황화 아연
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1. 개요
황화 아연(ZnS)은 두 가지 주요 결정 형태로 존재하며, 아연과 황의 배위 기하학이 사면체인 화합물이다. 더 안정적인 입방 형태는 섬아연석으로, 육방 형태는 섬아연광으로 알려져 있으며, 약 1020 °C에서 상전이가 일어난다. 황화 아연은 제련소 슬래그, 산세액 등 폐기물을 활용하여 생산되며, 아연과 황의 직접 화합 또는 황화 수소를 아연 이온 용액에 통과시켜 생성할 수도 있다. 초기 원자물리학에서 섬광체로 사용되었으며, 현재 형광체, 광학 재료, 안료, 광촉매, 반도체 등 다양한 분야에 응용된다. 1866년 테오도르 시도에 의해 처음 보고되었으며, 러더퍼드 등에 의해 섬광 검출기로 사용되기도 했다.
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| 황화 아연 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| IUPAC 이름 | '' |
| 다른 이름 | 섬아연광 육방정계 |
| 체계적인 이름 | '' |
| CAS 등록 번호 | 1314-98-3 |
| ChemSpider ID | 8009652 |
| 유럽 공동체 (EC) 번호 | 215-251-3 |
| UNII | KPS085631O |
| PubChem | 14821 |
| RTECS | ZH5400000 |
| 표준 InChI | 1S/S.Zn/q-2;+2 |
| 표준 InChI 키 | DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N |
| SMILES | [Zn+2].[S-2] |
| 성질 | |
| 화학식 | ZnS |
| 몰 질량 | 97.474 g/mol |
| 밀도 | 4.090 g/cm3 |
| 용해도 | 무시 가능 |
| 녹는점 | 1850 °C (승화) |
| 밴드 갭 | 3.54 eV (입방정계, 300 K), 3.91 eV (육방정계, 300 K) |
| 굴절률 | 2.3677 |
| 구조 | |
| 결정 구조 | '' |
| 공간군 | '' |
| 배위 | 사면체 (Zn2+) 사면체 (S2−) |
| 격자 상수 a | '' |
| 열화학 | |
| 생성 엔탈피 | −204.6 kJ/mol |
| 엔트로피 | '' |
| 위험성 | |
| 외부 물질 안전 보건 자료 | ICSC 1627 |
| H 문구 | '' |
| P 문구 | '' |
| GHS 참고 | '' |
| 주요 위험 | '' |
| NFPA 보건 | 1 |
| NFPA 인화성 | 0 |
| NFPA 반응성 | 0 |
| 인화점 | 불연성 |
| 관련 화합물 | |
| 다른 음이온 | 산화 아연 셀렌화 아연 텔루르화 아연 |
| 다른 양이온 | 황화 카드뮴 황화 수은 |
| 추가 정보 | |
| |
| |
| 한국어 | |
| 형태 | 흰색 또는 노란색 결정 또는 분말 |
| 밀도 | 4.0 |
| 물에 대한 용해도 | '' |
| 녹는점 | 1718 °C |
| 녹는점 주석 | (1991 K) |
| 끓는점 | 1180 °C |
| 끓는점 주석 | (승화) |
| 출처 | ICSC |
| 황화 아연 | |
| |
| SMILES (섬아연광) | [SH+2]12[ZnH2-2][SH+2]3[ZnH2-2][SH+2]([ZnH-2]14)[ZnH-2]1[S+2]5([ZnH-2]38)[Zn-2]26[SH+2]2[ZnH-2]([S+2]4)[SH+2]1[ZnH2-2][SH+2]3[ZnH-2]2[S+2][ZnH-2]([SH+2]6[ZnH-2]([SH+2])[SH+2]68)[SH+2]([ZnH2-2]6)[ZnH-2]35 |
| SMILES (육방정계) | [ZnH2-2]1[S+2]47[ZnH-2]2[S+2][ZnH-2]3[S+2]8([ZnH2-2][SH+2]([ZnH2-2]4)[ZnH2-2]6)[ZnH-2]4[S+2][ZnH-2]5[S+2]6([ZnH2-2]6)[Zn-2]78[S+2]78[ZnH-2]([SH+2]69)[SH+2]5[ZnH2-2][SH+2]4[ZnH-2]7[SH+2]3[ZnH2-2][SH+2]2[ZnH-2]8[SH+2]1[ZnH2-2]9 |
| SMILES (육방정계) | [ZnH2-2]1[SH+2]([ZnH2-2]6)[ZnH2-2][SH+2]7[ZnH-2]2[S+2][Zn-2]3([S+2][ZnH-2]9[S+2]5)[S+2]18[Zn-2]45[S+2][ZnH-2]5[SH+2]6[Zn-2]78[S+2]78[ZnH2-2][SH+2]5[ZnH2-2][S+2]4([ZnH2-2][SH+2]9[ZnH2-2]4)[ZnH-2]7[S+2]34[ZnH2-2][SH+2]2[ZnH2-2]8 |
2. 구조
황화 아연(ZnS)은 섬아연석과 섬아연광의 두 가지 주요 결정 형태를 가지며, 이는 다형성의 한 예이다. 각 형태에서 아연(Zn)과 황(S)은 사면체 배위 기하학을 갖는다. 더 안정적인 입방 형태는 섬아연석 또는 섬아연석으로 알려져 있다. 육방 형태는 광물 섬아연광으로 알려져 있지만, 합성을 통해서도 만들 수 있다.[2] 섬아연석에서 섬아연광으로의 전이(상전이)는 약 1020°C에서 일어난다.
