하이포아염소산염
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1. 개요
하이포아염소산염은 염소, 산소 및 다른 원소로 구성된 화학 화합물로, ClO⁻의 화학식을 갖는 음이온을 포함한다. 하이포아염소산염은 산과 반응하여 염소 기체를 방출하며, 가열 시 염화물, 산소, 염소산염으로 분해된다. 하이포아염소산염은 염소와 알칼리 또는 알칼리 토금속 수산화물의 반응을 통해 제조되며, 산업 및 가정용 표백제 및 살균제로 널리 사용된다. 또한, 생체 내에서 클로로과산화효소에 의해 생성되어 유기염소 화합물 합성에 관여하며, 면역 반응에도 중요한 역할을 한다.
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- 하이포아염소산염 - 하이포아염소산 칼슘
하이포아염소산 칼슘은 수영장 위생, 식수 소독 등에 사용되는 화합물로, 습윤 소석회와 염소 기체의 반응으로 산업적으로 생산되며 강력한 산화제이다.
하이포아염소산염 - [화학 물질]에 관한 문서 | |
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일반 정보 | |
이름 | 하이포아염소산염 |
다른 이름 | 클로록사이드 |
계통명 | 클로레이트(I) |
IUPAC 명칭 | 하이포아염소산염 |
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식별 정보 | |
표준 InChI | 1S/ClO/c1-2/q-1 |
표준 InChI 키 | WQYVRQLZKVEZGA-UHFFFAOYSA-N |
CAS 등록번호 | 14380-61-1 |
UNII | T5UM7HB19N |
펍켐(PubChem) CID | 61739 |
화학 스파이더 ID | 55632 |
UN 번호 | 3212 |
ChEBI | 29222 |
스마일즈(SMILES) | [O-]Cl |
InChI | 1/ClO/c1-2/q-1 |
InChI 키 | WQYVRQLZKVEZGA-UHFFFAOYAZ |
겔린(Gmelin) | 682 |
속성 | |
짝산 | 하이포아염소산 |
2. 화학적 성질
하이포아염소산염(Hypochlorite)은 일반적으로 불안정한 화합물이다. 특히 산성 조건에서는 차아염소산을 거쳐 염소 기체를 발생시킬 수 있어 취급에 주의가 필요하다. 또한, 가열 시 염화물, 산소, 염소산염 등으로 분해되는 성질을 가지며, 농축된 상태에서는 열 폭주의 위험이 있다. 암모니아와 반응하면 클로라민과 같은 화합물을 단계적으로 생성한다. 화합물의 안정성은 결합된 금속의 종류(알칼리 금속, 알칼리 토금속 등)에 따라 다르며, 일반적으로 용액 상태에서 더 안정하다.
2. 1. 산과의 반응
하이포아염소산염을 산성화하면 차아염소산이 생성되며, 이는 염소와 평형 상태로 존재한다. 낮은 pH(즉, 산성 조건)에서는 다음 반응이 오른쪽으로 진행되어 염소 기체(Cl2)가 방출되는데, 이는 위험할 수 있다.:2 H+ + ClO- + Cl- ⇌ Cl2 + H2O
2. 2. 안정성 및 분해
하이포아염소산염은 일반적으로 불안정하며, 많은 화합물은 용액 상태에서만 존재한다. 하이포아염소산 리튬(LiOCl), 하이포아염소산 칼슘(Ca(OCl)2), 하이포아염소산 바륨(Ba(ClO)2)만이 순수한 무수물 상태의 고체로 분리될 수 있다. 몇몇 다른 하이포아염소산염은 수용액 상태로 만들 수 있으며, 일반적으로 용액이 묽을수록 더 안정하다.알칼리 토금속 하이포아염소산염의 경우, 알려진 화합물이 적어 안정성 경향을 파악하기 어렵다. 하이포아염소산 베릴륨은 알려져 있지 않으며, 순수한 하이포아염소산 마그네슘도 만들 수 없지만, 고체 형태인 Mg(OH)OCl은 존재한다.[7] 하이포아염소산 칼슘은 산업적으로 생산될 만큼 안정성이 좋다. 하이포아염소산 스트론튬(Sr(OCl)2)은 특성이나 안정성이 잘 알려져 있지 않다.
