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염화 카드뮴

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1. 개요

염화 카드뮴(CdCl₂)은 카드뮴과 염소로 구성된 무기 화합물로, 다양한 결정 구조와 화학적 성질을 갖는다. 무수물은 층상 구조를 가지며, 수화물 형태로 존재하기도 한다. 염산과 카드뮴 또는 산화 카드뮴의 반응으로 제조되며, 유기 카드뮴 화합물 합성, 태양 전지 재료, 도금, 염색 등 다양한 용도로 사용된다. 하지만 발암성 물질로, 흡입 시 카드뮴 중독을 일으킬 수 있어 취급에 주의해야 한다. 한국을 포함한 여러 국가에서 유해 물질로 지정되어 엄격하게 관리된다.

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염화 카드뮴 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
염화 카드뮴의 막대-공 모델
염화 카드뮴의 막대-공 모델
염화 카드뮴의 다면체 모양
염화 카드뮴의 다면체 모양
염화 카드뮴 헤미펜타하이드레이트
염화 카드뮴 헤미펜타하이드레이트
IUPAC 이름염화 카드뮴
다른 이름염화 카드뮴(II)
식별 정보
CAS 등록번호10108-64-2
CAS 등록번호 (헤미펜타하이드레이트)7790-78-5
CAS 등록번호 (일수화물)35658-65-2
바일슈타인 등록번호3902835
ChemSpider ID23035
ChemSpider ID (헤미펜타하이드레이트)17339510
ChemSpider ID (일수화물)4447434
DTXSIDDTXSID4040183
ChEBI35456
KEGGC15233
EINECS233-296-7
EC 번호 (헤미펜타하이드레이트)813-696-3
Gmelin912918
RTECSEV0175000
UN 번호2570
PubChem24947
PubChem (헤미펜타하이드레이트)24978551
PubChem (일수화물)5284356
UNIIJ6K4F9V3BA
UNII (헤미펜타하이드레이트)2R707SXC9H
InChI1/Cd.2ClH/h;2*1H/q+2;;/p-2
InChIKeyYKYOUMDCQGMQQO-NUQVWONBAG
표준 InChI1S/Cd.2ClH/h;2*1H/q+2;;/p-2
표준 InChIKeyYKYOUMDCQGMQQO-UHFFFAOYSA-L
InChI (일수화물)1S/Cd.2ClH.H2O/h;2*1H;1H2/q+2;;;/p-2
InChIKey (일수화물)OISMQLUZKQIKII-UHFFFAOYSA-L
SMILES (일수화물)O.[Cl-].[Cl-].[Cd+2]
SMILES[Cd+2].[Cl-].[Cl-]
InChI (헤미펜타하이드레이트)1S/2Cd.4ClH.5H2O/h;;4*1H;5*1H2/q2*+2;;;;;;;;;/p-4
InChIKey (헤미펜타하이드레이트)DZVRGWYMCGLNKJ-UHFFFAOYSA-J
SMILES (헤미펜타하이드레이트)O.O.O.O.O.[Cl-].[Cl-].[Cl-].[Cl-].[Cd+2].[Cd+2]
물리화학적 성질
분자식CdCl2
겉모습흰색 고체, 흡습성
냄새무취
밀도 (무수물)4.047 g/cm3
밀도 (일수화물)3.26 g/cm3
밀도 (헤미펜타하이드레이트)3.327 g/cm3
용해도 (헤미펜타하이드레이트)79.5 g/100 mL (−10 °C)
90 g/100 mL (0 °C)
용해도 (일수화물)119.6 g/100 mL (25 °C)
134.3 g/100 mL (40 °C)
134.2 g/100 mL (60 °C)
147 g/100 mL (100 °C)
다른 용매에 대한 용해도알코올, 셀레늄(IV) 염화물 산화물, 벤조니트릴에 용해됨, 에터, 아세톤에 불용해
녹는점568 °C
끓는점964 °C
피리딘에 대한 용해도4.6 g/kg (0 °C)
7.9 g/kg (4 °C)
8.1 g/kg (15 °C)
6.7 g/kg (30 °C)
5 g/kg (100 °C)
에탄올에 대한 용해도1.3 g/100 g (10 °C)
1.48 g/100 g (20 °C)
1.91 g/100 g (40 °C)
2.53 g/100 g (70 °C)
디메틸 설폭사이드에 대한 용해도18 g/100 g (25 °C)
증기압0.01 kPa (471 °C)
0.1 kPa (541 °C)
점성도2.31 cP (597 °C)
1.87 cP (687 °C)
자기 감수율−6.87·10−5 cm3/mol
결정 구조
결정 구조 (무수물)능면체, hR9
결정 구조 (헤미펜타하이드레이트)단사정
공간군 (무수물)R3m, No. 166
점군 (무수물)3 2/m
격자 상수 a3.846 Å
격자 상수 c (무수물)17.479 Å
격자 상수 γ120
열화학
열용량74.7 J/mol·K
엔트로피115.3 J/mol·K
생성 엔탈피−391.5 kJ/mol
깁스 자유 에너지−343.9 kJ/mol
위험성
신호어위험
NFPA 704NFPA-H: 4
NFPA-F: 0
NFPA-R: 0
LD50 (쥐, 경구)94 mg/kg
LD50 (마우스, 경구)60 mg/kg
IDLHCa [9 mg/m3 (카드뮴으로서)]
RELCa
PEL[1910.1027] TWA 0.005 mg/m3 (카드뮴으로서)
관련 화합물
다른 음이온플루오린화 카드뮴
브로민화 카드뮴
아이오딘화 카드뮴
다른 양이온염화 아연
염화 수은(II)
염화 칼슘

