사산소
1. 개요
사산소(O₄)는 1924년 길버트 뉴턴 루이스가 액체 산소의 특성을 설명하기 위해 처음 예측한 물질이다. 이론적으로는 두 개의 O₂ 분자가 결합된 형태 또는 평면 삼각형 구조 등 다양한 형태가 예측되었으나, 실제로는 불안정하여 일시적으로 존재하거나 특정 조건에서 O₂ 분자 복합체 형태로 관찰되었다. 고체 산소의 한 형태인 적색 산소가 사산소일 것으로 추정되었으나, X선 결정학 연구를 통해 팔산소(O₈)임이 밝혀졌다. 사산소는 대기 광학 흡수 분광법에서 에어로졸 반전을 달성하는 데 활용되기도 한다.
| 화학식 | O4 |
|---|---|
| 몰 질량 | 63.9976g·mol−1 |
| 관련 산소 | 산소 오존 |
|---|
| 주 위험 | 산화제 |
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2001년 과학 -
2001년 6월 21일 일식
2001년 6월 21일 일식은 남부 대서양과 아프리카에서 관측된 개기 일식으로, 하지 및 화성의 지구 최근접 시기와 겹쳤으며, 사로스 주기 127에 속하는 특별한 현상이다. -
2001년 과학 -
2001년 12월 14일 일식
2001년 12월 14일 일식은 중앙아메리카와 콜롬비아, 베네수엘라에서 관측된 금환 일식으로, 여러 천문 주기에 따라 반복되며 1982년, 2020년 일식과 메토닉 주기를 공유한다. -
산소 화합물 -
하이드로늄 이온
하이드로늄 이온(<chem>H₃O⁺</chem>)은 수용액에서 자체 이온화되거나 강산 첨가 시 생성되는 이온으로, 삼각뿔 형태의 분자 구조를 가지며 수용액의 산성도 pH 결정 및 성간 매질 분자 구름 내 화학 반응에 중요한 역할을 한다. -
산소 화합물 -
과염소산염
과염소산염은 로켓 추진제나 불꽃놀이의 산화제로 사용되는 염소의 산소산 음이온 화학 물질로, 과거 갑상선 질환 치료에도 사용되었으나 환경 오염과 갑상선 기능 저하 등의 건강 영향을 미칠 수 있다는 우려가 있다. -
산화제 -
왕수
왕수는 진한 질산과 염산을 1:3 몰 비율로 혼합한 것으로, 금이나 백금 같은 귀금속을 녹일 수 있는 강력한 산화력을 가진 용액이며, 염화 금산 제조, 식각, 분석화학 등에 사용된다. -
산화제 -
질산
질산은 강산이자 강력한 산화력을 지닌 무색 액체로, 비료, 폭발물, 나일론 생산 등 산업에 널리 쓰이지만 부식성과 테러 악용 위험성도 있으며, 현재는 주로 암모니아 산화법으로 생산된다.
2. 역사
1924년 길버트 뉴턴 루이스는 액체 산소가 퀴리의 법칙을 따르지 않는 현상을 설명하기 위해 사산소(O4)를 예측했다. 이후 컴퓨터 시뮬레이션 결과 액체 산소에 안정적인 O4 분자는 없지만, O2 분자가 반평행 스핀을 가지며 쌍을 이루어 일시적인 O4 단위를 형성하는 경향이 있다는 것이 밝혀졌다.
1999년에는 10 GPa 이상의 압력에서 적색 산소로 알려진 고체 산소가 O4일 것이라는 추정이 있었으나, 2006년 X선 결정학을 통해 이 상은 팔산소()임이 밝혀졌다. 그러나 양전하를 띤 사산소는 질량 분석법 실험에서 짧은 수명의 화학종으로 검출되었다.
2.1. 초기 예측
길버트 뉴턴 루이스는 1924년에 액체 산소가 퀴리의 법칙을 따르지 않는 현상을 설명하기 위해 사산소의 존재를 처음 예측했다. 컴퓨터 시뮬레이션에 따르면 액체 산소에는 안정적인 O4 분자가 존재하지 않지만, O2 분자가 반평행 스핀을 가지고 쌍을 이루어 일시적인 O4 단위를 형성하는 경향이 있다.
1999년, 연구자들은 10 GPa 이상의 압력에서 적색 산소로 알려진 고체 산소의 ε-상이 O4일 것이라고 추정했다. 그러나 2006년, X선 결정학을 통해 이 안정적인 상이 실제로는 팔산소()임이 밝혀졌다. 그럼에도 불구하고, 양전하를 띤 사산소는 질량 분석법 실험에서 짧은 수명을 가진 화학종으로 검출되었다.
이론 계산에 따르면, 삼플루오린화 붕소와 같이 세 개의 산소 원자가 하나의 산소 원자에 결합된 평면 삼각형 구조와 사이클로뷰테인과 같이 약간 왜곡된 사각형 구조, 두 가지의 준안정 상태 O4 분자가 존재할 수 있다.
