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플루오린화 규소산

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목차

1. 개요

플루오린화 규소산(H₂SiF₆)은 다양한 수화물 형태로 존재하는 무색의 액체로, 인회석이나 플루오린인회석을 황산으로 처리하여 인산을 생산하는 과정에서 부산물로 생성된다. 이 산은 플루오린화 수소 또는 산성 수용액에서 안정하며, 플루오린화 알루미늄과 육플루오린산알루미늄나트륨의 생산, 플루오린규산염 염으로의 전환, 목재 방부, 납 정련, 녹 제거 세정제, 유기 합성 시약 등으로 사용된다. 플루오린화 규소산은 유해하며, 피부, 기도, 눈, 유리, 도자기, 금속을 부식시키고 플루오린화 수소를 방출할 수 있다.

2. 구조



플루오린화 규소산은 다양한 수화물 형태로 결정화되었다. 여기에는 (H5O2)2SiF6, 더 복잡한 (H5O2)2SiF6·2H2O, 그리고 (H5O2)(H7O3)SiF6·4.5H2O가 있다. 이들 염에서 팔면체 육플루오로규산 음이온은 양이온에 수소 결합되어 있다.[4]

3. 생성

육플루오린화 규소산은 규산염을 함유한 불소를 함유한 광물로부터 상업적으로 생산된다. 구체적으로, 인회석과 플루오린인회석을 황산으로 처리하여 수용성 비료의 전구체인 인산을 얻는다. 이를 습식 인산 공정이라고 한다.[5] 이 과정에서 부산물로, 규소를 함유한 광물 불순물과 관련된 반응으로 인해 톤당 약 50kg의 육플루오린화 규소산이 생성된다.[6]

이 과정에서 생성된 일부 플루오린화 수소(HF)는 광물 원료에 불가피하게 포함된 이산화 규소(SiO2) 불순물과 반응하여 사플루오린화 규소를 생성한다. 이렇게 생성된 사플루오린화 규소는 HF와 추가로 반응한다. 순 과정은 다음과 같다:[7]

:6 HF + SiO2 → SiF62- + 2 H3O+

육플루오린화 규소산은 사플루오린화 규소를 불산과 반응시켜 생성할 수도 있다.[7] 이산화 규소와 불산과의 반응, 사플루오린화 규소와 물과의 반응 등으로 얻을 수 있다. 불산에 의한 유리 부식으로 발생하는 것은 전자의 반응에 의한 것이다.

:SiO2 + 6HF(aq) → H2SiF6 + 2H2O

:3SiF4 + 4H2O → 2H2SiF6 + Si(OH)4

4. 반응

플루오린화 규소산은 플루오린화 수소 또는 산성 수용액에서만 안정하다. 알칼리성-중성 수용액에서는 쉽게 가수분해되어 플루오르화물 음이온과 비정질 수화 실리카(SiO2)를 생성한다.[7] 강염기는 처음에는 플루오로규산염을 생성하지만, 화학량론적 과량이 있으면 가수분해가 시작된다.[7] 일반적으로 수돗물 불소화에 사용되는 농도에서 99%의 가수분해가 일어난다.[8]

:SiF62- + 2 H2O → 6 F- + SiO2 + 4 H+

플루오린화 규산 용액을 알칼리 금속 염기로 중화하면 해당 알칼리 금속 플루오로규산염이 생성된다.

:H2SiF6 + 2 NaOH → Na2SiF6 + 2 H2O

생성된 염인 육플루오로규산나트륨(Na2SiF6)은 주로 수돗물 불소화에 사용된다. 육플루오로규산나트륨을 가열하면 사플루오린화 규소가 생성된다.[10]

:Na2SiF6 → SiF4 + 2 NaF

5. 용도

플루오린화 규소산은 대부분 플루오린화 알루미늄과 합성 크라이올라이트로 전환된다. 이러한 물질은 알루미늄 광석을 알루미늄 금속으로 변환하는 데 핵심적인 역할을 한다.[7] 또한 플루오린규산칼륨은 도자기 생산에, 플루오린규산마그네슘은 경화 콘크리트 및 살충제로, 플루오린규산바륨은 형광체로 사용되는 등 다양한 육플루오린규산염 염으로 전환된다.

