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사염화 티타늄

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1. 개요

사염화 티타늄은 밀도가 높고 무색의 액체로, 티타늄과 염소의 화합물이다. 주로 일메나이트를 탄소로 환원시킨 후 염소 기체를 반응시키는 염화물 공정을 통해 생산되며, 티타늄 금속 생산, 이산화 티타늄 제조, 연막, 유기 합성 등 다양한 분야에서 사용된다. 사염화 티타늄은 물과 반응하여 염산을 생성하며, 강한 루이스 산성을 나타내어 취급 시 주의가 필요하다.

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사염화 티타늄 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
사염화 티타늄의 공간 채우기 모델
사염화 티타늄의 공간 채우기 모델
사염화 티타늄 샘플
사염화 티타늄 샘플
IUPAC 이름사염화 티타늄(IV)
다른 이름사염화 티타늄
염화 테트라클로로티타늄
식별
CAS 등록번호7550-45-0
UNII8O3PJE5T7Q
펍켐(PubChem)24193
화학 물질 엔티티에 대한 역할 기반 생명 공학 온톨로지(ChEBI)231499
케미스파이더(ChemSpider) ID22615
유럽 화학 물질 정보 시스템(EINECS)231-441-9
UN 번호1838
미국 국립 의학 도서관(MeSH) 이름염화 티타늄
미국 국립 직업 안전 보건 연구소(RTECS)XR1925000
스마일즈(SMILES)Cl[Ti](Cl)(Cl)Cl
표준 국제 화학 식별자(StdInChI)1S/4ClH.Ti/h4*1H;/q;;;;+4/p-4
InChI1/4ClH.Ti/h4*1H;/q;;;;+4/p-4/rCl4Ti/c1-5(2,3)4
표준 국제 화학 식별자 키(StdInChIKey)XJDNKRIXUMDJCW-UHFFFAOYSA-J
InChIKeyXJDNKRIXUMDJCW-FOGBWSKZAG
속성
화학식TiCl4
몰 질량189.679 g/mol
외관무색 액체
냄새날카로운 산성 냄새
밀도1.726 g/cm³
용해도반응 (발열 가수분해)
다른 용매에 대한 용해도다이클로로메탄에 용해됨
톨루엔에 용해됨
펜탄에 용해됨
녹는점-24.1 °C
끓는점136.4 °C
증기압1.3 kPa (20 °C)
점성827 μPa s
굴절률1.61 (10.5 °C)
자기 감수율−54.0·10−6 cm³/mol
구조
배위 기하사면체
분자 모양사면체
쌍극자 모멘트0 D
열화학
표준 생성 엔탈피−763 kJ·mol−1
엔트로피355 J·mol−1·K−1
위험성
주요 위험독성, 부식성, 물과 반응하여 HCl 방출
GHS 그림 문자GHS05
GHS06
GHS07
GHS 신호어위험
유해 문구H314: 피부에 심한 화상과 눈 손상을 일으킴
H317: 알레르기성 피부 반응을 일으킬 수 있음
H330: 흡입하면 치명적임
H335: 호흡기 자극을 일으킬 수 있음
H370: 장기 손상을 일으킴
H372: 장기간 또는 반복 노출로 인해 장기 손상을 일으킴
예방 조치 문구P280: 보호 장갑/보호 의류/눈 보호구/얼굴 보호구를 착용하시오.
P301+330+331: 삼켰을 경우: 입을 헹구시오. 토하게 하지 마시오.
P304+340: 흡입했을 경우: 신선한 공기가 있는 곳으로 옮기고 호흡하기 편하게 하시오.
P305+351+338: 눈에 들어갔을 경우: 물로 여러 번 헹구시오. 콘택트 렌즈가 있으면 제거하시오. 계속 헹구시오.
P308+310: 노출되거나 노출 우려가 있을 경우: 즉시 의사의 진찰을 받으시오.
미국 화재 예방 협회(NFPA) - 건강3
미국 화재 예방 협회(NFPA) - 인화성0
미국 화재 예방 협회(NFPA) - 반응성2
미국 화재 예방 협회(NFPA) - 특수 위험W (물과 반응)
관련 화합물
다른 음이온사브롬화 티타늄
사불화 티타늄
사요오드화 티타늄
다른 양이온사염화 하프늄
사염화 지르코늄
관련 화합물염화 티타늄(II)
염화 티타늄(III)