하이포아염소산염을 가열하면 염화물, 산소, 염소산염으로 분해된다.
: 2 ClO− → 2 Cl− + O2
: 3 ClO− → 2 Cl− + ClO3−
이 분해 반응은 열을 발생시키므로(발열 반응), LiOCl이나 Ca(OCl)2처럼 농축된 하이포아염소산염은 위험한 열 폭주나 폭발을 일으킬 수 있다.[4]
알칼리 금속 하이포아염소산염의 안정성은 주기율표의 족을 따라 아래로 내려갈수록 감소한다. 무수 하이포아염소산 리튬은 실온에서 안정하지만, 무수 하이포아염소산 나트륨은 고체 상태에서 폭발성이 있다.[5] 오수화물(NaOCl·5H2O) 형태의 하이포아염소산 나트륨은 0°C 이상에서는 불안정하다.[6] 하지만 가정용 표백제처럼 묽은 용액은 더 안정하다. 하이포아염소산 칼륨(KOCl)은 용액 상태로만 존재한다.[7]
란타넘족 하이포아염소산염 역시 불안정하지만, 물이 없는 무수 상태에서 더 안정하다는 보고가 있다.[8] 하이포아염소산염은 세륨을 +3 산화 상태에서 +4 산화 상태로 산화시키는 데 사용되기도 한다.[9]
2. 3. 암모니아와의 반응
하이포아염소산염은 암모니아와 반응하여 먼저 모노클로라민(NH2Cl), 그 다음 디클로라민(NHCl2), 마지막으로 삼염화 질소(NCl3)를 생성한다.[1]: NH3 + ClO- → OH- + NH2Cl
: NH2Cl + ClO- → OH- + NHCl2
: NHCl2 + ClO- → OH- + NCl3
3. 제조 방법
하이포아염소산염은 다양한 방법으로 제조될 수 있다. 대표적으로 염소 기체를 알칼리 금속이나 알칼리 토금속의 수산화물과 반응시켜 얻을 수 있으며, 이는 산업적으로 널리 사용되는 방식이다.[10] 또한, 소금물을 전기 분해하는 염소-알칼리 공정을 통해 전기화학적으로 생산하기도 한다. 특정 하이포아염소산염은 염 치환 반응을 이용하여 만들 수도 있다. 한편, 알코올을 염소 관련 시약으로 처리하여 에스터 형태의 유기 하이포아염소산염을 합성하는 방법도 있다.[3]
3. 1. 하이포아염소산염 염
하이포아염소산염은 염소와 알칼리 및 알칼리 토금속 수산화물의 반응을 통해 형성된다. 이 반응은 염소산염의 생성을 억제하기 위해 실온에 가까운 온도에서 진행된다. 이 방법은 차아염소산 나트륨(NaClO)과 차아염소산 칼슘(Ca(ClO)2)의 산업적 생산에 널리 사용된다.: Cl2 + 2 NaOH → NaCl + NaClO + H2O
: 2 Cl2 + 2 Ca(OH)2 → CaCl2 + Ca(ClO)2 + 2 H2O
많은 양의 차아염소산 나트륨은 분리되지 않은 염소-알칼리 공정을 통해 전기화학적으로 생산되기도 한다. 이 과정에서는 소금물을 전기 분해하여 Cl2를 형성하고, 이 Cl2가 물과 반응하여 하이포아염소산염을 만든다. 이 반응은 염소 기체의 방출을 막기 위해 비산성 조건에서 수행되어야 한다.
: 2 Cl- → Cl2 + 2 e⁻
: Cl2 + H2O ⇌ HClO + Cl- + H+
일부 하이포아염소산염은 차아염소산 칼슘과 다양한 금속 황산염 사이의 염 치환 반응을 통해서도 얻을 수 있다. 이 반응은 물속에서 진행되며, 물에 잘 녹지 않는 황산 칼슘이 생성되어 침전되는 원리를 이용한다. 이 침전 과정을 통해 반응이 완결된다.
