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황화물

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목차

1. 개요

황화물은 황 원자와 다른 원소 또는 원자단이 결합된 화합물을 통칭하며, 다양한 화학적 성질과 제조법을 가진다. 황화물 이온(S²⁻)은 금속 황화물 결정에서 발견되며, 수용액에서는 황화수소 이온(HS⁻)으로 가수분해되어 염기성을 나타낸다. 전이 금속 염과 반응하여 고체 염을 형성하며, 반도체 특성을 보이는 경우가 많다. 황화물은 원소의 직접 결합, 황산염의 환원, 난용성 황화물의 침전 등의 방법으로 제조될 수 있으며, 황화수소, 황화 카드뮴, 이황화 탄소 등 다양한 종류가 존재한다. 또한 황화물은 환경 부식과 오염을 유발할 수 있으며, 유기 황화물은 인화성이 높고 연소 시 이산화황을 생성할 수 있다.

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    수산화물은 수산화 이온을 포함하는 화합물로, 브뢴스테드-로우리 염기 및 루이스 염기로 작용하며, 다양한 무기 및 유기 반응에서 중요한 역할을 한다.
황화물 - [화학 물질]에 관한 문서
식별자
CAS 등록 번호18496-25-8
UNIIG15I91XETI
펍켐29109
켐스파이더 ID27079
CHEBI15138
SMILES[S--]
표준 InChI1S/S/q-2
표준 InChIKeyUCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N
속성
화학식S2-
전하1
짝산중황화물
관련 화합물
다른 음이온산화물
셀렌화물
텔루르화물
일반 명칭
권장 명칭황화물(2−)
대치 명칭술판이데 (일반적이지 않음, 거의 사용되지 않음, 때때로 유기화학에서 자동 명명 소프트웨어에 의해 생성됨)

2. 황화물의 화학적 성질

황화 이온(S2-)은 금속 황화물 결정에서 발견되지만, 수용액에서는 대부분 가수분해되어 황화수소 이온(HS-)으로 존재하며 강한 염기성을 나타낸다.[9] 황화수소 이온은 황화수소를 수산화알칼리 등의 염기성 수용액에 용해시켜 발생시킬 수도 있으며, 산화되기 쉬워 환원제로 작용한다.

전이 금속염 수용액은 황화물과 반응하여 물에 잘 녹지 않는 고체 황화물을 침전시킨다. 이러한 무기 황화물은 종종 동일한 조성의 광물과 관련이 있으며, 짙은 색을 띠는 반도체 특성을 보인다. 예를 들어 황화 카드뮴(CdS)은 밝은 노란색 안료인 '카드뮴 옐로'로 알려져 있으며, 황화 아연(ZnS)과 함께 반도체로 활용된다. 이러한 화합물은 염으로 불리지만, 실제로는 공유 결합성이 강하여 반도체 특성을 나타낸다.

곰팡이 ''아스페르길루스 니거''는 중금속 황화물을 용해하는 역할을 한다.[5]

2. 1. 황화물의 반응

황화물의 반응. Nu는 친핵체(nucleophile)이다.


황화 이온은 Na₂S의 알칼리성 수용액에는 존재하지 않는다.[3][4] 대신 황화물은 수소황화물로 전환된다.

:S²⁻ + H₂O → SH⁻ + OH⁻

산으로 처리하면 황화물 염은 황화수소로 전환된다.

:S²⁻ + H⁺ → SH⁻

:SH⁻ + H⁺ → H₂S

산화는 복잡한 과정이다. 조건에 따라 원소 황, 다황화물, 폴리싸이오네이트, 아황산염, 또는 황산염을 생성할 수 있다. 금속 황화물은 할로젠과 반응하여 황과 금속염을 형성한다.

:8 MgS + 8 I₂ → S₈ + 8 MgI₂

'''황화물 이온''' S2-은 Na2S, CaS 등의 금속 황화물 결정 속에서 발견된다. 수용액에서는 거의 대부분이 가수분해하여 '''황화수소 이온''' HS-으로 존재한다.

: S2− + H2O → HS− + OH-

이 때문에 용액은 강한 염기성을 나타낸다. S2-는 수용액 중에서는 전혀 존재하지 않는다고도 한다.[9] 황화수소 이온은 황화수소를 수산화알칼리 등의 염기성 수용액에 용해시켜서도 발생한다. 이들은 산화되기 쉽고, 환원제가 된다.

