초산화 칼륨
1. 개요
초산화 칼륨(KO₂)은 황색 고체로, 입방정계 결정 구조를 가지며 초과산화물 이온(O₂⁻)의 짝짓지 않은 전자 때문에 상자성을 띤다. 물과 반응하여 수산화 칼륨(KOH), 산소(O₂), 과산화 수소(H₂O₂)를 생성하며, 이산화 탄소(CO₂)와 반응하여 산소를 방출하고 탄산 칼륨(K₂CO₃) 또는 탄산 수소 칼륨(KHCO₃)을 생성한다. 이러한 특성으로 인해 소유스 우주선, 잠수함, 잠수복 등에서 산소 공급원으로 사용되며, 공업용 산화제, 이산화 탄소 제거 및 제습에도 활용된다. 하지만, 물, 산, 유기물 등과 결합 시 폭발 반응을 일으킬 수 있는 위험성이 있다.
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| IUPAC 이름 | 초산화 칼륨 |
|---|
| CAS 등록번호 | 12030-88-5 |
|---|---|
| ChemSpider ID | 8329498 |
| PubChem CID | 61541 |
| RTECS 번호 | TT6053000 |
| UN 번호 | 2466 |
| EC 번호 | 234-746-5 |
| InChI | 1/2K.O2/c;;1-2/q2*+1;-2 |
| InChIKey | XXQBEVHPUKOQEO-UHFFFAOYAV |
| 표준 InChI | 1S/2K.O2/c;;1-2/q2*+1;-2 |
| 표준 InChIKey | XXQBEVHPUKOQEO-UHFFFAOYSA-N |
| SMILES | [K+].[O-]=O |
| 화학식 | KO2 |
|---|---|
| 몰 질량 | 71.0971 g/mol |
| 외형 | 노란색 고체 |
| 밀도 | 2.14 g/cm3, 고체 |
| 용해도 | 가수분해됨 |
| 녹는점 | 560 °C (분해) |
| 자기 감수율 | +3230·10−6 cm3/mol |
| 결정 구조 | 체심 정방정계 |
|---|
| 표준 생성 엔탈피 | −283 kJ/mol |
|---|---|
| 엔트로피 | 117 J/(mol·K) |
| 주요 위험 | 부식성, 산화제, 물과 격렬하게 반응함 |
|---|---|
| 신호어 | 위험 |
| NFPA 704 | "보건: 3" "화재: 0" "반응성: 3" "특수성: W+OX" |
| 기타 양이온 | 초산화 리튬(Lithium superoxide) 초산화 나트륨(Sodium superoxide) 초산화 루비듐(Rubidium superoxide) 초산화 세슘(Caesium superoxide) |
|---|---|
| 기타 작용기 | 산화 칼륨(Potassium oxide) 과산화 칼륨(Potassium peroxide) 오존화 칼륨(Potassium ozonide) |
| 기타 작용기 레이블 | 칼륨 산화물 |
-
초산화물 -
초과산화물
초과산화물은 분자 산소에 전자가 추가되어 생성된 음이온(O<sub>2</sub><sup>-</sup>)으로, 알칼리 금속 및 알칼리 토금속과 염을 형성하며, 화학적 산소 발생기나 소방관 산소통에 사용되거나 생체 내에서 활성 산소종으로 작용하지만 초과산화물 불균등화 효소에 의해 조절된다. -
초산화물 -
초과산화 리튬
초과산화 리튬은 리튬 양이온과 초과산화물 음이온의 화합물로, 리튬-이온 배터리에서 생성되며 리튬-공기 배터리 연구에 중요한 물질이다. -
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라우토카
라우토카는 피지 비치레부섬 서부에 위치한 피지에서 두 번째로 큰 도시이자 서부 지방의 행정 중심지로, 사탕수수 산업이 발달하여 "설탕 도시"로 알려져 있으며, 인도에서 온 계약 노동자들의 거주와 미 해군 기지 건설의 역사를 가지고 있고, 피지 산업 생산의 상당 부분을 담당하는 주요 기관들이 위치해 있다. -
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코코넛
코코넛은 코코넛 야자나무의 열매로 식용 및 유지로 사용되며, 조리되지 않은 과육은 100g당 354kcal의 열량을 내는 다양한 영양 성분으로 구성되어 있고, 코코넛 파우더의 식이섬유는 대부분 불용성 식이섬유인 셀룰로오스이며, 태국 일부 지역에서는 코코넛 수확에 훈련된 원숭이를 이용하는 동물 학대 문제가 있다. -
칼륨 화합물 -
염화 칼륨
염화칼륨(KCl)은 칼륨 이온과 염화물 이온으로 이루어진 이온성 화합물로, 칼륨 비료, 화학 공업, 의학, 사형 집행 등 다양한 용도로 사용되며, 면심입방구조와 광학적 특성을 지니고, 캐나다, 러시아, 벨라루스 등에서 주로 생산된다. -
칼륨 화합물 -
아세트산 칼륨
아세트산 칼륨은 아세트산을 칼륨 염기로 처리하여 제조되며, 제빙제, 소화제, 식품 첨가물, 의약품, 조직 보존 등 다양한 용도로 사용된다.
