탄화물

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1. 개요
2. 이온성 탄화물
3. 공유결합성 탄화물
- 3.1. 탄화 규소
- 3.2. 탄화 붕소
4. 침입형 탄화물
- 4.1. 침입형 탄화물의 구조
- 4.2. 비화학량론적 화합물
5. "중간형" 전이 금속 탄화물
6. 기타 관련 화합물
참조

1. 개요

탄화물은 탄소와 전기 양성적인 원소로 구성된 화합물이다. 탄화물은 화학 결합의 종류에 따라 이온성 탄화물, 공유 결합 화합물, 침입형 화합물, "중간형" 전이 금속 탄화물로 분류된다. 대표적으로 탄화칼슘, 탄화규소, 탄화텅스텐 등이 있으며, 다양한 산업 분야에 사용된다. 이온성 탄화물은 메타나이드, 아세틸리드, 알릴리드로 분류되며, 공유 결합 탄화물은 높은 경도를 나타낸다. 침입형 탄화물은 금속적 특성과 내화성을 가지며, 절삭 공구의 금속 코팅에 사용된다. 이 외에도 층상 삽입 화합물, 풀러렌 화합물 등 다양한 탄소 관련 화합물들이 존재한다.

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탄화물 - 탄화 규소
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탄화물
개요
종류	화합물
특성	매우 단단함 높은 융점 화학적으로 안정적임
생성
방법	금속이나 준금속 원소와 탄소의 직접적인 반응
분류
이온성 탄화물	알칼리 금속 탄화물 알칼리 토금속 탄화물
공유 결합 탄화물	붕소 탄화물 규소 탄화물
금속성 탄화물	전이 금속 탄화물 란타넘족 탄화물 악티늄족 탄화물
기타	플루토늄 탄화물 우라늄 탄화물
특징
경도	매우 높은 경도
내열성	높은 내열성
화학적 안정성	화학적으로 매우 안정적임
전기 전도성	전기 전도성 가변적임 (금속성 탄화물의 경우 높음)
용도	절삭 공구 내마모 코팅 고온 재료 핵연료
탄화물의 예시
탄화 칼슘	아세틸렌 생산에 사용
탄화규소	연마재 및 고온 반도체에 사용
탄화 텅스텐	절삭 공구에 사용
탄화붕소	장갑 및 연마재에 사용
탄화 반응식
금속 탄화물	M + C → MC (M = 금속 원소)
준금속 탄화물	X + C → XC (X = 준금속 원소)

2. 이온성 탄화물

이온성 탄화물은 염화물과 같이 매우 전기 양성인 원소와 탄소가 결합한 화합물이다. 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 란타넘족 원소, 악티늄족 원소, 3족 금속(스칸듐, 이트륨, 루테튬) 등이 이에 해당한다. 13족 원소인 알루미늄은 탄화물을 형성하지만, 갈륨, 인듐, 탈륨은 그렇지 않다.

이러한 물질들은 탄소 원자의 수와 결합 방식에 따라 다음과 같이 분류된다.^[7]

메타나이드 (메타이드): 고립된 탄소 원자("C⁴⁻")를 포함한다.
아세틸리드: 두 개의 탄소 원자 단위("C2|C2(2-)^영어")를 포함한다.
알릴라이드: 세 개의 탄소 원자 단위("C3|C3(4-)^영어")를 포함한다.

칼륨 증기와 흑연으로 제조된 흑연 삽입 화합물 KC₈과 C₆₀의 알칼리 금속 유도체는 일반적으로 탄화물로 분류되지 않는다.^[8]

2. 1. 메타나이드

메타나이드는 물과 반응하여 메테인을 생성하는 경향이 있는 탄화물의 한 종류이다. 탄화알루미늄(Al₄C₃), 탄화마그네슘(Mg₂C)^[9] 및 탄화베릴륨(Be₂C)이 그 예시이다.

전이 금속 탄화물은 염성이 아니다. 이들의 물과의 반응은 매우 느리며 일반적으로 무시된다. 예를 들어, 표면 기공률에 따라 탄화티타늄의 5~30개의 원자층이 가수분해되어 상온에서 5분 이내에 메테인을 형성한 후 반응이 포화된다.^[10]

메타나이드는 사소한 역사적 명칭이다. IUPAC 체계적 명명 규칙에 따르면, NaCH₃와 같은 화합물은 "메타나이드"라고 불리지만, 이 화합물은 종종 메틸나트륨이라고 불린다.^[11] CH₃⁻^영어 음이온에 대한 자세한 내용은 메틸기#메틸 음이온을 참조한다.

