산화물

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1. 개요
2. 화학량론 및 형성
- 2.1. 금속 산화물
- 2.2. 비금속 산화물
3. 구조
- 3.1. 분자 산화물
4. 반응
- 4.1. 환원
- 4.2. 가수분해 및 용해
5. 명명법 및 화학식
6. 성질 및 종류
- 6.1. 대표 원소의 산화물
- 6.2. 산-염기 특성에 따른 분류
7. 산화 광물
8. 응용
참조

1. 개요

산화물은 산소와 다른 원소가 결합하여 형성되는 화합물로, 화학량론과 구조 면에서 다양한 형태를 갖는다. 대부분의 원소는 하나 이상의 산화물을 형성하며, 금속 산화물은 탄산염, 수산화물, 질산염 등의 분해, 공기 중 원소의 반응, 광석의 로스팅 과정 등 다양한 방법으로 생성된다. 비금속 산화물은 탄소나 탄화수소의 산화, 암모니아 연소, 황의 산화 등 다양한 반응을 통해 생성된다. 산화물은 분자, 고분자, 결정 구조 등 다양한 구조를 가지며, 금속 산화물은 고체, 비금속 산화물은 분자 형태로 존재하는 경우가 많다. 산화물은 환원, 가수분해, 용해 등의 반응을 보이며, 금속 산화물을 금속으로 환원하는 과정은 금속 생산에 사용된다. 산화물은 원소의 산화 상태에 따라 화학식이 결정되며, 주기율표의 족에 따라 고유한 특성을 나타낸다. 산화물은 산성, 염기성, 양쪽성, 중성으로 분류되며, 다양한 전기적 특성을 나타내며 절연체, 전도체, 초전도체, 열전 변환 소자, 강유전체, 강자성체 등 다양한 분야에 응용된다. 광물학에서는 금속 원소와 산소의 결합으로 이루어진 광물을 산화광물이라고 부른다.

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산화물
지도 정보
개요
영어 명칭	oxide
한국어 명칭	산화물
일본어 명칭	酸化物 (さんかぶつ)
정의	산소 원자가 다른 원소의 원자와 결합한 화학 화합물
설명	산소 원자가 다른 원소와 결합한 화합물을 총칭 산소와 다른 원소 사이의 결합을 의미 이온 결합 화합물 공유 결합 화합물
유형
분류	금속 산화물 비금속 산화물 양쪽성 산화물
산화 정도에 따른 분류	하위 산화물 일반 산화물 과산화물 초과산화물
산화물의 성질
금속 산화물	대부분 고체 염기성 물과 반응하여 수산화물 생성 산과 반응하여 염 생성
비금속 산화물	기체 또는 액체 산성 물과 반응하여 산 생성 염기와 반응하여 염 생성
양쪽성 산화물	산 및 염기 모두와 반응 금속과 비금속의 중간 성질
산화물의 예시
주요 예시	물 (H2O) 이산화탄소 (CO2) 산화 알루미늄 (Al2O3) 산화철 (Fe2O3)
추가 예시	이산화 규소 (SiO2) 산화 칼슘 (CaO) 산화 마그네슘 (MgO) 산화 구리 (CuO) 이산화 황 (SO2)
산화물의 이용
광물	많은 광물의 주요 성분
산업	촉매, 안료, 반도체 등 다양한 산업 분야에서 활용
일상생활	녹 (산화철) 부식
기타 정보
관련 이온	옥소늄 이온 (H3O+) 수산화 이온 (OH-) 과산화 이온 (O22-) 초과산화 이온 (O2-)

2. 화학량론 및 형성

산화물은 화학량론(반응물과 화학 반응식의 측정 가능한 관계)과 각 화학량론의 구조 측면에서 매우 다양하다. 대부분의 원소는 하나 이상의 화학량론을 갖는 산화물을 형성한다. 잘 알려진 예로는 일산화탄소와 이산화탄소가 있다.^[3] 이것은 이원 산화물, 즉 산화물과 다른 원소 하나만 포함하는 화합물에 적용된다. 이원 산화물보다 훨씬 더 일반적인 것은 더 복잡한 화학량론의 산화물이다. 이러한 복잡성은 다른 양이온(양전하를 띤 이온, 즉 전기 분해에서 음극에 끌리는 이온)이나 다른 음이온(음전하를 띤 이온)의 도입으로 인해 발생할 수 있다. 규산철(Fe₂SiO₄), 광물 파얄라이트는 삼원 산화물의 많은 예 중 하나이다. 많은 금속 산화물의 경우, 다형성과 비화학량론의 가능성도 존재한다.^[4] 예를 들어, 상업적으로 중요한 이산화티타늄은 세 가지의 구별되는 구조로 존재한다. 많은 금속 산화물은 다양한 비화학량론적 상태로 존재한다. 또한 많은 분자 산화물은 다양한 리간드와 함께 존재한다.^[5]

