황산 구리(II)

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1. 개요

황산 구리(II)는 황산제이구리 또는 황산구리(II)라고도 불리며, 다양한 형태로 존재하며, 화학 반응과 용도에 따라 분류된다. 수용액 상태에서는 구리 아쿠아 착체의 화학 반응을 보이며, 아연, 철 등 금속과 반응하여 금속 구리를 생성한다. 황산 구리(II)는 갈바니 전지, 화학 키트, 학교 실험 등에 사용되며, 농업, 의학, 화학, 기타 산업 분야에서 살균제, 탈수제, 시약, 부식제, 살충제 등 다양한 용도로 활용된다. 또한, 황산 구리(II)는 안전성 및 독성 문제, 환경 문제와 관련하여 주의가 필요하며, 다양한 형태로 존재한다.

황산 구리(II) - [화학 물질]에 관한 문서

일반 정보

CuSO₄·5H₂O 결정

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5수화물 구조

IUPAC 명칭	황산 구리(II)
다른 이름	황산 제이구리 청반고 (5수화물) 청석 (5수화물) 보나타이트 (3수화물 광물) 부스석 (7수화물 광물) 남동광 (5수화물 광물) 키아노사이트 (광물) 황산 구리 5수화물

식별 정보

UNII (무수물)	KUW2Q3U1VV
UNII (5수화물)	LRX7AJ16DT
InChI	1/Cu.H2O4S/c;1-5(2,3)4/h;(H2,1,2,3,4)/q+2;/p-2
ChEBI	23414
SMILES	[O-]S(=O)(=O)[O-].[Cu+2]
InChIKey	ARUVKPQLZAKDPS-NUQVWONBAI
ChEMBL	604
표준 InChI	1S/Cu.H2O4S/c;1-5(2,3)4/h;(H2,1,2,3,4)/q+2;/p-2
표준 InChIKey	ARUVKPQLZAKDPS-UHFFFAOYSA-L
CAS 등록 번호 (무수물)	7758-98-7
CAS 등록 번호 (5수화물)	7758-99-8
CAS 등록 번호 (3수화물)	16448-28-5
CAS 등록 번호 (7수화물)	19086-18-1
Gmelin	8294
PubChem	24462
EINECS	231-847-6
RTECS (무수물)	GL8800000
RTECS (5수화물)	GL8900000
ChemSpider ID	22870
KEGG	C18713

물리화학적 성질

화학식 (무수물)	CuSO₄
화학식 (5수화물)	CuSO₄·5H₂O
몰 질량 (무수물)	159.60 g/mol
몰 질량 (5수화물)	249.685 g/mol
외형 (무수물)	회색-흰색
외형 (5수화물)	파란색
밀도 (무수물)	3.60 g/cm³
밀도 (5수화물)	2.286 g/cm³
용해도 (5수화물)	316 g/L (0 °C) 2033 g/L (100 °C)
용해도 (무수물)	168 g/L (10 °C) 201 g/L (20 °C) 404 g/L (60 °C) 770 g/L (100 °C)
다른 용매에 대한 용해도 (무수물)	에탄올에 불용
다른 용매에 대한 용해도 (5수화물)	메탄올에 용해 10.4 g/L (18 °C) 에탄올 및 아세톤에 불용
녹는점	110 °C (분해)
녹는점 주석	560 °C (5수화물, 분해) 590 °C (무수물, 완전 분해)
끓는점	650 °C에서 산화 구리(II)로 분해
굴절률 (무수물)	1.724–1.739
굴절률 (5수화물)	1.514–1.544
자기 감수율	1330·10⁻⁶ cm³/mol

결정 구조

배위	해당 없음
결정 구조 (무수물, 키아노사이트)	사방정계, 공간군 Pnma, 피어슨 기호 oP24, a = 0.839 nm, b = 0.669 nm, c = 0.483 nm
결정 구조 (5수화물)	삼사정계, 공간군 P1, 피어슨 기호 aP22, a = 0.5986 nm, b = 0.6141 nm, c = 1.0736 nm, α = 77.333°, β = 82.267°, γ = 72.567°

열화학

표준 생성 엔탈피	−769.98 kJ/mol
엔트로피	5 J/(K·mol)

약리학

ATC 코드	V03AB20

위험성

NFPA 704	보건: 2 화재: 0 반응성: 1
인화점	불연성
LD50 (경구, 쥐)	300 mg/kg
LD50 (경구, 생쥐)	87 mg/kg
PEL (구리로서)	TWA 1 mg/m³
REL (구리로서)	TWA 1 mg/m³
IDLH (구리로서)	TWA 100 mg/m³

기타 양이온	황산 철(II) 황산 망간(II) 황산 니켈(II) 황산 아연

2. 분류 및 화학적 성질

황산 구리에는 황산 제일 구리(Cu₂SO₄)와 황산 제이 구리(CuSO₄)가 있다. IUPAC 권장명은 각각 황산 구리(I)와 황산 구리(II)이다. 일반적으로 황산 구리(II)는 푸른색의 투명한 결정이며, 비중은 2.286이다. 건조한 공기 중에 두면 서서히 수분을 잃고 가루가 된다. 가열하면 온도에 따라 물 분자를 잃고 무색의 무수물이 된다.