2. 구조

무수 염화 카드뮴은 삼방정계의 결정 구조를 갖는 이온 결정이다.[27] 공간군은 R3m, 격자상수는 a=3.85, c=17.46, γ=120[28]이다. 1930년 라이너스 폴링의 논문에서는 공간군 R3c, 격자상수 a=3.23, α=36.03으로 되어 있다. 각 원자 간의 결합 거리는 염소-염소 간이 3.85 Å 및 3.76 Å, 카드뮴-염소 간이 2.66 Å이다.[29] 면심 입방 격자 구조로 배열된 염소 이온이 형성하는 팔면체의 틈새에 카드뮴 이온이 위치하는 구조를 가지며, 염소 이온 층에 카드뮴 이온 층이 끼워진 층상 구조를 하고 있다.[27] 또한, 금속 중심인 카드뮴 이온을 중심으로 보면, 6배위의 팔면체 배치를 취하고 있다.[30] 염화 카드뮴과 유사한 결정 구조를 갖는 물질은 염화 마그네슘, 염화 철(II), 염화 니켈(II), 염화 코발트 등 다수 존재하며, 이러한 구조는 염화 카드뮴형 결정 구조라고 불린다.[27][29] 요오드화 카드뮴도 유사한 결정 구조를 가지지만, 요오드화 카드뮴 중의 요오드 이온은 면심 입방 격자 구조가 아닌 육방 밀집 구조로 배열되어 있으며, 이것은 요오드화 카드뮴형 구조라고 불린다.[31]

1수화물은 사방정계로 공간군은 Pnma, 격자상수는 a=9.25, b=3.776, c=11.89이다. 카드뮴 이온을 중심으로 한 팔면체 구조의 측면에 수화수가 위치하는 구조를 취하고, 그 측면에 위치하는 수화수의 수소 결합에 의해 팔면체 구조가 사슬 모양으로 이어진 구조를 하고 있다.[32] 2.5수화물은 단사정계로 공간군은 P21/m, 격자상수는 a=9.21, b=11.88, c=10.08, β=93.30이다. 무수물, 1수화물과 마찬가지로 카드뮴 이온을 중심으로 한 팔면체 구조를 가지며, 각 팔면체 단위 구조가 3차원적으로 이어진 프레임워크 구조를 결정수의 수소 결합이 보강하고 있는 구조를 하고 있다. 또한 결정수 중의 산소 이온은 찌그러진 사면체 배위 구조를 하고 있다.[33]

2. 1. 무수물

무수 염화 카드뮴은 염화물 리간드와 연결된 팔면체 Cd2+ 중심으로 구성된 층상 구조를 형성한다.[8][9] 아이오딘화 카드뮴 (CdI2)은 유사한 구조를 가지고 있지만, 아이오딘 이온은 HCP 격자 형태로 배열되는 반면, CdCl2에서는 염화물 이온이 CCP 격자 형태로 배열된다.[8][9]

무수 염화 카드뮴은 삼방정계의 결정 구조를 갖는 이온 결정이다.[27] 공간군은 Rm, 격자상수는 a=3.85, c=17.46, γ=120이다.[28] 1930년 라이너스 폴링의 논문에서는 공간군 Rc, 격자상수 a=3.23, α=36.03으로 되어 있다. 각 원자 간의 결합 거리는 염소-염소 간이 3.85 Å 및 3.76 Å, 카드뮴-염소 간이 2.66 Å이다.[29] 면심 입방 격자 구조로 배열된 염소 이온이 형성하는 팔면체의 틈새에 카드뮴 이온이 위치하는 구조를 가지며, 염소 이온 층에 카드뮴 이온 층이 끼워진 층상 구조를 하고 있다.[27] 금속 중심인 카드뮴 이온을 중심으로 보면, 6배위의 팔면체 배치를 취하고 있다.[30] 염화 카드뮴과 유사한 결정 구조를 갖는 물질은 염화 마그네슘, 염화 철(II), 염화 니켈(II), 염화 코발트 등 다수 존재하며, 이러한 구조는 염화 카드뮴형 결정 구조라고 불린다.[27][29]