2. 2. 아세틸리드

몇몇 카바이드는 두 탄소 원자 사이에 삼중결합을 가지는 아세틸리드 음이온(또한 과산화물과 유사하게 과카바이드라고도 함) C2|C2(2–)^영어의 염으로 여겨진다. 알칼리 금속, 알칼리 토금속 및 란타넘족 원소는 예를 들어 카바이드나트륨 Na₂C₂, 카바이드칼슘 CaC₂ 및 LaC₂와 같은 아세틸리드를 형성한다.^[7] 란타넘족 원소는 또한 M₂C₃의 화학식을 가진 카바이드(세스퀴카바이드, 아래 참조)를 형성한다. 11족 원소의 금속도 아세틸리드구리(I) 및 아세틸리드은과 같이 아세틸리드를 형성하는 경향이 있다. MC₂ 및 M₂C₃의 화학량론을 갖는 악티늄족 원소의 카바이드도 C2|C2(2–)^영어의 염과 같은 유도체로 설명된다.

C–C 삼중 결합 길이는 CaC₂에서 119.2 pm(에틴과 유사)에서 LaC₂에서 130.3 pm, UC₂에서 134 pm까지 다양하다. LaC₂의 결합은 La^III와 추가 전자가 C2|C2(2–)^영어의 반결합 궤도에 비편재화되어 금속 전도성을 설명하는 것으로 설명되었다.^[7] 탄소로 이루어진 음이온 C|C^{4-^영어}, C2|C2^{2-^영어}, C3|C3^{4-^영어}와 다른 양성 원소로 이루어진 화합물. 음이온의 종류에 따라 '''메타나이드''' (''methanide'', }), '''아세틸리드''' (''acetylide'', }), '''알릴리드''' (''allylide'', }) 등으로 분류된다.

탄화칼슘(CaC₂)은 "카바이드"라고도 불리며, 아세틸렌램프의 아세틸렌 가스 발생원으로 사용되는 아세틸리드이다.

2. 3. 알릴리드

다원자 이온 C₃^4-는 때때로 '''알릴리드'''(allylide)라고 불리며, Li₄C₃ 및 Mg₂C₃에서 발견된다. 이 이온은 선형이며 CO₂와 등전자이다.^[7] Mg₂C₃에서 C-C 결합 거리는 133.2 pm이다.^[12] Mg₂C₃는 가수분해 시 메틸아세틸렌(methylacetylene, CH₃CCH) 및 프로파디엔(propadiene, CH₂=C=CH₂)을 생성하는데, 이는 C₃^4-를 포함하고 있음을 처음으로 시사하는 증거였다.

3. 공유결합성 탄화물

탄화규소(SiC)와 탄화붕소(B₄C)는 공유 결합으로 연결된 탄화물이다. 이들은 공유 결합 결정을 이루며, 다이아몬드와 같이 높은 경도를 가진다.

3. 1. 탄화 규소

규소와 붕소의 탄화물은 거의 모든 탄소 화합물이 어느 정도 공유 결합 성격을 나타내지만, "공유 결합 탄화물"로 설명된다. 탄화 규소는 두 가지 유사한 결정 형태를 가지는데, 둘 다 다이아몬드 구조와 관련이 있다.^[7] 반면, 탄화 붕소(B₄C)는 탄소 원자에 의해 연결된 이코사헤드럴 붕소 단위를 포함하는 특이한 구조를 가지고 있다. 이러한 점에서 탄화 붕소는 붕소가 풍부한 붕화물과 유사하다. 탄화 규소(카보런덤으로도 알려짐)와 탄화 붕소는 모두 매우 단단하고 내화성이 있는 재료이다. 두 재료 모두 산업적으로 중요하다. 붕소는 B₂₅C와 같은 다른 공유 결합 탄화물도 형성한다.

탄화 규소(SiC), 탄화 붕소(B₄C) 등은 원소들이 공유 결합으로 연결된 탄화물이다. 이들은 공유 결합 결정을 이루며, 다이아몬드와 마찬가지로 높은 경도를 나타낸다.

