과염소산 리튬
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1. 개요
과염소산 리튬(LiClO₄)은 유기 용매에 잘 녹는 성질을 가진 무기 화합물이다. 디엘스-알더 반응, 베일리스-힐만 반응의 촉매로 사용되며, 리튬 이온 배터리의 전해질 염, 로켓 추진제 산화제, 불꽃놀이의 발색제, 단백질 변성을 위한 카오트로피제로 활용된다. 과염소산 나트륨과 염화 리튬의 반응, 또는 염소산 리튬의 전기 분해로 제조할 수 있다. 유기 화합물, 환원제와 혼합 시 폭발성을 띠므로 취급에 주의해야 한다.
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2. 화학적 특성 및 제법
과염소산 리튬(LiClO4)은 리튬의 과염소산염이다. 이 무색 또는 흰색의 결정성 고체는 주목할 만한 용해도를 가지며 다양한 용도로 활용된다. 특히 유기 용매에 대한 높은 용해도는 유기 합성 반응에서 유용하게 사용되는 특징이다. 또한, 특정 화학 반응을 통해 제조될 수 있다.
2. 1. 용해도
과염소산 리튬(LiClO4)은 유기 용매, 심지어 다이에틸 에테르에도 매우 잘 녹는다. 이러한 높은 용해도로 인해 과염소산 리튬 용액은 디엘스-알더 반응에 사용된다. 이 반응에서 루이스 산성을 띠는 리튬 이온(Li+)이 다이에노필의 루이스 염기성 부위에 결합하여 반응 속도를 높이는 것으로 여겨진다.[8]또한 과염소산 리튬은 α,β-불포화 카르보닐 화합물과 알데히드를 결합시키는 베일리스-힐만 반응에서 공촉매로 사용되기도 한다.[9]
고체 상태의 과염소산 리튬은 중성 조건 하에서 카르보닐 화합물의 시아노실릴화(cyanosilylation) 반응을 촉진하는 온화하면서도 효율적인 루이스 산으로 밝혀졌다.[10]
2. 2. 제법
과염소산 리튬은 과염소산 나트륨과 염화 리튬의 반응으로 제조할 수 있다. 또한 200mA/cm2의 전류 밀도에서 20°C 이상의 온도로 염소산 리튬을 전기 분해하여 제조할 수도 있다.[12]3. 응용 분야
과염소산 리튬(Lithium perchlorate, LiClO4)은 독특한 화학적 성질 덕분에 다양한 분야에서 활용된다. 주요 응용 분야로는 유기화학 반응에서의 촉매 역할[8][9][10], 리튬 이온 배터리의 전해질 성분[11], 고체 로켓 추진제의 산화제 및 불꽃놀이 재료[2][7], 그리고 생화학 연구에서의 카오트로피제 등이 있다. 또한 특정 조건 하에서 산소를 발생시키는 능력 때문에 화학적 산소 발생기에도 사용된다.[5][6]
3. 1. 화학 반응
과염소산 리튬(LiClO4)은 다이에틸 에테르와 같은 유기 용매에 매우 잘 녹는다. 이러한 용액은 디엘스-알더 반응에 사용되는데, 이때 루이스 산성을 띠는 리튬 이온(Li+)이 다이에노필의 루이스 염기성 부위에 결합하여 반응 속도를 높이는 것으로 여겨진다.[8]또한 과염소산 리튬은 α,β-불포화 카르보닐 화합물과 알데하이드를 결합시키는 베일리스-힐만 반응에서 공촉매로 사용되기도 한다.[9]
고체 상태의 과염소산 리튬은 중성 조건에서 카르보닐 화합물의 시아노실릴화(cyanosilylation) 반응을 촉진하는 온화하고 효율적인 루이스 산 촉매로도 작용한다.[10]
3. 2. 로켓 추진제 및 폭죽
과염소산염은 유기화합물과 섞이면 폭발성 혼합물을 만들 수 있다.[16] 이러한 성질을 이용하여 과염소산 리튬은 고체 로켓 추진제의 산화제로 사용된다.[2][7] 또한, 불꽃놀이에서 붉은색 불꽃을 만드는 데에도 사용된다.[2][7]3. 3. 배터리