2. 성질
황색 고체이며, 결정 구조는 입방정계로 탄화 칼슘형 구조이다. 초산화물 이온(O₂⁻)에 짝짓지 않은 전자 때문에 상자성을 나타낸다. O-O 결합 길이는 1.28 Å이다.
== 화학적 성질 ==
초산화 칼륨은 산화제이자 친핵체인 초과산화물의 공급원이다. 물과 접촉하면 불균등화 반응을 거쳐 수산화 칼륨, 산소 및 과산화수소를 생성한다.
: 4 KO2 + 2 H2O → 4 KOH + 3 O2
: 2 KO2 + 2 H2O → 2 KOH + H2O2 + O2
이산화 탄소와 반응하여 산소를 방출한다.
: 4 KO2 + 2 CO2 → 2 K2CO3 + 3 O2
: 4 KO2 + 4 CO2 + 2 H2O → 4 KHCO3 + 3 O2
이론적으로 KO2 1 kg은 이산화 탄소(CO2) 0.310 kg을 흡수하면서 산소(O2) 0.338 kg을 방출한다. KO2 1 몰은 이산화 탄소 0.5 몰을 흡수하고 산소 0.75 몰을 방출한다.
초산화 칼륨은 물과 반응하기 때문에 유기 용매에서 연구된다. 비극성 용매에 잘 녹지 않으므로 일반적으로 크라운 에테르가 사용된다. 테트라에틸암모늄 염도 알려져 있다. 이러한 염의 대표적인 반응은 알킬 브로마이드를 알코올로, 아실 클로라이드를 이아실 과산화물로 변환하는 등 초과산화물을 친핵체로 사용하는 것이다.
테트라메틸암모늄 수산화물과의 이온 교환을 통해 노란색 고체인 테트라메틸암모늄 초과산화물이 생성된다.
과산화 칼륨은 강력한 산화제이며 흡습성도 있다. 수분을 흡수, 산화시켜 과산화 수소와 산소를 생성한다.
: 2 KO2 + 2 H2O → 2 KOH + H2O2 + O2
수산화 칼륨은 이산화 탄소와 반응하며 흡습성이 있어 탄산 칼륨, 탄산 수소 칼륨으로 변화한다.
: 2 KOH + CO2 → K2CO3 + H2O
: KOH + CO2 → KHCO3
이들을 합하면 최종적으로 다음과 같다.
: 4 KO2 + 2 CO2 → 2 K2CO3 + 3 O2
: 4 KO2 + 4 CO2 + 2 H2O → 4 KHCO3 + 3 O2
: ( KO2 + CO2 + 1/2 H2O → KHCO3 + 3/4 O2 + 141.846kJ )
탄산 칼륨으로 변화한 경우 이론상, 과산화 칼륨 1 kg당 0.309 kg의 이산화 탄소를 흡수하고, 0.38 kg의 산소를 방출한다.
KO2 1mol당 1/2mol의 CO2, 3/4mol의 O2를 각각 흡수, 방출한다고도 할 수 있다.
