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사플루오린화 제논

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목차

1. 개요

사플루오린화 제논(XeF₄)은 제논과 플루오린을 반응시켜 합성하는 화합물이다. 니켈 용기 내에서 제논과 플루오린을 400 °C로 가열하여 합성하며, 이때 육플루오린화 제논(XeF₆)과 이플루오린화 제논(XeF₂)도 함께 생성된다. 사플루오린화 제논은 물과 반응하여 가수분해되며, 다양한 화합물과의 반응을 통해 다른 제논 화합물을 생성하는 데 사용된다. 또한, 실리콘 고무의 금속 불순물 분석에도 활용된다.

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2. 합성

사플루오린화 제논(XeF4)은 제논(Xe)과 플루오린(F2) 기체를 특정 조건 하에서 직접 반응시켜 합성한다.[30][9][10] 일반적으로 니켈 용기 안에서 두 기체를 혼합하여 가열하는 방법을 사용하며, 이 과정에서 다른 플루오린화 제논 화합물이 함께 생성될 수 있다.[9][10] 니켈 용기는 반응의 촉매는 아니지만, 플루오린과의 반응을 통해 표면에 보호층을 형성하여 반응을 돕는다.[30][9] 생성된 화합물은 휘발성 차이를 이용해 정제할 수 있다.[9]

2. 1. 일반적인 합성법

사플루오린화 제논(XeF4)은 니켈 용기 안에 제논(Xe)과 플루오린(F2)을 1:5의 몰 비율로 혼합한 기체를 400°C까지 가열하여 합성한다.[30][9][10] 이 과정에서 이플루오린화 제논(XeF2)과 육플루오린화 제논(XeF6)도 함께 생성될 수 있다.[9][10] 반응 혼합물에서 온도가 높거나 플루오린 농도가 낮으면 XeF2 생성이 유리하고, 온도가 낮거나 플루오린 농도가 높으면 XeF6 생성이 유리하다.[9][10] 합성 반응에서 니켈은 촉매 역할을 하지 않는다.[30][9] 니켈 용기는 플루오린과 반응하여 용기 표면에 플루오린화 니켈(II)(NiF2)로 이루어진 비활성 보호 부동태화 층을 형성하기 때문에 주로 사용된다.[30][9] 생성된 XeF4는 XeF2 및 XeF6에 비해 휘발성이 낮기 때문에 분별 승화를 통해 정제할 수 있다.[9]

2. 2. 니켈 용기 사용 이유

사플루오린화 제논 합성 과정에서는 주로 니켈로 만든 용기를 사용한다.[30] 니켈은 이 반응의 촉매 역할을 하지 않는다.[30][9] 대신 니켈 용기가 플루오린과 반응하여 내부 표면에 플루오린화 니켈(II) NiF2 보호막을 형성하기 때문에 사용된다.[30][9][10] 이 보호막은 벗겨지지 않는 부동태화 층으로 작용하여 용기가 플루오린에 의해 계속 부식되는 것을 방지한다.[9]

2. 3. 정제

XeF4는 XeF2 및 XeF6에 비해 휘발성이 낮기 때문에, 분별 승화를 통해 정제할 수 있다.[9]

3. 화학 반응

사플루오린화 제논(XeF4)은 다양한 물질과 반응하는 성질을 가진다. 저온에서는 물과 가수분해 반응을 일으켜 원소 제논(Xe), 산소(O2), 플루오린화 수소(HF), 그리고 삼산화 제논(XeO3)을 생성한다.[31][11]

또한, 다른 플루오린화물과 반응하여 복잡한 이온성 화합물을 형성하기도 한다. 예를 들어, 테트라메틸암모늄 플루오라이드나 플루오린화 세슘(CsF)과 반응하면 XeF5- 음이온을 포함하는 염을 생성하며,[32][12] 오플루오린화 비스무트(BiF5)와 반응하면 XeF3+ 양이온을 포함하는 염을 만든다.[33][13] 이러한 이온들은 NMR 분광법 등을 통해 구조가 확인되었다.[34][14] 사플루오린화 제논은 이처럼 다른 4가 제논 화합물을 합성하기 위한 중요한 전구체로 사용된다.[9]

400°C의 고온에서는 제논(Xe) 기체와 반응하여 이플루오린화 제논(XeF2)을 생성하며,[30][10] 백금(Pt)과 반응할 경우 사플루오린화 백금(PtF4)을 형성하고 제논 기체를 방출한다.[30][10]

3. 1. 가수분해

사플루오린화 제논은 저온에서 물과 반응하여 가수분해된다. 이 반응으로 원소 제논, 산소, 플루오린화 수소, 그리고 수용액 상태의 삼산화 제논이 만들어진다.[31][11]

:\rm \ 6XeF_4 + 12H_2O \rightarrow 2XeO_3 + 4Xe\uparrow + 3O_2\uparrow + 24HF

3. 2. 다른 화합물과의 반응

사플루오린화 제논(XeF4)은 저온에서 물과 가수분해 반응을 일으켜 원소 제논(Xe), 산소(O2), 플루오린화 수소(HF), 그리고 수용성 삼산화 제논(XeO3)을 생성한다.[31][11]

