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무기화학

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목차

1. 개요

무기화학은 무기 화합물의 구조, 성질, 반응을 연구하는 화학의 한 분야이다. 연금술에서 시작되어 유기화학과 분리되어 발전했으며, 주기율과 구조론을 중심으로 연구가 진행되었다. 주요 개념으로는 이온 결합, 산화수, 산-염기 반응 등이 있으며, 다양한 무기 화합물은 산화물, 탄산염, 할로겐 화합물 등으로 분류된다. 무기화학은 산업적으로 중요한 분야이며, 비료, 촉매, 시약 등의 제조에 활용된다. 연구 대상으로는 원소, 화합물, 광물, 금속, 방사성 물질, 대기, 물 등이 있으며, 유기금속 화학, 군집 화학, 생무기화학 등 하위 분야로 나뉜다. 무기 화합물의 특성 분석을 위해 X선 결정학, 분광법, 전기화학 등의 기술이 사용되며, 분자 대칭성, 열역학, 반응 메커니즘 등의 이론을 통해 무기 화합물의 특성을 이해한다. 무기 화합물은 다양한 합성 방법을 통해 얻을 수 있다.

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무기화학
개요
산화 칼륨의 3D vdW 모델
산화 칼륨의 3D vdW 모델
학문 분야화학
연구 분야무기 물질의 특성, 합성, 반응 및 응용
주요 개념원자 구조
분자 구조
화학 결합
결정 구조
산-염기 반응
산화-환원 반응
배위 화학
고체 화학
촉매 작용
파생 분야재료 과학
촉매 화학
나노 기술
생물 무기 화학
환경 화학
정의
정의무기 화합물의 화학적 특성, 합성, 반응 및 응용을 연구하는 화학 분야
관련 분야
관련 분야유기화학
물리화학
분석화학
재료 과학
지질학

2. 역사

연금술의 성과가 서적을 통해 중세 유럽에 전해져 근대 화학의 기초가 되었다. 그러나 그 대부분은 무기 화합물에 관한 지식이었고, 18세기 이전의 화학은 무기화학과 같은 의미였다.[38][39][40]

18세기 말부터 19세기 초에 걸쳐 발견된 유기 화합물의 종류가 증가함에 따라, 기원에 의한 물질의 분류와 연구 대상에 의한 연구 영역의 구분이 시도되었다. 1806년경 스웨덴의 옌스 베르셀리우스는 유기체를 의미하는 "organ"에서 유기화학 및 유기 화합물이라는 용어를 처음으로 사용했다.[41][42] 이것이 학술 용어 및 학문 영역으로 정착하면서 유기화학 및 유기 화합물에 대비되는 개념으로 무기화학과 무기 화합물이라는 개념이 생겨났다.

근대 무기화학은 주기율을 시작으로 하는 조성론을 중심으로 한 연구가 주를 이루었다. 무기화학 구조론의 기원이 되는 것은 1883년 독일의 알프레드 베르너가 제창한 배위자장 이론(배위설)이다.[43][44] 그 후 무기화학은 금속 착화합물을 중심으로 발전하였고, 착화합물에 대한 연구에 이어 무기구조화학이 확립되었다. 20세기 후반에 들어서는 전자현미경[45][46]이나 X선 회절 분석 등 미세한 크기의 물리적 측정이 가능해지면서 구조론은 비약적인 발전을 이루었다. 오늘날 무기화학에서는 고온 초전도체 물질의 페로브스카이트상과 같은 구조론을 중심으로 한 연구가 주류를 이루고 있다.[47]

3. 주요 개념

산화 포타슘(K2O)의 이온 결합 모형


무기 화합물은 대부분 양이온과 음이온이 이온 결합으로 결합된 염의 형태로 존재한다. 이온들이 화합물을 형성하는 경향은 산화수, 이온 퍼텐셜, 전자 친화도 등을 통해 예측할 수 있다.

무기 화합물은 산화물, 탄산염, 황산염, 할로겐 화합물 등으로 분류할 수 있다. 대부분의 무기 화합물은 높은 녹는점을 가지며, 고체 상태에서 전기적 부도체이다. 물에 대한 용해도와 결정화도는 무기 화합물의 중요한 특징 중 하나이다.

