브로민화 수소

1. 개요

브로민화 수소는 신랄한 냄새가 나는 비휘발성 기체로, 물에 잘 녹아 수소산화하여 브로민화 수소산을 형성한다. 유기 및 무기 화학 반응의 시약 및 촉매로 사용되며, 알코올, 알켄, 알카인, 할로알켄 등 다양한 유기 화합물로부터 브로민화 알킬, 브로모알케인 등을 생성하는 데 사용된다. 실험실에서는 다양한 방법으로 합성할 수 있으며, 공업적으로는 수소와 브로민을 반응시켜 제조한다. 브로민화 수소의 수용액은 브로민화 수소산으로, 강산이며 부식성이 강하여 흡입 시 폐 손상을 일으킬 수 있다.

2. 특징

브로민화 수소는 상온에서 신랄한 냄새가 나는 비휘발성 기체로, 습도 높은 공기와 접촉하면 브로민화 수소산을 형성한다. 물에 잘 녹으며, 298K에서 물에 용해하면 물 중량의 68.85%가 브로민화 수소산으로 용해되어 포화 상태가 된다. 전체 무게의 47.38%가 용해된 브로민화 수소로 구성된 물은 126°C에서 끓는 공비 혼합물이 되는데, 용해된 브로민화 수소의 비율이 더 낮을 경우 H₂O는 브로민화 수소의 함유량이 47.38%에 이를 때까지 100°C에서 계속 증발한다.

3. 용도

브로민화 수소는 다양한 유기 및 무기 화합물의 합성에 사용되는 중요한 시약이다. 에폭시 화합물(epoxide)이나 락톤(lactone)을 열거나 브로모아세탈(bromoacetal)을 합성하는 데에도 쓰이고, 여러 유기 반응에서 촉매로도 사용된다.

3.1. 유기 화학

알코올로부터 브로민화 알킬(alkyl bromide)을 생성한다.

::ROH + HBr → RBr + H₂O

알켄에 첨가되어 브로모알케인(bromoalkane)을 생성한다. 이는 친전자성 첨가 반응의 일종이다.

::RCH=CH₂ + HBr → RCHBr–CH₃

알카인에 첨가되어 브로모알켄(bromoalkene)을 생성한다. 일반적으로 안티(anti) 입체화학을 따른다.

::RC≡CH + HBr → RCBr=CH₂

할로알켄(haloalkene)에 첨가되어 이중 할로알케인(gem-디할로알케인)을 생성한다. 이 반응은 마르코프니코프의 법칙(Markovnikov's rule)을 따른다.

::RCBr=CH₂ + HBr → RCBr₂–CH₃

에폭시 화합물(epoxide) 및 락톤(lactone)의 고리 열림 반응에 사용된다. 또한, 브로모아세탈(bromoacetal) 합성에도 사용되며, 다양한 유기 반응에서 촉매로 사용된다.

디클로로메탄과 반응하여 브로모클로로메탄 및 디브로모메탄을 생성한다. (메타테시스 반응)

::HBr + CH2Cl2 -> HCl + CH2BrCl
::HBr + CH2BrCl -> HCl + CH2Br2

알릴 알코올을 처리하여 알릴 브로마이드를 제조한다.

::CH2=CHCH2OH + HBr → CH2=CHCH2Br + H2O

트리페닐포스핀과 반응하여 트리페닐포스포늄 브로마이드를 생성한다.

::P(C6H5)3 + HBr → [HP(C6H5)3]+Br-

3.2. 무기 화학

바나듐(III) 브로마이드와 몰리브덴(IV) 브로마이드는 고차 염화물을 브로민화 수소(HBr)로 처리하여 제조한다. 이러한 반응은 산화 환원 반응을 통해 진행된다.

4. 합성법

브로민화 수소는 실험실 합성법과 공업적 제조법 등 다양한 방법으로 합성할 수 있다.

하위 섹션에서 다룰 실험실 합성법은 다음과 같다.