: 6XeF4 + 12H2O → 2XeO3 + 4Xe↑ + 3O2↑ + 24HF

이 화합물은 다른 4가 제논 화합물을 합성하기 위한 전구체로 사용된다.[9] 예를 들어, 테트라메틸암모늄 플루오라이드와 반응하면 오각형 모양의 XeF5- 음이온을 포함하는 테트라메틸암모늄 펜타플루오로제네이트가 만들어진다. 이 XeF5- 음이온은 플루오린화 세슘(CsF)과의 반응에서도 생성된다.[32][12]

: CsF + XeF4 → CsXeF5

또한, 오플루오린화 비스무트(BiF5)와 반응하면 XeF3+ 양이온을 형성한다.[33][13]

: BiF5 + XeF4 → XeF3BiF6

이 XeF3+ 양이온은 XeF3Sb2F11 염에서 NMR 분광법을 통해 그 구조가 확인되었다.[34][14]

400°C의 온도에서 XeF4는 제논 기체와 반응하여 XeF2을 생성한다.[30][10]

: XeF4 + Xe → 2 XeF2

백금(Pt)과 반응하면 사플루오린화 백금(PtF4)을 만들고 제논 기체를 방출한다.[30][10]

: XeF4 + Pt → PtF4 + Xe

3. 3. 제논 및 백금과의 반응

사플루오린화 제논(XeF4)은 400°C에서 제논(Xe) 기체와 반응하여 이플루오린화 제논(XeF2)을 생성한다.[30]

:XeF4 + Xe → 2 XeF2

또한 백금(Pt)과 반응하여 사플루오린화 백금(PtF4)을 만들고 제논 기체를 방출한다.[30]

:XeF4 + Pt → PtF4 + Xe

4. 응용

사플루오린화 제논은 몇 가지 용도로 사용된다. 실리콘 고무의 미량 금속 불순물을 분석하기 위해 실리콘 고무를 분해하는 것으로 나타났다. XeF4는 실리콘과 반응하여 간단한 기체 생성물을 형성하고 금속 불순물의 잔류물을 남긴다.[15]

참조

[1] 서적 Inorganic Chemistry Academic Press
[2] 서적 Chemical Principles Houghton Mifflin Company
[3] 서적 Chemistry Houghton Mifflin
[4] 저널 Xenon Tetrafluoride
[5] 저널 Fluorine Compounds of Xenon and Radon
[6] 저널 Xenon Tetrafluoride: Fluorine-19 High-Resolution Magnetic Resonance Spectrum
[7] 저널 Xenon Tetrafluoride: Crystal Structure
[8] 저널 Xenon Tetrafluoride Molecule and Its Thermal Motion: A Neutron Diffraction Study
[9] 저널 The Chemistry of Xenon(IV) 2015
[10] 서적 Standard Potentials in Aqueous Solution https://archive.org/[...] CRC Press
[11] 저널 Xenon Tetrafluoride: Reaction with Aqueous Solutions 1963-03
[12] 서적 Elements of the ''p'' Block Royal Society of Chemistry
[13] 서적 Organobismuth chemistry Elsevier
[14] 저널 Trifluoroxenon(IV) µ-fluoro-bispentafluoroantimonate(V): the {{chem|XeF|3|+}} cation
[15] 저널 Xenon tetrafluoride as a decomposition agent for silicone rubber for isolation and atomic emission spectrometric determination of trace metals 1997-03
[16] 문서 Claassen, H. H.; Selig, H.; Malm, J. G. "Xenon Tetrafluoride" J. Am. Chem. Soc. 1962, 84, 3593. DOI: https://doi.org/10.1[...]
[17] 서적 Chemistry
[18] 저널 Xenon Tetrafluoride
[19] 저널 Fluorine Compounds of Xenon and Radon
[20] 저널 Xenon Tetrafluoride: Fluorine-19 High-Resolution Magnetic Resonance Spectrum
[21] 저널 Xenon Tetrafluoride: Crystal Structure
[22] 서적 Chemical Principles https://archive.org/[...] Houghton Mifflin Company
[23] 서적 Chemistry https://archive.org/[...] Houghton Mifflin
[24] 저널 Xenon Tetrafluoride
[25] 저널 Fluorine Compounds of Xenon and Radon
[26] 저널 Xenon Tetrafluoride: Fluorine-19 High-Resolution Magnetic Resonance Spectrum https://archive.org/[...]
[27] 저널 Xenon Tetrafluoride: Crystal Structure
[28] 저널 Xenon Tetrafluoride Molecule and Its Thermal Motion: A Neutron Diffraction Study
[29] 서적 Inorganic chemistry Academic Press
[30] 서적 Standard Potentials in Aqueous Solution https://archive.org/[...] CRC Press
[31] 저널 Xenon Tetrafluoride: Reaction with Aqueous Solutions 1963-03
[32] 서적 Elements of the ''p'' block (Volume 9 of Molecular world) https://archive.org/[...] Royal Society of Chemistry
[33] 서적 Organobismuth chemistry Elsevier
[34] 저널 Trifluoroxenon(IV)µ-fluoro-bispentafluoroantimonate(V): the {{chem|XeF|3|+}} cation


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