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삼산화 붕소

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목차

1. 개요

삼산화 붕소(B₂O₃)는 세 가지 형태, 즉 무정형과 두 가지 결정형으로 존재하며, 붕사 또는 붕산을 이용하여 제조된다. 무정형 삼산화 붕소는 보록솔 고리로 구성되어 있으며, α-B₂O₃는 BO₃ 삼각형으로만 이루어져 있다. 용융된 삼산화 붕소는 규산염을 공격하는 성질이 있으며, 붕규산 유리, 유리 섬유, 세라믹 플럭스제, 갈륨 비소 단결정 생산, 유기 합성 촉매 등 다양한 산업 분야에서 사용된다.

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삼산화 붕소 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
삼산화 붕소 분말
삼산화 붕소 분말
삼산화 붕소의 결정 구조
삼산화 붕소의 결정 구조
다른 이름산화 붕소
삼산화 이붕소
산화 붕소 세스퀴옥사이드
붕산 산화물
보리아
붕산 무수물
IUPAC 이름삼산화 이붕소
식별 정보
ChemSpider ID452485
InChI1/B2O3/c3-1-5-2-4
ChEBI30163
Gmelin11108
SMILESO=BOB=O
InChIKeyJKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYAI
표준 InChI1S/B2O3/c3-1-5-2-4
표준 InChIKeyJKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N
CAS 등록번호1303-86-2
UNII483W67CPF4
PubChem518682
RTECSED7900000
EINECS215-125-8
특성
화학식B2O3
분자량69.6182 g/mol
외형흰색 유리질 고체
밀도2.460 g/cm3 (액체)
2.55 g/cm3 (삼방정계)
3.11–3.146 g/cm3 (단사정계)
녹는점450 °C (삼방정계)
녹는점 추가 정보510 °C (사면체)
끓는점1860 °C
끓는점 추가 정보1500 °C에서 승화
용해도1.1 g/100mL (10 °C)
3.3 g/100mL (20 °C)
15.7 g/100mL (100 °C)
다른 용매에 대한 용해도메탄올에 부분적으로 용해됨
pKa~ 4
자기 감수율−39.0·10−6 cm3/mol
열화학
표준 생성 엔탈피−1254 kJ/mol
표준 깁스 자유 에너지−832 kJ/mol
엔트로피80.8 J/(mol⋅K)
열용량66.9 J/(mol⋅K)
위험성
신호어위험
주요 위험자극제
NFPA 704보건: 2
화재: 0
반응성: 0
기타:
인화점불연성
자동 점화 온도해당 없음
LD503163 mg/kg (경구, 쥐)
PELTWA 15 mg/m3
RELTWA 10 mg/m3
IDLH2000 mg/m3
관련 화합물
관련 화합물B2O2.5
B2O3·H2O (메타붕산)

2. 구조

삼산화 이붕소는 무정형과 두 가지 결정형으로 알려져 있다. 무정형 구조(g-B₂O₃)는 가장 일반적인 형태로, 보록솔 고리로 구성되어 있다. 결정형 구조(α-B₂O₃)는 BO₃ 삼각형으로만 구성되어 있으며, 삼방정계의 공간군을 가진다. α-B₂O₃는 상압에서 결정화가 어렵고, 고압에서 어닐링을 통해 얻을 수 있다. 수 기가파스칼에서 코에사이트와 유사한 전이를 거쳐 단사정계 β-B₂O₃로 변환된다.[15]

2. 1. 무정형 구조

무정형 형태(g-B₂O₃)는 가장 일반적인 형태이다. 이는 3배위 붕소와 2배위 산소가 교대로 배열된 6원 고리인 보록솔 고리로 구성된 것으로 생각된다.

많은 보록솔 고리를 가진 올바른 밀도의 무질서한 모델을 구성하는 것이 어렵기 때문에, 이러한 견해는 처음에는 논란이 있었지만, 최근 이러한 모델이 구축되었고 실험과 매우 일치하는 특성을 보였다.[6][7] 현재 실험 및 이론 연구에 따르면,[8][9][10][11][12] 유리 상태의 B₂O₃에서 보록솔 고리에 속하는 붕소 원자의 비율이 0.73에서 0.83 사이이며, 0.75 = 3/4는 고리와 비고리 단위의 1:1 비율에 해당한다는 것이 밝혀졌다. 보록솔 고리의 수는 액체 상태에서 온도가 증가함에 따라 감소한다.[13]

2. 2. 결정형 구조

α-B₂O₃는 BO₃ 삼각형으로만 구성되어 있다. 결정 구조는 처음에는 γ-글리신처럼 거울상 공간군 P3₁(144번)과 P3₂(145번)으로 여겨졌지만,[17][18] 나중에는 α-석영과 유사하게 삼방정계에서 거울상 공간군 P3₁21(152번)과 P3₂21(154번)으로 수정되었다.[19]

α-B₂O₃는 상압에서 용융 상태로부터의 결정화가 운동학적으로 매우 불리하다(액체와 결정 밀도 비교). 비정질 고체를 최소 10 kbar 압력 하에서 약 200°C에서 장기간 어닐링하면 얻을 수 있다.[16][14] 삼각 네트워크는 수 기가파스칼(9.5 GPa)에서 코에사이트 유사 전이를 거쳐 단사정계 β-로 변환된다.[15]

3. 제조

붕사를 황산과 용융로에서 반응시키거나, 붕산을 가열하여 삼산화 이붕소를 생산한다. 붕사를 황산과 750°C 이상에서 반응시키면 황산나트륨과 분리된 삼산화 이붕소 층을 얻을 수 있다. 이를 냉각하면 순도 96~97%의 삼산화 이붕소가 된다.[20] 붕산을 300℃ 이상 가열하면 메타붕산을 거쳐 삼산화 이붕소와 증기가 생성된다.[21]