2. 성질 및 구조

사염화 티타늄(TiCl4영어)은 밀도가 높고 무색의 액체이지만, 조잡한 시료는 노란색 또는 적갈색을 띨 수 있다. 이는 상온에서 액체 상태로 존재하는 몇 안 되는 전이 금속 할로겐화물 중 하나이며, 사염화 바나듐(VCl4)이 또 다른 예이다. 대부분의 금속 염화물은 염소 원자가 금속 사이를 연결하는 중합체인 반면, TiCl4영어 분자는 약하게 자체적으로 결합한다. 녹는점사염화 탄소(CCl4)와 유사하다.[9][12]

Ti(4+)영어는 비활성 기체 아르곤과 동일한 수의 전자를 가진 "닫힌" 전자 껍질을 가지고 있다. TiCl4영어사면체 구조는 네 개의 동일한 리간드로 둘러싸인 d0 금속 중심(Ti(4+)영어)으로 묘사되는 것과 일치한다. TiCl4영어는 사브롬화 티타늄(TiBr4) 및 사아이오딘화 티타늄(TiI4)와 유사한 구조를 가지며, 세 화합물은 많은 유사점을 공유한다. TiCl4영어와 TiBr4영어는 반응하여 혼합 할로겐화물 (여기서 ''x'' = 0, 1, 2, 3, 4)를 생성한다. 자기 공명 측정을 통해 할로겐화물 교환이 TiCl4영어와 VCl4영어 사이에서도 빠르게 일어난다는 것을 알 수 있다.[10]

TiCl4영어톨루엔과 클로로카본에 용해된다. 특정 아렌은 [(C6R6)TiCl3]+영어 유형의 착물을 형성한다.[21] TiCl4영어THF와 같은 공여체 용매발열 반응하여 6배위 부착물을 생성한다.[11] 더 큰 리간드(L)는 5배위 부착물 TiCl4L영어을 생성한다.

2. 1. 결정 구조

Titanium tetrachloride영어는 밀도가 높고 무색의 액체이지만, 조잡한 시료는 노란색 또는 적갈색을 띨 수 있다. 이는 상온에서 액체인 드문 전이 금속 할로겐화물 중 하나이며, 또 다른 예로는 사염화 바나듐(VCl4)가 있다. 이러한 특성은 TiCl4 분자가 약하게 자체적으로 결합한다는 사실을 반영한다. 대부분의 금속 염화물은 염소 원자가 금속 사이를 연결하는 중합체이다. 녹는점사염화 탄소(CCl4)와 유사하다.[9][12]

Ti(4+)는 비활성 기체 아르곤과 동일한 수의 전자를 가진 "닫힌" 전자 껍질을 가지고 있다. TiCl4의 사면체 구조는 네 개의 동일한 리간드로 둘러싸인 d0 금속 중심(Ti(4+))으로 묘사되는 것과 일치한다. 이러한 구조는 매우 대칭적인 구조를 가지며, 분자의 사면체 모양을 이끌어낸다. TiCl4는 사브롬화 티타늄(TiBr4) 및 사아이오딘화 티타늄(TiI4)와 유사한 구조를 취하며, 세 가지 화합물은 많은 유사점을 공유한다. TiCl4와 TiBr4는 반응하여 혼합 할로겐화물 TiCl4-xBrx (여기서 ''x'' = 0, 1, 2, 3, 4)를 생성한다. 자기 공명 측정을 통해 할로겐화물 교환이 TiCl4와 VCl4 사이에서도 빠르게 일어난다는 것을 알 수 있다.[10]

2. 2. 용해도

TiCl4영어톨루엔과 클로로카본에 용해된다.[21] 특정 아렌은 [(C6R6)TiCl3]+ 유형의 착물을 형성한다.[21] TiCl4영어THF와 같은 공여체 용매발열 반응하여 6배위 부착물을 생성한다.[11] 더 큰 리간드(L)는 5배위 부착물 TiCl4L영어을 생성한다.

3. 제조

사염화 티타늄은 일메나이트와 같은 티타늄 산화물 광석을 탄소로 환원시키고, 900°C에서 염소 기체를 흘려보내는 염화물 공정을 통해 생산되며, 불순물은 증류로 제거한다.[12] 조 사염화 티타늄에는 바나딜 클로라이드, 사염화 규소, 사염화 주석을 포함한 다양한 휘발성 할로겐화물이 포함되어 있으며, 이를 분리해야 한다.[12]

3. 1. 염화물 공정

사염화 티타늄(TiCl4)은 일반적으로 일메나이트(FeTiO3)와 같은 티타늄 산화물 광석을 탄소로 환원시키고, 900°C에서 염소 기체를 흘려보내는 염화물 공정을 통해 생산된다. 불순물은 증류로 제거한다.[12]

