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황화은

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1. 개요

황화은은 은이 황 또는 황화수소와 반응하여 생성되는 화합물이다. 은 제품은 공기 중의 황화수소와 반응하여 검은색 황화은 피막을 형성하며 변색된다. 황화은은 세 가지 형태의 다형성을 가지며, 온도의 변화에 따라 안정적인 결정 구조가 달라진다. 1833년 마이클 패러데이는 황화은의 저항이 온도 증가에 따라 감소하는 것을 발견했는데, 이는 반도체 물질에 대한 최초의 보고였다. 황화은은 도자기 채색 등에 활용되며, 고전적인 정성 무기 분석의 구성 요소로 사용된다.

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황화은 - [화학 물질]에 관한 문서
기본 정보
황화은의 막대와 공 모형
황화은의 막대와 공 모형
황화은 샘플
황화은 샘플
IUPAC 이름황화은(I)
다른 이름황화은
아르젠트 황화물
CAS 등록 번호21548-73-2
EC 번호244-438-2
PubChem CID166738
ChemSpider ID145878
UNII9ZB10YHC1C
SMILESS(Ag)Ag
표준 InChI1S/2Ag.S/q2*+1;-2
표준 InChIKeyXUARKZBEFFVFRG-UHFFFAOYSA-N
성질
화학식Ag2S
몰 질량247.8 g/mol
외관회흑색 결정
냄새무취
밀도7.234 g/cm³ (25 °C)
7.12 g/cm³ (117 °C)
녹는점836 °C
용해도6.21·10⁻¹⁵ g/L (25 °C)
다른 용매에 대한 용해도시안화수소 수용액(HCN)에 용해
구연산 수용액 + 질산칼륨(KNO3)에 용해
산, 알칼리, 암모늄 수용액에 불용
용해도곱6.31·10⁻⁵⁰
구조
결정 구조입방정계, cI8 (α-형태)
단사정계, mP12 (β-형태)
입방정계, cF12 (γ-형태)
공간군Im3m, No. 229 (α-형태)
P21/n, No. 14 (β-형태)
Fm3m, No. 225 (γ-형태)
점군2/m (α-형태)
4/m 3 2/m (β-형태, γ-형태)
격자 상수 a4.23 Å
격자 상수 b6.91 Å
격자 상수 c7.87 Å (α-형태)
격자 상수 β99.583
열화학
표준 생성 엔탈피−32.59 kJ/mol
표준 생성 자유 에너지−40.71 kJ/mol
엔트로피143.93 J/mol·K
열용량76.57 J/mol·K
위험성
주요 위험성자극을 유발할 수 있음
GHS 그림 문자GHS07
GHS 신호어경고
H-문구H315
H319
H335
P-문구P261
P305+351+338
NFPA 704건강: 0
화재: 0
반응성: 0
추가 정보

2. 생성

(Ag)이 (S) 또는 황화수소(H₂S)와 반응하면 황화은(Ag₂S)이 만들어진다. 공기 중에 존재하는 미량의 황화수소는 은 표면과 반응하여 검은색 황화은 피막을 형성하는데, 이는 은 제품이 시간이 지남에 따라 변색되는 주된 원인이다. 또한, 황 증기에 은을 직접 노출시켜도 황화은이 생성된다.

2. 1. 자연 발생

황화은은 은 제품이 시간이 지남에 따라 광택을 잃고 변색되는 현상에서 흔히 발견된다. 이는 공기 중에 존재하는 황화수소(H₂S)와 은이 반응하여 은 표면에 검은색의 황화은(녹청) 층을 만들기 때문이다. 이 피막은 내부의 은이 더 이상 황화은으로 변하는 것을 막아주는 역할을 하기도 한다.[7] 화학 반응식은 다음과 같다.

: H2S + 2Ag → Ag2S + H2

또한, (S)의 증기에 은을 직접 접촉시켜도 황화은이 생성된다.

