수소화 붕소 리튬
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1. 개요
수소화 붕소 리튬(LiBH₄)은 수소화물의 공급원으로서 다양한 유기 반응에 사용되는 화합물이다. 수소화 붕소 나트륨과 브로민화 리튬의 반응, 또는 삼플루오린화 붕소와 수소화 리튬의 반응을 통해 제조할 수 있다. 수소화 붕소 나트륨보다 강력한 환원제이며, 에스테르, 니트릴, 1급 아미드를 환원시킬 수 있고, 에폭시드를 열 수 있다. 물과 반응하여 수소를 생성하며, 가장 높은 에너지 밀도를 가진 화학적 에너지 캐리어 중 하나로, 자동차 및 로켓 연료로 제안되기도 했지만, 재활용의 어려움으로 인해 널리 사용되지는 않는다.
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| 수소화 붕소 리튬 - [화학 물질]에 관한 문서 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
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| |
| IUPAC 이름 | 리튬 테트라하이드리도보레이트(1–) |
| 다른 이름 | 수소화 붕소 리튬 테트라하이드로붕소산 리튬 보레이트(1-), 테트라하이드로-, 리튬, 리튬 보라네이트 |
| 식별 정보 | |
| ChemSpider ID | 55732 |
| InChI | 1/BH4.Li/h1H4;/q-1;+1 |
| InChIKey | UUKMSDRCXNLYOO-UHFFFAOYAS |
| 표준 InChI | 1S/BH4.Li/h1H4;/q-1;+1 |
| 표준 InChIKey | UUKMSDRCXNLYOO-UHFFFAOYSA-N |
| CAS 등록번호 | 16949-15-8 |
| UNII | 8L87X4S4KP |
| PubChem CID | 4148881 |
| RTECS 번호 | ED2725000 |
| SMILES | [Li+].[BH4-] |
| 속성 | |
| 화학식 | LiBH4 |
| 몰 질량 | 21.784 g/mol |
| 외형 | 흰색 고체 |
| 밀도 | 0.666 g/cm3 |
| 녹는점 | 268 °C |
| 끓는점 | 380 °C (분해) |
| 용해도 | 반응함 |
| 다른 용매 용해도 | 2.5 g/100 mL (에터에 용해) |
| 구조 | |
| 결정 구조 | 사방정계 |
| 공간군 | Pnma |
| 점군 | Pnma |
| 격자 상수 a | 7.17858(4) |
| 격자 상수 b | 4.43686(2) |
| 격자 상수 c | 6.80321(4) |
| 단위 세포 부피 | 216.685(3) A3 |
| 단위 세포 분자 수 | 4 |
| 배위수 | [4]B |
| 열화학 | |
| 표준 생성 엔탈피 | -198.83 kJ/mol |
| 엔트로피 | 75.7 J/(mol⋅K) |
| 열용량 | 82.6 J/(mol⋅K) |
| 위험성 | |
| 자동 발화점 | > 180 °C |
2. 제조
수소화 붕소 리튬은 더 흔하게 사용되는 수소화 붕소 나트륨과 브로민화 리튬을 볼 밀링하여 일어나는 치환 반응을 통해 제조할 수 있다.[4]
수소화 붕소 리튬은 수소화물(H–)의 공급원으로서 유용하다. 다양한 종류의 카보닐 기질 및 기타 극성 탄소 구조와 반응하여 수소-탄소 결합을 형성할 수 있다. 또한 브뢴스테드-로우-산성 물질(H+의 공급원)과 반응하여 수소 기체를 생성할 수도 있다.
: NaBH4 + LiBr → NaBr + LiBH4
또는 삼플루오린화 붕소를 수소화 리튬과 다이에틸 에테르에서 반응시켜 합성할 수 있다.[5]
: BF3 + 4 LiH → LiBH4 + 3 LiF
3. 반응
==== 환원 반응 ====
수소화 붕소 리튬은 수소화 붕소 나트륨보다는 강력하지만[6][7] 수소화 알루미늄 리튬보다는 약한[7] 수소화물 환원제이다. 수소화 붕소 나트륨과 달리, 에스테르를 알코올로, 니트릴과 1급 아미드를 아민으로 환원시킬 수 있으며, 에폭시드를 열 수 있다. 이러한 많은 경우에서 향상된 반응성은 리튬 양이온과의 배위에 의한 카르보닐 기질의 편극 때문으로 여겨진다.[3] 수소화 알루미늄 리튬과 달리, 니트로기, 카바민산, 알킬 할라이드, 2급 및 3급 아미드와 반응하지 않는다.