2001년 로마 라 사피엔차 대학교 연구팀은 중성자화 재이온화 질량 분석법을 사용하여 유리(free) O4 분자의 구조를 측정했다. 그 결과, 유리 O4 분자의 구조는 이전에 제안된 두 가지 분자 구조와는 일치하지 않았지만, 바닥 상태와 특정 들뜬 상태에 있는 두 개의 O2 분자 복합체로 확인되었다.
2.2. 존재 확인
길버트 뉴턴 루이스는 1924년에 액체 산소가 퀴리의 법칙을 따르지 않는 이유를 설명하기 위해 사산소의 존재를 처음으로 예측했다. 컴퓨터 시뮬레이션에 따르면 액체 산소에 안정적인 O4 분자는 없지만, O2 분자가 반평행 스핀을 가진 쌍을 이루어 일시적인 O4 단위를 형성하는 경향이 있다.
1999년, 연구자들은 10 GPa 이상의 압력에서 적색 산소로 알려진 고체 산소 ε-상이 O4일 것이라고 추정했다. 그러나 2006년 X선 결정학을 통해 이 안정한 상은 실제로 팔산소()임이 밝혀졌다. 그럼에도 불구하고, 양전하를 띤 사산소는 질량 분석법 실험에서 짧은 수명을 가진 화학종으로 검출되었다.
이론 계산에 따르면, 삼플루오린화 붕소와 같이 세 개의 산소 원자가 하나의 산소 원자에 결합된 평면 삼각형 구조와 사이클로뷰테인과 같이 약간 찌그러진 사각형 구조, 두 가지의 다른 준안정 상태 O4 분자가 존재할 수 있다.
2001년 로마 라 사피엔차 대학교 연구팀은 중성자화 재이온화 질량 분석법을 사용하여 유리 O4 분자의 구조를 측정했다. 그 결과, 유리 O4 분자의 구조는 이전에 제안된 두 가지 분자 구조와 일치하지 않았지만, 바닥 상태와 특정 들뜬 상태에 있는 두 개의 O2 분자 복합체로 확인되었다.
3. 구조
이론적 계산에 따르면 두 가지 다른 형태의 준안정한 O4 분자의 존재가 예측되었다. 하나는 시클로뷰테인 또는 S4와 같은 "굽은" 사각형이고, 다른 하나는 삼각 평면 분자 구조로 삼불화 붕소 또는 SO3와 유사하게 세 개의 산소 원자가 중심 원자를 둘러싸는 "풍차" 형태이다. 이전에는 "풍차" O4 분자가 등전자성 계열 , , , SO3와 유사한 자연스러운 연속체여야 한다고 지적되었다. 이러한 관찰이 앞서 언급된 이론적 계산의 근거가 되었다.
| 준안정 O4의 이론적 구조 | |
2001년 로마 라 사피엔차 대학교의 연구팀은 자유 O4 분자의 구조를 조사하기 위해 중화-재이온화 질량 분석법 실험을 수행했다. 그들의 결과는 제안된 두 분자 구조 중 어느 것과도 일치하지 않았지만, 두 개의 O2 분자 사이의 복합체와 일치했으며, 하나는 바닥 상태에 있고 다른 하나는 특정 여기 상태에 있었다.
4. 응용
이론적 계산에 따르면 두 가지 다른 형태의 준안정한 O4 분자의 존재가 예측되었다. 하나는 시클로뷰테인 또는 S4와 같은 "굽은" 사각형이고, 다른 하나는 삼각 평면 분자 구조로 삼불화 붕소 또는 SO3와 유사하게 세 개의 산소 원자가 중심 원자를 둘러싸는 "풍차" 형태이다. 이전에는 "풍차" O4 분자가 등전자성 계열인 , , , SO3와 유사한 자연스러운 연속체여야 한다고 지적되었다.
| 준안정 O4의 이론적 구조 | |
|---|---|
| D2d 구조 | D3h 구조 |
2001년, 로마 라 사피엔차 대학교의 연구팀은 자유 O4 분자의 구조를 조사하기 위해 중화-재이온화 질량 분석법 실험을 수행했다. 그들의 결과는 제안된 두 분자 구조 중 어느 것과도 일치하지 않았지만, 두 개의 O2 분자 사이의 복합체와 일치했으며, 하나는 바닥 상태에 있고 다른 하나는 특정 여기 상태에 있었다.
360, 477 및 577 nm에서 O4의 흡수 띠는 대기 광학 흡수 분광법에서 에어로졸 반전을 달성하는 데 자주 사용된다. O2와 그에 따른 O4의 알려진 분포로 인해 O4 사선 컬럼 밀도를 사용하여 에어로졸 프로파일을 검색할 수 있으며, 이는 다시 대기 복사 전달 코드에서 빛 경로를 모델링하는 데 사용할 수 있다.