무기 화합물 간의 반응은 복분해, 산화·환원 반응, 산-염기 반응 등으로 설명할 수 있다. HSAB 이론은 이온의 극성과 크기를 고려하여 산-염기 반응을 설명하는 발전된 이론이다.[1]

3. 1. 화학 결합



대부분의 무기 화합물은 양이온과 음이온이 이온 결합에 의해 결합하고 있는 염의 형태로 발견된다. 양이온의 예로는 Na+나 Mg2+ 등이 있고, 음이온의 예로는 Cl-나 O2- 등이 있다. 염은 전기적으로 중성을 띠기 때문에 이러한 이온들은 Na2O나 MgCl2와 같은 화합물의 형태로 존재한다. 이온들은 산화수를 가지며, 이온들이 화합물을 형성할 것인가는 양이온의 경우 이온 퍼텐셜, 음이온의 경우 전자 친화도로 추론할 수 있다.[1]

복분해는 두 염을 혼합할 때 이온들이 산화수 변화 없이 치환되는 반응이다. 산화·환원 반응에서는 산화제의 산화수가 감소하고, 환원제의 산화수는 증가한다. 이러한 산화수 변화의 본질은 전자의 이동이며, 이는 전지의 반응에서와 같이 직접적으로 일어나지 않을 수도 있다.[1]

반응물에 수소 이온이 있을 경우 반응은 산-염기 반응 이론에 의해 양성자를 주고 받는 방향으로 진행될 수 있다. 일반적 정의에 의하면, 전자쌍을 받으려는 경향을 가진 물질을 루이스 산이라고 하고, 반대로 전자쌍을 주려는 경향을 가진 물질을 루이스 염기라고 한다. 발전된 산-염기 반응 이론인 HSAB 이론은 이온의 극성과 크기까지 고려한다.[1]

3. 2. 반응

한 반응물에 수소 원자가 포함되어 있으면 산-염기 화학에서 양성자를 교환하여 반응이 일어날 수 있다. 보다 일반적인 정의에서, 전자쌍에 결합할 수 있는 모든 화학 종을 루이스 산이라고 하며; 반대로 전자쌍을 기증하는 경향이 있는 분자를 루이스 염기라고 한다.[5] 산-염기 상호작용의 세분화로서, HSAB 이론은 이온의 분극률과 크기를 고려한다.

4. 연구 대상

무기화학은 원소와 그 화합물을 연구하는 학문 분야이다. 연구 대상은 다음과 같이 분류할 수 있다.



많은 무기 화합물은 자연에서 광물 형태로 발견된다.[2] 예를 들어, 흙에는 황화철이 황철석 형태로, 황산 칼슘이 석고 형태로 존재할 수 있다.[3][4] 또한 무기 화합물은 생체분자로서 전해질 (염화 나트륨), 에너지 저장 (ATP), DNA 구성 (폴리인산 골격) 등 다양한 역할을 수행한다.

5. 무기화학의 하위 분야

무기화학의 하위 분야는 매우 다양하며, 다음과 같은 분야들이 있다.


  • '''배위화학''': 금속 이온과 리간드의 배위 결합을 연구한다.
  • '''유기금속 화학''': 금속-탄소 결합을 포함하는 화합물을 연구한다.
  • '''생무기화학''': 생체 내 금속 이온의 역할과 기능을 연구한다.
  • '''군집화학'''(클러스터화학): 여러 개의 금속 원자가 결합된 화합물을 연구한다.
  • '''고체화학'''/재료화학: 고체 상태 물질의 구조, 결합, 물리적 특성을 연구한다.
  • '''지구화학'''/광물화학/암석화학/온천화학: 지구 구성 물질의 화학적 조성을 연구한다.
  • '''해양화학''': 해양 환경의 화학적 특성을 연구한다.
  • '''대기화학''': 대기 중 화학 물질의 반응과 순환을 연구한다.
  • '''우주화학''': 우주 공간의 화학 물질 분포와 반응을 연구한다.
  • '''방사화학'''/핫아톰화학: 방사성 동위원소의 화학적 성질을 연구한다.[37]


