할로젠화 수소
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1. 개요
할로젠화 수소는 수소와 할로젠 원소의 화합물로, HF, HCl, HBr, HI 등이 있다. 할로젠화 수소산의 세기는 결합 세기가 클수록, 결합 극성이 작을수록 강해지며, 주기율표상에서 아래로 갈수록 증가한다. 플루오린화 수소를 제외한 할로젠화 수소는 상온에서 무색 기체이며, 물에 잘 녹아 할로젠화 수소산을 생성한다. 할로젠화 수소는 암모니아와 반응하여 할로젠화 암모늄을 형성하며, 유기 화학에서 할로카본 제조에 사용된다. 할로젠화 수소는 수소와 할로젠의 직접 반응, 할로젠화물 염의 황산 처리, 또는 특정 촉매 및 시약을 사용하여 합성할 수 있다.
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| 할로젠화 수소 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
| 화학식 | HX (X는 할로젠 원소) |
| 몰 질량 | 할로젠에 따라 다름 |
| 물리적 성질 | |
| 끓는점 | 할로젠에 따라 다름 |
| 녹는점 | 할로젠에 따라 다름 |
| 산도 (pKa) | 플루오린화 수소: 3.17 염화 수소: -6.3 브로민화 수소: -9 아이오딘화 수소: -10 |
| 화학적 성질 | |
| 산성도 | 강산 (수용액에서) |
| 반응성 | 할로젠에 따라 다르지만, 일반적으로 반응성이 높음 |
| 용해도 | 물에 잘 녹음 |
| 수용액 | 할로젠산 (예: 염산, 브롬산) |
| 구조 | |
| 분자 구조 | 선형 (H-X) |
| 극성 | 극성 분자 |
| 안전성 | |
| 독성 | 할로젠에 따라 다르지만, 일반적으로 자극적이고 부식성이 강함 |
| 부식성 | 강한 부식성을 가짐 |
| 보관 | 밀폐된 용기에 보관 |
| 기타 | |
| 관련 화합물 | 할로젠 물 |
2. 성분
할로젠화 수소산의 세기는 결합 세기와 결합 극성, 두 가지 요인에 의해 결정된다.
- 결합 세기: 할로젠 원소의 크기가 커질수록 결합 세기는 감소하여 산의 세기를 증가시킨다. (HF < HCl < HBr < HI)
- 결합 극성: 할로젠 원소의 전기음성도가 감소할수록 결합 극성은 감소하지만, 산의 세기에 미치는 영향은 결합 세기보다 작다.
따라서 할로젠화 수소산의 세기는 주기율표 상에서 아래로 갈수록 증가한다. 플루오린 (F)은 할로젠 원소 중 전기음성도가 가장 크기 때문에 결합 극성은 HF에서 HI로 갈수록 감소한다. 이러한 경향은 HF의 산도를 증가시켜야 하지만, 결합 세기의 영향이 더 크기 때문에 HF는 가장 약한 할로젠화 수소산이다. HI는 결합 에너지가 가장 작아 H+와 I-를 쉽게 생성하므로 가장 강산이다.
| 할로젠화 수소 | 결합 엔탈피 (kJ/mol) |
|---|---|
| HF | 568.2 |
| HI | 298.3 |
할로젠화 수소는 플루오린화 수소를 제외하고 온도와 압력의 표준 상태(STP)에서 무색 기체이다. 플루오린화 수소는 19°C에서 끓는다. 할로젠화 수소 중 플루오린화 수소만이 분자 간의 수소 결합을 나타내므로, 할로젠화 수소(HX) 계열 중에서 가장 높은 녹는점과 끓는점을 갖는다. 염화 수소(HCl)에서 아이오딘화 수소(HI)로 갈수록 끓는점이 상승하는데, 이는 분자 내 전자의 수와 상관관계가 있는 분자 간 반 데르 발스 힘의 강도 증가에 기인한다. 농축된 할로젠화 수소산 용액은 눈에 보이는 흰색 연기를 생성한다. 이 연기는 할로젠화 수소산의 농축된 수용액의 작은 액적 형성에서 발생한다.
