에 의하기도 했으나 경제적으로 채산성이 없어 지금은 대개 석탄이나 천연가스 중의 메탄이나 일산화탄소 및 수소를 원료로 해서 고압접촉법 등에 의해 합성하고 있다.

주로 각종 메틸화합물·에스테르나 에테르 등의 합성원료, 그리고 용재로서 쓰인다.

기타 알코올[편집]

-alcohol

탄소수 3인 프로필알코올(프로파놀), 4인 부티알코올(부탄올), 5인 아밀알코올 등도 현재는 같은 탄소수인 올레핀계 탄화수소(불포화 결합을 지님)를 황산화하고, 또한 가스분해하기도 하고, 알데히드의 산화 등에 의해 올레핀과 일산화탄소로부터 직접 합성되고 있다.

알코올의 성질[편집]

alcohol-性質

알코올류는 일반적으로 같은 탄소수의 탄화수소보다 비등점이 훨씬 높다. 예를 들면 에틸알코올의 비점이 78.3℃인 데 대해 에탄은 -88.6℃로 150℃ 이상이나 차이가 있다. 이것은 알코올 수산기 수소가 인접한 알코올 분자의 산소에 끌려 수소를 사이에 두고 2개의 분자가 느슨하게 결합하는 상태를 취하기 때문인데(〔그림〕-10) 이것은 수소결합 때문이다. 이와 같은 수소결합은 카르복시기(-COOH)를 가진 산에서도 생긴다.

알코올을 바탕으로 한 화학변화[편집]

alcohol-化學變化 카르본산의 생성 carbon 酸-生成

에틸알코올의 수용액인 술을 공기중에 방치해 두면 맛이 시어진다. 이것은 공기중의 초산균의 작용으로 알코올이 산화되어 초산이 생기기 때문이다.

카르복시기(-COOH)를 가진 유기물을 카르본산이라고 부르며 일반적으로는 RCOOH로 표시한다. 초산(CH3COOH)은 대단히 간단한 카르본산이다(R은 CH3·C2H5 등과 같이 포화된 탄화수소로부터 수소원자를 1개 제거한 것으로, 알킬이라 부른다). 알코올에서 카르본산이 생성되는 반응은 다음과 같이 표시한다.RCH2OH → RCHO → RCOOH초산(醋酸)은 탄소수 2인 에틸알코올에서 생성(초산발효라고 한다)된 것인데, 탄소수 3인 알코올로부터는 프로피온산, 4인 것으로부터는 낙산(酪酸)이 생기며, 나아가서는 탄소수가 많은 긴 사슬인 알킬기를 가진 카르본산은 보통은 지방산이라고 총칭되고 있으며, 천연적으로 유지(油脂) 성분으로서 존재한다.

가장 간단한 카르본산은 개미산(蟻酸)으로 개미독(毒)의 주성분이다.

에테르의 생성[편집]

ether-生成

알코올을 황산과 같은 강산(强酸)과 함께 가열하면 2분자의 알코올에서 탈수가 되고, 산소를 사이에 둔 R-O-R이라는 물질이 된다. 예를 들면 메틸알코올·에틸알코올로부터는 다음과 같이 각각 메틸에테르와 에틸에테르가 생성된다.

CH3OH+CH3OH → CH3-O-CH3+H2OC2H5OH+C2H5OH → C2H5-O-C2H5+H2O에틸에테르는 단순히 에테르라고 부르는 경우도 있고, 마취제나 용제(溶劑)로 쓰인다.

에테르는 이미 수산기가 없기 때문에 분자간의 수소결합이 되지 않고 비등점도 낮다. 메틸에테르는 -24.9℃, 에틸에테르는 34.6℃이다.

에스테르의 생성[편집]

ester-生成

알코올과 산에서부터 탈수가 된 다음에 생성되는 화합물을 보통 에스테르라고 부른다. 일반적으로 다음과 같이 표시된다.

