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과산화 리튬

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1. 개요

과산화 리튬은 과산화 수소와 수산화 리튬의 반응으로 합성되는 무기 화합물이다. 공기 정화, 리튬-공기 전지, 스티렌 중합 등 다양한 용도로 사용되며, 이산화 탄소를 흡수하고 산소를 방출하는 특성이 있다. 과산화 리튬은 산화제이므로 물, 유기물 등과 격리하여 보관해야 하며, 대한민국 소방법에 따라 위험물로 분류된다.

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과산화 리튬 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
과산화 리튬 구조
과산화 리튬
리튬 이온과 과산화 이온
Li+     O
IUPAC 이름과산화 리튬
다른 이름다이리튬 과산화물
리튬(I) 과산화물
화학식Li2O2
몰 질량45.885 g/mol
외관고운 흰색 가루
냄새무취
용해도용해됨
구조
결정 구조육각형
열화학
표준 생성 엔탈피-13.83 kJ/g
위험성
GHS 그림 문자
GHS 신호어위험
NFPA 704건강: 3
반응성: 2
화재: 0
기타: OX
관련 화합물
관련 음이온해당 없음
관련 양이온과산화 나트륨
과산화 칼륨
과산화 루비듐
과산화 세슘
기타 화합물해당 없음
물리적 성질
밀도2.32 g/cm3
녹는점~450°C에서 Li2O으로 분해되지만 197°C에서 녹음
끓는점해당 없음
데이터
ChemSpider ID23787
InChI1/2Li.O2/c;;1-2/q2*+1;-2
InChIKeyHPGPEWYJWRWDTP-UHFFFAOYAV
SMILES[Li+].[Li+].[O-][O-]
표준 InChI1S/2Li.O2/c;;1-2/q2*+1;-2
표준 InChIKeyHPGPEWYJWRWDTP-UHFFFAOYSA-N
CAS 등록번호12031-80-0
UNII9ANX556R5F
PubChem CID25489

2. 합성

과산화 수소수산화 리튬의 반응을 통해 과산화 리튬을 합성할 수 있다.[13][14] 이 반응은 초기에 과산화수소 리튬을 생성하며, 이는 일과수화물과 삼수화물(Li2O2·H2O2·3H2O)로 존재할 수 있다. 이 물질을 탈수시키면 무수 과산화 리튬이 생성된다.[4][5]

고체 과산화 리튬의 구조는 X선 결정학 및 밀도 범함수 이론에 의해 결정되었다. 고체는 약 1.5 Å의 O-O 거리를 갖는 엇갈린 "에탄 유사" Li6O2 서브유닛을 특징으로 한다.[6]

공업적으로는 과산화 수소와 수산화 리튬을 반응시킨 후 탈수하여 제조한다.[9]

2. 1. 반응식

과산화 수소수산화 리튬의 반응으로 과산화 리튬이 제조된다. 이 반응은 처음에 과산화수소 리튬을 생성한다.[4][5]

:LiOH + H2O2 → LiOOH + H2O

이 과산화수소 리튬은 과산화수소 리튬 일과산화수소 삼수화물(Li2O2·H2O2·3H2O)로 존재할 수 있다. 이 물질을 탈수시키면 무수 과산화물 염이 생성된다.

:2 LiOOH → Li2O2 + H2O2 + 2 H2O

Li2O2는 약 450 °C에서 분해되어 산화 리튬을 생성한다.

:2 Li2O2 → 2 Li2O + O2

195℃에서 분해되어 산소를 방출하고 산화 리튬이 된다.

:2Li2O2 -> 2Li2O + O2

이산화 탄소와 반응하여 산소를 방출한다.

:2Li2O2 + 2CO2 -> 2Li2CO3 + O2

3. 용도

과산화 리튬은 공기 청정기에서 중량이 중요한 곳, 예를 들어 우주선이나 잠수함 등에서 사용된다. 이 물질은 이산화 탄소를 흡수하고 산소를 방출하는 특징이 있다.[10]

:2 Li2O2 + 2 CO2 → 2 Li2CO3 + O2

수산화 리튬보다 같은 무게에서 더 많은 이산화 탄소를 흡수하고, 더 많은 산소를 방출한다.[16] 또한, 다른 알칼리 금속 과산화물과 달리 흡습성이 없다.

과산화 리튬의 역반응은 리튬-공기 전지의 기반 기술이다. 대기 중 산소를 사용하므로 반응에 필요한 산소를 별도로 저장할 필요가 없어 배터리 무게와 크기를 줄일 수 있다.[17]

3. 1. 공기 정화

과산화 리튬은 이산화 탄소를 흡수하고 산소를 방출하는 반응을 한다.[10]

:2 Li₂O₂ + 2 CO₂ → 2 Li₂CO₃ + O₂

이러한 특징 때문에 우주선이나 잠수함과 같이 공기 정화가 필요하면서 무게가 중요한 밀폐된 공간에서 이산화 탄소를 흡수하고 산소를 방출하는 데 사용된다.[4][10] 과산화 리튬은 같은 무게의 수산화 리튬보다 더 많은 양의 이산화 탄소를 흡수하며, 더 많은 양의 산소 결합을 제공한다.[16] 또한, 대부분의 다른 알칼리 금속 과산화물과는 달리 흡습성이 없다.