유기화합물 이외의 물질을 연구하는 화학은 무기화학의 범주에 포함되며, 연구 대상에 따라 위와 같이 세분화된다.[25][26][27][28][29][30][31][32][33][34][35][36]

5. 1. 산업에서의 무기화학

무기화학은 매우 실용적인 분야로, 전통적으로 한 나라의 경제 수준을 황산 생산량으로 가늠하기도 한다.[48] 2005년 기준으로 캐나다, 중국, 유럽, 일본, 미국에서 가장 많이 생산되는 20개의 무기 화합물은 다음과 같다.[48]

화합물
황산 알루미늄
암모니아
질산 암모늄
황산 암모늄
카본 블랙
염소
염산
수소
과산화 수소
질산
질소
산소
인산
탄산 나트륨
염소산 나트륨
수산화 나트륨
규산 나트륨
황산 나트륨
황산
이산화 티타늄



질산 암모늄은 비료로 사용되며, 하버-보슈법을 통해 생산되는 암모니아를 산화시켜 제조한다.[6][7][8] 포틀랜드 시멘트와 같은 무기 재료도 대규모로 생산된다.

무기 화합물은 오산화 바나듐(이산화 황 산화), 염화 티타늄(III)(알켄 중합)과 같은 촉매로 사용된다. 또한, 수소화 알루미늄 리튬과 같은 시약으로 유기화학에서 사용되는 무기 화합물도 많다.

지구는 대부분 무기물질로 구성되어 있으며, 산업적으로도 철강, 시멘트, 유리 등 무기공업제품은 생산량에서 유기공업제품을 압도하고 있다.[22][23][24]

6. 무기 화합물의 특성 분석

많은 무기 화합물은 유기 화합물과는 달리 자성을 띠거나 색깔을 가지며, 이는 화합물의 결합 및 구조와 관련이 있다. 예를 들어, 대부분의 구리(II) 화합물은 상자성을 띠지만, CuII2(OAc)4(H2O)2는 상온 이하에서 거의 반자성을 띤다. 이는 초산염에서 구리(II) 자리 쌍 사이의 자기 결합 때문이다.[1]

무기화학은 다양한 원소와 그 유도체의 특성 때문에 여러 분석 방법과 밀접하게 관련되어 있다. 초기에는 용액의 전기 전도도, 녹는점, 용해도, 산도와 같은 물리적 특성을 주로 조사했다. 그러나 양자 이론의 발전과 전자 장비의 확장으로 무기 분자와 고체의 전자적 특성을 조사하는 새로운 도구가 도입되었다. 이러한 측정은 종종 이론적 모델과 관련된 통찰력을 제공한다. 일반적으로 사용되는 기술은 다음과 같다.[1]


  • X선 결정학: 분자 구조를 3차원으로 결정할 수 있게 해준다.[1]
  • 분광법:[1]
  • 자외선-가시광선 분광법: 많은 무기 화합물이 강한 색을 띠기 때문에 역사적으로 중요한 도구였다.[1]
  • 핵자기 공명 분광법(NMR): 1H 및 13C 외에도 11B, 19F, 31P, 195Pt와 같은 다른 NMR 활성 핵도 화합물의 특성과 구조에 대한 중요한 정보를 제공한다. 상자성 종의 NMR은 중요한 구조 정보를 제공할 수 있으며, 경수소 핵은 X선 결정학으로 검출하기 어렵기 때문에 양성자(1H) NMR도 중요하다.[1]
  • 적외선 분광법: 주로 카르보닐 리간드 흡수 분석에 사용된다.[1]
  • 전자 핵 이중 공명(ENDOR) 분광법[1]
  • 뫼스바우어 분광법[1]
  • 전자 스핀 공명(ESR 또는 EPR): 상자성 금속 중심의 환경을 측정할 수 있다.[1]
  • 전기화학: 순환 전압 전류법 및 관련 기술은 화합물의 산화 환원 특성을 조사한다.[1]

7. 이론 무기화학

기술 무기화학은 화합물이 가지는 성질에 기반하여 화합물을 분류하는 데 초점을 맞춘다. 이러한 분류는 주기율표에서 화합물 내 가장 무거운 원소(원자량이 가장 큰 원소)의 위치, 그리고 구조적 유사성에 따라 화합물을 그룹화하여 이루어진다.

