플루오로안티몬산

3. 생성

플루오린화 수소 액체 용액에 오플루오린화 안티모니를 가하여 만든다. 이때, 두 물질의 혼합 비율이 2:1일 때 용액의 산성도가 가장 강하다.^[2]

:2HF + SbF₅ → H₂F⁺ + SbF₆^-

생성물이 안정하지 않아 전체적인 반응이 발열 반응이다.^[2]

오플루오린화 안티모니가 용액 속의 플루오린화 이온(F^-)을 전부 흡수하여 결과적으로 플루오로늄(H₂F⁺) 이온의 농도가 증가한다. 플루오로안티몬산은 플루오린화 수소와 오플루오린화 안티몬을 결합하여 생성된다.^[2]

:SbF₅ + 2 HF → SbF₆^- + H₂F⁺

플루오로안티몬산의 종 조성은 복잡하다. 분광 측정에 따르면 플루오로안티몬산은 HF 용매화된 양성자와 플루오린화물의 SbF₅ 부가물의 혼합물로 구성된다. 따라서 "[H₂F]⁺[SbF₆]^–"라는 공식은 실제 조성을 편리하게 단순화한 근사치이다.^[2] 그럼에도 불구하고, 용액에 존재하는 종의 열악한 양성자 수용 능력으로 볼 때 이 혼합물의 극심한 산성은 분명하다. 수용액에서 약산으로 일반적으로 브뢴스테드 염기성을 전혀 갖지 않는 것으로 생각되는 플루오린화 수소는 실제로 혼합물에서 가장 강력한 브뢴스테드 염기이며, 수용액에서 물이 H₃O⁺로 양성자화되는 것과 같은 방식으로 H₂F⁺로 양성자화된다. 플루오로안티몬산의 극심한 산성을 설명하는 것은 플루오르늄 이온이다. 양성자는 그로투스 메커니즘에 의해 H₂F⁺에서 HF로 이동하면서 용액을 통해 쉽게 이동한다.^[3]

두 가지 관련 생성물이 HF-SbF₅ 혼합물로부터 결정화되었으며, 둘 다 단결정 X선 결정학으로 분석되었다. 이 염의 공식은 [H₂F]⁺[Sb₂F₁₁]^- 및 [H₃F₂]⁺[Sb₂F₁₁]^-이다. 두 염 모두에서 음이온은 Sb₂F₁₁^-이다.^[4] 위에서 언급했듯이, SbF₆^-는 약염기성이다. 더 큰 음이온 Sb₂F₁₁^-는 훨씬 더 약한 염기일 것으로 예상된다.

4. 산성도

플루오로안티몬산은 함메트 산도 함수(H₀)를 기준으로 측정했을 때 가장 강력한 초강산이다. 플루오린화 수소(HF)에 오플루오린화 안티모니(SbF₅)가 녹아 있는 비율에 따라 산성도가 달라지는데, 순수한 HF의 H₀는 -15이다.^[5] SbF₅의 농도가 증가할수록 H₀ 값은 더 낮아진다(더 음수가 된다).^[9] 부산물로 생성되는 SbF₆^- 음이온은 매우 약한 친핵체이자 SbF₅의 짝염기이다.

4. 1. 다른 산과의 비교

위 표에서 나타난 H₀ 값은 플루오로안티몬산이 다른 초강산보다 강하다는 것을 보여준다.^[9] 산도가 증가할수록 H₀ 값은 더 낮아진다(더 음수가 된다). 높은 녹는점 때문에 H₀를 직접적으로 결정할 수 없는 카보레인산만이 플루오로안티몬산보다 더 강한 산일 수 있다.^[9][10]

H₀ 값은 벌크 액체 산의 양성자화 능력을 측정하며, 혼합물의 다양한 조성에 대해 직접적으로 결정되거나 추정되었다. 반면에 pK_a는 특정 용매에 용해되었을 때 개별 화학 종의 양성자 해리에 대한 평형을 측정한다. 플루오로안티몬산은 단일 화학 종이 아니므로 pK_a 값은 잘 정의되지 않는다.

혼합물에 존재하는 개별 종의 양성자 친화도(GPA)는 밀도 범함수 이론 방법을 사용하여 계산되었다.^[2] 예를 들어, 이온 쌍 [H₂F]⁺·는 254 kcal/mol의 GPA를 갖는 것으로 추정되었다. 비교를 위해, 일반적으로 사용되는 초강산인 트라이플루오로메테인설폰산(TfOH)은 299 kcal/mol의 GPA로 이 측정에서 상당히 약한 산이다.^[11] 그러나 특정 카보레인산 초강산은 [H₂F]⁺·보다 낮은 GPA를 갖는다. 예를 들어, H(CHB₁₁Cl₁₁)은 실험적으로 결정된 241 kcal/mol의 GPA를 갖는다.^[12]

5. 구조

플루오로안티몬산은 HF 용매화된 양성자 [}} (예: )와 플루오린화물의 SbF₅ 부가물 [()F]^– (예: )의 혼합물로 구성된다. 및 공식의 염이 결정화되어 X선 회절로 분석되었다. 두 염 모두에서 음이온은 이다.^[4]

6. 용도

• 카베늄 이온 생성에 사용된다.^[14][15]
• 제논화 금(IV) 화합물 제조에 사용된다.^[16]
• 초강산으로서 거의 모든 유기 화합물을 양성자화시킨다. 1967년 비켈(Bickel)과 호게빈(Hogeveen)은 HF-SbF₅가 아이소뷰테인에서 수소(H₂)를, 네오펜테인에서 메테인(CH₄)을 제거하는 것을 보였다.^[23][24]

• 플루오로안티몬산 용액은 반응성이 매우 커서 반응하지 않는 용매를 찾기 어렵다. SO₂ClF, 이산화 황, 일부 클로로플루오로카본 등이 용매로 사용될 수 있다. HF/SbF₅ 용기는 PTFE로 만들어진다.