플루오린화 규소산과 그 염은 목재 방부제로 사용된다.[11] 납을 정련하는 베츠 전해 공정의 전해질로도 사용된다. 옥살산과 함께 녹 제거 세정제의 활성 성분이며, 유기 합성에서 실릴 에테르의 Si-O 결합을 절단하는 데 사용되는 특수한 시약이다.[12] 콘크리트 표면에 도포하면 산에 대한 저항성을 갖게 된다.[13] 그 외에 납의 전해 정련, 금속의 표면 처리, 도자기의 경화 촉진제, 섬유의 매염제 등으로 사용된다.

6. 천연 염

희귀한 광물 중 일부는 화산 또는 석탄 화산공에서 발견되며, 육플루오르규산의 염이다. 예로는 크립토할라이트와 바라라이트가 있으며, 이들은 플루오르규산 암모늄의 두 가지 다형체이다.[14][15][16]

7. 안전성

플루오린화 규소산은 증발 시 플루오린화 수소를 방출할 수 있어 유해하다. 증기를 흡입하면 폐부종을 유발할 수 있다.[17] 플루오린화 수소와 마찬가지로 유리 및 석기를 부식시킨다.[17] 플루오린화 규소산의 LD50 값은 430mg/kg이다.[18]

수용액은 강한 이염기산이며, 피부, 기도, 안구, 유리, 도자기, 금속을 부식시킨다. 보관에는 폴리에틸렌이나 불소 수지로 만든 용기가 사용된다. 경구 섭취 시 반수 치사량은 430mg/kg[18]이며, 증기 흡입으로 폐수종을 일으키는 경우도 있다. 불연성이지만, 가열에 의해 분해되어 불화 수소 흄을 발생시킨다. 금속과 반응하여 수소를 생성한다.

참조

[1] 서적 Ionisation Constants of Inorganic Acids and Bases in Aqueous Solution Pergamon
[2] 서적 Dana’s System of Mineralogy, Volume II: Halides, Nitrates, Borates, Carbonates, Sulfates, Phosphates, Arsenates, Tungstates, Molybdates, etc. John Wiley and Sons, Inc.
[3] 서적 Handbook of Mineralogy, Volume III: Halides, Hydroxides, Oxides https://www.handbook[...] Mineral Data Publishing
[4] 논문 The Crystalline Hydrates of Hexafluorosilicic Acid: A Combined Phase-Analytical and Structural Study
[5] 간행물 Fluorspar http://minerals.usgs[...] USGS
[6] 웹사이트 Sodium Hexafluorosilicate [CASRN 16893-85-9] and Fluorosilicic Acid [CASRN 16961-83-4] Review of Toxicological Literature https://ntp.niehs.ni[...] 2017-07-13
[7] 문서 Fluorine Compounds, Inorganic 2005
[8] 논문 Reexamination of Hexafluorosilicate Hydrolysis by 19F NMR and pH Measurement
[9] 서적 Silicon Tetrafluoride
[10] 특허 Patent Silicon tetrafluoride generation
[11] 논문 Modification of wood with silicon compounds. inorganic silicon compounds and sol-gel systems: a review
[12] 서적 Encyclopedia of Reagents for Organic Synthesis John Wiley & Sons 2001
[13] 문서 Properties of Concrete
[14] 웹사이트 Cryptohalite https://www.mindat.o[...]
[15] 웹사이트 Bararite https://www.mindat.o[...]
[16] 논문 Carbon‑nitrogen compounds, alcohols, mercaptans, monoterpenes, acetates, aldehydes, ketones, SF6, PH3, and other fire gases in coal-mining waste heaps of Upper Silesian Coal Basin (Poland) – a re-investigation by means of in situ FTIR external database approach
[17] 웹사이트 Fluorosilicic Acid – International Chemical Safety Cards http://niosh.dnacih.[...] 2015-03-10
[18] 웹사이트 ケイフッ化水素酸-職場の安全サイト https://anzeninfo.mh[...] 厚生労働省
[19] 웹사이트 ケイフッ化水素酸-職場の安全サイト https://anzeninfo.mh[...] 厚生労働省
[20] 웹사이트 米国および世界のフッ化物応用の現状（トーマス・G・リーブス） http://www.f-take.co[...]


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