: 2Ag + S → Ag2S

특히 황화수소 농도가 높고 습한 환경에서는 황화은 형성이 더 활발하다. 예를 들어, 하수 처리장이나 제지 공장과 같은 환경에서 은으로 된 전기 접점 표면에 황화은이 생기면서 가늘고 긴 결정 형태의 은 수염이 자라날 수 있다.[8][9][10]

2. 2. 인공 합성

이 공기 중에서 검게 변하는 현상은 공기 중의 황화수소(H2S)와 반응하여 황화은(I)(Ag2S)이 생성되기 때문이다. 이 원리를 이용하여 황화수소 기체와 은을 직접 반응시켜 황화은을 합성할 수 있다. 반응식은 다음과 같다.

: H2S + 2Ag → Ag2S + H2

다른 방법으로는 (S) 증기에 (Ag)을 접촉시켜 반응시키는 것이다. 이 반응으로도 황화은(I)이 생성된다. 반응식은 다음과 같다.

: 2Ag + S → Ag2S

3. 구조 및 성질

황화은은 온도 조건에 따라 세 가지 다른 결정 구조를 나타내는 다형성을 가진다.[11] 각 구조는 특정 온도 범위에서 안정하며 고유한 특성을 나타낸다.

3. 1. 결정 구조

황화은은 세 가지 다형으로 존재한다.[11] 179°C 이하에서는 단사정계 구조인 아칸타이트(α-형태)가 안정적이다. 자연에서는 비교적 저온에서 안정한 광물인 아칸타이트 형태로 발견되며, 중요한 광석이다. 아칸타이트 구조 내에는 두 종류의 은 중심이 있는데, 하나는 이웃한 원자 두 개와 결합하고 다른 하나는 세 개와 결합한다.[12]

180°C 이상에서는 체심입방 구조인 아르겐타이트(β-형태)가 안정적이다. 아르겐타이트는 이 체심입방 구조를 의미하지만, 상온에서는 불안정하여 아칸타이트가 아르겐타이트의 결정 형태를 유지하는 가상형으로 발견되는 경우가 많다.[11]

더 높은 온도인 586°C 이상에서는 면심입방 구조(γ-형태)가 안정적이며, 이 고온 형태는 전기 전도성을 나타낸다.[11]

3. 2. 특이한 연성 (α-Ag₂S)

대부분의 무기물질과 비교했을 때, α-Ag2S는 상온에서 뛰어난 연성을 보인다.[13][14] 이 물질은 파괴되지 않고 금속과 유사하게 넓은 범위의 변형을 겪을 수 있다. 이러한 특성은 다양한 기계적 시험에서 명확하게 나타난다. 예를 들어, α-Ag2S는 쉽게 원통형이나 막대 모양으로 가공될 수 있으며, 압축, 3점 굽힘, 인장 응력 하에서도 상당한 변형을 견딜 수 있다. 압축 시험에서는 50% 이상의 공학적 변형률을 유지하고, 굽힘 시험에서는 최대 20% 이상을 유지한다.[13]

α-Ag2S의 이러한 고유한 연성은 독특한 구조적 및 화학적 결합 특성에서 비롯된다. 원자 수준에서 살펴보면, 451 K까지 안정적으로 유지되는 단사정계 결정 구조는 원자와 전위가 '미끄럼면'(slip planes)이라고 불리는 명확한 결정학적 평면을 따라 이동할 수 있게 한다. 또한, 결정 구조 내의 동적인 결합은 원자층이 미끄러지는 것과 변형 중에도 재료의 형태가 유지되는 것을 모두 가능하게 한다. 미끄럼면 내의 원자 간 힘은 재료가 쪼개지는 것을 방지하면서도 상당한 유연성을 허용할 만큼 충분히 강하다.[13]