==== 수소 생성 ====
수소화 붕소 리튬은 물과 반응하여 수소를 생성한다. 이 반응은 수소 발생에 사용될 수 있다.[8] 일반적으로 이 반응은 자발적이고 격렬하지만, 저온에서 탈기된 증류수를 사용하고 산소 노출을 주의 깊게 피하면 수소화 붕소 리튬의 다소 안정적인 수용액을 제조할 수 있다.[9]
3. 1. 환원 반응
수소화 붕소 리튬은 수소화 붕소 나트륨보다는 강력하지만[6][7] 수소화 알루미늄 리튬보다는 약한[7] 수소화물 환원제이다. 수소화 붕소 나트륨과 달리, 에스테르를 알코올로, 니트릴과 1급 아미드를 아민으로 환원시킬 수 있으며, 에폭시드를 열 수 있다. 이러한 많은 경우에서 향상된 반응성은 리튬 양이온과의 배위에 의한 카르보닐 기질의 편극 때문으로 여겨진다.[3] 수소화 알루미늄 리튬과 달리, 니트로기, 카바민산, 알킬 할라이드, 2급 및 3급 아미드와 반응하지 않는다.
3. 2. 수소 생성
수소화 붕소 리튬은 물과 반응하여 수소를 생성한다. 이 반응은 수소 발생에 사용될 수 있다.[8] 일반적으로 이 반응은 자발적이고 격렬하지만, 저온에서 탈기된 증류수를 사용하고 산소 노출을 주의 깊게 피하면 수소화 붕소 리튬의 다소 안정적인 수용액을 제조할 수 있다.[9]
4. 에너지 저장
수소화 붕소 리튬 재활용 개략도. 투입물은 붕산 리튬과 수소이다.
수소화 붕소 리튬은 가장 높은 에너지 밀도를 가진 화학적 에너지 캐리어 중 하나로 알려져 있다. 고체 상태에서는 대기 중의 산소와 반응할 때 65 MJ/kg의 열을 방출한다. 밀도는 0.67 g/cm3이며, 액체 수소화 붕소 리튬의 산화는 43 MJ/L를 제공한다. 이는 가솔린의 44 MJ/kg (또는 35 MJ/L), 액체 수소의 120 MJ/kg (또는 8.0 MJ/L)과 비교된다.[10]
이러한 높은 비 에너지 밀도 때문에 자동차 및 로켓 연료로 제안되기도 했지만, 연구와 옹호에도 불구하고 널리 사용되지는 않았다. 모든 화학 수소화물 기반 에너지 캐리어와 마찬가지로, 수소화 붕소 리튬은 재활용(재충전)이 매우 복잡하여 낮은 에너지 변환 효율을 보인다. 리튬 이온 배터리는 최대 0.72 MJ/kg 및 2.0 MJ/L의 에너지 밀도를 가지며, DC-DC 변환 효율은 90%까지 가능하다.[11] 금속 수소화물의 재활용 메커니즘의 복잡성을 고려할 때,[12] 현재 기술로는 높은 에너지 변환 효율은 실용적이지 않다.
| 물질 | 비 에너지, MJ/kg | 밀도, g/cm3 | 에너지 밀도, MJ/L |
|---|---|---|---|
| LiBH4 | 65.2 | 0.666 | 43.4 |
| 일반 가솔린 | 44 | 0.72 | 34.8 |
| 액체 수소 | 120 | 0.0708 | 8 |
| 리튬 이온 배터리 | 0.72 | 2.8 | 2 |
참조
[1]
웹사이트
Sigma-Aldrich Product Detail Page
http://www.sigmaaldr[...]
[2]
논문
Lithium boro-hydride LiBH4: I. Crystal structure
2002-11-18
[3]
서적
Lithium Borohydride
John Wiley & Sons
2001
[4]
서적
Hydrides
Wiley-VCH, Weinheim
2002
[5]
서적
Handbook of Preparative Inorganic Chemistry
https://books.google[...]
Academic Press
1963
[6]
서적
Reduction: Selectivity, Strategy & Efficiency in Modern Organic Chemistry
Pergamon Press
1991
[7]
논문
Mixed solvents containing methanol as useful reaction media for unique chemoselective reductions within lithium borohydride
1986
[8]
논문
Hydrogen Generation by Hydrolysis Reaction of Lithium Borohydride
2004-08
[9]
논문
Preparation of Quaternary Ammonium Borohydrides from Sodium and Lithium Borohydrides
[10]
문서
[11]
간행물
The effect of PHEV and HEV duty cycles on battery and battery pack performance (PDF). 2007 Plug-in Highway Electric Vehicle Conference: Proceedings
2007
[12]
특허
1977
[13]
웹사이트
Sigma-Aldrich Product Detail Page
http://www.sigmaaldr[...]
[14]
저널
Lithium boro-hydride LiBH4: I. Crystal structure
2002-11-18
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