과염소산 리튬은 리튬 이온 배터리의 전해질 염으로 사용된다. 특정 응용 분야에서 우수한 전기 임피던스, 전도도, 흡습성, 그리고 양극 안정성 특성이 중요할 때 육불화인산리튬 또는 사불화붕산리튬과 같은 대체 염보다 과염소산 리튬이 선택되기도 한다.[11]그러나 이러한 유익한 특성에도 불구하고, 과염소산 리튬은 강한 산화제 특성을 가지고 있어 단점이 있다. 고온이나 높은 전류 부하 조건에서는 전해질이 배터리 용매와 반응할 수 있다. 이러한 잠재적 위험성 때문에 과염소산 리튬을 사용한 배터리는 종종 산업용 응용 분야에는 부적합하다고 간주된다.[11]
3. 4. 생화학
과염소산 리튬의 농축 용액(4.5 mol/L)은 단백질의 변성을 위한 카오트로피제로 사용된다.3. 5. 기타 응용
과염소산 리튬은 일부 화학적 산소 발생기에서 산소 공급원으로 사용된다. 약 400°C에서 분해되어 염화 리튬과 산소를 생성한다:[5]: LiClO4 → LiCl + 2 O2
과염소산 리튬 질량의 60% 이상이 산소로 방출된다.[2] 이는 모든 실용적인 과염소산염 중에서 가장 높은 산소 대 무게비와 산소 대 부피비를 가지며, 액체 산소보다 높은 산소 대 부피비를 갖는다.[6]
과염소산 리튬은 고체 로켓 추진제의 산화제로 사용되며, 불꽃놀이 조성물에서 붉은 색깔의 불꽃을 생성하는 데 사용된다.[2][7]
4. 안전성
과염소산염의 일종인 과염소산 리튬은 특정 물질과 혼합될 경우 위험할 수 있다. 특히 유기 화합물과 섞이면 폭발성 혼합물을 형성할 수 있다.[16] 또한, 미세한 금속 분말, 황, 그리고 다른 환원제들과 혼합될 경우에도 폭발 가능성이 있는 혼합물을 만드는 경우가 많으므로 취급에 주의해야 한다.[12][2]
참조
[1]
웹사이트
Lithium perchlorate
http://chemister.ru/[...]
[2]
서적
AMCP 706-187 Military Pyrotechnics - Properties of Materials
US Army Materiel Command
1963-10
[3]
논문
Crystal Structure of LiClO4
[4]
웹사이트
2014-05-09
[5]
논문
Lithium Perchlorate Oxygen Candle. Pyrochemical Source of Pure Oxygen
[6]
서적
Military and Civilian Pyrotechnics
Chemical Publishing Company
[7]
서적
Encyclopedia of explosives and related items
Picatinny Arsenal
1975-01
[8]
간행물
Lithium Perchlorate
J. Wiley & Sons, New York
[9]
웹사이트
Lithium Perchlorate Product Detail Page
http://www.sigmaaldr[...]
[10]
논문
An improved synthesis of cyanohydrins in the presence of solid LiClO4 under solvent-free conditions
[11]
논문
Nonaqueous liquid electrolytes for lithium-based rechargeable batteries
http://is.muni.cz/el[...]
2004
[12]
간행물
Chlorine Oxides and Chlorine Oxygen Acids
Wiley-VCH
[13]
웹인용
Lithium perchlorate
http://chemister.ru/[...]
[14]
논문
Crystal Structure of LiClO4
[15]
웹사이트
2014-05-09
[16]
간행물
Chlorine Oxides and Chlorine Oxygen Acids
Wiley-VCH
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