무수물은 흰색 분말이며, 수화물로는 푸른색의 삼사정계 결정(오수화물) 외에 일수화물, 삼수화물이 있다. 물에 잘 녹으며 수용액은 푸른색을 띤다. 중학교 및 고등학교 과학 실험에 사용되어 친숙하지만, 중금속인 구리에 의한 독성이 있어 취급에 주의해야 한다. 대한민국에서는 독물 및 극물 단속법에 의해 의약품 외 극물로 지정되어 있다.

오수화물은 광물로서 자연에서 산출되기도 하는데, 이를 담반이라고 부른다. 동광의 오래된 갱도 내벽 등에서 지하수로부터 석출되어 결정으로 나타나며, 주로 고드름이나 종유석 모양을 띤다. 구리의 녹청에도 포함되어 있다.

2.1. 결정 구조

황산 구리(II)는 주로 5개의 물 분자와 결합한 오수화물(CuSO₄·5H₂O) 형태로 존재하며, 삼사정계 결정을 이룬다. 4개의 물 분자는 구리 이온에 직접 배위결합하고 있기 때문에, 황산 구리 수화물을 CuSO₄(H₂O)₄·H₂O로 보기도 한다.

무수 황산 구리(II)는 오수화 황산 구리의 탈수 반응을 통해 생성될 수 있으며, 자연에서는 매우 희귀한 광물인 방동석으로 발견된다. 오수화물은 담동석으로 자연에서 발생한다. 그 외에 희귀한 황산 구리 광물로는 보나티트(삼수화물), 부스석(칠수화물), 일수화물 화합물인 포이테비나이트가 있다.

2.2. 화학 반응

황산 구리(II)는 다양한 화학 반응에 참여한다.

* 가열에 의한 분해:
:* 황산 구리(II) 오수화물(Copper(II) sulfate pentahydrate^영어)은 가열하면 탈수 반응을 일으킨다. 63°C에서는 물 분자 2개, 109°C에서는 추가로 2개, 200°C에서는 마지막 물 분자를 잃고 무색의 무수 황산 구리(II)가 된다.
:* 무수 황산 구리(II)는 더 높은 온도로 가열하면 검은색의 산화 구리(II)(CuO)와 삼산화 황(SO₃)으로 분해된다.

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반응 단계	화학 반응식
탈수	CuSO4 \cdot 5H2O -> CuSO4\ + 5H2O
분해	CuSO4 -> CuO\ + SO3

* 수용액에서의 반응:
:* 황산 구리(II)는 물에 녹아 푸른색의 아쿠아 착물([Cu(H₂O)₆]²⁺)을 형성한다.
:* 이 용액에 농축된 염산(HCl)을 넣으면 테트라클로로구프르산염(II)([CuCl₄]^2-)가 생성된다.
:: Cu(2+) + 4 Cl− → [CuCl4](2-)
:* 아연(Zn), 철(Fe)과 같은 금속과 반응하여 금속 구리(Cu)를 생성하는 단일 치환 반응을 일으킨다.
:: CuSO4 + Zn → Cu + ZnSO4
:: Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu

* 갈바니 전지:
:* 황산 구리(II)는 갈바니 전지에서 전해질 용액으로 사용된다. 아연/구리 전지에서 구리 이온(Cu²⁺)은 아연(Zn)으로부터 전자를 받아 금속 구리(Cu)로 환원된다.
:: Cu(2+) + 2e− → Cu (cathode), E^°_cell = 0.34 V

* 기타:
:* 황산 구리(II)는 학교 실험에서 결정 성장, 구리 전기도금, 발열 반응 시연 등에 사용된다.
:* 파란색의 오수화물 형태를 가열하면 흰색의 무수 형태로 변하며, 여기에 물을 추가하면 다시 파란색으로 돌아오는 광물 수화 반응을 확인할 수 있다.

3. 제조 방법

황산 구리는 산업적으로 구리 금속을 뜨겁고 농축된 황산으로 처리하거나, 구리 산화물을 묽은 황산으로 처리하여 생산한다. 실험용으로는 황산 구리를 보통 구매한다. 황산 구리는 또한 저품위 구리 광석을 공기 중에서 서서히 침출시켜 생산할 수 있으며, 세균을 사용하여 과정을 가속화할 수 있다.