디보레인이 공기 중 산소나 미량의 수분과 반응해도 산화 붕소가 형성된다.[23]

3. 1. 붕사 이용

붕사를 황산과 함께 용융로에서 처리하면, 용융된 삼산화 붕소 층이 황산나트륨으로부터 분리된다. 이후 따라내어 냉각하면 96~97% 순도의 삼산화 이붕소를 얻을 수 있다.[20]

3. 2. 붕산 이용

붕산을 300℃ 이상으로 가열하면 탈수 반응을 통해 삼산화 이붕소가 생성된다. 붕산은 처음에 약 170℃에서 증기(H2O(g))와 메타붕산(HBO2)으로 분해되며, 300℃ 이상으로 더 가열하면 더 많은 증기와 삼산화 이붕소가 생성된다. 반응식은 다음과 같다.[21]

:H3BO3 → HBO2 + H2O

:2 HBO2 → B2O3 + H2O

붕산은 가열된 유동층에서 무수 미세 결정 B2O3로 전환된다.[21] 물을 발생시키면서 고무화되는 것을 피하려면 가열 속도를 신중하게 조절해야 한다.[21]

4. 반응

용융된 삼산화 붕소는 규산염을 공격하는 성질을 가지고 있다. 이러한 반응성을 줄이기 위해, 아세틸렌 열분해로 얻은 흑연화 탄소층으로 용기 내부를 부동태화할 수 있다.[22]

5. 용도

삼산화 붕소는 다양한 산업 분야에서 널리 사용된다.

용도
붕규산 유리의 주요 구성 요소이자 유리의 융제로 사용된다.
유리 섬유(광섬유 등) 제조 시 첨가제로 사용된다.
플럭스제로 유리 및 유리질 에나멜에 사용된다.[1]
갈륨 비소 단결정 생산을 위한 액체 캡슐화 초크랄스키 공정에서 불활성 캡핑층으로 사용된다.
유기 합성에서 산 촉매로 사용된다.
붕소 카바이드와 같은 다른 붕소 화합물 생산을 위한 출발 물질로 사용된다.


5. 1. 유리 산업

붕규산 유리의 주요 구성 요소이다. 유리의 융제로 사용되어 유리 제조 공정을 용이하게 한다. 유리 섬유(광섬유 등) 제조 시 첨가제로 사용되어 성능을 향상시킨다.

5. 2. 기타 산업


  • 플럭스제로 유리 및 유리질 에나멜에 사용된다.
  • 갈륨 비소 단결정 생산을 위한 액체 캡슐화 초크랄스키 공정에서 불활성 캡핑층으로 사용된다.
  • 유기 합성에서 산 촉매로 사용된다.
  • 붕소 카바이드와 같은 다른 붕소 화합물 생산을 위한 출발 물질로 사용된다.

참조

[1] 서적 High temperature corrosion and materials chemistry: proceedings of the Per Kofstad Memorial Symposium. Proceedings of the Electrochemical Society https://books.google[...] The Electrochemical Society
[2] 문서 Boron oxide
[3] 문서
[4] 논문 A Crystalline Boric Oxide 1937
[5] 논문 Solar carbothermic reduction of alumina, magnesia and boria under vacuum 2015
[6] 간행물 Boroxol Rings in Liquid and Vitreous B2O3 from First Principles
[7] 간행물 Hidden polymorphs drive vitrification in B2O3 2012
[8] 간행물 Determination of the bond-angle distribution in vitreous B2O3 by rotation (DOR) NMR spectroscopy 2009
[9] 간행물 Boroxol rings from diffraction data on vitreous boron trioxide https://zenodo.org/r[...] 2011
[10] 간행물 The ring structure of boron trioxide glass 2000
[11] 간행물 The NMR response of boroxol rings: a density functional theory study 2005
[12] 간행물 The structure of vitreous B2O3 obtained from a thermostatistical model of agglomeration 1997
[13] 간행물 Liquid B2O3 up to 1700K: X-ray diffraction and boroxol ring dissolution https://hal.archives[...] 2015
[14] 간행물 The Crystal Structure of Trigonal Diboron Trioxide
[15] 간행물 Structural transformations in liquid, crystalline and glassy B2O3 under high pressure http://www.jetplette[...]
[16] 간행물 Crystal Growth Kinetics of Boron Oxide Under Pressure http://dash.harvard.[...]
[17] 간행물 The crystal structure of trigonal diboron trioxide
[18] 간행물 On the crystal structure of B2O3
[19] 간행물 Trigonal B2O3 with Higher Space-Group Symmetry: Results of a Reevaluation
[20] 서적 Handbook of Inorganic Chemical Compounds https://books.google[...] McGraw-Hill 2009-06-06
[21] 간행물 Production of anhydrous, crystalline boron oxide in fluidized bed reactor
[22] 간행물 Research Laboratory Report #61-RL-2672M General Electric
[23] 간행물 Diborane Storage & Delivery http://www.airproduc[...] 2013-08-21
[24] 저널 인용 The Crystal Structure of Trigonal Diboron Trioxide
[25] 서적 High temperature corrosion and materials chemistry: proceedings of the Per Kofstad Memorial Symposium. Proceedings of the Electrochemical Society https://books.google[...] The Electrochemical Society
[26] 서적 Handbook of Inorganic Chemical Compounds https://books.google[...] McGraw-Hill 2009-06-06
[27] 문서
[28] 문서 Boron oxide


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