3. 2. 탄화 붕소

규소와 붕소의 탄화물은 거의 모든 탄소 화합물이 어느 정도의 공유 결합 성격을 나타내지만, "공유 결합 탄화물"로 설명된다. 탄화붕소(B₄C)는 탄소 원자에 의해 연결된 이코사헤드럴 붕소 단위를 포함하는 특이한 구조를 가지고 있다. 이러한 점에서 탄화붕소는 붕소가 풍부한 붕화물과 유사하다. 탄화붕소는 매우 단단하고 내화성이 있는 재료로 산업적으로 중요하다.^[7]

4. 침입형 탄화물

침입형 탄화물은 전이금속 등의 결정 격자 틈새에 탄소가 침입한 화합물이다. 탄화텅스텐(WC)이 대표적인 예시이며, 기계 가공 공구에 사용될 때는 "탄화물"이라고도 불린다.

철은 여러 가지 탄화물을 형성하는데, 강철에 존재하는 시멘타이트(Fe₃C)가 가장 잘 알려져 있다. 이 탄화물들은 침입형 탄화물보다 반응성이 더 크다. 예를 들어 Cr, Mn, Fe, Co, Ni의 탄화물은 묽은 산이나 물에 의해 가수분해되어 수소와 탄화수소 혼합물을 생성한다. 이러한 화합물은 불활성 침입형 탄화물과 반응성이 더 큰 염과 같은 탄화물의 특징을 모두 가지고 있다.^[7]

납과 주석 같은 일부 금속은 탄화물을 형성하지 않는 것으로 알려져 있다.^[5] 하지만 2차원 도체인 혼합 티타늄-주석 탄화물이 존재한다.^[6]

4. 1. 침입형 탄화물의 구조

4족, 5족, 6족 전이금속(크롬 제외)의 탄화물은 종종 침입형 화합물로 설명된다.^[7] 이러한 탄화물은 금속적 특성을 가지며 내화성이 있다. 일부는 다양한 화학량론을 나타내며, 결정 결함으로 인해 발생하는 다양한 탄화물의 비화학량론적 혼합물이다. 타이타늄 탄화물과 텅스텐 탄화물을 포함한 일부는 산업적으로 중요하며 절삭 공구의 금속 코팅에 사용된다.^[2]

오랫동안 금속 원자 반지름이 약 135pm보다 클 때 탄소 원자가 밀집된 금속 격자의 팔면체 틈새에 들어맞는다는 견해가 있었다.^[7]

금속 원자가 입방 밀집쌓임(ccp)인 경우, 모든 팔면체 틈새를 탄소로 채우면 염화나트륨 구조를 갖는 1:1 화학량론을 달성한다.^[3]
금속 원자가 육방 밀집쌓임(hcp)인 경우, 팔면체 틈새가 금속 원자층의 양쪽에 서로 정반대에 위치하기 때문에 이 중 하나만 탄소로 채우면 CdI₂ 구조를 갖는 2:1 화학량론을 달성한다.^[3]

다음 표^[7]^[2]는 금속과 그 탄화물의 구조를 보여준다. (참고: 바나듐, 나이오븀, 탄탈럼, 크로뮴, 몰리브데넘, 텅스텐이 채택한 체심 입방 구조는 밀집 격자가 아니다.) "h/2"라는 표기는 위에서 설명한 M₂C형 구조를 나타내며, 실제 구조에 대한 근사적인 설명일 뿐이다. 순수 금속의 격자가 탄소 원자를 "흡수"한다는 간단한 견해는 탄화물에서 금속 원자 격자의 쌓임이 순수 금속의 쌓임과 다르다는 점에서 사실이 아닌 것으로 보이지만, 탄소 원자가 밀집된 금속 격자의 팔면체 틈새에 들어맞는다는 점에서는 기술적으로 정확하다.

금속	순수 금속의 구조	금속 반지름 (pm)	MC 금속 원자 쌓임	MC 구조	M₂C 금속 원자 쌓임	M₂C 구조	기타 탄화물
타이타늄	hcp	147	ccp	염화나트륨
지르코늄	hcp	160	ccp	염화나트륨
하프늄	hcp	159	ccp	염화나트륨
바나듐	bcc	134	ccp	염화나트륨	hcp	h/2	V₄C₃
니오븀	bcc	146	ccp	염화나트륨	hcp	h/2	Nb₄C₃
탄탈럼	bcc	146	ccp	염화나트륨	hcp	h/2	Ta₄C₃
크로뮴	bcc	128					Cr₂₃C₆, Cr₃C, Cr₇C₃, Cr₃C₂
몰리브데넘	bcc	139		육방	hcp	h/2	Mo₃C₂
텅스텐	bcc	139		육방	hcp	h/2