* 브로민화 나트륨(NaBr) 또는 브로민화 칼륨(KBr) 용액을 인산(H₃PO₄)이나 황산(H₂SO₄)과 함께 증류한다.
* 브로민을 물(H₂O) 및 황(S)과 반응시킨다.
* 테트랄린(C₁₀H₁₂)을 브롬화한다.
* 아인산(H₃PO₃)으로 브로민을 환원시킨다.
* 무수 브로민화 수소는 자일렌(xylene)을 환류시키는 조건에서 트라이페닐포스포늄의 열분해를 통해 소규모로 생산할 수 있다.

공업적으로는 수소와 브로민을 200~400°C에서 반응시켜 제조하며, 이때 백금이나 석면을 촉매로 사용한다.

4.1. 실험실 합성

브로민화 수소는 다양한 방법으로 합성할 수 있다.

* 브로민화 나트륨(NaBr) 또는 브로민화 칼륨(KBr) 용액을 인산(H₃PO₄)이나 황산(H₂SO₄)과 함께 증류한다. 다만, 황산은 생성된 브로민화 수소를 다시 산화시켜 브로민(Br₂)으로 만들기 때문에 덜 효과적이다.
:: 3 NaBr + H₃PO₄ → 3 HBr + Na₃PO₄
:: 2 HBr + H₂SO₄ → Br₂ + SO₂ + 2 H₂O

* 브로민을 물(H₂O) 및 황(S)과 반응시킨다.
:: 2 Br₂ + S + 2 H₂O → 4 HBr + SO₂

* 테트랄린(C₁₀H₁₂)을 브롬화한다.
:: C₁₀H₁₂ + 4 Br₂ → C₁₀H₈Br₄ + 4 HBr

* 아인산(H₃PO₃)으로 브로민을 환원시킨다.
:: Br₂ + H₃PO₃ + H₂O → H₃PO₄ + 2 HBr

* 무수 브로민화 수소는 자일렌(xylene)을 환류시키는 조건에서 트라이페닐포스포늄의 열분해를 통해 소규모로 생산할 수 있다.

위의 방법으로 제조된 브로민화 수소는 Br₂ 불순물을 포함할 수 있다. 이 경우, 구리 조각이나 페놀(phenol)을 통과시켜 Br₂를 제거할 수 있다.

4.2. 공업적 제조

브로민화 수소(브로민화 수소산 포함)는 비슷한 특성을 가진 염화물보다 훨씬 더 적은 양이 산출된다. 공업적으로는 수소와 브로민을 200~400°C에서 반응시켜 제조하며, 이때 백금이나 석면을 촉매로 사용한다.

5. 브로민화 수소산

브로민화 수소의 수용액은 브로민화 수소산이라고 불리며, 염산과 유사한 성질을 가진 강산이다. 47.63% 브로민화 수소산은 124.3°C에서 끓는 공비 혼합물이다. 시판품은 공비 혼합물에 가까운 48%(d=1.48g cm⁻³, 8.8mol dm⁻³) 정도의 것이 일반적이며, 대한민국에서는 독물 및 극물 단속법에 의해 의약품 외 극물로 지정된다.

물에 대한 용해열은 매우 크며 할로겐화 수소 중에서 최대이다.

:HBr(g) <=> H^+(aq) + Br^-(aq),　　　$\backslash mathit\{\backslash Delta\}H^\backslash circ\; =\; -85.15\backslash mbox\{kJ\; mol\}^\{-1\}$

약간 산화되기 쉬워 공기나 빛에 의해 분해되어 브로민을 유리하여 황색을 띨 수 있다.

수용액 중에서의 산 해리 상수(pKa)는 직접적인 측정이 불가능하지만, 열역학적인 사이클에 의해 -9로 추정된다.

6. 안전성

브로민화 수소는 부식성이 매우 강하며 흡입하면 폐 손상을 일으킬 수 있다.