7. 1. 정성적 이론

VSEPR 이론은 주족 원소 화합물의 구조를 예측하거나 합리화하는 데 유용하다. 예를 들어 NH3는 피라미드형인 반면 ClF3는 T자형인 이유를 설명한다.[5] 결정장 이론은 전이 금속 착화합물의 자기적 성질을 설명할 수 있다. 예를 들어 [FeIII(CN)6]3−은 짝짓지 않은 전자를 하나만 가지는 반면, [FeIII(H2O)6]3+는 다섯 개를 가지는 이유를 설명할 수 있다.[5]

결정장 이론은 [FeIII(CN)6]3−이 짝짓지 않은 전자를 하나만 가지는 이유를 설명한다

7. 2. 분자 대칭성 군론

군론은 점군 대칭성에 따라 분자의 모양을 설명하는 언어를 제공하며, 이론적 계산을 간소화한다.[14] 분광학적 특징은 진동 또는 전자 상태 등의 대칭성에 따라 분석되고 설명된다. 기저 상태와 들뜬 상태의 대칭성을 알면 진동 및 전자 스펙트럼에서 흡수의 수와 세기를 예측할 수 있다. 군론의 대표적인 응용은 치환된 금속 카르보닐 착물에서 C–O 진동의 수를 예측하는 것이다. 분광학에 대한 대칭성의 가장 일반적인 응용에는 진동 및 전자 스펙트럼이 있다.

이산화 질소(Nitrogen dioxide), NO2는 C2v 점군 대칭성을 보인다


군론은 서로 다른 종들의 결합에서 공통점과 차이점을 강조한다. 예를 들어, WF6과 W(CO)6의 금속 기반 궤도함수는 동일하게 변환되지만, 이러한 궤도함수의 에너지와 개수는 상당히 다르다. 이와 유사한 관계가 CO2와 분자 이불화베릴륨에도 존재한다.

7. 3. 열역학

무기화학에서 정량적인 접근은 반응 에너지에 중점을 둔다. 이는 매우 전통적이고 경험적인 방법이지만 유용하다. 열역학적 용어로 설명되는 광범위한 개념에는 산화환원 전위, 산도, 상 변화가 포함된다. 무기 열역학의 고전적인 개념은 보른-하버 순환이며, 이는 격자 에너지나 전자 친화도와 같이 직접 측정하기 어려운 에너지를 평가하는 데 사용된다.

8. 반응 메커니즘

무기화학에서 중요한 부분은 반응 경로, 즉 반응 메커니즘에 대한 연구이다.

8. 1. 주족 원소 및 란타넘족 원소

사황화사질소(S4N4)는 화학자들의 끊임없는 관심을 받는 주족 원소 화합물이다


주족 원소 화합물은 주기율표의 1족, 2족, 3족, 4족, 5족, 6족, 7족, 0족(수소 제외) 원소들을 포함한다. 종종 유사한 반응성을 보이는 3족 원소(Sc, Y, La)와 12족 원소(Zn, Cd, Hg)도 일반적으로 포함되며, 란타넘족 원소도 때때로 포함된다.[10]

13족에서 18족까지 주족 원소 화합물의 반응 메커니즘은 일반적으로 유기화학의 맥락에서 설명된다. C, N, O, F보다 무거운 원소는 종종 옥텟 규칙에서 예측한 것보다 많은 전자를 가진 화합물을 형성하는데, 이는 초원자가 분자에서 설명되어 있다. 탄소보다 가벼운 원소(B, Be, Li)뿐만 아니라 Al과 Mg은 종종 카르보 양이온과 전자적으로 유사한 전자 부족 구조를 형성한다. 이러한 전자 부족 종은 일반적으로 결합 경로를 통해 반응하는 경향이 있다. 란타넘족 원소의 화학은 알루미늄에서 관찰되는 화학의 많은 측면을 반영한다.