4. 용도

황산 구리(II)는 농업, 의학, 화학 등 다양한 분야에서 널리 사용된다.

수용액은 구리 도금 및 구리의 전기 정련에 쓰이는 전해액, 에칭, 안료, 살균제(보르도액)의 원료, 매염제, 방부제, 설탕 검출에 쓰이는 펠링 시약이나 베네딕트 시약의 성분, 혈액 비중 검사 등에 이용된다. 무수물은 강력하게 물을 흡착하기 때문에, 알코올류의 순도 향상을 위한 탈수제로 이용된다. 또한 수용액의 용해도가 온도에 따라 크게 변화하므로 포화 수용액을 냉각하여 재결정하기 쉽고, 결정이 아름다운 점에서 큰 결정 성장 실험은 과학 교육 실험 교재로 자주 이용된다.

구리는 필수 원소인데, 대부분의 음식에 포함되어 구리 결핍은 드물지만, 분유에 100% 의존하는 유아는 모유 대체 식품에 구리 첨가가 필수적이다. 다른 구리염보다 수용성이 높은 황산 구리가 식품 첨가물로 인정받고 있다.

녹조 현상의 응급처치로 황산 구리(II)를 사용하기도 한다. 산업에서는 인쇄, 건축, 예술 분야에서 활용되며, 특히 유리와 도자기의 착색 재료나 불꽃놀이의 파란색 착색제로 사용된다. 그러나 불꽃놀이 분말을 혼합할 때 황산 구리와 염소산염을 혼합하는 것은 안전하지 않다.

과거에는 모기 번식지인 파인애플과 식물을 제거하거나, 열대 국가에서 주혈흡충증 치료를 위한 살 연체동물제로 사용되기도 했다.

4.1. 농업

보르도액은 황산 구리(II)와 수산화 칼슘의 현탁액으로, 포도, 멜론 및 기타 베리류의 곰팡이를 제어하는 데 사용된다. 이는 황산 구리의 수용액과 소석회의 현탁액을 혼합하여 생산된다.

황산 구리는 부영양화에 따른 호수 및 관련 담수에서 조류를 제어하는 데 사용되어 왔다. 한국에서는 녹조 현상의 응급처치로 쓰인다.

황산 구리의 희석 용액은 수족관 물고기의 기생충 감염 치료, 수족관에서 달팽이 제거, 상수도관에서 얼룩무늬담치 제거 등에 사용된다.

4.2. 의학

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* 어류 질병 치료: 황산 구리(II)는 살균 작용을 가지고 있어, 열대어나 해수어를 사육할 때 백점병과 같은 기생충 감염 치료제로 사용된다.
* 분석 시약:
[[펠링 시약]] 및 [[베네딕트 시약]]: 환원당 검출에 사용된다. 가용성 청색 구리(II) 황산염을 불용성 적색 산화 구리(I)로 환원시키는 원리를 이용한다.
[[뷰렛 반응]]: 단백질 검출에 사용된다.
[[빈혈]] 검사: 혈액을 비중이 알려진 황산 구리(II) 용액에 떨어뜨려 헤모글로빈의 양을 측정한다. 충분한 헤모글로빈을 가진 혈액은 밀도 때문에 빠르게 가라앉는 반면, 그렇지 않은 혈액은 천천히 가라앉거나 가라앉지 않는다.
* 영양 보충: 구리는 필수 미량 원소이지만, 분유에 100% 의존하는 유아의 경우 구리 결핍이 발생할 수 있다. 황산 구리(II)는 수용성이 높아 다른 구리염보다 효과적인 구리 보충제로 사용되며, 한국에서는 식품첨가물로 인정받고 있다. 또한, 인공 영양 보급에 의존하는 환자에게도 구리 보충을 위해 사용된다.
* 기타: 화농성 피부 질환(부스럼)의 고름을 배출시키는 흡출고인 "타코노 흡출"의 주성분으로 사용된다.

4.3. 화학

황산 구리(II)는 유기 합성에서 제한적으로 사용된다. 무수 황산 구리(II)는 아세탈기의 형성 및 분해 반응에서 탈수제로 사용된다. 수화된 황산 구리(II)는 과망가니즈산 칼륨과 혼합하여 1차 알코올을 산화시키는 산화제로 사용될 수 있다.

수산화 암모늄과 반응하면 테트라아민구리(II) 황산염(슈바이처 시약)이 생성되는데, 이는 레이온 생산 시 셀룰로스를 용해하는 데 사용되었다.

황산 구리(II)는 다음과 같은 용도로도 사용된다.