2. 2. 수화물

염화 카드뮴은 무수물 형태로 존재할 때 공기 중의 수분을 흡수하여 다양한 수화물을 형성한다. 엑스선 결정학으로 연구된 수화물에는 염화 카드뮴·H2O[10], 염화 카드뮴·2.5H2O[11], 염화 카드뮴·4H2O[12]가 있다.



염화 카드뮴 3가지 수화물에 대한 결정학적 데이터
화합물CdCl2·H2O[10]CdCl2·2.5H2O[11]CdCl2·4H2O[12]
몰 질량 (g/mol)201.33228.36255.38
결정 구조사방정계단사정계사방정계
공간군PnmaP21/nP212121
격자 상수 a (Å)9.259.2112.89
격자 상수 b (Å)3.7811.887.28
격자 상수 c (Å)11.8910.0815.01
β93.5°
밀도 (g/cm3)3.262.842.41
비고상호 연결된 CdCl3(H2O) 팔면체변형된 trans-[CdCl2(H2O)4] 팔면체



1수화물은 사방정계이며, 공간군은 Pnma, 격자상수는 a=9.25, b=3.776, c=11.89이다. 카드뮴 이온을 중심으로 한 팔면체 구조의 측면에 수화수가 위치하고, 그 측면에 위치하는 수화수의 수소 결합에 의해 팔면체 구조가 사슬 모양으로 이어진다.[32] 2.5수화물은 단사정계이며, 공간군은 P21/m, 격자상수는 a=9.21, b=11.88, c=10.08, β=93.30이다. 무수물, 1수화물과 마찬가지로 카드뮴 이온을 중심으로 한 팔면체 구조를 가지며, 각 팔면체 단위 구조가 3차원적으로 이어진 프레임워크 구조를 결정수의 수소 결합이 보강하고 있는 구조를 하고 있다. 또한 결정수 중의 산소 이온은 찌그러진 사면체 배위 구조를 하고 있다.[33]

3. 화학적 성질

염화 카드뮴은 물 및 기타 극성 용매에 잘 녹는 백색 결정성 고체이다. 약한 루이스 산으로 작용한다.[8]

:CdCl2 + 2 Cl → [CdCl4]2−

카드뮴 금속은 염화 카드뮴을 568 °C 이상으로 가열하여 생성된 용융된 염화 카드뮴에 용해된다. 냉각 시 금속이 침전된다.[14]

수용액에서 일부는 착이온이나 비 해리 상태로 존재하며, 완전하게 전리되지는 않는 약 전해질이다.[13] 또한, 염화 카드뮴의 수용액은 황화 수소 가스를 흡수한다. 물 외에 아세톤이나 에탄올 등의 양성자성 용매에도 용해되지만, 무극성 용매인 다이에틸 에테르에는 불용이다. 불연성이지만, 가열하면 염소나 산화 카드뮴을 포함하는 유해한 흄을 발생시킨다.

무수물 외에 일수화물, 2.5수화물, 4수화물이 존재한다.

4. 제조

무수 염화 카드뮴은 염산과 카드뮴 금속 또는 산화 카드뮴의 반응으로 제조할 수 있다.[14]

: Cd + 2 HCl → CdCl2 + H2

무수 염은 또한 염화 수소 또는 아세틸 클로라이드를 사용하여 무수 아세트산 카드뮴으로부터 제조할 수 있다.[15]

산업적으로는 용융된 카드뮴과 염소 기체를 600 °C에서 반응시켜 생산한다.[14]

용융된 금속 카드뮴을 염소 가스 또는 염화 수소 가스와 반응시키거나, 산화 카드뮴과 염화 수소 가스를 반응시켜 합성한다.[34]

또한, 금속 카드뮴을 염산에 용해시킨 용액을 증발 건고시키면 각 수화물의 혼합물을 얻을 수 있으며, 이를 가열하여 결정수를 탈수하면 무수물을 얻을 수 있다.[35] 그 외에, 염화 카드뮴의 수화물을 염화 티오닐과 함께 가열 환류시켜도 무수물을 얻을 수 있다.[38]