8. 2. 전이 금속 착물

전이 금속 화합물은 주족 원소 화합물과 종종 다른 반응을 보인다.[15] d 오비탈이 결합에서 중요한 역할을 하므로, 리간드 치환 및 해리의 경로와 속도에 큰 영향을 미친다. 이러한 내용은 배위 화학 및 리간드 문서에서 다룬다. 결합 및 해리 경로는 모두 관찰된다.

기구론적 전이 금속 화학에서 중요한 부분은 일반적인 착물 [M(H2O)6]n+에서 자유 물과 결합된 물의 교환으로 나타나는 착물의 속도론적 불안정성이다.

:[M(H2O)6]n+ + 6 H2O* → [M(H2O*)6]n+ + 6 H2O

:여기서 H2O*는 동위 원소로 풍부화된 물(예: H217O)을 나타낸다.

물 교환 속도는 주기율표에서 20 자릿수 범위에 걸쳐 다양하며, 한쪽 끝에는 란타넘족 착물이 있고, Ir(III) 종이 가장 느리다.

전이 원소에서는 산화환원 반응이 널리 일어난다. 산화환원 반응에는 두 가지 종류가 있는데, 산화적 첨가/환원적 제거와 같은 원자 전달 반응과 전자 전달 반응이다. 기본적인 산화환원 반응은 자기 교환 반응으로, 산화제와 환원제 사이에서 일어나는 축퇴 반응을 포함한다. 예를 들어 과망가네이트(permanganate)와 1전자 환원된 망가네이트(manganate)는 전자 하나를 교환한다.

:[MnO₄]⁻ + [Mn*O₄]²⁻ → [MnO₄]²⁻ + [Mn*O₄]⁻

배위 리간드는 자유 리간드와는 다른 반응성을 보인다. 예를 들어 [Co(NH3)6]3+에서 암모니아 리간드의 산도는 NH3 자체보다 더 높다. 금속 양이온에 결합된 알켄은 친핵체에 대해 반응성을 나타내지만, 일반적인 알켄은 그렇지 않다. 크고 산업적으로 중요한 촉매작용 분야는 금속이 유기 리간드의 반응성을 변화시키는 능력에 기반한다. 균일계 촉매작용은 용액에서 일어나고, 불균일계 촉매작용은 기체 또는 용해된 기질이 고체 표면과 상호 작용할 때 일어난다. 전통적으로 균일계 촉매작용은 유기금속 화학의 일부로, 불균일계 촉매작용은 표면 과학(고체 상태 화학의 하위 분야)의 맥락에서 논의된다. 그러나 기본적인 무기 화학 원리는 같다. 전이 금속은 거의 독점적으로 CO, H2, O2 및 C2H4와 같은 작은 분자와 반응한다. 이러한 원료의 산업적 중요성은 활발한 촉매 작용 분야를 이끈다. 리간드는 금속이동과 같은 리간드 이동 반응을 겪을 수도 있다.

9. 합성 무기화학

일부 무기 화합물은 자연에서 순수한 형태로 얻을 수 있지만, 대부분은 화학 공장과 실험실에서 합성된다.

무기 합성 방법은 구성 성분 반응물의 휘발성 또는 용해도에 따라 대략적으로 분류할 수 있다.[16] 수용성 무기 화합물은 유기 합성 방법을 사용하여 제조된다. 공기와 반응성이 있는 금속 함유 화합물의 경우 슐렌크 라인과 글러브 박스 기술을 사용한다. 휘발성 화합물과 기체는 밸브를 통해 서로 연결된 유리 파이프로 구성된 "진공 매니폴드"에서 조작되는데, 이 전체 시스템은 0.001 mmHg 이하로 감압될 수 있다. 화합물은 액체 질소(비점 78K) 또는 다른 극저온 냉매를 사용하여 응축된다. 고체는 일반적으로 관형로를 사용하여 제조되는데, 반응물과 생성물은 용기(종종 융합 실리카(비정질 SiO2)로 만들어지지만, 용접된 탄탈륨 관이나 백금 "보트"와 같은 더욱 특수한 재료로 만들어지는 경우도 있음)에 밀봉된다. 반응을 진행시키기 위해 생성물과 반응물을 온도 영역 사이로 이동시킨다.