2. 1. 금속 산화물

많은 금속 산화물은 탄산염, 수산화물, 질산염과 같은 다른 금속 화합물의 분해에 의해 생성된다. 예를 들어, 산화 칼슘 제조 과정에서 탄산 칼슘(석회석)은 가열 시 분해되어 이산화 탄소를 방출한다.^[2]

공기 중 산소와 원소의 반응은 특히 철의 상업적 용도와 관련된 부식에서 중요한 단계이다. 거의 모든 원소는 산소 분위기에서 가열하면 산화물을 형성한다. 예를 들어, 아연 분말은 공기 중에서 연소하여 산화 아연을 생성한다.^[6]

광석에서 금속을 생산하는 과정에는 종종 공기 중에서 금속 황화물 광물을 로스팅(가열)하여 산화물을 생성하는 단계가 포함된다. 이러한 방식으로 몰리브데나이트(MoS2)는 거의 모든 몰리브덴 화합물의 전구체인 삼산화 몰리브덴으로 전환된다.^[7]

귀금속(예: 금과 백금)은 산소와의 직접적인 화학적 결합에 저항하기 때문에 귀하게 여겨진다.^[2]

2. 2. 비금속 산화물

이산화탄소와 일산화탄소는 탄소 또는 탄화수소의 완전 또는 부분 산화에 의해 생성된다. 산소가 부족하면 일산화탄소가 생성된다.^[2]

:CH4 + 3/2 O2 -> CO + 2 H2O

:C + 1/2 O2 -> CO

산소가 과량이면 이산화탄소가 생성되며, 일산화탄소를 중간체로 하는 경로를 거친다.

:CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O

:C + O2 -> CO2

원소 상태의 질소()는 산화물로 전환하기 어렵지만, 암모니아의 연소는 일산화질소를 생성하며, 이는 산소와 추가로 반응한다.

:4 NH3 + 5 O2 -> 4 NO + 6 H2O

:NO + 1/2 O2 -> NO2

이러한 반응은 중요한 화학 물질인 질산 생산에 이용된다.^[8]

산업적으로 가장 대규모로 생산되는 화학 물질은 황산이다. 황산은 황을 이산화황으로 산화시킨 다음, 이를 다시 삼산화황으로 산화시켜서 생산한다.^[9]

:S + O2 -> SO2

:SO2 + 1/2 O2 -> SO3

마지막으로 삼산화황은 수화 반응을 통해 황산으로 전환된다.

:SO3 + H2O -> H2SO4

3. 구조

산화물은 개별 분자에서부터 고분자 및 결정 구조에 이르기까지 다양한 구조를 갖는다. 표준 조건에서 산화물은 고체에서 기체에 이르기까지 다양한 상태로 존재할 수 있다. 금속의 고체 산화물은 일반적으로 상온에서 고분자 구조를 갖는다.^[10]

3. 1. 분자 산화물

대부분의 금속 산화물은 결정성 고체이지만, 많은 비금속 산화물은 분자이다.^[2] 분자 산화물의 예로는 이산화탄소와 일산화탄소가 있다. 질소의 모든 단순 산화물은 분자이며, 예시로는 NO, 아산화질소(N₂O), 이산화질소(NO₂) 및 N₂O₄가 있다.^[2] 오산화인은 이름과 달리 실제 화학식이 P₄O₁₀인 더 복잡한 분자 산화물이다.^[2] 사산화루테늄, 사산화오스뮴, 사산화크세논 등은 사산화물의 예시이다.^[2]

4. 반응

4. 1. 환원

금속 산화물을 금속으로 환원하는 과정은 일부 금속 생산에서 대규모로 실시된다. 많은 금속 산화물은 단순히 가열하는 열분해를 통해 금속으로 전환된다. 예를 들어 산화은은 200 °C에서 분해된다.^[11]