전이 금속염의 수용액은 황화물(H2S, NaSH, Na2S 등)과 반응하여 고체의 염을 침전시킨다. 이러한 황화물염은 수용해도가 매우 낮고, 반도체의 성질을 갖는 것도 많다. 유명한 예로는 황화 카드뮴(CdS)이 있으며, 선명한 노란색 안료로 카드뮴 옐로라고도 불리지만, 반도체로서도 광센서( 빛에 의해 전기 저항이 변화하는) 등에 사용된다. 또한 황화 아연(ZnS) 등도 반도체로 사용된다. 이러한 화합물은 염이라고 불리지만, 그 결합은 공유 결합성이 강하고, 반도체의 성질도 이 때문이다.

황철석(황철광, 자철광 등)이나 이황화 몰리브덴(휘수연광) 등, 광물로서 천연에 존재하는 것(황화광물)도 많다.

3. 황화물의 제조법

황화물 제조법


황화물 화합물은 여러 가지 방법으로 제조할 수 있다.[8]

# 원소의 직접 결합:

#: 예: Fe(고) + S(고) → FeS(고)

# 황산염의 환원:

#: 예: MgSO4(고) + 4C(고) → MgS(고) + 4CO(기)

# 난용성 황화물의 침전:

#: 예: M2+ + H2S(기) → MS(고) + 2H+(수)

4. 황화물의 종류

황화물은 크게 무기 황화물, 유기 황화물, 이황화물로 나눌 수 있다.


  • 무기 황화물: 금속과 황이 결합한 화합물로, 황화 이온(S2-)을 포함한다. 하지만 황화 이온은 수용액에서 대부분 가수분해되어 황화수소 이온(HS-)으로 존재한다.
  • 유기 황화물: 탄소-황-탄소(C-S-C) 결합을 가진 화합물로, 티오에테르라고도 불린다. 디메틸 황화물(CH3-S-CH3)이 대표적인 예시이다.
  • 이황화물: 황-황(S-S) 결합을 가진 화합물로, 이황화 몰리브덴(MoS2)과 같이 별개의 황화물 중심으로 구성된 경우와 황철석(FeS2)처럼 S22- 이온을 포함하는 경우가 있다.


각각의 황화물에 대한 자세한 내용은 하위 섹션을 참고할 수 있다.

4. 1. 무기 황화물

황화 이온(S2-)은 알칼리성 수용액에는 존재하지 않으며[3][4], 가수분해되어 수소황화물 이온(SH-)으로 전환된다.

:S²⁻ + H₂O → SH⁻ + OH⁻

산으로 처리하면 황화물 염은 황화수소로 전환된다.

:S²⁻ + H⁺ → SH⁻

:SH⁻ + H⁺ → H₂S

산화는 조건에 따라 원소 황, 다황화물, 폴리싸이오네이트, 아황산염, 또는 황산염을 생성할 수 있다. 금속 황화물은 할로젠과 반응하여 황과 금속염을 형성한다.

:8 MgS + 8 I₂ → S₈ + 8 MgI₂

전이 금속 양이온의 수용액은 황화물 공급원(H₂S, NaHS, Na₂S)과 반응하여 고체 황화물을 침전시킨다. 이러한 무기 황화물은 일반적으로 물에 대한 용해도가 매우 낮으며, 많은 경우 동일한 조성의 광물과 관련이 있다. 황화 카드뮴(CdS)은 밝은 노란색을 띠어 "카드뮴 옐로우"라고도 불린다. 순은에 형성되는 검은색 변색은 황화 은(Ag₂S)이다. 이들은 염으로 불리기도 하지만, 전이 금속 황화물의 결합은 공유 결합성이 강하여 반도체 특성을 나타낸다. 몇몇은 안료, 태양 전지, 촉매로서 실용적인 응용 분야를 가지고 있다. 곰팡이 ''아스페르길루스 니거''는 중금속 황화물의 용해에 역할을 한다.[5]

4. 1. 1. 주요 무기 황화물

황화 수소[3][4], 황화 카드뮴, 이황화 탄소, 황화 납, 이황화 몰리브덴, 황 머스터드, 황화 은, 황화 나트륨, 황화 아연, 폴리페닐렌술파이드, 이황화 셀레늄 등이 주요 무기 황화물에 해당한다.