7. 안전성

플루오로안티몬산은 매우 강한 부식성과 독성을 가진 물질이다. 물과 격렬하게 반응하여 폭발하고, 유독한 플루오린화 수소 기체를 방출한다.^[10][17][18] 피부, 눈, 호흡기에 심각한 화상을 유발할 수 있으며, 용액에 포함된 안티모니는 중금속으로 인체에 독성이 있다.

플루오로안티몬산은 인체 내 모든 화합물을 양성자화할 수 있으므로, 취급 시에는 반드시 적절한 보호 장비(보호복, 장갑, 보안경, 안면 보호대, 호흡 보호구 등)를 착용해야 한다.^[17] 일반적인 실험실 장갑은 이 산과 반응할 수 있으므로 권장되지 않는다.^[10]

플루오로안티몬산은 물에 의해 신속하고 폭발적으로 분해된다.^[18] 절대로 수분이 포함된 용매를 사용하여 희석하면 안 된다. 물과 닿으면 매우 강하게 폭발하여 매우 부식성인 플루오린화 수소 기체를 다량 방출하기 때문이다.

보관 시에는 테플론 용기를 사용해야 한다.^[18]

참조

_[1] 서적 A Life of Magic Chemistry: Autobiographical Reflections of a Nobel Prize Winner John Wiley and Sons 2001
_[2] 논문 The Nature of Superacid Electrophilic Species in HF/SbF₅: A Density Functional Theory Study 2002-03
_[3] 웹사이트 Getting the Jump on Superacids http://www.psc.edu/s[...] Pittsburgh Supercomputing Center (PSC) 2000-10-25
_[4] 논문 The Fluoronium Ions H₂F⁺ and {{chem|H|3|F|2|+}}: Characterization by Crystal Structure Analysis 1988-03
_[5] 웹사이트 Superacid: The Strongest Acids in the World https://chemniverse.[...] 2024-10-31
_[6] 서적 Superacid chemistry Wiley 2009
_[7] 논문 Crossing Conventional Boundaries in Half a Century of Research 2005
_[8] 문서
_[9] 논문 Hammett acidity function for some superacid systems. II. Systems sulfuric acid-[fsa], potassium fluorosulfate-[fsa], [fsa]-sulfur trioxide, [fsa]-arsenic pentafluoride, [sfa]-antimony pentafluoride and [fsa]-antimony pentafluoride-sulfur trioxide 1973-08-01
_[10] 간행물 Hydrogen Fluoride–Antimony(V) Fluoride http://onlinelibrary[...] John Wiley and Sons 2001-04-15
_[11] 논문 Gas-Phase Acidities of Some Neutral Brønsted Superacids: A DFT and ab Initio Study 2000-05
_[12] 논문 Investigating the Weak to Evaluate the Strong: An Experimental Determination of the Electron Binding Energy of Carborane Anions and the Gas phase Acidity of Carborane Acids https://escholarship[...] 2009-12-23
_[13] 논문 Werkwijze ter bereiding van halogeenverbindingen van vijfwaardig antimoon 1966-12
_[14] 논문 Chemistry and spectroscopy in strongly acidic solutions: reversible reaction between aliphatic carbonium ions and hydrogen 1967
_[15] 논문 Chemistry and spectroscopy in strongly acidic solutions: electrophilic substitution at alkane-carbon by protons 1967
_[16] 논문 Xenon as a Complex Ligand: The Tetraxenonogold(II) Cation in {{chem|AuXe|4|2+|(Sb|2|F|11|−|)|2}} 2000-10-06
_[17] 뉴스 What Is the World's Strongest Superacid? https://www.thoughtc[...] 2017-04-06
_[18] 서적 Encyclopedia of Reagents for Organic Synthesis J. Wiley & Sons 2004
_[19] 서적 A life of magic chemistry: autobiographical reflections of a nobel prize winner John Wiley and Sons 2001
_[20] 웹사이트 The quantum chemistry of proton "hopping" or transfer in his acid http://www.psc.edu/s[...] 2011-04-14
_[21] 논문 Crossing Conventional Boundaries in Half a Century of Research 2005
_[22] 논문 The Fluoronium Ions H₂F⁺ and H₃F₂⁺: Characterization by Crystal Structure Analysis 1988
_[23] 논문 Chemistry and spectroscopy in strongly acidic solutions: reversible reaction between aliphatic carbonium ions and hydrogen 1967
_[24] 논문 Chemistry and spectroscopy in strongly acidic solutions: electrophilic substitution at alkane-carbon by protons 1967