: Ca(ClO)2 + MSO₄ → M(ClO)2 + CaSO₄
3. 2. 유기 하이포아염소산염
유기 하이포아염소산염(하이포아염소산염 에스터)은 일반적으로 해당하는 알코올에 다양한 시약(예: 염소, 차아염소산, 일산화 이염소 및 다양한 산성화된 하이포아염소산염 염)을 처리하여 형성된다.[3]
4. 생화학
하이포아염소산염, 특히 그 산 형태인 차아염소산(HOCl)은 생물체 내에서 중요한 생화학적 역할을 수행한다. 특정 효소는 염화물 이온과 과산화 수소를 이용하여 차아염소산을 생성하며, 이는 다양한 유기염소 화합물의 생합성 과정에 관여한다. 또한, 인체의 면역계에서 호중구와 같은 백혈구는 감염에 대응하여 병원균을 제거하기 위해 차아염소산을 생성하여 활용한다.
4. 1. 생체 내 유기염소 화합물 합성
클로로과산화효소는 유기 화합물의 염소화를 촉매하는 효소이다. 이 효소는 무기 기질인 염화물과 과산화 수소를 결합하여 Cl+와 같은 물질을 생성하며, 이 물질은 탄화수소 기질의 양성자를 대체한다.:R-H + Cl− + H2O2 + H+ → R-Cl + 2 H2O
이 반응에서 "Cl+"의 공급원은 차아염소산(HOCl)이다.[11] 많은 유기염소 화합물은 이러한 방식으로 생합성된다.
4. 2. 면역 반응
인체 면역 체계는 감염에 대한 반응으로 백혈구의 일종인 호중구 내에서 미량의 차아염소산을 생성한다.[12] 호중구는 바이러스와 세균을 파고좀이라는 세포 내 소포에 가두어 소화시킨다.이 소화 과정에는 효소가 관여하는 호흡 폭발이 포함되는데, 이 과정에서 수퍼옥사이드(NADPH 산화 효소에 의해 생성됨)와 같은 반응성 산소 화합물이 만들어진다. 수퍼옥사이드는 산소와 과산화 수소로 분해되고, 이 과산화 수소는 미엘로과산화효소가 촉매하는 반응에서 염화물 이온을 차아염소산으로 전환하는 데 사용된다.[13][14][15]
낮은 농도의 차아염소산은 미생물의 열 충격 단백질과 상호 작용하여 세포 내 샤페론 역할을 자극하고, 세균이 덩어리(마치 삶은 달걀처럼)를 형성하게 하여 결국 죽게 만드는 것으로 밝혀졌다.[16] 같은 연구에서는 낮은 농도(마이크로몰 수준)의 차아염소산이 ''대장균''(Escherichia coli)과 ''콜레라균''(Vibrio cholerae)의 보호 메커니즘을 활성화시키기도 하지만, 이것이 어떤 의미를 가지는지는 아직 불분명하다고 보고했다.[16]
또한, 차아염소산의 염기성 산도는 세균의 지질 막을 손상시킬 수 있는데, 이는 마치 풍선을 터뜨리는 것과 유사한 방식으로 작용한다.
5. 용도
하이포아염소산염은 그 화학적 특성으로 인해 다양한 분야에서 활용된다. 주요 용도로는 표백제, 살균제, 소독제로서의 역할이 있으며, 이는 산업적 용도와 가정에서 널리 사용된다. 또한, 강력한 산화제 및 염소화 시약으로서 화학 실험실에서의 반응에도 중요한 역할을 한다.
5. 1. 산업 및 가정용
하이포아염소산염, 특히 차아염소산 나트륨(액체 표백제, 자벨 워터)과 차아염소산 칼슘(표백 분말)은 옷을 희게 하거나 머리카락 색을 밝게 하고, 얼룩을 제거하는 데 산업적으로나 가정에서 널리 사용된다. 이는 프랑스의 화학자 클로드 베르톨레가 1785년에 이러한 성질을 발견한 직후 개발된 최초의 상업용 표백 제품이었다.하이포아염소산염은 또한 광범위한 살균제 및 탈취제로도 널리 사용된다. 이러한 용도는 프랑스 화학자 앙투안 제르맹 라바라크가 1820년경 관련 특성을 발견하면서 시작되었는데, 이는 루이 파스퇴르가 세균설을 공식화하기 전이었다.