탄산 수소 칼륨으로 변화시킨 경우는 KO2 1mol당 1mol의 CO2를 흡수할 수 있지만, 실제로는 CO2의 공급 농도 문제, 탄산 칼륨의 조해에 의해 유로를 막아버리는 문제로 인해 그만큼 반응시키기는 어렵다. 소유스의 산소 발생기나 신카이 2000용으로 개발된 생명 유지 장치에서는 수산화 리튬에 의한 추가적인 이산화 탄소 흡수를 실시한다. 수산화 리튬, 과산화 칼륨에 공급하는 유량을 각각 조정함으로써 산소 농도, 이산화 탄소 농도를 개별적으로 제어할 수 있다.
충분히 반응시키기 위해서는 촉매의 추가나 입자 크기, 형태의 궁리도 또한 유효하다.
2.1. 물리적 성질
황색 고체이며, 결정 구조는 입방정계로 탄화 칼슘형 구조이다. 초산화물 이온(O₂⁻)에 짝짓지 않은 전자 때문에 상자성을 나타낸다. O-O 결합 길이는 1.28 Å이다.
2.2. 화학적 성질
초산화 칼륨은 산화제이자 친핵체인 초과산화물의 공급원이다. 물과 접촉하면 불균등화 반응을 거쳐 수산화 칼륨, 산소 및 과산화수소를 생성한다.
: 4 KO2 + 2 H2O → 4 KOH + 3 O2
: 2 KO2 + 2 H2O → 2 KOH + H2O2 + O2
이산화 탄소와 반응하여 산소를 방출한다.
: 4 KO2 + 2 CO2 → 2 K2CO3 + 3 O2
: 4 KO2 + 4 CO2 + 2 H2O → 4 KHCO3 + 3 O2
이론적으로 KO2 1 kg은 이산화 탄소(CO2) 0.310 kg을 흡수하면서 산소(O2) 0.338 kg을 방출한다. KO2 1 몰은 이산화 탄소 0.5 몰을 흡수하고 산소 0.75 몰을 방출한다.
초산화 칼륨은 물과 반응하기 때문에 유기 용매에서 연구된다. 비극성 용매에 잘 녹지 않으므로 일반적으로 크라운 에테르가 사용된다. 테트라에틸암모늄 염도 알려져 있다. 이러한 염의 대표적인 반응은 알킬 브로마이드를 알코올로, 아실 클로라이드를 이아실 과산화물로 변환하는 등 초과산화물을 친핵체로 사용하는 것이다.
테트라메틸암모늄 수산화물과의 이온 교환을 통해 노란색 고체인 테트라메틸암모늄 초과산화물이 생성된다.
과산화 칼륨은 강력한 산화제이며 흡습성도 있다. 수분을 흡수, 산화시켜 과산화 수소와 산소를 생성한다.
: 2 KO2 + 2 H2O → 2 KOH + H2O2 + O2
수산화 칼륨은 이산화 탄소와 반응하며 흡습성이 있어 탄산 칼륨, 탄산 수소 칼륨으로 변화한다.
: 2 KOH + CO2 → K2CO3 + H2O
: KOH + CO2 → KHCO3
이들을 합하면 최종적으로 다음과 같다.
: 4 KO2 + 2 CO2 → 2 K2CO3 + 3 O2
: 4 KO2 + 4 CO2 + 2 H2O → 4 KHCO3 + 3 O2
: ( KO2 + CO2 + 1/2 H2O → KHCO3 + 3/4 O2 + 141.846kJ )
탄산 칼륨으로 변화한 경우 이론상, 과산화 칼륨 1 kg당 0.309 kg의 이산화 탄소를 흡수하고, 0.38 kg의 산소를 방출한다.
KO2 1mol당 1/2mol의 CO2, 3/4mol의 O2를 각각 흡수, 방출한다고도 할 수 있다.
탄산 수소 칼륨으로 변화시킨 경우는 KO2 1mol당 1mol의 CO2를 흡수할 수 있지만, 실제로는 CO2의 공급 농도 문제, 탄산 칼륨의 조해에 의해 유로를 막아버리는 문제로 인해 그만큼 반응시키기는 어렵다. 소유스의 산소 발생기나 신카이 2000용으로 개발된 생명 유지 장치에서는 수산화 리튬에 의한 추가적인 이산화 탄소 흡수를 실시한다. 수산화 리튬, 과산화 칼륨에 공급하는 유량을 각각 조정함으로써 산소 농도, 이산화 탄소 농도를 개별적으로 제어할 수 있다.