: 2 Ag₂O → 4 Ag + O₂

그러나 대부분의 경우 금속 산화물은 화학 시약에 의해 환원된다. 일반적이고 저렴한 환원제는 코크 형태의 탄소이다. 가장 두드러진 예는 철광석 제련이다. 많은 반응이 포함되지만, 단순화된 방정식은 일반적으로 다음과 같이 표시된다.^[2]

: 2 Fe₂O₃ + 3 C → 4 Fe + 3 CO₂

일부 금속 산화물은 유기 화합물을 포함한 환원제가 존재하는 경우 용해된다. 산화철(III)의 환원 용해는 철 순환과 같은 지구화학적 현상에 필수적이다.^[12]

4. 2. 가수분해 및 용해

M-O 결합은 일반적으로 강하기 때문에 금속 산화물은 용매에 잘 녹지 않지만, 수용액 상태의 산과 염기에 의해 공격받을 수 있다.^[2]

산화물의 용해는 종종 옥시 음이온을 생성한다. 예를 들어, 인산염이나 폴리옥소메탈레이트 등이 생성될 수 있다. 옥시 양이온은 드물지만, 니트로소늄 (NO⁺), 바나딜 (VO²⁺), 우라닐 (UO₂²⁺) 등이 그 예이다.^[2] 물론 산화물과 다른 작용기 모두를 포함하는 많은 화합물이 알려져 있다. 유기화학에서는 케톤과 많은 관련 카르보닐 화합물이 포함된다. 전이 금속의 경우, 많은 옥소 착물과 옥시할라이드가 알려져 있다.^[2]

5. 명명법 및 화학식

원소의 최고 산화 상태에 있는 산화물의 화학식은 예측 가능하며, 해당 원소의 원자가 전자 수로부터 유도된다.^[13] 심지어 O₄, 사산소의 화학식조차도 16족 원소로서 예측 가능하다.^[13] 한 가지 예외는 구리인데, 최고 산화 상태 산화물은 산화 구리(II)이고 산화 구리(I)이 아니다.^[13] 또 다른 예외는 플루오린으로, F₂O₇과 같이 존재할 것이라고 예상되는 대로 존재하지 않고 OF₂로 존재한다.^[13]

6. 성질 및 종류

대표 원소의 산화물은 주기율표의 족에 따라 고유한 특성을 나타낸다.

1족 원소 산화물 (₁H, ₃Li, ₁₁Na, ₁₉K, ₃₇Rb, ₅₅Cs, ₈₇Fr)
2족 원소 산화물 (₄Be, ₁₂Mg, ₂₀Ca, ₃₈Sr, ₅₆Ba, ₈₈Ra)
13족 원소 산화물 (₅B, ₁₃Al, ₃₁Ga, ₄₉In, ₈₁Tl)
14족 원소 산화물 (₆C, ₁₄Si, ₃₂Ge, ₅₀Sn, ₈₂Pb)
15족 원소 산화물 (₇N, ₁₅P, ₃₃As, ₅₁Sb, ₈₃Bi)
16족 원소 산화물 (₁₆S, ₃₄Se, ₅₂Te, ₈₄Po)
17족 원소 산화물 (₉F, ₁₇Cl, ₃₅Br, ₅₃I, ₈₅At)
18족 원소 산화물 (₃₆Kr, ₅₄Xe)

6. 1. 대표 원소의 산화물

대표 원소의 산화물은 주기율표의 족에 따라 고유한 특성을 나타낸다.

1족 원소 산화물 (₁H, ₃Li, ₁₁Na, ₁₉K, ₃₇Rb, ₅₅Cs, ₈₇Fr)
2족 원소 산화물 (₄Be, ₁₂Mg, ₂₀Ca, ₃₈Sr, ₅₆Ba, ₈₈Ra)
13족 원소 산화물 (₅B, ₁₃Al, ₃₁Ga, ₄₉In, ₈₁Tl)
14족 원소 산화물 (₆C, ₁₄Si, ₃₂Ge, ₅₀Sn, ₈₂Pb)
15족 원소 산화물 (₇N, ₁₅P, ₃₃As, ₅₁Sb, ₈₃Bi)
16족 원소 산화물 (₁₆S, ₃₄Se, ₅₂Te, ₈₄Po)
17족 원소 산화물 (₉F, ₁₇Cl, ₃₅Br, ₅₃I, ₈₅At)
18족 원소 산화물 (₃₆Kr, ₅₄Xe)

