사산화 이질소

3. 제조

사산화 이질소는 주로 암모니아의 촉매 산화를 통해 제조된다.^[10] 첫 단계에서 암모니아는 일산화 질소(NO)로 산화된다.^[10][11]

:4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O

대부분의 물은 응축되어 배출되고, 가스가 냉각되면 일산화 질소가 이산화 질소(NO₂)로 산화된 후, 이합되어 사산화 이질소가 된다.^[10][11]

:2NO + O₂ → 2NO₂

:2NO₂ ⇌ N₂O₄

농축된 질산과 금속 구리의 반응을 통해서도 얻을 수 있다.^[10][11] 이 방법은 주로 실험실에서 사용된다.^[11] 질산에 의해 구리가 산화되며, 질산 농도와 산소 존재 여부 등 여러 요인에 의해 다양한 질소산화물이 형성되는데, 그중 불안정한 것이 반응하여 이산화질소가 되고, 이합체화되어 사산화 이질소가 된다.^[11] 금속 질산염을 가열하여 생성할 수도 있다.^[11]

4. 로켓 추진제

사산화 이질소는 액체로 저장이 가능하기 때문에 로켓 추진에 있어서 산화제로 매우 중요한 물질이다.^{[12][13][14][15]} 하이드라진기반 로켓 연료와 함께 접촉점화성 추진제로 쓰인다. 1950년대 후반부터 미국과 소련의 많은 로켓에서 선택되는 저장 가능한 산화제가 되었으며, 히드라진 기반의 로켓 연료와 결합하면 자연 발화성 추진제가 된다.

초기에는 타이탄 로켓에 사용되었으며, 미국의 제미니 계획과 아폴로 계획 우주선, 우주왕복선에서도 사용되었다.^[16] 또한, 대부분의 정지궤도 위성과 많은 심우주 탐사선의 위치 유지 추진제로 계속 사용되고 있다. 러시아의 프로톤 로켓과 중국의 장정 로켓에서도 주요 산화제로 사용되고 있다.

추진제로 사용될 때, 사산화이질소는 일반적으로 "사산화질소"로 불리며 약어 "NTO"가 널리 사용된다. NTO는 종종 소량의 일산화질소를 첨가하여 티타늄 합금의 응력 부식균열을 억제하는데 사용되며, 이러한 형태의 추진제 등급 NTO는 "혼합 질소 산화물(Mixed Oxides of Nitrogen)"(''MON'')이라고 한다. 대부분의 우주선은 이제 NTO 대신 MON을 사용한다.

4. 1. 사용 사례

4. 2. 아폴로-소유즈 계획 사고

5. 발전 시스템 응용

사산화 이질소(N₂O₄)가 이산화 질소(NO₂)로 가역적으로 분해되는 성질을 이용한 발전 시스템 연구가 진행되었다.^[19] "차가운" 사산화 이질소를 압축하고 가열하면, 분자량이 절반인 이산화 질소로 해리된다. 이 고온의 이산화 질소는 터빈을 통해 팽창되어 냉각되고 압력이 낮아지며, 그 후 열 싱크에서 더욱 냉각되어 원래 분자량의 사산화 이질소로 재결합한다. 이러한 해리 기체 브레이턴 사이클은 발전 설비의 효율을 상당히 높일 가능성이 있다.^[20]

수증기에 비해 이산화 질소의 분자량이 높고 체적 팽창률이 작기 때문에 터빈을 더욱 소형화할 수 있다.^[21]

N₂O₄는 1985년부터 1987년까지 운영되었던 파미르-630D 휴대용 원자로의 "니트린"(nitrin) 작동 유체의 주성분이었다.^[22]

6. 화학 반응

사이산화이질소는 다양한 화학 반응이 알려져 있다.^[27]

==== 질산 제조 ====

질산은 사산화 이질소(N₂O₄)를 통해 대량으로 생산된다. 사산화 이질소는 물과 반응하여 아질산(HNO₂)과 질산(HNO₃)을 생성한다.

:N₂O₄ + H₂O → HNO₂ + HNO₃

부산물인 아질산은 가열 시 불균등화를 통해 일산화 질소(NO)와 질산으로 분해된다. 산소에 노출된 일산화 질소는 다시 이산화 질소(NO₂)로 전환된다.

:2 NO + O₂ → 2 NO₂

생성된 이산화 질소는 사산화 이질소와 혼합물을 형성하여 다시 순환되어 아질산과 질산의 혼합물을 생성할 수 있다.

==== 금속 질산염 합성 ====

사산화 이질소는 [NO⁺][NO₃⁻] 염으로 작용하여 다양한 금속 질산염 합성에 사용된다.^[23] N₂O₄는 자체 이온화를 거쳐 강한 산화제인 니트로소늄 이온([NO⁺])을 생성한다.^[23]

일반적인 반응식은 다음과 같다.

: 2 N₂O₄ + M → 2 NO + M(NO₃)₂

여기서 M은 Cu, Zn, Sn이 될 수 있다.

무수 조건에서 전이 금속과 반응하여 공유 결합성 금속 질산염을 생성할 수 있다.^[23] 이는 질산염 이온이 이온 구조를 형성하는 것보다 금속과 공유 결합을 형성하는 것이 열역학적으로 더 선호되기 때문이다. 질산염 이온은 물보다 훨씬 약한 배위자이므로, 화합물은 무수 조건에서 제조되어야 한다.^[23] 물이 존재하면 수화된 금속 이온의 단순한 질산염이 형성된다.

무수 질산염은 공유 결합성을 띄는데, 일례로 무수 질산 구리는 상온에서 휘발하며, 무수 질산 타이타늄은 진공 상태에서 40 °C에서 승화한다. 다수의 무수 전이 금속 질산염은 독특한 색을 띤다. 이러한 화학 분야는 1960~1970년대 노팅엄 대학교의 클리프 애디슨과 노먼 로건에 의해 효율적인 건조제와 건조 상자가 가능해지면서 개발되었다.^[23]

==== 유기 화합물과의 반응 ====

사산화 이질소(N₂O₄)는 약간의 염기성 용매에서 알켄에 라디칼적으로 첨가되어 니트로 화합물과 아질산 에스터의 혼합물을 생성한다. 순수하거나 완전히 비염기성 용매에서는 자동 이온화되어 니트로소 화합물과 질산 에스터를 생성한다.^[24]

6. 1. 질산 제조

6. 2. 금속 질산염 합성

6. 3. 유기 화합물과의 반응

참조

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_[2] 서적 Physical Chemistry W.H. Freeman 2006
_[3] 웹사이트 Chemical Datasheet: Nitrogen tetroxide https://cameochemica[...] 2020-09-08
_[4] 웹사이트 Compound Summary: Dinitrogen tetroxide https://pubchem.ncbi[...] 2020-09-08
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_[14] 서적 Pedro Paulet, sabio multidisciplinario https://revistas.ucs[...] Universidad Católica San Pablo
_[15] 뉴스 El peruano que se convirtió en el padre de la astronáutica inspirado por Julio Verne y que aparece en los nuevos billetes de 100 soles https://www.bbc.com/[...]
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_[23] 논문 Dinitrogen tetroxide, nitric acid, and their mixtures as media for inorganic reactions 1980-02
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