α-Ag2S의 연성에 대한 더 깊은 이해는 밀도 범함수 이론 계산을 통해 얻을 수 있다. 이 계산 결과는 주요 미끄럼면이 [100] 방향과 정렬되고 미끄러짐은 [001] 방향을 따라 발생함을 보여준다. 이러한 배열 덕분에 원자들은 층간 거리의 미세한 조정을 통해 응력 하에서 서로 미끄러질 수 있다. 이는 낮은 미끄럼 에너지 장벽(ΔEB)과 높은 쪼개짐 에너지(ΔEC)로 나타나며, 에너지적으로 유리한 조건임을 의미한다. 이러한 특성들은 파괴 없이 상당한 변형이 가능함을 보장한다. α-Ag2S의 은(Ag) 원자와 황(S) 원자는 일시적이면서도 강력한 상호작용을 형성하여 변형 중에도 재료의 구조적 무결성을 유지할 수 있게 한다. 이는 전위가 비교적 쉽게 이동하는 금속의 거동과 유사하며, α-Ag2S에 독특한 유연성과 강도의 조합을 부여하여 기계적 응력 하에서 균열에 대해 매우 강한 저항성을 갖게 한다.[13]

4. 역사

1833년 마이클 패러데이는 황화은의 저항이 온도가 증가함에 따라 극적으로 감소하는 것을 발견했다. 이는 반도체 물질에 대한 최초의 보고였다.[15]

황화은은 고전적인 정성 무기 분석의 구성 요소이다.[16]

5. 활용

도자기의 채색 등에 사용된다.

6. 기타

1833년 마이클 패러데이는 황화은의 저항이 온도가 증가함에 따라 크게 감소한다는 사실을 발견했다. 이는 반도체 물질에 대한 최초의 보고였다.[15] 또한 황화은은 고전적인 정성 무기 분석의 구성 요소로 사용된다.[16]

참조

[1] CRC
[2] 서적 A Dictionary of Chemical Solubilities: Inorganic https://archive.org/[...] The MacMillan Company 1921-02
[3] 서적 High Pressure Phase Transformations: A Handbook https://books.google[...] Gordon and Breach Science Publishers
[4] 서적 Handbook of Inorganic Chemicals The McGraw-Hill Companies, Inc.
[5] Sigma-Aldrich 2014-07-13
[6] 웹사이트 MSDS of Silver Sulfide http://www.saltlakem[...] Salt Lake Metals 2014-07-13
[7] 서적 Chemical Principles https://books.google[...] Cengage Learning
[8] 웹사이트 Degradation of Power Contacts in Industrial Atmosphere: Silver Corrosion and Whiskers https://nepp.nasa.go[...] 2002
[9] 논문 Electrochemical sulfide removal and recovery from paper mill anaerobic treatment effluent 2010
[10] 웹사이트 Control of Hydrogen Sulfide Generation {{!}} Water & Wastes Digest https://www.wwdmag.c[...] 2018-07-05
[11] 서적 Non-Tetrahedrally Bonded Elements and Binary Compounds I Springer Berlin Heidelberg
[12] 논문 The crystallography of silver sulfide, Ag2S
[13] 간행물 Room-temperature ductile inorganic semiconductor https://www.nature.c[...]
[14] 간행물 Flexible thermoelectrics based on ductile semiconductors https://www.science.[...]
[15] 웹사이트 1833 - First Semiconductor Effect is Recorded http://www.computerh[...] 2014-06-24
[16] 서적 Chemistry of the Elements Butterworth-Heinemann
[17] 기타
[18] 서적 A Dictionary of Chemical Solubilities: Inorganic https://archive.org/[...] The MacMillan Company 1921-02
[19] 서적 High Pressure Phase Transformations: A Handbook https://books.google[...] Gordon and Breach Science Publishers
[20] 서적 Non-Tetrahedrally Bonded Elements and Binary Compounds I Springer Berlin Heidelberg
[21] 서적 Handbook of Inorganic Chemicals The McGraw-Hill Companies, Inc.
[22] Sigma-Aldrich 2014-07-13
[23] 웹인용 MSDS of Silver Sulfide http://www.saltlakem[...] Salt Lake Metals 2014-07-13



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