* 에칭(오목판화): 아연, 알루미늄, 구리 판 부식
* 샹르베: 구리에 디자인 새기기
* 염색: 식물성 염료의 매염제로 사용되어 녹색 색조를 강조
* 액체 저항의 저항 요소

4.4. 기타 용도

산업에서 황산 구리는 여러 가지 용도로 사용된다. 인쇄 분야에서는 책 제본 풀과 접착제에 첨가하여 종이를 곤충에게서 보호하며, 건축 분야에서는 콘크리트에 첨가하여 내수성을 향상시키고 식물과 버섯의 성장을 방지한다. 황산 구리는 예술 작품, 특히 유리와 도자기의 착색 재료로 사용될 수 있다. 불꽃놀이 제조에도 파란색 착색제로 사용되지만, 불꽃놀이 분말을 혼합할 때 황산 구리와 염소산염을 혼합하는 것은 안전하지 않다.

황산 구리는 한때 모기 번식지 역할을 하는 파인애플과 식물을 죽이는 데 사용되었다. 열대 국가에서 주혈흡충증을 치료하기 위한 살 연체동물제로 사용된다. 2008년, 예술가 로저 히언스는 런던의 방수 처리된 버려진 시영 아파트에 75,000리터의 황산 구리(II) 수용액을 채웠다. 이 용액은 몇 주 동안 결정화되도록 방치된 후 아파트를 비워 결정으로 덮인 벽, 바닥, 천장을 만들었다. 이 작품의 제목은 압수(Seizure)이다. 2011년부터 요크셔 조각 공원에서 전시되고 있다. 황산 구리(II)는 판화의 일종인 오목판화를 위해 아연, 알루미늄 또는 구리판을 부식시키는 데 사용된다. 또한, 샹르베와 같이 주얼리를 만들기 위해 구리에 디자인을 새기는 데에도 사용된다.

전자 및 마이크로 전자 산업에서는 황산 구리(II)와 황산(H2SO4)의 용액을 사용하여 구리를 전기 도금한다.

5. 안전성 및 독성

황산 구리(II)는 독성이 있으므로 섭취, 흡입, 피부 접촉 등을 피해야 한다. 먹거나 마시거나 흡연해서는 안 되며, 삼켰다면 입을 씻어내고 즉시 의료기관의 진찰을 받아야 한다. 흡입 또한 금지된다. 피부와의 접촉을 막기 위해 적절한 개인 보호구를 착용해야 한다. 취급 후에는 취급 부위를 철저히 씻어야 하며, 피부에 묻으면 다량의 비누와 물로 씻어내고 즉시 의료기관의 진찰을 받아야 한다. 눈에 묻으면 몇 분간 물로 조심해서 씻어내고 즉시 의료기관의 진찰을 받아야 하며, 가능하면 콘택트 렌즈를 제거하는 것이 좋다.

구리(II) 염은 LD50이 100mg/kg이다. 황산 구리(II)는 과거에 구토제로 사용되었으나, 현재는 이 용도로 사용하기에는 독성이 너무 강하다고 여겨진다. 여전히 세계 보건 기구의 해부 치료 화학 분류 시스템에 해독제로 등재되어 있다.

중금속인 구리에 의한 독성이 있으므로 취급에 주의해야 하며, 독물 및 극물 단속법에 의해 의약품 외 극물로 지정되어 있다.

6. 환경 문제

황산 구리(II)는 수생 생물에게 유해하며, 과도한 사용은 환경 오염을 유발할 수 있다. 특히, 어류에게 매우 유독하므로 사용에 주의해야 한다. 구리(II) 염은 LD50이 100mg/kg이다.

7. 기타 황산구리 형태

무수 황산 구리(II)는 일반적으로 사용 가능한 오수화 황산 구리의 탈수 반응을 통해 생성될 수 있다. 자연에서는 매우 희귀한 광물인 방동석으로 발견된다. 오수화물 역시 담동석으로 자연에서 발생한다. 다른 희귀한 황산 구리 광물로는 보나티트(삼수화물), 부스석(칠수화물), 그리고 일수화물 화합물인 포이테비나이트가 있다. 랑기트와 포스냐카이트와 같은 환경적으로 중요한 염기성 황산 구리(II)를 포함하여, 알려진 다른 수많은 더 복잡한 황산 구리(II) 광물이 있다.

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무수물은 흰색 분말이다. 수화물로서 유명한 푸른색의 삼사정계 결정 (오수화물) 외에 일수화물, 삼수화물이 있으며, 물에 잘 녹고 수용액은 푸른색을 띤다.

오수화물로, 특히 광물로서 자연 산출되는 것은 담반이라고도 불린다. 담반은 동광의 오래된 갱도의 내벽 등에서 지하수에서 석출되어 결정으로 되어 있는 것을 얻을 수 있으며, 주로 고드름 모양 또는 종유석 모양으로 산출되는 경우가 많다. 구리의 녹인 녹청에도 포함되어 있다.