삼산화 붕소
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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| 다른 이름 | 산화 붕소 삼산화 이붕소 산화 붕소 세스퀴옥사이드 붕산 산화물 보리아 붕산 무수물 |
|---|---|
| IUPAC 이름 | 삼산화 이붕소 |
| ChemSpider ID | 452485 |
|---|---|
| InChI | 1/B2O3/c3-1-5-2-4 |
| ChEBI | 30163 |
| Gmelin | 11108 |
| SMILES | O=BOB=O |
| InChIKey | JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYAI |
| 표준 InChI | 1S/B2O3/c3-1-5-2-4 |
| 표준 InChIKey | JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N |
| CAS 등록번호 | 1303-86-2 |
| UNII | 483W67CPF4 |
| PubChem | 518682 |
| RTECS | ED7900000 |
| EINECS | 215-125-8 |
| 화학식 | B2O3 |
|---|---|
| 분자량 | 69.6182 g/mol |
| 외형 | 흰색 유리질 고체 |
| 밀도 | 2.460 g/cm3 (액체) 2.55 g/cm3 (삼방정계) 3.11–3.146 g/cm3 (단사정계) |
| 녹는점 | 450 °C (삼방정계) |
| 녹는점 추가 정보 | 510 °C (사면체) |
| 끓는점 | 1860 °C |
| 끓는점 추가 정보 | 1500 °C에서 승화 |
| 용해도 | 1.1 g/100mL (10 °C) 3.3 g/100mL (20 °C) 15.7 g/100mL (100 °C) |
| 다른 용매에 대한 용해도 | 메탄올에 부분적으로 용해됨 |
| pKa | ~ 4 |
| 자기 감수율 | −39.0·10−6 cm3/mol |
| 표준 생성 엔탈피 | −1254 kJ/mol |
|---|---|
| 표준 깁스 자유 에너지 | −832 kJ/mol |
| 엔트로피 | 80.8 J/(mol⋅K) |
| 열용량 | 66.9 J/(mol⋅K) |
| 신호어 | 위험 |
|---|---|
| 주요 위험 | 자극제 |
| NFPA 704 | 보건: 2 화재: 0 반응성: 0 기타: |
| 인화점 | 불연성 |
| 자동 점화 온도 | 해당 없음 |
| LD50 | 3163 mg/kg (경구, 쥐) |
| PEL | TWA 15 mg/m3 |
| REL | TWA 10 mg/m3 |
| IDLH | 2000 mg/m3 |
| 관련 화합물 | B2O2.5 B2O3·H2O (메타붕산) |
|---|
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붕소 화합물 -
질화 붕소
질화 붕소는 붕소와 질소의 화합물로, 다양한 결정 구조를 가지며, 높은 열적, 화학적 안정성과 우수한 윤활성을 바탕으로 절삭 공구, 연마재 등 다양한 분야에 응용된다. -
붕소 화합물 -
붕산
붕산은 붕소의 산화물로, 살충제, 난연제, 의약품 등 다양한 용도로 사용되며, 붕사에 무기산을 작용시켜 얻을 수 있고, 가열 시 산화 붕소로 분해되며, 루이스 산으로 작용하고, 과다 섭취 시 독성을 나타낼 수 있다. -
삼이산화물 -
삼산화 이질소
삼산화 이질소는 질소 산화물 중 하나로 질소의 산화수가 +3인 화합물이며, 저온에서 일산화 질소와 이산화 질소를 혼합하여 얻을 수 있고, 액체 상태에서는 진한 청색을 띠며, 고온에서는 분해되고 물에 녹으면 아질산으로 가수분해되는 특징을 가진 평면형 구조의 화합물이다. -
삼이산화물 -
산화 철(III)
산화 철(III)은 철과 산소의 화합물로, 여러 결정 구조의 동질이상 형태로 존재하며, 철광석인 적철광으로서 강철 생산 원료, 안료, 자기 기록 매체 등 산업과 의료 분야에 활용되는 다양한 화학 반응에 관여하는 물질이다. -
산성 산화물 -
이산화 셀레늄
이산화 셀레늄(SeO₂)은 흡습성 백색 결정으로, 유기 합성에서 산화제 또는 촉매, 유리 제조에서 착색제로 사용되는 강한 독성의 산성 산화물이다. -
산성 산화물 -
이산화 탄소
이산화탄소(CO₂)는 탄소 원자 하나와 산소 원자 두 개로 이루어진 무색·무취의 기체로, 드라이아이스로 승화하며, 탄산 형성, 연소, 호흡, 광합성 등 다양한 과정에서 발생하고, 산업적으로 널리 사용되지만 지구 온난화의 주요 원인이자 고농도에서 인체에 유독한 물질이다.
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.
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. 현재 실험 및 이론 연구에 따르면, 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.
2.2. 결정형 구조
α-B₂O₃는 BO₃ 삼각형으로만 구성되어 있다. 결정 구조는 처음에는 γ-글리신처럼 거울상 공간군 P3₁(144번)과 P3₂(145번)으로 여겨졌지만, 나중에는 α-석영과 유사하게 삼방정계에서 거울상 공간군 P3₁21(152번)과 P3₂21(154번)으로 수정되었다.
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. 삼각 네트워크는 수 기가파스칼(9.5 GPa)에서 코에사이트 유사 전이를 거쳐 단사정계 β-로 변환된다.
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. 붕산을 300℃ 이상 가열하면 메타붕산을 거쳐 삼산화 이붕소와 증기가 생성된다.
디보레인이 공기 중 산소나 미량의 수분과 반응해도 산화 붕소가 형성된다.
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.
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.
:H3BO3 → HBO2 + H2O
:2 HBO2 → B2O3 + H2O
붕산은 가열된 유동층에서 무수 미세 결정 B2O3로 전환된다. 물을 발생시키면서 고무화되는 것을 피하려면 가열 속도를 신중하게 조절해야 한다.
5. 용도
삼산화 붕소는 다양한 산업 분야에서 널리 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.