참조

[1] 웹사이트 Careers in Chemistry: Inorganic Chemistry http://portal.acs.or[...] American Chemical Society 2012-10-29
[2] 논문 U6+ Minerals and Inorganic Compounds: Insights into an Expanded Structural Hierarchy of Crystal Structures http://www.canmin.or[...] 2005-12-01
[3] 서적 Use of Gypsum on Soils: A Review http://link.springer[...] Springer New York 2022-08-21
[4] 논문 Iron Sulfide and Pyrite as Potential Electron Donors for Microbial Nitrate Reduction in Freshwater Wetlands http://www.tandfonli[...] 2007-08-14
[5] 논문 The Lewis acid-base definitions: a status report https://pubs.acs.org[...] 1978
[6] 논문 Ammonia history in the making https://www.nature.c[...] 2021
[7] 서적 Haber-Bosch and Other Industrial Processes http://link.springer[...] Springer Netherlands 2022-08-21
[8] 논문 Fritz Haber: 1868-1934 2000-05-01
[9] 서적 Supramolecular Chemistry: Concepts and Perspectives VCH
[10] 서적 Chemistry of the Elements Butterworth-Heinemann
[11] 서적 Organometallics: A Concise Introduction Wiley-VCH
[12] 서적 Principles of Bioinorganic Chemistry University Science Books
[13] 서적 Structural Inorganic Chemistry Clarendon Press
[14] 서적 Chemical Applications of Group Theory https://archive.org/[...] John Wiley & Sons
[15] 서적 Kinetics and Mechanism of Reactions of Transition Metal Complexes https://archive.org/[...] Wiley-VCH
[16] 서적 Synthesis and Technique in Inorganic Chemistry University Science Books
[17] 서적 Comprehensive inorganic chemistry Pergamon press
[18] 서적 Advanced inorganic chemistry Wiley
[19] 서적 Progress in inorganic chemistry John Wiley & Sons
[20] 서적 Structural inorganic chemistry Oxford University Press
[21] 서적 無機化学: その現代的アプローチ 東京化学同人
[22] 서적 An economic history of the American steel industry Routledge
[23] 서적 The Inside History of the Carnegie Steel Company: A Romance of Millions University of Pittsburgh Press
[24] 서적 Advances in cement technology: chemistry, manufacture and testing CRC Press
[25] 서적 錯体化学入門 共立全書
[26] 서적 Biological inorganic chemistry: structure and reactivity University Science Books
[27] 서적 Bioinorganic chemistry Oxford University Press
[28] 서적 Bioinorganic Chemistry--Inorganic Elements in the Chemistry of Life: An Introduction and Guide John Wiley & Sons
[29] 서적 Concepts and models in bioinorganic chemistry Wiley-Vch
[30] 서적 Geochemistry John Wiley & Sons
[31] 논문 温泉の化学
[32] 서적 Chemical oceanography Elsevier
[33] 서적 Chemistry of the natural atmosphere Elsevier
[34] 서적 Fundamentals of Physics and Chemistry of the Atmosphere Springer
[35] 서적 Chemistry of the upper and lower atmosphere: theory, experiments, and applications Elsevier
[36] 서적 Cosmochemistry Cambridge University Press 2010
[37] 논문 Radiation chemistry and hot atom chemistry 1955
[38] 서적 A Pocket Essential Short History of Alchemy & Alchemists Oldcastle Books 2011
[39] 서적 Transforming matter: a history of chemistry from alchemy to the buckyball JHU Press 2001
[40] 서적 The chemical choir: A history of alchemy Bloomsbury Publishing 2008
[41] 논문 Jöns Jacob Berzelius–A Father of Chemistry Elsevier 2018-05
[42] 논문 Jöns Jacob Berzelius a guide to the perplexed chemist 2000
[43] 서적 Ligand field theory and its applications Wiley-Vch 2000
[44] 서적 配位子場理論とその応用 裳華房 1969
[45] 서적 電子顕微鏡の理論と応用 丸善 1959
[46] 서적 電子顕微鏡技術 丸善 1989
[47] 논문 Current progress and future perspectives for organic/inorganic perovskite solar cells 2014
[48] 뉴스 Facts & Figures Of The Chemical Industry 2006-07-10

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