2. 1. 섬아연석 (Sphalerite)
황화 아연(ZnS)은 두 가지 주요 결정 형태로 존재하며, 이러한 이중성은 다형성의 한 예이다. 각 형태에서 아연(Zn)과 황(S)의 배위 기하학은 사면체이다. 더 안정적인 입방 형태는 섬아연석 또는 섬아연석으로도 알려져 있다. 육방 형태는 광물 섬아연광으로 알려져 있지만, 합성으로도 생산될 수 있다.[2] 섬아연석 형태에서 섬아연광 형태로의 전이(상전이)는 약 1020°C에서 발생한다.
2. 2. 섬아연광 (Wurtzite)
ZnS는 두 가지 주요 결정 형태로 존재하며, 이러한 이중성은 다형성의 한 예이다. 각 형태에서 Zn과 S의 배위 기하학은 사면체이다. 더 안정적인 입방 형태는 섬아연석 또는 섬아연석으로도 알려져 있다. 육방 형태는 광물 섬아연광으로 알려져 있지만, 합성으로도 생산될 수 있다.[2] 섬아연석 형태에서 섬아연광 형태로의 전이(상전이)는 약 1020 °C에서 발생한다.3. 생성
황화 아연은 산화 아연(ZnO)과 황화 수소(H2S)의 반응으로 생성될 수 있다.
:ZnO + H2S → ZnS + H2O
또한, 아연 이온(Zn2+)과 황 이온(S2-)의 반응으로도 생성 가능하다.
:Zn2+ + S2− → ZnS
3. 1. 산업적 생산
황화 아연은 주로 다른 공정에서 발생하는 폐기물을 활용하여 생산된다. 제련소 슬래그 및 산세액 등이 대표적인 원료이다.[5] 일례로, 메탄에서 암모니아를 합성하는 과정에서 천연 가스에 함유된 황화수소 불순물을 제거하기 위해 산화 아연이 사용되는데, 이 과정에서 황화 아연이 생성된다.:ZnO + H2S → ZnS + H2O
3. 2. 실험실 합성
조잡한 황화 아연은 아연과 황의 혼합물을 점화하여 생산할 수 있다.[8] 보다 일반적인 방법으로는 ZnS를 약산성의 Zn2+ 염 용액을 H2S로 처리하여 제조한다.[9]:Zn2+ + S2− → ZnS
이 반응은 아연의 중량 분석의 기초가 된다.[10]
황화 아연은 황과 아연의 직접 화합, 또는 아연 이온을 포함하는 수용액에 황화수소를 불어넣어 생성할 수 있다.
4. 응용
황화 아연은 인광체, 광학 재료, 안료, 광촉매, 반도체 등 여러 분야에 사용된다.
4. 1. 형광체
적절한 활성제(인광체)를 수백만분의 몇 부(ppm) 첨가한 황화 아연은 강한 인광을 나타낸다. 이 현상은 1893년 니콜라 테슬라에 의해 기술되었으며,[3] 현재 음극선관부터 X선 스크린, 야광 제품에 이르기까지 많은 응용 분야에 사용되고 있다. 활성제로 은을 사용하면 최대 450나노미터에서 밝은 파란색이 나타난다. 망간을 사용하면 약 590나노미터에서 주황색을 띤 붉은색이 나타난다. 구리는 더 긴 여운을 주며, 친숙한 녹색 야광을 낸다. 구리 도핑된 황화 아연("ZnS + Cu")은 전기 발광 패널에도 사용된다.[4] 청색 또는 자외선으로 조명하면 불순물 때문에 인광을 나타내기도 한다.초기 원자물리학에서 얼네스트 러더퍼드 등은 섬광체로 황화아연을 사용했다. 이는 황화아연이 방사선인 알파선, X선, 전자선 등에 의해 여기될 때 발광하는 성질을 이용한 것으로, X선 증감제나 (음극선=전자선을 이용하는) 브라운관의 재료로서도 유용했다. 불순물이 존재하면 인광을 띠게 되어 청색광 또는 자외선을 발한다.