할로젠화 수소와 할로젠화 수소산은 구별된다. 예를 들어 염화 수소(HCl)는 실온에서 기체 상태이며, 물과 반응하여 염산을 생성한다. 염산은 위산의 주요 구성 성분이다.[1] 플루오린화 수소, 염화 수소, 브로민화 수소는 화산 가스에도 포함되어 있다.[2]
할로젠화 수소는 물에 매우 잘 용해되며, 높은 발열 반응을 통해 할로젠화 수소산을 생성한다. 이들 산은 수용액에서 이온화되어 하이드로늄 이온(H3O+)을 생성하는 경향이 매우 강하다. 플루오르화 수소산을 제외한 할로젠화 수소는 강산이며, 산의 세기는 족 아래로 갈수록 증가한다. 플루오르화 수소산의 세기는 농도에 따라 달라지는데, 이는 동종접합의 영향 때문이다. 그러나 아세토니트릴과 같은 비수성 용액에서는 할로젠화 수소는 약산성이다.[5]
플루오린화 수소와 염화 수소는 수소와 플루오린, 염소를 직접 반응시켜 생성한다. 그러나 산업적으로는 할로젠화물 염을 황산으로 처리하여 이 기체들을 생산한다. 브로민화 수소는 수소와 브로민이 백금 촉매 존재 하에 고온에서 결합할 때 생성된다. 가장 불안정한 수소 할로젠화물인 요오드화 수소는 황화 수소 또는 히드라진과 요오드를 반응시켜 덜 직접적으로 생산한다.[1]
[1]
서적
Chemistry of the Elements
Butterworth-Heinemann
나머지 할로젠화 수소산(HCl, HBr)의 결합 엔탈피는 원문 소스에 정보가 없어 표에서 제외했다.
3. 물리적 특성
4. 할로젠화 수소산
5. 반응
할로젠화 수소산의 세기는 결합 세기와 결합 극성 중 결합 세기에 의해 주로 결정된다. HF의 결합 엔탈피가 가장 크고, HI의 결합 엔탈피가 가장 작다. 결합 엔탈피에 기초하면 HI의 결합 에너지가 가장 작기 때문에 H+ 와 I- 를 쉽게 생성하므로 HI는 할로젠화 수소산 계열에서 가장 강산이다. 한편, F는 할로젠 중에서 전기음성도가 가장 크므로 결합 극성은 HF로부터 HI로 갈수록 감소한다. 이러한 경향은 HF의 산도를 증가시켜야 하지만, 극성의 크기는 결합 에너지에 의한 경향을 상쇄할 만큼 크지 않다. 따라서 결합에너지가 할로젠화 수소산의 세기를 결정하는 주요 요인이며, 할로젠화 수소산의 세기는 주기율표 상에서 HF에서 HI로 갈수록 증가한다.
할로젠화 수소는 암모니아(및 기타 염기)와 반응하여 할로젠화 암모늄을 생성한다.[5]
:HX + NH3 → NH4X
유기 화학에서 할로겐화 수소 첨가 반응은 할로카본을 제조하는 데 사용된다. 예를 들어, 에틸렌의 염산 첨가 반응으로 클로로에탄이 생성된다.[5]
:C2H4 + HCl → CH3CH2Cl
6. 합성
참조
[2]
웹사이트
The Acidity of the Hydrogen Halides
https://chem.librete[...]
chem.libretexts.org
2021-05-05
[3]
간행물
The Strength of the Hydrohalic Acids
American Chemical Society (ACS)
[4]
간행물
Estimation of some physical properties for tennessine and tennessine hydride (TsH)
2017-01
[5]
기타
Chlorinated Hydrocarbons
Wiley-VCH, Weinheim
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