5. 용도

염화 카드뮴은 다른 유기 및 무기 카드뮴 화합물의 합성 원료, 도금 재료, 태양 전지 재료 등으로 사용된다.[36] 예를 들어 카드뮴 옐로우로 사용되는 황화 카드뮴[37], 폴리염화 비닐의 안정제로 사용되는 스테아르산 카드뮴은 염화 카드뮴으로부터 합성된다.[38]

실험실에서 무수 염화 카드뮴(CdCl2)은 R2Cd 유형의 유기 카드뮴 화합물을 제조하는 데 사용될 수 있다. 여기서 R은 아릴기 또는 1차 알킬기이다. 이러한 시약은 한때 아실 클로라이드로부터 케톤을 합성하는 데 사용되었으나,[16] 훨씬 독성이 적은 유기 구리 화합물로 대체되었다.

염화 카드뮴은 텔루르화 카드뮴(CdTe)계 태양 전지에서 광전 변환 효율을 증폭시키기 위해 사용된다. CdTe 박막의 표면을 염화 카드뮴으로 처리하면 광전 변환 효율이 2%에서 15%까지 증가한다.[39] 이는 염화 카드뮴 처리를 통해 CdTe의 결정성이 개선되기 때문이다.[40]

염화 카드뮴은 복사, 염색 및 전기도금에도 사용된다. 과거에는 잔디 살균제로도 사용되었으나,[41] 1990년에 미국 환경 보호청에 의해 농약 등록이 취소되어 현재는 제한적으로 사용된다.[42]

6. 독성 및 규제

염화 카드뮴은 발암성 물질이며, 흡입 시 카드뮴 중독을 일으킬 수 있다.[26] 쥐를 이용한 경구 투여 시험에서 반수 치사량은 88-302mg/kg이다. PRTR법의 특정 제1종 지정 화학 물질 및 노동기준법의 질병 유발 화학 물질 등으로 지정되어 있으며, 독물 및 극물 단속법에서는 극물로 분류된다.[26]

유럽 연합REACH 규정에 따라 2014년에 고위험성 물질 후보로 지정되었다.[36][43] 이 리스트에 추가되면, 대상 물질을 0.1% 이상 함유하는 성형 제품을 제공하는 자는 사용자에게 안전 데이터 시트 등의 정보를 제공해야 하며, 연간 1톤 이상 유럽으로 수출할 때 유럽 화학 물질청에 신고할 의무 등이 발생한다.[36][43]
한국에서는 「화학물질관리법」에 따라 유독물질로 지정되어 있으며, 취급 시 엄격한 안전 관리가 필요하다. 「산업안전보건법」에 따라 특별관리물질로 지정되어 있으며, 작업 환경 및 근로자 건강 관리에 대한 규제가 적용된다.

참조

[1] 문서 CRC90
[2] 서적 Solubilities of Inorganic and Organic Compounds https://archive.org/[...] D. Van Nostrand Company
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[5] 웹사이트 2014-05-23
[6] 문서 IDLH
[7] 문서 PGCH
[8] 문서 N. N. Greenwood, A. Earnshaw, ''Chemistry of the Elements'', 2nd ed., Butterworth-Heinemann, Oxford, UK, 1997.
[9] 문서 A. F. Wells, ''Structural Inorganic Chemistry'', 5th ed., Oxford University Press, Oxford, UK, 1984.
[10] 논문 Structure cristalline de CdCl2.H2O 1974
[11] 논문 Structure de CdCl2.2,5H2O 1975
[12] 논문 Structure de dichlorure de cadmium tétrahydraté 1979
[13] 서적 Handbook of Preparative Inorganic Chemistry, 2nd Ed. Academic Press
[14] 서적 Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry https://doi.org/10.1[...] 2000
[15] 서적 Handbook of Preparative Inorganic Chemistry, 2nd Ed. Academic Press
[16] 문서 J. March, ''Advanced Organic Chemistry'', 4th ed., p. 723, Wiley, New York, 1992.
[17] 문서 CRC90
[18] 서적 Solubilities of Inorganic and Organic Compounds D. Van Nostrand Company
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[21] 웹사이트 2014-05-23
[22] 문서 IDLH
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[33] 논문 Structure de CdCl2.2,5H2O
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[37] 간행물 IARC 1993
[38] 간행물 IARC 1993
[39] 학술지 豆腐の材料が太陽電池パネル製造に革新をもたらす可能性を発見 http://www.nedo.go.j[...]
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[41] 서적 Report on Carcinogens (12th Ed. ) DIANE Publishing
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[44] 간행물 CRC90
[45] 서적 Solubilities of Inorganic and Organic Compounds https://archive.org/[...] D. Van Nostrand Company
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[49] 웹사이트 Cadmium compounds (as Cd)
[50] 웹사이트 PGCH



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