산화 크로뮴(III)
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1. 개요
산화 크로뮴(III)은 강옥 구조를 가지는 녹색 고체로, 페인트, 잉크, 유리 등의 안료 및 연마재로 사용된다. 에스콜라이트 광물 형태로 자연에서 발견되며, 307 K까지 반강자성을 띤다. 크롬철석을 황으로 환원하거나, 크롬 염의 분해 또는 이크롬산 암모늄의 열분해를 통해 생성된다. 산과 염기에 반응하며, 탄소나 알루미늄과 함께 가열하면 크로뮴 금속으로 환원된다. 대한민국에서는 유해화학물질로 분류되어 취급 및 배출에 대한 규제를 받는다.
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- 크로뮴(III) 화합물 - 염화 크로뮴(III)
염화 크로뮴(III)은 화학식 CrCl₃를 갖는 크로뮴과 염소의 화합물이며, 크롬 금속의 염소화 또는 산화 크롬(III)의 탄소 열환원을 통해 제조되어 유기 크로뮴 화합물, 촉매, 염료 제조 등에 사용된다. - 삼이산화물 - 삼산화 이질소
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| 산화 크로뮴(III) - [화학 물질]에 관한 문서 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
 | |
| IUPAC 명칭 | 산화 크로뮴(III) |
| 다른 이름 | 산화이크로뮴 크로미아 크롬 녹색 인스티튜셔널 그린 에스콜라이트 |
| 화학식 | Cr₂O₃ |
| 몰 질량 | 151.9904 g/mol |
| 외관 | 밝은 녹색에서 짙은 녹색, 미세 결정 |
| 밀도 | 5.22 g/cm³ |
| 용해도 | 불용성 |
| 용해성 기타 | 알코올, 아세톤, 산에 불용성 |
| 녹는점 | 2435 °C |
| 끓는점 | 4000 °C |
| 굴절률 | 2.551 |
| 자기 감수율 | +1960.0×10⁻⁶ cm³/mol |
| 구조 | |
| |
| 결정 구조 | 코런덤 |
| 공간군 | R3c (No. 167) |
| 격자 상수 a | 495 pm |
| 격자 상수 c | 1358 pm |
| 열화학 | |
| 표준 생성 엔탈피 | −1128 kJ·mol⁻¹ |
| 엔트로피 | 81 J·mol⁻¹·K⁻¹ |
| 위험성 | |
| GHS 그림 문자 | |
| 신호어 | 위험 |
| PEL | TWA 1 mg/m³ |
| REL | TWA 0.5 mg/m³ |
| IDLH | 250 mg/m³ |
| 식별 정보 | |
| CAS 등록번호 | 1308-38-9 |
| EC 번호 | 215-160-9 |
| UN 번호 | 3077 |
| ChemSpider ID | 451305 |
| UNII | X5Z09SU859 |
| ChEBI | 48242 |
| PubChem | 517277 |
| RTECS | GB6475000 |
| Gmelin | 11116 |
| SMILES | O=[Cr]O[Cr]=O |
| InChI | 1/2Cr.3O/rCr2O3/c3-1-5-2-4 |
| 표준 InChI | 1S/2Cr.3O |
| InChIKey | QDOXWKRWXJOMAK-LUXALHLMAR |
| 표준 InChIKey | QDOXWKRWXJOMAK-UHFFFAOYSA-N |
2. 구조 및 속성
산화 크로뮴(III)(Cr2O3)은 강옥(corundum)과 동일한 결정 구조를 가진다.[5][11] 이로 인해 매우 단단하고 부서지기 쉬운 성질을 지니며, 모스 굳기는 8에서 8.5 사이이다.[5][11] 네엘 온도인 307 K까지 반강자성을 나타내는 특징이 있다.[3][4][12][13] 또한 산에 쉽게 침식되지 않아 화학적으로 안정적인 편이다.[4][13]
2. 1. 결정 구조
산화 크로뮴(III)(Cr2O3)은 강옥(corundum)과 동일한 결정 구조를 가진다.[5] 이 구조에서 산화물 이온(O2-)은 육방 조밀 배열(hexagonal close-packed, HCP)을 형성하며, 생성된 팔면체 틈새 자리의 2/3를 크로뮴(Cr3+) 이온이 차지한다.[5][11] 강옥과 마찬가지로 산화 크로뮴(III)은 매우 단단하고 부서지기 쉬운 특성을 지니며, 모스 굳기는 8~8.5에 해당한다.[5][11] 또한, 307,000의 네엘 온도까지 반강자성을 나타낸다.[3][4][12][13] 산에는 쉽게 침식되지 않는 안정성을 보인다.[4]2. 2. 물리적 성질
