삼산화 크로뮴
1. 개요
삼산화 크로뮴(CrO₃)은 주로 이크롬산 나트륨을 황산으로 처리하여 생성되는 화합물이다. 고체 상태에서 사면체 배위 크롬 원자 사슬로 구성되며, 197°C 이상에서 분해되어 산소를 방출하고 산화 크롬(III)을 생성한다. 유기 합성에서 산화제로 사용되며, 크롬 도금, 합성 루비 생산, 알루미늄 양극 산화, 폐수 처리 등에 활용된다. 삼산화 크로뮴은 독성이 강하고 부식성이 있으며 발암 물질로, 대한민국에서는 산업안전보건법 및 화학물질관리법에 따라 특별 관리 물질 및 유독물질로 지정되어 규제를 받는다.
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| IUPAC명 | 크롬 삼산화물 |
|---|---|
| 다른 이름 | 크롬 무수물 크롬(VI) 산화물 크롬산 (잘못된 명칭) |
| 화학식 | CrO3 |
| 몰 질량 | 크롬 1, 산소 3 |
| 겉모습 | 암적색의 과립형 고체, 조해성 |
| 냄새 | 무취 |
| 밀도 | 2.7 g/cm³ (20 °C) |
|---|---|
| 녹는점 | 197 °C |
| 끓는점 | 250 °C (분해) |
| 용해도 | 164.8 g/100 mL (0 °C) 169 g/100 mL (25 °C) 172.6 g/100 mL (40 °C) 198.1 g/100 mL (100 °C) |
| 용해성 | H2SO4에 용해 HNO3에 용해 (CH3CH2)2O에 용해 CH3COOH에 용해 아세톤에 용해 |
| 자기 감수율 | +40·10⁻⁶ cm³/mol |
| 표준 생성 엔탈피 | −589.3 kJ/mol |
|---|---|
| 엔트로피 | 73.2 J/(mol·K) |
| 신호어 | 위험 |
|---|---|
| NFPA 704 | 건강: 4 화재: 0 반응성: 2 기타: OX |
| LD50 | 80 mg/kg (쥐, 경구) |
| ICSC | ICSC 1194 |
| EU 지수 | 024-001-00-0 |
| EU 분류 | 산화제 (O) Carc. Cat. 1 Muta. Cat. 2 생식독성 Cat. 3 맹독 (T+) 환경 위험 (N) |
2. 생성
황산과 이크롬산 나트륨을 반응시켜 삼산화 크로뮴을 생성할 수 있다. 반응식은 다음과 같다.
: H2SO4 + Na2Cr2O7 → 2 CrO3 + Na2SO4 + H2O
이 방법 또는 유사한 경로를 통해 전 세계적으로 연간 약 10만 톤의 삼산화 크로뮴이 생산된다.
3. 구조 및 반응
삼산화 크로뮴 고체는 꼭짓점을 공유하는 사면체 배위 크롬 원자 사슬로 구성된다. 각 크롬 중심은 이웃과 두 개의 산소 중심을 공유하며, 두 개의 산소 원자는 공유되지 않아 전체 화학량론은 1:3이 된다.
단량체 CrO₃의 구조는 밀도 범함수 이론을 사용하여 계산되었으며, 삼각뿔 분자 구조 (점군 C3v)가 평면 삼각 분자 구조 (점군 D3h)보다 안정적이다.
삼산화 크로뮴은 197 °C 이상에서 분해되어 산소를 방출하고 결국 Cr₂O₃를 생성한다.
:4 CrO₃ → 2 Cr₂O₃ + 3 O₂
이는 유기 합성에서 산화제로 사용되며, 종종 아세트산 용액으로 사용되거나, 존스 산화의 경우 아세톤에 사용된다. 이러한 산화에서 Cr(VI)는 1차 알코올을 해당 카르복실산으로, 2차 알코올을 케톤으로 변환한다. 반응은 다음과 같다.
* 1차 알코올을 카르복실산으로:
4 CrO₃ + 3 RCH₂OH + 12 H⁺ → 3 RCOOH + 4 Cr³⁺ + 9 H₂O
* 2차 알코올을 케톤으로:
2 CrO₃ + 3 R₂CHOH + 6 H⁺ → 3 R₂C=O + 2 Cr³⁺ + 6 H₂O
4. 응용
삼산화 크로뮴은 주로 크롬 도금에 사용된다. 일반적으로 도금 과정에 영향을 미치지만 삼산화물과 반응하지 않는 첨가제와 함께 사용된다. 삼산화물은 카드뮴, 아연 및 기타 금속과 반응하여 부식에 강한 부동태화된 크롬산염 피막을 생성한다. 또한 합성 루비 생산에도 사용된다. 크롬산 용액은 알루미늄에 특정 유형의 양극 산화 양극 피막을 적용하는 데에도 사용되며, 이는 주로 항공우주 분야에 사용된다. 국제 우주 정거장에서는 폐수 저장 탱크에서 세균 번식을 제어하는 데 사용된다. 또한 크롬산/인산 용액은 모든 유형의 양극 피막에 선호되는 제거제이기도 하다.