RCOOH+R OH → RCOOR′+H2O예를 들면 에틸알코올과 초산을 황산 같은 산촉매(酸觸媒)하에서 가열하면 초산에틸(초산에스테르)을 생성한다.

CH3COOH+C2H5OH → CH3COOC2H5+H2O에스테르류는 일반적으로 방향(芳香)이 있으며, 식물의 과실의 성분으로서 알려져 있는데, 초산이소아밀에스테르는 사과나 배의 향기의 성분이다. 에스테르도 비교적 비등점이 낮으며, 휘발하기 쉽다.

기타 유기화합물[편집]

 


〔표〕-3  각종 관능기를 갖는 화합물


 


관능기



탄화수소


 


메탄 CH4, 에탄 C2H6, 벤젠 C6H6


할로겐화합물


-CI


클로로포름 CH-CI3, 사염화탄소 C-CI4


알코올류


-OH


메틸알코올 CH3-OH


페놀류


-OH


페놀 C6H5-OH


카르본산류


OH

C

O


개미산 H-COOH

초산

CH3-COOH


알데히드류


H

C

O


포름알데히드 H-CHO

아세트알데히드

CH3-CHO


케톤류


C=O


메틸에틸케톤 CH3CH2-CO-CH3


아민류


-NR2(R는 수소 또는 알킬기)


아닐린 C6H5-NH2


에스테르


-C-O-



O


초산에틸 CH3C-O-C2H5

        ∥

        

O


에테르


-O-


에틸에테르C2H5-O-C2H5



 

알데히드류[편집]

aldehyde類

제1알코올(알코올 가운데 수산기가 붙어 있는 탄소의 수소치환수에 의해 수소 1개가 알킬기 등으로 치환된 것)의 산화에 의해 생성되는 것으로, 일반식은 R-CHO로 표시된다.R-CH2OH

R-CHO또 불포화지방산이 산화할 때에도 생긴다 지방족(脂肪族) 알데히드로서는 포름알데히드·아세트알데히드 등이 대표적인 것이고, 프로필렌을 산화시켜서 얻는 아크롤레인은 강한 악취와 최루성을 가진 자극성 기체이다.

일반적으로 불포화알데히드는 악취의 성분이며, 어유(魚油)·고래기름 등의 부패한 냄새의 성분 등도 이것이 원인으로 되어 있다.

그러나 방향족 알데히드 또는 향정유(香精油) 중에는 대단히 좋은 향기를 지니는 것도 많다.

풀플라르는 지환식(脂環式) 화합물(시크로파라핀·데르펜 등)의 알데히드로서 옥수수의 줄기 같은 것에 많이 함유되어 있으며, 합성고분자 원료로서도 중요한 것이다.

케톤류[편집]

keton 類

케톤은 제2알코올의 산화에 의해 생성되는 것으로, 일반식 RCOR′로 나타낸다.R2CHOH → R2CO+H2O케톤류에 고유한 관능기는 카르보닐기(-CC)이며, 이것은 알데히드류도 함유되어 있으며, 더욱이 케톤의 R′가 H인 경우에 이들 양자에는 공통된 성질이 많다.

케톤류의 대표적인 것은 아세톤·메틸에틸케톤이다. 이들은 용제(溶劑)로서 중요하게 쓰이고 있다. 시클로헥사논은 이것을 더욱 더 반응시켜서 나일론 원료로서 사용한다.

아민류[편집]

amine 類

암모니아(NH3)의 수소원자를 알킬기로 치환한 것으로서, 치환된 알킬기의 수에 따라 제1, 제2, 제3아민 및 제4암모늄염기(-NR4)가 된다.

제1아민의 관능기(-NH2)는 아미노기이며, 천연적으로는 생물체의 아미노산으로서 단백질 등에 함유되어 있다. 그래서 급(級)이 낮은 아민류는 이들 동식물의 대사분해(代謝分解)에 의해서 생기며, 대체로 악취성분이다.아민류는 암모니아와 할로겐화 알킬을 반응시켜서 합성, 고분자 재료·염료·첨가제 등의 공업 원료로 중요하다.