:2 FeTiO3 + 7 Cl2 + 6 C → 2 TiCl4 + 2 FeCl3 + 6 CO

FeCl3의 공동 생산은 바람직하지 않으며, 이로 인해 대체 기술 개발이 추진되었다. 일메나이트를 직접 사용하는 대신 "루틸 슬래그"를 사용한다. 이 물질은 불순한 형태의 TiO2이며, 탄소 환원 또는 황산 추출을 사용하여 철을 제거하여 일메나이트에서 추출된다. 조 사염화 티타늄(TiCl4)에는 바나딜 클로라이드(VOCl3), 사염화 규소(SiCl4), 사염화 주석(SnCl4)을 포함한 다양한 휘발성 할로겐화물이 포함되어 있으며, 이를 분리해야 한다.[12]

3. 2. 대체 공정

일메나이트(일메나이트)와 같은 티타늄 산화물 광석을 탄소로 환원시키고, 900°C에서 염소 기체를 흘려보내는 염화물 공정 대신, "루틸 슬래그"를 사용하는 대체 기술이 개발되었다. 이 물질은 불순한 형태의 이며, 탄소 환원 또는 황산 추출을 사용하여 철을 제거하여 일메나이트에서 추출된다.[12] 이는 의 공생산이 바람직하지 않기 때문이다.[12]

4. 응용

사염화 티타늄은 티타늄 금속 및 이산화 티타늄 생산에 사용된다. 전 세계 티타늄 금속 생산량의 대부분은 사염화 티타늄으로부터 만들어지며, 이산화 티타늄 생산에는 사염화 티타늄 생산량의 약 90%가 사용된다.[14] 사염화 티타늄은 가수 분해를 통해 이산화 티타늄과 염화 수소를 생성하거나, 산소와 직접 반응하여 이산화 티타늄과 염소를 생성한다.

사염화 티타늄은 가볍게 상승하는 경향이 적은 무겁고 흰 연기를 생성하기 때문에 연막을 만드는 데 사용되기도 했다. "Tickle"이라는 이름으로 영화 촬영 현장에서 연기 효과를 내는 표준 수단이었으나, 염산이 호흡기에 미치는 영향에 대한 우려로 1980년대에 단계적으로 폐지되었다.[15]

4. 1. 티타늄 금속 생산

사염화 티타늄으로 티타늄 금속을 생산하는 방법에는 크롤 공정과 헌터 공정이 있다. 크롤 공정은 마그네슘을, 헌터 공정은 나트륨환원제로 사용한다.[13][14]

4. 1. 1. 크롤 공정

세계의 티타늄 금속 공급량은 연간 약 250000ton이며, 이는 사염화 티타늄에서 생산된다. 이 변환에는 사염화물과 마그네슘 금속의 환원이 포함된다. 이 절차는 크롤 공정으로 알려져 있다.[14]

헌터 공정에서는 액체 나트륨이 마그네슘 대신 환원제로 사용된다.[13]

4. 1. 2. 헌터 공정

헌터 공정에서는 액체 나트륨이 크롤 공정에서 쓰이는 마그네슘 대신 환원제로 사용된다.[13]

4. 2. 이산화 티타늄 생산

사염화 티타늄(TiCl4|사염화 타이타늄영어) 생산량의 약 90%는 안료인 이산화 티타늄(TiO2)을 만드는 데 사용된다. 사염화 티타늄은 가수 분해나 산소를 이용한 직접 산화 방식으로 이산화 티타늄으로 변환된다.[14]

:TiCl4 + 2 H2O → TiO2 + 4 HCl|TiCl4 + 2 H2O → TiO2 + 4 HCl영어

:TiCl4 + O2 → TiO2 + 2 Cl2|TiCl4 + O2 → TiO2 + 2 Cl2영어

4. 2. 1. 가수 분해

사염화 티타늄(TiCl4) 생산량의 약 90%는 안료인 이산화 티타늄(TiO2)을 만드는 데 사용된다. 이 변환 과정에는 TiCl4의 가수 분해가 포함되며, 이 과정에서 염화 수소가 생성된다.[14]

: TiCl4 + 2 H2O → TiO2 + 4 HCl

경우에 따라 TiCl4는 산소로 직접 산화된다.

: TiCl4 + O2 → TiO2 + 2 Cl2

4. 2. 2. 산화

이산화 티타늄(타이타늄 다이옥사이드)을 만드는 데 사용되는 사염화 티타늄(타이타늄 테트라클로라이드)은(는) 가수 분해 과정을 통해 염화 수소를 생성한다.[14]

:TiCl4 + 2 H2O → TiO2 + 4 HCl|TiCl4 + 2 H2O → TiO2 + 4 HCl영어

경우에 따라 사염화 티타늄은(는) 산소로 직접 산화된다.