5. 2. 실험실용
하이포아염소산염은 염소 옥시아니온 중에서 가장 강력한 산화제이다. 이는 일련의 반쪽 전지 전위를 비교하여 확인할 수 있다. 이 데이터는 또한 염소 옥시아니온이 산성 조건에서 더 강력한 산화제임을 보여준다.[17]이온 | 산성 반응 | E° (V) | 중성/염기성 반응 | E° (V) |
---|---|---|---|---|
하이포아염소산염 | H+ + HOCl + e− → 1/2 Cl2(g) + H2O | 1.63 | ClO− + H2O + 2 e− → Cl− + 2OH− | 0.89 |
아염소산염 | 3 H+ + HOClO + 3 e− → 1/2 Cl2(g) + 2 H2O | 1.64 | ClO2− + 2 H2O + 4 e− → Cl− + 4 OH− | 0.78 |
염소산염 | 6 H+ + ClO3− + 5 e− → 1/2 Cl2(g) + 3 H2O | 1.47 | ClO3− + 3 H2O + 6 e− → Cl− + 6 OH− | 0.63 |
과염소산염 | 8 H+ + ClO4− + 7 e− → 1/2 Cl2(g) + 4 H2O | 1.42 | ClO4− + 4 H2O + 8 e− → Cl− + 8 OH− | 0.56 |
하이포아염소산염은 야콥센 에폭시화 반응 동안 Mn(III)를 Mn(V)로 변환하고 Ce3+를 Ce4+로 변환할 정도로 충분히 강력한 산화제이다.[9] 이러한 산화력 때문에 효과적인 표백제 및 소독제로 사용된다.
유기 화학에서 하이포아염소산염은 1차 알코올을 카르복실산으로 산화시키는 데 사용할 수 있다.[18]
차아염소산염 염은 또한 염소화제로 사용될 수 있다. 예를 들어, 페놀을 클로로페놀로 전환시킨다. 차아염소산 칼슘은 피페리딘을 ''N''-클로로피페리딘으로 전환시킨다.
6. 관련 옥시음이온
염소는 −1, +1, +3, +5 또는 +7의 산화수를 갖는 옥시음이온의 핵이 될 수 있다. (이 원소는 중성 화합물인 이산화염소 ClO2에서 +4의 산화 상태도 나타낼 수 있다).
염소 산화수 | −1 | +1 | +3 | +5 | +7 |
---|---|---|---|---|---|
이름 | 염화물 | 하이포아염소산염 | 아염소산염 | 염소산염 | 과염소산염 |
화학식 | Cl− | ClO− | ClO2− | ClO3− | ClO4− |
구조 | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() |
참조
[1]
서적
Chemistry of the Elements
Butterworth-Heinemann
[2]
논문
After 200 Years: The Structure of Bleach and Characterization of Hypohalite Ions by Single-Crystal X-Ray Diffraction
[3]
논문
t-Butyl hypochlorite
http://www.orgsyn.or[...]
[4]
논문
Fire hazards of calcium hypochlorite
[5]
서적
Bretherick's Handbook of Reactive Chemical Hazards
2006
[6]
서적
Handbook of Preparative Inorganic Chemistry; Vol. 1
Academic Press
[7]
서적
Inorganic chemistry
Academic Press, W. de Gruyter.
[8]
논문
Some reactions of cerium and other rare earths with chlorine and hypochlorite
1950-04-01
[9]
서적
Modern Aspects of Rare Earths and their Complexes.
Elsevier
[10]
서적
Encyclopedia of Reagents for Organic Synthesis
[11]
논문
New and classic families of secreted fungal heme peroxidases
[12]
논문
Taurine and inflammatory diseases
[13]
논문
Studies on the chlorinating activity of myeloperoxidase
[14]
논문
Myeloperoxidase, hydrogen peroxide, chloride antimicrobial system: Nitrogen-chlorine derivatives of bacterial components in bactericidal action against ''Escherichia coli''
[15]
논문
Biological reactivity of hypochlorous acid: implications for microbicidal mechanisms of leukocyte myeloperoxidase.
1981-01
[16]
논문
Bleach Activates A Redox-Regulated Chaperone by Oxidative Protein Unfolding
Elsevier
2008-11-14
[17]
서적
Cotton&Wilkinson5th
[18]
서적
Organic Chemistry
Oxford University Press
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