오랫동안 비화학량론적 상은 무질서하게 틈새가 무작위로 채워져 있다고 믿어왔지만, 단거리 및 장거리 질서가 감지되었다.^[4]

4. 2. 비화학량론적 화합물

4족, 5족, 6족 전이금속(크로뮴 제외)의 탄화물은 종종 침입형 화합물로 설명된다.^[7] 이러한 탄화물은 금속적 특성을 가지며 내화성이 있다. 일부는 다양한 화학량론을 나타내며, 결정 결함으로 인해 발생하는 다양한 탄화물의 비화학량론적 혼합물이다. 타이타늄 탄화물과 텅스텐 탄화물을 포함한 일부는 산업적으로 중요하며 절삭 공구의 금속 코팅에 사용된다.^[2]

오랫동안 금속 원자 반지름이 약 135pm보다 클 때 탄소 원자가 밀집된 금속 격자의 팔면체 틈새에 들어맞는다는 견해가 있었다.^[7]

금속 원자가 입방 밀집쌓임(ccp)인 경우, 모든 팔면체 틈새를 탄소로 채우면 염화나트륨 구조를 갖는 1:1 화학량론을 달성한다.^[3]
금속 원자가 육방 밀집쌓임(hcp)인 경우, 팔면체 틈새가 금속 원자층의 양쪽에 서로 정반대에 위치하기 때문에 이 중 하나만 탄소로 채우면 CdI₂ 구조를 갖는 2:1 화학량론을 달성한다.^[3]

다음 표^[7]^[2]는 금속과 그 탄화물의 구조를 보여준다. (참고: 바나듐, 나이오븀, 탄탈럼, 크로뮴, 몰리브데넘, 텅스텐이 채택한 체심 입방 구조는 밀집 격자가 아니다.) "h/2"라는 표기는 위에서 설명한 M₂C형 구조를 나타내며, 실제 구조에 대한 근사적인 설명일 뿐이다. 순수 금속의 격자가 탄소 원자를 "흡수"한다는 간단한 견해는 탄화물에서 금속 원자 격자의 쌓임이 순수 금속의 쌓임과 다르다는 점에서 사실이 아닌 것으로 보이지만, 탄소 원자가 밀집된 금속 격자의 팔면체 틈새에 들어맞는다는 점에서는 기술적으로 정확하다.

금속	순수 금속의 구조	금속 반지름 (pm)	MC 금속 원자 쌓임	MC 구조	M₂C 금속 원자 쌓임	M₂C 구조	기타 탄화물
타이타늄	hcp	147	ccp	염화나트륨
지르코늄	hcp	160	ccp	염화나트륨
하프늄	hcp	159	ccp	염화나트륨
바나듐	bcc	134	ccp	염화나트륨	hcp	h/2	V₄C₃
나이오븀	bcc	146	ccp	염화나트륨	hcp	h/2	Nb₄C₃
탄탈럼	bcc	146	ccp	염화나트륨	hcp	h/2	Ta₄C₃
크로뮴	bcc	128					Cr₂₃C₆, Cr₃C, Cr₇C₃, Cr₃C₂
몰리브데넘	bcc	139		육방	hcp	h/2	Mo₃C₂
텅스텐	bcc	139		육방	hcp	h/2

오랫동안 비화학량론적 상은 무질서하게 틈새가 무작위로 채워져 있다고 믿어왔지만, 단거리 및 장거리 질서가 감지되었다.^[4]

5. "중간형" 전이 금속 탄화물

4족, 5족, 6족 전이금속(크로뮴 제외)의 탄화물은 종종 침입형 화합물로 설명된다.^[7] 이러한 탄화물은 금속적 특성을 가지며 내화성이 있다. 일부는 다양한 화학량론을 나타내며, 결정 결함으로 인해 발생하는 다양한 탄화물의 비화학량론적 혼합물이다. 타이타늄 탄화물과 텅스텐 탄화물을 포함한 일부는 산업적으로 중요하며 절삭 공구의 금속 코팅에 사용된다.^[2]