6. 2. 산-염기 특성에 따른 분류

산화물은 브뢴스테드 산 또는 브뢴스테드 염기로서의 성질을 나타낸다. 산으로서의 성질만을 나타내는 것을 '''산성 산화물''', 염기로서의 성질만을 나타내는 것을 '''염기성 산화물''', 그리고 산으로서도 염기로서도 반응하는 것을 '''양쪽성 산화물'''이라고 부른다. (물 H₂O나 일산화질소 NO 등은 산성도 염기성도 나타내지 않으므로, '''중성 산화물'''이라고 불리는 경우가 있다.) 금속 원소의 산화물은 염기성 산화물, 비금속 원소의 산화물은 산성 산화물, 그 중간의 원소의 산화물은 양쪽성 산화물이 되는 경우가 많다. 양쪽성 산화물의 예시는 다음과 같다.

:Al₂O₃ + 3H₂O + 2OH⁻ → 2[Al(OH)₄]⁻ (산으로서 반응)

:Al₂O₃ + 6H⁺ → 2Al³⁺ + 3H₂O (염기로서 반응)

금속 산화물의 물성은 다양하며, 일상생활에서 산화물을 포함하지 않는 제품을 찾는 것이 더 어려울 정도이다.

전기적 특성을 예로 들어 보더라도, 절연체, 금속과 동등한 전도율을 가진 전자 전도체, 이온 전도체, 초전도체(고온 초전도), 열전 변환 소자, 강유전체, 강자성체 등, 그 물성과 용도는 다양하다. 구체적으로, 이산화규소 SiO₂는 절연체로서 반도체 소자의 기초인 트랜지스터에 사용되고, 이트륨·바륨·구리의 산화물은 대표적인 고온 초전도체인 이트륨계 초전도체이며, 코발트 산화물은 유망한 [https://www.riken.jp/press/2020/20200622_1/index.html 열전 변환 재료]로 여겨지고 있다.

7. 산화 광물

광물학에서 금속 원소가 산소와 결합하고 있는 광물을 '''산화광물'''(옥사이드 미네랄/oxide mineral^영어)이라고 한다. 석영(SiO₂), 자철석(Fe²⁺Fe³⁺₂O₄), 강옥(Al₂O₃) 등이 있다.

8. 응용

금속 산화물은 다양한 물성을 가지며, 일상생활에서 산화물을 포함하지 않는 제품을 찾는 것이 더 어려울 정도로 널리 응용된다. 전기적 특성만 보더라도 절연체, 금속과 동등한 전도율을 가진 전자 전도체, 이온 전도체, 초전도체(고온 초전도), 열전 변환 소자, 강유전체, 강자성체 등 다양한 물성과 용도를 가진다. 예를 들어, 이산화규소(SiO₂)는 절연체로서 반도체 소자의 기초인 트랜지스터에 사용되며, 이트륨·바륨·구리의 산화물은 대표적인 고온 초전도체인 이트륨계 초전도체이고, 코발트 산화물은 유망한 [https://www.riken.jp/press/2020/20200622_1/index.html 열전 변환 재료]로 여겨지고 있다.

참조

_[1] 서적 Foundations of College Chemistry Wiley 2006
_[2] 서적 Chemistry of the Elements Butterworth-Heinemann 1997
_[3] 서적 Chemistry of the Elements Butterworth-Heinemann 1997
_[4] 서적 Transition Metal Oxides VCH
_[5] 학술지 Organometallic Oxides of Main Group and Transition Elements Downsizing Inorganic Solids to Small Molecular Fragments
_[6] 서적 Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry
_[7] 서적 Molybdenum and Molybdenum Compounds
_[8] 서적 Nitric Acid, Nitrous Acid, and Nitrogen Oxides 2000
_[9] 서적 Sulfuric Acid and Sulfur Trioxide
_[10] 서적 Transition Metal Oxides. An Introduction to Their Electronic Structure and Properties Oxford University Press
_[11] 웹사이트 Silver oxide http://chemister.ru/[...]
_[12] 서적 The Iron Oxides: Structure, Properties, Reactions, Occurrences and Uses, Second Edition
_[13] 학술지 Fully Exploiting the Potential of the Periodic Table through Pattern Recognition

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