화합물화학식녹는점 (°C)끓는점 (°C)CAS 등록번호
황화 수소H2S−85.7−60.20
황화 카드뮴CdS1750
칼슘 폴리설파이드
이황화 탄소CS2−111.646
황화 납PbS1114
이황화 몰리브덴MoS2
황 머스터드13–14217
황화 은Ag2S
황화 나트륨Na2S9201180
황화 아연ZnS1850
폴리페닐렌 설파이드C6H4S
이황화 셀레늄SeS2<100
황철석FeS2600



'''황화물 이온'''(S2-)은 Na2S, CaS 등의 금속 황화물 결정 속에서 발견된다. 수용액에서는 거의 대부분이 가수분해하여 '''황화수소 이온'''(HS-)으로 존재한다.[9]

: S2− + H2O → HS− + OH-

이 때문에 용액은 강한 염기성을 나타낸다.

전이 금속염의 수용액은 황화물(H2S, NaSH, Na2S 등)과 반응하여 고체의 염을 침전시킨다. 이러한 황화물염은 수용해도가 매우 낮고, 반도체의 성질을 갖는 것도 많다.

4. 1. 2. 황화광물

광물학에서 금속 원소가 황과 결합하고 있는 광물을 '''황화광물'''이라고 한다.[10] 많은 중요한 금속 광석은 황화물이다.[6]

대표적인 황화광물은 다음과 같다:

이러한 황화물 광물들은 생성 당시 주변 환경의 정보(예: 동위원소)를 기록하고 있다. 과학자들은 이러한 광물들을 이용하여 심해 또는 지구 과거의 환경을 연구한다.[7]

4. 2. 유기 황화물 (설파이드)

유기화학에서 "황화물(sulfide)"은 일반적으로 C–S–C 결합을 가리키지만, 티오에테르(thioether)라는 용어가 더 명확하다. 예를 들어 티오에테르 디메틸 황화물(dimethyl sulfide)은 CH3–S–CH3이다. 폴리페닐렌 황화물(Polyphenylene sulfide)의 실험식은 C6H4S이다.

때때로 황화물이라는 용어는 –SH 작용기(functional group)를 포함하는 분자를 가리키기도 한다. 예를 들어 메틸 황화물(methyl sulfide)은 CH3–SH를 의미할 수 있다. 이러한 SH 함유 화합물에 대해서는 티올(thiol) 또는 머캡탄(mercaptan)이라는 명칭이 더 적절하다.

유기 화합물에서도 C-S-C 또는 H-S-C라는 구조를 가진 개별 화합물은 "황화~"라는 이름으로 불리기도 한다. 예로는 황화메틸(황화디메틸, 디메틸 설파이드), 황화알릴(디알릴 설파이드) 등이 있다.

4. 3. 이황화물

이황화물(disulfide)이라는 용어는 다양한 의미로 사용되어 혼란을 야기한다. 예를 들어, 이황화 몰리브덴(MoS2)은 몰리브덴이 +4의 산화 상태(Mo4+와 두 개의 S2−)를 가지며, 별개의 황화물 중심으로 구성된다. 반면, 황철석(FeS2)은 2가 철(Fe2+)과 결합된 S22− 또는 −S–S− 이온으로 구성된다. 디메틸 이황화물은 CH3–S–S–CH3의 화학 결합을 가지는 반면, 이황화 탄소는 S=C=S (CO2와 유사한 선형 분자)이므로 S–S 결합이 없다.

황 화학 및 생화학에서 이황화물이라는 용어는 대부분 과산화물 –O–O– 결합의 황 유사체에 적용된다. 이황화물 결합(–S–S–)은 단백질의 구조와 효소의 촉매 활성에 중요한 역할을 한다.

다른 황화물로는 비금속 원소인 탄소와의 화합물인 이황화탄소(CS2, S=C=S) 등이 있다. 이들은 완전한 공유 결합 화합물이다. 넓은 의미로는 여러 황 원자가 직접 결합한 구조를 가진 이황화물과 다황화물도 포함한다.