오랫동안 금속 원자 반지름이 약 135pm보다 클 때 탄소 원자가 밀집된 금속 격자의 팔면체 틈새에 들어맞는다는 견해가 있었다.^[7] 금속 원자가 입방 밀집쌓임(ccp)인 경우, 모든 팔면체 틈새를 탄소로 채우면 염화나트륨 구조를 갖는 1:1 화학량론을 달성한다.^[3] 금속 원자가 육방 밀집쌓임(hcp)인 경우, 팔면체 틈새가 금속 원자층의 양쪽에 서로 정반대에 위치하기 때문에 이 중 하나만 탄소로 채우면 CdI₂ 구조를 갖는 2:1 화학량론을 달성한다.^[3]

다음 표^[7]^[2]는 금속과 그 탄화물의 구조를 보여준다. (참고: 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐이 채택한 체심 입방 구조는 밀집 격자가 아니다.) "h/2"라는 표기는 위에서 설명한 M₂C형 구조를 나타내며, 실제 구조에 대한 근사적인 설명일 뿐이다. 순수 금속의 격자가 탄소 원자를 "흡수"한다는 간단한 견해는 탄화물에서 금속 원자 격자의 쌓임이 순수 금속의 쌓임과 다르다는 점에서 사실이 아닌 것으로 보이지만, 탄소 원자가 밀집된 금속 격자의 팔면체 틈새에 들어맞는다는 점에서는 기술적으로 정확하다.

금속	순수 금속의 구조	금속 반지름 (pm)	MC 금속 원자 쌓임	MC 구조	M₂C 금속 원자 쌓임	M₂C 구조	기타 탄화물
타이타늄	hcp	147	ccp	염화나트륨
지르코늄	hcp	160	ccp	염화나트륨
하프늄	hcp	159	ccp	염화나트륨
바나듐	bcc	134	ccp	염화나트륨	hcp	h/2	V₄C₃
니오븀	bcc	146	ccp	염화나트륨	hcp	h/2	Nb₄C₃
탄탈륨	bcc	146	ccp	염화나트륨	hcp	h/2	Ta₄C₃
크롬	bcc	128					Cr₂₃C₆, Cr₃C, Cr₇C₃, Cr₃C₂
몰리브덴	bcc	139		육방	hcp	h/2	Mo₃C₂
텅스텐	bcc	139		육방	hcp	h/2

오랫동안 비화학량론적 상은 무질서하게 틈새가 무작위로 채워져 있다고 믿어왔지만, 단거리 및 장거리 질서가 감지되었다.^[4]

6. 기타 관련 화합물

탄화물 외에도 관련된 탄소 화합물의 다른 그룹들이 존재한다.^[7]

층상 삽입 화합물
알칼리 금속 풀러렌화물
내포 풀러렌: 금속 원자가 풀러렌 분자 내에 캡슐화된 경우
메탈라카보헤드렌(met-cars): C₂ 단위를 포함하는 클러스터 화합물
조정 가능한 다공성 나노 탄소: 금속 탄화물의 가스 염소화를 통해 금속 분자를 제거하여 고밀도 에너지 저장이 가능한 고다공성의 거의 순수한 탄소 재료를 형성하는 경우
전이 금속 카르벤 착물
2차원 전이 금속 탄화물: 맥신

참조

_[1] 논문 Metals, Surface Treatment
_[2] 서적 Encyclopedia of Inorganic Chemistry John Wiley & Sons
_[3] 논문 Anisotropic lattice expansion and enhancement of superconductivity induced by interstitial carbon doping in Rhenium https://www.scienced[...] 2021-10-15
_[4] 논문 Order and disorder in transition metal carbides and nitrides: experimental and theoretical aspects
_[5] 서적 The Metallurgy of Lead, including Desiverization and Cupellation https://archive.org/[...] J. Murray 2013-04-06
_[6] 논문 Development of two-dimensional titanium tin carbide (Ti2SnC) plates based on the electronic structure investigation
_[7] 서적 Greenwood&Earnshaw
_[8] 서적 Shriver and Atkins Inorganic Chemistry
_[9] 논문 Synthesis of Mg2C: A Magnesium Methanide
_[10] 논문 Reaction of titanium carbide with water https://link.springe[...]
_[11] 논문 Über Metallalkyl- und -aryl-Verbindungen, 44 Darstellung und Struktur von Methylnatrium. Strukturbestimmung an NaCD3-Pulvern bei 1.5 und 300 K durch Neutronen- und Synchrotronstrahlenbeugung
_[12] 논문 Crystal Structure of Magnesium Sesquicarbide
_[13] 서적 Greenwood&Earnshaw
_[14] 서적 Encyclopedia of Inorganic Chemistry John Wiley & Sons

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