:TiCl4 + O2 → TiO2 + 2 Cl2|TiCl4 + O2 → TiO2 + 2 Cl2영어

4. 3. 연막

사염화 티타늄은 가볍게 상승하는 경향이 적은 무겁고 흰 연기를 생성하기 때문에 연막을 생산하는 데 사용되어 왔다. "Tickle"은 염산이 호흡기에 미치는 영향에 대한 우려로 1980년대에 단계적으로 폐지되기 전까지 영화 촬영 현장에서 연기 효과를 내는 표준 수단이었다.[15]

4. 4. 화학 반응

사염화 티타늄()은 밀도가 높고 무색의 액체이지만, 불순물이 섞인 경우 노란색이나 적갈색을 띨 수 있다. 상온에서 액체 상태로 존재하는 몇 안 되는 전이 금속 할로겐화물 중 하나로, 과 유사하다. 대부분의 금속 염화물이 염소 원자를 통해 금속들이 연결된 중합체 구조를 갖는 반면, 분자는 약하게 자체적으로 결합하는 특성을 보인다. 녹는점와 유사하다.[9][12]

는 비활성 기체 아르곤과 같은 수의 전자를 가진 "닫힌" 전자 껍질을 갖는다. 는 사면체 구조를 가지며, 이는 네 개의 동일한 리간드로 둘러싸인 d0 금속 중심()으로 설명된다. 이 구조는 매우 대칭적이며, 분자의 사면체 모양을 만든다. 는 및 과 유사한 구조를 가지며, 세 화합물은 많은 유사점을 공유한다. 와 는 반응하여 혼합 할로겐화물 (''x'' = 0, 1, 2, 3, 4)를 생성한다. 자기 공명 측정 결과 할로겐화물 교환 반응은 와 사이에서도 빠르게 일어난다.[10]

톨루엔과 클로로카본에 용해된다. 특정 아렌은 유형의 착물을 형성한다.[21]THF와 같은 공여체 용매발열 반응하여 6배위 부착물을 생성한다.[11] 더 큰 리간드(L)는 5배위 부착물 을 생성한다.

center

알루미늄으로 를 환원시키면 1전자 환원이 일어난다. 삼염화물 ()과 사염화물은 상반된 성질을 갖는다. 삼염화물은 색깔이 있는 고체로, 배위 고분자이며 상자성을 띤다. THF 용액에서 환원을 수행하면 Ti(III) 생성물은 옅은 청색 부가물 으로 변환된다.

는 루이스 산으로, 에테르 THF와 반응하여 의 황색 결정을 생성한다. 염화물 염과 반응하여 순차적으로 , (위 그림 참조) 및 를 형성한다.[20] 염화 이온과 의 반응은 상대 이온에 따라 달라진다. 와 는 5배위 착물인 를 생성하는 반면, 더 작은 는 를 생성한다.

4. 4. 1. 가수 분해

사염화 티타늄의 특징적인 반응은 가수 분해가 쉽게 일어나는 것으로, HCl 증기의 방출과 산화 티타늄 및 옥시클로라이드의 생성을 통해 알 수 있다. 사염화 티타늄은 해군 연막을 생성하는 데 사용되었는데, 이는 염산 에어로졸과 생성된 이산화 티타늄이 빛을 매우 효율적으로 산란시키기 때문이다. 하지만 이 연막은 부식성이 있다.[12]

4. 4. 2. 알코올 분해

알코올은 사염화 티타늄(TiCl4)과 반응하여 [Ti(OR)''n''] (R = 알킬, ''n'' = 1, 2, 4) 형태의 알콕사이드를 생성한다. 이 알콕사이드는 단량체에서 사량체에 이르기까지 다양한 구조를 가질 수 있으며, 재료 과학 및 유기 합성 분야에서 유용하게 사용된다. 잘 알려진 유도체로는 단량체인 티타늄 아이소프로폭사이드가 있다.[12]

4. 4. 3. 유기 합성

사염화 티타늄()은 유기 합성에서 루이스 산, 옥소필릭 특성 및 환원된 티타늄 할로겐화물의 전자 전달 특성을 활용하여 다양한 반응에 사용된다.[22]

알코올은 사염화 티타늄과 반응하여 알콕사이드()를 생성한다 (R = 알킬, ''n'' = 1, 2, 4). 이 화합물은 단량체에서 사량체에 이르기까지 다양한 구조를 가지며, 재료 과학 및 유기 합성에 유용하다. 티타늄 아이소프로폭사이드는 잘 알려진 유도체로, 단량체이다.[17]