러더퍼드 등은 특히 황화아연을 알파선 측정용 섬광체로 이용했다. 그러나 당시 기술로는 자동 측정이 어려웠기 때문에 황화아연 분말을 사용하여 암실에서 육안으로 발광을 세어 알파선의 수를 측정했지만, 측정자의 집중력 등의 문제로 인해 활용도가 높지 않았다. 그럼에도 불구하고 물질에 알파선을 조사하는 러더퍼드 산란 실험에 응용하여 원자핵의 존재를 증명했다.[11] 알파선 검출 소자로서 현재에도 유용하다.
4. 2. 광학 재료
황화 아연은 적외선 광학 재료로도 사용되며, 가시광선 파장부터 12µm를 약간 넘는 파장까지 투과한다. 평면 형태의 광학 창으로 사용하거나 렌즈로 성형할 수 있다. 황화수소 기체와 아연 증기의 합성으로 미세결정질 시트로 제조되며, 이는 우유빛 노란색의 불투명한 FLIR(Forward Looking Infrared, 전방 적외선) 등급으로 판매된다. 이 재료는 열간 등방성 가압(HIP)하면 '''Cleartran'''(상표명)으로 알려진 투명한 형태로 변환될 수 있다. 초기 상업용 형태는 '''Irtran-2'''로 판매되었지만, 이 명칭은 이제 사용되지 않는다.[11]적외선용 광학 소자로도 사용되며, 가시광선에서 12µm 이상의 파장을 투과한다. 평면 형태의 광학 창이나 렌즈 형태로 사용된다. 상표명으로는 Cleartran이나 Irtran-2 등이 있다.
4. 3. 안료
황화 아연은 일반적인 안료이며, 사크톨리스(sachtolith)라고도 불린다. 황화 아연은 황산 바륨과 결합하여 리토폰을 형성한다.[5]4. 4. 광촉매
미세한 황화 아연(ZnS) 분말은 효율적인 광촉매로, 빛을 쬐면 물에서 수소 기체를 생성한다. 합성 과정에서 황화아연에 황 공핍이 발생할 수 있는데, 이는 흰색 또는 연한 노란색의 황화아연을 점차 갈색 분말로 변화시키고, 향상된 빛 흡수를 통해 광촉매 활성을 높인다.[1]4. 5. 반도체
섬아연석과 섬아연광은 모두 본질적인 넓은 밴드갭 반도체이다. 이들은 전형적인 II-VI족 반도체이며, 갈륨비소와 같은 다른 많은 반도체와 관련된 구조를 채택한다. ZnS의 정방정계 형태는 300 켈빈에서 약 3.54 전자볼트의 밴드갭을 가지지만, 육방정계 형태는 약 3.91 전자볼트의 밴드갭을 갖는다. ZnS는 도핑을 통해 n형 반도체 또는 p형 반도체로 만들 수 있다.[11]ZnS 반도체는 II-VI족 반도체로서는 드물게도 도핑을 통해 N형 반도체와 P형 반도체 모두로 사용할 수 있으며, 한때 청색 발광 다이오드의 유력 후보가 되기도 했다.
5. 역사
황화 아연의 인광은 1866년 프랑스 화학자 테오도르 시도(Théodore Sidot)에 의해 처음 보고되었다. 그의 연구 결과는 루미네선스 연구로 유명한 알렉상드르 에드몽 베크렐(A. E. Becquerel)에 의해 발표되었다.[6] 얼니스트 러더퍼드 등은 방사선 물리학 초기에 황화 아연을 섬광 검출기로 사용했는데, 이는 황화 아연이 X선 또는 전자빔에 의해 여기될 때 빛을 방출하기 때문에 X선 스크린과 음극선관에 유용했기 때문이다.[7] 이러한 특성 때문에 황화 아연은 라듐 시계의 문자판에도 사용되었다.
참조
[1]
논문
Synthesis and characterization of ZnS with controlled amount of S vacancies for photocatalytic H2 production under visible light
[2]
서적
Structural Inorganic Chemistry
https://archive.org/[...]
Clarendon Press
1984
[3]
웹사이트
The Inventions, Researches, and Writings of Nikola Tesla
https://archive.org/[...]
Internet Archive
2024-01-02
[4]
논문
Luminescent Materials
Wiley-VCH
[5]
논문
Pigments, Inorganic, 2. White Pigments
Wiley-VCH
[6]
논문
Sur les propriétés de la blende hexagonale
http://gallica.bnf.f[...]
[7]
서적
Greenwood&Earnshaw1st
[8]
논문
Étude de la Phosphorescence du Sulfure de Zinc I. - La Méthode par Explosion
1931
[9]
서적
Handbook of Preparative Inorganic Chemistry, 2nd Ed.
Academic Press
[10]
서적
Vogel's Quantitative Chemical Analysis
Prentice Hall
[11]
서적
放射線計測学第4版
裳華房
1965-07-05
[12]
논문
Synthesis and characterization of ZnS with controlled amount of S vacancies for photocatalytic H2 production under visible light
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