니트로셀룰로오스(면화약) 만들기 — 무연화약과 플라스틱을 탄생시킨 니트로화 반응

1846년 바젤의 교수 크리스티안 프리드리히 쇤바인은 실수로 질산과 황산의 혼합물을 부엌 식탁에 엎질렀습니다. 그는 아내의 면 앞치마로 이를 닦아낸 뒤 난로 옆에 걸어 말렸고, 앞치마는 불이 붙어 순식간에 사라졌습니다. 쇤바인은 즉시 그 의미를 파악했습니다. 산이 셀룰로오스를 새로운 물질인 니트로셀룰로오스(셀룰로오스 트리니트레이트, [C₆H₇O₂(ONO₂)₃]ₙ)로 바꾸었고, 이 물질은 놀라운 속도로 타면서 연기나 잔류물을 남기지 않았습니다.

이 화학 반응은 에스테르화입니다. 셀룰로오스 사슬의 각 포도당 단위에 있는 세 개의 히드록시기(-OH)가 질산 에스테르기(-ONO₂)로 치환됩니다. 이때 진한 질산(니트로화제)과 진한 황산(반응을 완결시키는 탈수제)의 혼합물을 사용합니다. 혼합산은 얼음처럼 차가워야 하며, 열이 가해지면 분해가 일어나고 산 속에 있는 생성물이 격렬하게 연소할 수 있습니다.

니트로셀룰로오스는 두 가지 큰 결과를 낳았습니다. 첫째, 무연화약의 기반이 되었습니다. 연기를 남기지 않고 g당 기체 부피가 흑색화약의 세 배에 달하기 때문에 흑색화약보다 훨씬 뛰어났습니다. 코다이트, 발리스타이트 및 현대의 모든 추진제는 쇤바인의 발견에 기초합니다. 둘째, 장뇌로 가소화하면 니트로셀룰로오스는 셀룰로이드가 되는데, 이는 최초의 상업용 플라스틱(1869년)이자 영화를 가능하게 한 소재입니다.

SAFETY WARNING: 니트로셀룰로오스는 건조 상태에서 HIGH EXPLOSIVE 물질입니다. 충격에 민감하고 마찰에 민감하며 폭발할 수 있습니다. 니트로화 과정 자체도 위험합니다. 혼합산은 격렬하게 부식성이 있으며, 온도 조절을 잃으면 반응이 통제 불능으로 치달을 수 있습니다. 이 실험은 반드시 ONLY 엄격한 실험실 조건에서, 완전한 안전 장비, 얼음욕 온도 조절, 적절한 교육을 갖춘 상태에서만 수행해야 합니다. 생성물은 WET 보관하십시오. 건조된 니트로셀룰로오스는 심각한 폭발 위험이 있습니다.