우주선의 공기 청정기 등에 사용되는 이유는 이산화 탄소와 반응하여 산소를 방출하기 때문이다.[9] 수산화 리튬이 이산화 탄소와 반응하여 탄산 리튬(1 Li₂CO₃) 및 물(1 H₂O)을 방출하는 반응과 유사하게, 과산화 리튬은 높은 흡수 능력을 가지고 있으며 동일한 무게의 수산화 리튬보다 더 많은 CO₂를 흡수하며 물 대신 산소를 방출하는 장점이 있다.[7]

과산화 리튬의 역반응은 리튬-공기 배터리의 기초가 된다. 대기 중 산소를 사용함으로써 반응에 필요한 산소를 제거하여 배터리의 무게와 크기를 줄일 수 있다.[17] 2014년 오하이오 주립 대학교에서 리튬 공기 배터리와 공기 투과성 메쉬 형태 태양 전지의 결합이 발표되었다.[18] 두 가지 기능을 하나의 장치 ("태양 전지")에서 결합하면 별도의 장치 및 제어기에 비해 비용을 크게 줄일 수 있다.

3. 2. 리튬-공기 배터리

과산화 리튬의 가역 반응은 리튬-공기 전지의 기반 기술이다.[17][8] 대기 중의 산소를 활용함으로써 전지는 반응을 위해 산소를 저장할 필요가 없어 배터리의 무게와 크기를 줄일 수 있다.[17][8]

2014년 오하이오 주립 대학교에서 리튬 공기 배터리와 공기 투과성 메쉬 형태의 태양 전지를 결합하는 데 성공했다고 발표했다.[18] 두 가지 기능을 하나의 장치 ("태양 전지")에 결합하면 현재 사용되는 별도의 장치 및 제어기에 비해 비용을 크게 줄일 수 있다.

3. 3. 스티렌 중합

과산화 리튬은 스티렌의 폴리스타이렌 중합 반응에 촉매로 작용할 수 있다. 스티렌의 폴리스타이렌 중합 반응은 일반적으로 자유 라디칼 연쇄 반응 메커니즘을 통해 라디칼 개시제를 사용하는 것이 일반적이지만, 과산화 리튬도 특정 조건 하에서 라디칼 중합 반응을 개시할 수 있으며, 널리 사용되지는 않는다.

4. 물리적, 화학적 성질

과산화 수소수산화 리튬의 반응으로 과산화 리튬이 제조된다. 이 반응은 처음에 과산화수소 리튬을 생성한다:[4][5]

:LiOH + H2O2 → LiOOH + H2O

이 과산화수소 리튬은 과산화수소 리튬 일과산화수소 삼수화물(Li2O2·H2O2·3H2O)로 존재할 수 있다. 이 물질을 탈수시키면 무수 과산화물 염이 생성된다.

:2 LiOOH → Li2O2 + H2O2 + 2 H2O

과산화 리튬은 약 450 °C에서 분해되어 산화 리튬을 생성한다.[6]

:2 Li2O2 → 2 Li2O + O2

4. 1. 결정 구조

고체 과산화 리튬의 구조는 X선 결정학 및 밀도 범함수 이론에 의해 결정되었다.[6] 고체는 약 1.5Å의 O-O 거리를 갖는 엇갈린 "에탄 유사" Li6O2 서브유닛을 특징으로 한다.[6]

5. 안전성

산화제이며, , 유기물, 금속의 산화물 및 염 등과 반응하기 때문에 이러한 것들과 격리하여 보관해야 한다.

6. 법규제

대한민국에서는 소방법에 따라 제1류 위험물(산화성 고체)인 무기 과산화물로 분류된다.

참조

[1] 서적 Physical Constants of Inorganic Compounds http://www.hbcpnetba[...] CRC Press/Taylor and Francis 2011
[2] 서적 Lange's Handbook of Chemistry http://www.knovel.co[...] McGraw-Hill 2005
[3] 논문 2013
[4] 서적
[5] 서적 Lithium and Sodium Peroxides Academic Press 1963
[6] 논문 On the structure of lithium peroxide, Li2O2 2005
[7] 간행물 Lithium and Lithium Compounds Wiley-VCH 2005
[8] 논문 Lithium- air battery: Promise and challenges 2010-07-02
[9] 문서 転送
[10] 서적 Physical Constants of Inorganic Compounds http://www.hbcpnetba[...] CRC Press/Taylor and Francis 2011
[11] 서적 Lange's Handbook of Chemistry http://www.knovel.co[...] McGraw-Hill 2005
[12] 논문 2013
[13] 서적
[14] 서적 Lithium and Sodium Peroxides Academic Press 1963
[15] 논문 On the structure of lithium peroxide, Li2O2 2005
[16] 간행물 Lithium and Lithium Compounds Wiley-VCH 2005
[17] 논문 Lithium- air battery: Promise and challenges 2010-07-02
[18] 뉴스 Patent-pending device invented at The Ohio State University: the world’s first solar battery. http://news.osu.edu/[...]



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