충분히 반응시키기 위해서는 촉매의 추가나 입자 크기, 형태의 궁리도 또한 유효하다.
3. 생성 및 반응
칼륨을 산소 대기 중에서 연소시키면 초산화 칼륨이 생성된다. 이 반응의 화학식은 다음과 같다.
:K + O2 → KO2
초산화 칼륨은 이온 결합을 통해 K+와 O2- 이온으로 구성된다. O-O 거리는 1.28 Å이다.
3.1. 생성
칼륨을 산소 대기 중에서 연소시키면 초산화 칼륨이 생성된다. 이 반응의 화학식은 다음과 같다.
:K + O2 → KO2
초산화 칼륨은 이온 결합을 통해 K+와 O2- 이온으로 구성된다. O-O 거리는 1.28 Å이다.
3.2. 반응
초산화 칼륨(KO₂)은 산화제이자 친핵체인 초과산화물의 공급원이며, 반응 상대에 따라 다르게 반응한다.
물과 접촉하면 불균등화 반응을 거쳐 수산화 칼륨(KOH), 산소(O₂), 과산화 수소(H₂O₂)를 생성한다.
: 4 KO₂ + 2 H₂O → 4 KOH + 3 O₂
: 2 KO₂ + 2 H₂O → 2 KOH + H₂O₂ + O₂
이산화 탄소(CO₂)와 반응하여 산소를 방출하고, 탄산 칼륨(K₂CO₃) 또는 탄산 수소 칼륨(KHCO₃)을 생성한다.
: 4 KO₂ + 2 CO₂ → 2 K₂CO₃ + 3 O₂
: 4 KO₂ + 4 CO₂ + 2 H₂O → 4 KHCO₃ + 3 O₂
이론적으로 초산화 칼륨 1 kg은 이산화 탄소 0.310 kg을 흡수하면서 산소 0.338 kg을 방출한다. 초산화 칼륨 1 몰은 이산화 탄소 0.5 몰을 흡수하고 산소 0.75 몰을 방출한다.
초산화 칼륨은 유기 용매에서 크라운 에테르 등을 사용하여 친핵체로 작용할 수 있다. 테트라메틸암모늄 수산화물과의 이온 교환을 통해 테트라메틸암모늄 초과산화물을 생성할 수 있다.
러시아 연방 우주국은 소유스의 산소 발생기에 초산화 칼륨을 산소 공급원으로 사용하며, 비상용 산소 마스크에도 응용하고 있다. 잠수함, 잠수복, 소방복 등에도 사용되지만, 물과의 높은 반응성 때문에 제한적으로 사용된다.
4. 응용
러시아 연방 우주국은 우주복과 소유스 우주선의 화학적 산소 발생기에 초산화 칼륨을 사용한다. 초산화 칼륨은 소방 및 광산 구조 작업용 재호흡기 용기에도 사용된다. 잠수함, 잠수복, 소방복 등 밀폐된 공간에서 산소 공급 및 이산화 탄소 제거를 위해 사용될 수 있지만, 물과의 반응성이 높아 사용에 제한이 있다.
초산화 칼륨은 이산화 탄소와 반응하여 탄산 칼륨 또는 탄산 수소 칼륨을 생성하고 산소를 방출한다. 이러한 반응 특성으로 인해 공업용 산화제로 이산화 탄소 제거 및 제습에 사용된다.
초산화 칼륨은 아폴로 17호의 생물학적 우주선 실험에서 생쥐의 생명 유지 시스템에 사용되었다. 대한민국에서는 재난 및 안전 분야에서의 활용을 위한 기술 개발이 진행 중이다.
5. 위험성
초산화 칼륨은 독성 산화제이며 물, 산, 유기물, 그래파이트 분말을 포함한 다양한 물질과 화합물과 결합될 때 폭발 반응을 낼 수 있다. 건조한 초산화물조차도 케로신과 같은 유기농 기름과 결합할 때 민감한 폭발성 화합물을 만들어낼 수 있다. 1999년, 오크리지 국립연구소에서 나크 금속 유출로부터 칼륨을 정제하다가 석유와 포화되면서 민감한 폭발을 일으켰다.