유기 화합물에서도 C-S-C 또는 H-S-C라는 구조를 가진 개별 화합물은 "황화~"라는 이름으로 불리기도 한다. 예로는 황화메틸(황화디메틸, 디메틸 설파이드), 황화알릴(디알릴 설파이드) 등이 있다.

5. 황화물의 응용

전이 금속 양이온의 수용액은 H₂S, NaHS, Na₂S과 같은 황화물 공급원과 반응하여 고체 황화물을 침전시킨다. 이러한 무기 황화물은 일반적으로 물에 대한 용해도가 매우 낮으며, 많은 경우 동일한 조성의 광물과 관련이 있다. 한 가지 유명한 예로는 밝은 노란색의 CdS 또는 "카드뮴 옐로우"가 있다. 순은에 형성되는 검은색 변색은 Ag₂S이다. 이러한 종은 때때로 염으로 불리기도 한다. 사실, 전이 금속 황화물의 결합은 매우 공유 결합적이며, 이는 반도체 특성을 나타내는 원인이 되고, 이는 다시 짙은 색과 관련이 있다. 몇몇은 안료, 태양 전지, 촉매로서 실용적인 응용 분야를 가지고 있다. 곰팡이 ''아스페르길루스 니거''는 중금속 황화물의 용해에 역할을 한다.[5]

6. 황화물과 환경

용존 황화물(H2S, HS− 및 S2−)은 강철, 스테인리스강, 구리와 같은 금속 부식의 원인이 된다. 수용액 속 황화물은 강철의 응력 부식 균열(SCC)을 일으키는데, 이를 황화물 응력 균열이라고도 한다. 황화물은 황화광석 제련소, 심해 유정, 석유 수송 파이프라인, 크라프트지 공장 등에서 주요 문제이다.[1]

미생물에 의한 부식(MIC) 또는 생물 유래 황화물 부식은 황산염 환원 박테리아에 의해 발생하며, 황화물을 생성하여 황산으로 산화시킨다. 이렇게 생성된 황산은 하수 재료와 반응하여 하수관에 손상을 입힌다. 이러한 현상은 전 세계 하수 시스템의 문제이며, 높은 개선 비용을 초래한다.[1]

황화물 산화로 생성되는 티오황산염은 강철 및 스테인리스강의 점 부식을 유발하는 중간 물질이다.[1]

6. 1. 황화물에 의한 부식

용존 황화물(hydrogen sulfide|황화 수소영어, H2S, bisulfide|비스황화물영어, HS− 및 S2−)은 강철, 스테인리스강, 구리와 같은 많은 금속의 부식을 일으키는 매우 공격적인 물질이다. 수용액에 존재하는 황화물은 강철의 응력 부식 균열(SCC)을 유발하며, 황화물 응력 균열이라고도 한다. 부식은 황화물을 처리하는 많은 산업 시설(황화광석 제련소, 심해 유정, 산성화된 석유를 수송하는 파이프라인, 크라프트지 공장)에서 주요 문제이다.[1]

미생물에 의한 부식(MIC) 또는 생물 유래 황화물 부식은 황산염 환원 박테리아에 의해서도 발생하는데, 이 박테리아는 황화물을 생성하고 공기 중에 방출하여 황산화 박테리아에 의해 황산으로 산화된다. 생물학적으로 생성된 황산은 하수 재료와 반응하여 대부분 하수관의 질량 손실, 균열을 유발하고 궁극적으로 구조적 붕괴를 초래한다. 이러한 종류의 열화는 전 세계 하수 시스템에 영향을 미치는 주요 과정이며 매우 높은 개선 비용을 초래한다.[1]

황화물의 산화는 티오황산염()을 형성할 수도 있는데, 이는 산화가 더 진행될 때 황산이 생성되어 매질이 산성화되는 동안 강철과 스테인리스강의 심각한 점 부식 문제를 일으키는 중간 물질이다.[1]

6. 2. 미생물에 의한 부식

용존 황화물(hydrogen sulfide|H2S영어, HS− 및 S2−)은 강철, 스테인리스강, 구리와 같은 많은 금속의 부식을 일으키는 매우 공격적인 물질이다. 수용액에 존재하는 황화물은 강철의 응력부식균열(SCC)을 유발하며, 황화물응력균열이라고도 한다. 부식은 황화물을 처리하는 많은 산업 시설(황화광석 제련소, 심해 유정, 산성화된 석유를 수송하는 파이프라인, 크라프트지 공장)에서 주요 문제이다.[1]

