비산 (화학)

3. 화학적 성질

비산(H₃AsO₄)은 삼양성자산으로, 수용액에서 세 단계로 이온화한다.^[4][8][12]

: H₃AsO₄ + H₂O ⇌ H₂AsO₄^- + [H₃O]⁺, p''K''_a1 = 2.19

: H₂AsO₄^- + H₂O ⇌ HAsO₄^2- + [H₃O]⁺, p''K''_a2 = 6.94

: HAsO₄^2- + H₂O ⇌ AsO₄^3- + [H₃O]⁺, p''K''_a3 = 11.5

이러한 p''K''_a 값은 인산과 유사하다. 첫 번째 이온화는 비교적 강하게 일어나 0.1 mol dm^-3 수용액에서 전리도가 약 0.25이다. 그러나 두 번째 이후 단계의 이온화는 점차 감소하여 산성 수용액에서 해리는 무시할 수 있다. 각 이온화 단계에 대한 표준 엔탈피, 깁스 자유 에너지, 엔트로피 변화는 아래 표와 같다.

해리에 따라 엔트로피가 감소하는 이유는 전하 증가에 따른 이온의 수화 정도 증가와, 전축으로 인한 물 분자의 수소 결합 질서화 정도 증가 때문이다.^[12]

3. 1. 비산 이온

해리에 따라 엔트로피가 감소하는 이유는 전하 증가에 따른 이온의 수화 정도 증가와, 전축으로 인한 물 분자의 수소 결합 질서화 정도 증가 때문이다.^[12]

비산의 1차 해리로 생성되는 비산이수소 이온(H₂AsO₄^-), 2차 해리로 생성되는 비산수소 이온(HAsO₄^2-), 그리고 3차 해리로 생성되는 비산 이온(AsO₄^3-)이 있다. 이 중 비산 이온(AsO₄^3-)은 정사면체형 구조를 가지며, As-O 결합 거리는 약 169pm이다. 비산 이온은 인산 이온과 구조가 유사하다.^[4]

4. 비산염

비산염은 비산의 수소 이온이 금속 이온이나 다른 양이온으로 치환된 화합물이다. 다양한 종류의 비산염이 존재하며, 정염, 산성염 (비산수소염, hydrogenarsenate, 비산이수소염, dihydrogenarsenate) 등이 있다. 비산염은 일반적으로 독성이 강하며, 일부는 살충제나 제초제 등으로 사용되기도 한다. 알칼리 금속염 및 암모늄염은 물에 잘 녹지만, 알칼리 토금속염 등은 물에 잘 녹지 않는 경우가 많다.

비산 수용액에 계산량의 수산화물을 용해하여 농축하면 정염 및 수소염이 석출된다. 또한 가용성 금속염 수용액에 비산 나트륨 수용액 또는 비산 수소 나트륨 수용액을 첨가하면 불용성 비산염이 침전된다.

이비산(H₄As₂O₇)은 이인산과는 달리 가열 탈수로는 얻어지지 않으며, 비산 수소염을 가열 탈수함으로써 염으로 얻어진다.

: 2Na2HAsO4 \ \overset{\mathit{\rm \Delta}}{\longrightarrow} \ {Na4As2O7} + H2O

: 2CaHAsO4 \ \overset{\mathit{\rm \Delta}}{\longrightarrow} \ {Ca2As2O7} + H2O

비산 나트륨(Na₃AsO₄) 수용액은 염기성(pH~12), 비산 수소 나트륨(Na₂HAsO₄) 수용액은 약염기성(pH~9), 비산 이수소 나트륨(NaH₂AsO₄) 수용액은 약산성(pH~4.4)을 나타낸다. 비산 칼슘(Ca₃(AsO₄)₂)은 살충제, 비산 나트륨은 제초제 등에 사용되지만 작물에 대한 약해가 심하다^[10]。

• 비산 칼슘 (Ca₃(AsO₄)₂)
• 비산 나트륨 (Na₃AsO₄)

• 아다마이트(adamite)
• 올리빈동광(olivenite)
• 코발트화(erythrite)
• 니켈화(annaberigite)
• 스코로다이트(scorodite)
• 미메테 광물(mimetite)

4. 1. 비산염 광물

• 아다마이트(adamite)
• 올리빈동광(olivenite)
• 코발트화(erythrite)
• 니켈화(annaberigite)
• 스코로다이트(scorodite)
• 미메테 광물(mimetite)

5. 응용

비산 및 비산염은 독성 때문에 그 사용이 제한적이다.^[6] 목재 방부제, 광범위 살생물제, 유리 및 금속 마감제, 일부 염료 및 유기 비소 화합물 합성에 사용되는 시약으로 가끔 사용된다.^[6] 다양한 살충제의 전구체이기도 하다.^[6]

대한민국에서는 환경부의 '화학물질관리법'에 따라 비소 화합물의 제조, 수입, 사용 등이 엄격하게 관리되고 있으며, 특히 농업 분야에서는 비소계 농약의 사용이 금지되어 있다.

6. 안전성

비산 및 비산염은 강한 독성을 가지며, 발암 물질로 분류된다.^[7] 피부, 호흡기, 소화기 등을 통해 흡수될 수 있으며, 급성 중독 시 구토, 설사, 복통, 신경계 이상 등의 증상이 나타날 수 있다. 만성 중독 시 피부 병변, 신경 손상, 암 발생 위험 증가 등의 문제가 발생할 수 있다. 국제암연구소(IARC)는 비소 및 무기 비소 화합물을 1군 발암물질(Group 1: Carcinogenic to humans)로 분류하고 있다. 토끼의 LD₅₀은 6 mg/kg (0.006 g/kg)이다.^[7] 비산은 부식성이 있다.

참조

_[1] 웹사이트 Arsenic acid https://pubchem.ncbi[...]
_[2] 서적 Ionisation Constants of Inorganic Acids and Bases in Aqueous Solution Pergamon
_[3] 서적 Inorganic Chemistry Academic Press
_[4] 논문 Tetraethylammonium dihydrogenarsenate bis(arsenic acid) and 1,4-diazoniabicyclo[2.2.2]octane bis(dihydrogenarsenate) arsenic acid: hydrogen-bonded networks containing dihydrogenarsenate anions and neutral arsenic acid molecules
_[5] 서적 Handbook of Preparative Inorganic Chemistry Academic Press
_[6] 서적 Minerals Yearbook, 2008, V. 1, Metals and Minerals https://books.google[...] Government Printing Office
_[7] 서적 Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry
_[8] 간행물 The NBS tables of chemical thermodynamics properties
_[9] 문서 Merck Index 13th
_[10] 서적 化学大辞典 共立出版
_[11] 서적 コットン・ウィルキンソン無機化学 培風館
_[12] 서적 基礎化学選書8 酸と塩基 裳華房
_[13] 서적 Inorganic Chemistry Academic Press