유기 아민은 사염화 티타늄과 반응하여 아미도(-함유) 및 이미도(-함유) 착물을 생성한다. 암모니아와 반응하면 질화 티타늄이 형성된다. 테트라키스(다이메틸아미도)티타늄 ()은 이 반응의 예시로, 평면 질소 중심을 가진 사면체 구조를 갖는 황색 액체이다.[18][19]

티타늄의 유기금속화학은 일반적으로 사염화 티타늄에서 시작된다. 사이클로펜타다이엔과 반응하여 티타노센 다이클로라이드 ()를 생성하며, 이는 치글러-나타 촉매의 전구체이다. 테베 시약은 티타노센 다이클로라이드와 트라이메틸알루미늄의 반응으로 생성되는 유기 화학에 유용한 시약이다.[16]

아렌()은 사염화 티타늄과 반응하여 피아노 의자 착체 ()를 생성한다.[21]

사염화 티타늄은 루이스 산 촉매 알돌 반응에 사용되는데, 이는 사염화 티타늄이 알데히드(RCHO)를 활성화하는 경향이 있기 때문이다.[22][23]

5. 독성 및 안전

사염화 티타늄으로 인한 위험은 일반적으로 물과의 반응으로 인해 발생하며, 이 반응은 매우 부식성이 강하고 증기도 심하게 자극적인 염산을 방출한다.[1] TiCl4영어는 강한 루이스 산이며, 테트라히드로푸란(THF)와 물과 같은 약한 염기와도 반응하여 발열 반응으로 부가물을 형성한다.[1]

참조

[1] 논문 Stability of Aqueous Dispersions of the Hydrated Titanium Dioxide Prepared by Titanium Tetrachloride Hydrolysis 2001
[2] 웹사이트 titanium(IV) chloride, 1M soln. in dichloromethane https://www.alfa.com[...] 2018-03-07
[3] 웹사이트 Titanium(IV) chloride solution 1.0 M in toluene https://www.sigmaald[...] 2018-03-07
[4] 웹사이트 patent US3021349A https://patents.goog[...]
[5] 서적 Chemical Principles Houghton-Mifflin
[6] 웹사이트 Classifications - CL Inventory https://echa.europa.[...]
[7] 웹사이트 American Chemistry Council – "Titanium Tetrachloride: Stepping Stone to Amazing Technology" http://chlorine.amer[...] 2013-02-17
[8] 웹사이트 Archived copy http://avogadro.chem[...] Iowa State University 2013-04-10
[9] 서적 Chemistry of the Elements Butterworth-Heinemann
[10] 논문 Intermolecular Self-Interactions of the Titanium Tetrahalides TiX4 (X = F, Cl, Br) https://lib.dr.iasta[...]
[11] 서적 Inorganic Syntheses
[12] 간행물 Titanium, Titanium Alloys, and Titanium Compounds Wiley-VCH 2017
[13] 간행물 http://www.oxfordref[...] Oxford University Press 2014
[14] 간행물 Inorganic Pigments Wiley-VCH 2006
[15] 영상 The Royal Navy at War Imperial War Museum 2005
[16] 서적 Organotitanium Reagents in Organic Synthesis (Reactivity and Structure Concepts in Organic Chemistry, Vol 24)
[17] 논문 Cis -[Dihalobis(2,4-Pentaedionato)Titanium(IV)] Complexes
[18] 논문 Some Dialkylamino-derivatives of Titanium and Zirconium
[19] 논문 The Crystal Structure of Tetrakis(dimethylamino)titanium(IV)
[20] 논문 Pentachloro- and Pentabromotitanate(IV) ions
[21] 논문 η6-Arene Derivatives of Titanium(IV), Zirconium(IV) and Hafnium(IV)
[22] 논문 New synthetic methods using the TiCl4-NR3 reagent system
[23] 간행물 Titanium(IV) chloride J. Wiley & Sons
[24] 논문 Stability of Aqueous Dispersions of the Hydrated Titanium Dioxide Prepared by Titanium Tetrachloride Hydrolysis 2001
[25] 웹인용 titanium(IV) chloride, 1M soln. in dichloromethane https://www.alfa.com[...] Alfa Aesar 2018-03-07
[26] 웹인용 Titanium(IV) chloride solution 1.0 M in toluene https://www.sigmaald[...] 2018-03-07
[27] 웹인용 patent US3021349A https://patents.goog[...]
[28] 서적 Chemical Principles https://archive.org/[...] Houghton-Mifflin
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