미생물에 의한 부식(MIC) 또는 생물유래 황화물 부식은 황산염 환원 박테리아에 의해서도 발생하는데, 이 박테리아는 황화물을 생성하고 공기 중에 방출하여 황산화 박테리아에 의해 황산으로 산화된다. 생물학적으로 생성된 황산은 하수 재료와 반응하여 대부분 하수관의 질량 손실, 균열을 유발하고 궁극적으로 구조적 붕괴를 초래한다. 이러한 종류의 열화는 전 세계 하수 시스템에 영향을 미치는 주요 과정이며 매우 높은 개선 비용을 초래한다.[1]

황화물의 산화는 티오황산염을 형성할 수도 있는데, 이는 산화가 더 진행될 때 황산이 생성되어 매질이 산성화되는 동안 강철과 스테인리스강의 심각한 점 부식 문제를 일으키는 중간 물질이다.[1]

6. 3. 환경 오염

용존 황화물(hydrogen sulfide|H2S영어, HS− 및 S2−)은 강철, 스테인리스강, 구리와 같은 많은 금속의 부식을 일으키는 매우 공격적인 물질이다. 수용액에 존재하는 황화물은 강철의 응력부식균열(SCC)을 유발하며, 황화물응력균열이라고도 한다. 부식은 황화물을 처리하는 많은 산업 시설(황화광석 제련소, 심해 유정, 산성화된 석유를 수송하는 파이프라인, 크라프트지 공장)에서 주요 문제이다.[1]

미생물에 의한 부식(MIC) 또는 생물유래 황화물 부식은 황산염 환원 박테리아에 의해서도 발생한다. 이 박테리아는 황화물을 생성하고 공기 중에 방출하여 황산화 박테리아에 의해 황산으로 산화된다. 생물학적으로 생성된 황산은 하수 재료와 반응하여 대부분 하수관의 질량 손실, 균열을 유발하고 궁극적으로 구조적 붕괴를 초래한다. 이러한 종류의 열화는 전 세계 하수 시스템에 영향을 미치는 주요 과정이며 매우 높은 개선 비용을 초래한다.[1]

황화물의 산화는 티오황산염을 형성할 수 있는데, 이는 산화가 더 진행될 때 황산이 생성되어 매질이 산성화되는 동안 강철과 스테인리스강의 심각한 점 부식 문제를 일으키는 중간 물질이다.[1]

7. 안전성

많은 금속 황화물은 물에 대한 용해도가 매우 낮아 독성이 거의 없을 가능성이 높다. 일부 금속 황화물은 위산을 포함한 강한 무기 산에 노출되면 독성 황화수소를 방출한다.[1]

유기 황화물은 매우 인화성이 높다.[1] 황화물이 연소되면 이산화황(SO2) 가스를 생성한다.[1]

황화수소, 일부 황화수소 염, 그리고 거의 모든 유기 황화물은 강하고 악취가 나는 냄새를 가지고 있으며, 부패하는 생물량에서 이러한 물질이 방출된다.[1]

참조

[1] 웹사이트 sulfide(2−) (CHEBI:15138) https://www.ebi.ac.u[...] European Bioinformatics Institute
[2] 웹사이트 SULFIDE English Definition and Meaning https://www.lexico.c[...] Lexico.com 2022-08-24
[3] 논문 Goodbye to S2- 2018
[4] 논문 Second dissociation constant of hydrogen sulfide
[5] 서적 Mycoremediation: Fungal Bioremediation https://books.google[...] John Wiley & Sons 2006-11-17
[6] 서적 Mineral chemistry of metal sulfides Cambridge University Press 1978
[7] 논문 Microbial Life Deep Under the Seafloor—A Story of Not Giving Up 2020-05-29
[8] 서적 Inorganic Chemistry W. H. Freeman & Co. 2010
[9] 웹사이트 Goodbye to S2- in aqueous solution https://pubs.rsc.org[...]
[10] 서적 学術用語集 地学編 日本学術振興会
[11] 웹인용 sulfide(2−) (CHEBI:15138) https://www.ebi.ac.u[...] European Bioinformatics Institute


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