Cr2O3는 강옥(Corundum)과 같은 결정 구조를 가진다. 이는 산화물 이온이 육방 조밀 쌓임 배열을 이루고, 팔면체 모양의 빈 공간 중 2/3를 크로뮴 이온이 차지하는 형태이다.[5][11] 강옥과 유사하게 단단하고 부서지기 쉬운 성질을 지니며, 모스 굳기는 8에서 8.5 사이로 매우 단단하다.[5][11]닐 온도인 307,000까지는 반강자성을 나타낸다.[3][4][12][13] 산이나 염기에 쉽게 침식되지 않아 화학적으로 안정하지만,[5][13] 뜨겁게 녹인 알칼리에는 녹아서 아크롬산염을 형성한다.[13]
가열하면 갈색으로 변하지만, 식으면 다시 원래의 암녹색으로 돌아온다. 공기 중의 수분을 흡수하는 흡습성이 있다.[13]
3. 생성
산화 크로뮴(III)은 다양한 방법으로 생성될 수 있다. 1838년 파리의 파네티에와 비네는 크롬철석((Fe,Mg)Cr2O4)에서 유래한 투명한 수화 형태의 산화 크로뮴(III)을 처음 제조하여 안료로 판매했다.[6][14]
주요 생성 방법으로는 이크롬산 나트륨을 황으로 환원시키는 방법,[7][15] 이크롬산 암모늄을 열분해하는 방법,[8][16] 그리고 질산 크로뮴과 같은 크롬 염을 분해하는 방법 등이 있다. 특히 이크롬산 암모늄의 열분해는 200°C 미만의 낮은 온도에서 일어나며 시각적인 효과가 커 "화산 폭발" 시연에 자주 활용된다.[8][16]
3. 1. 이크롬산 나트륨의 환원
광물 크롬철석(Fe,Mg)Cr2O4으로부터 산화 크로뮴(III)을 제조하는 과정에서는 이크롬산 나트륨 Na2Cr2O7을 중간 생성물로 거치며, 이를 고온에서 황(S)으로 환원시켜 최종 생성물을 얻는다.[7][15]:Na2Cr2O7 + S → Na2SO4 + Cr2O3
3. 2. 이크롬산 암모늄의 열분해
산화 크로뮴(III)은 이크롬산 암모늄의 발열 분해에 의해서도 생성된다.: (NH4)2Cr2O7 → Cr2O3 + N2 + 4 H2O
이 반응은 200°C 미만의 낮은 발화 온도를 가지며, 화산 폭발을 주제로 한 시연에 자주 사용된다.[8][16]
3. 3. 기타 방법
이 산화물은 질산 크로뮴과 같은 크롬 염의 분해 또는 이크롬산 암모늄의 발열 분해에 의해서도 생성된다.: (NH4)2Cr2O7 → Cr2O3 + N2 + 4 H2O
이크롬산 암모늄 분해 반응은 200°C 미만의 낮은 발화점을 가지며, 이 특징 때문에 "화산 폭발" 시연에 자주 사용된다.[8][16]
4. 산출
산화 크로뮴(III)(Cr2O3)은 자연에서 에스콜라이트라는 광물 형태로 산출된다.[5][11]
4. 1. 발견 장소
산화 크로뮴(III)(Cr2O3)은 자연 상태에서 에스콜라이트라는 광물 형태로 존재한다. 이 광물은 주로 크로뮴 성분이 풍부한 투각섬석 스카른, 변성된 규암, 녹니석 광맥 등에서 발견된다. 또한, 콘드라이트 운석의 구성 성분으로도 드물게 발견되기도 한다. 에스콜라이트라는 이름은 핀란드의 지질학자 펜티 에스콜라를 기리기 위해 붙여졌다.[5][11]
4. 2. 어원
산화 크로뮴(III)(Cr2O3)은 자연에서 에스콜라이트라는 광물 형태로 발견되기도 한다. 이 광물의 이름은 핀란드의 저명한 지질학자 펜티 에스콜라의 이름을 따서 명명되었다.[5]5. 응용
산화 크로뮴(III)은 그 안정성과 특성 덕분에 다양한 분야에서 활용된다. 대표적으로 안료로 사용되며, 특히 녹색 계열의 색을 내는 데 쓰인다.[7] 또한 단단한 성질을 이용하여 연마재로도 사용된다. 높은 녹는점은 내화 재료로서의 활용 가능성을 제공한다. 과거에는 가축 연구에서 표지자로 사용되기도 했으나, 현재는 다른 물질로 대체되는 추세이다.[9]
5. 1. 안료
산화 크로뮴(III)은 안정성이 뛰어나 흔히 사용되는 안료이다. 수화된 형태는 비리디안(Viridian)이라고 불리는 맑은 청록색 안료이다.[7] 페인트, 잉크, 유리의 착색제로 사용되며, "크롬 그린"과 "기관 그린"(institutional green|인스티튜셔널 그린eng)과 같은 색상을 만드는 데에도 쓰인다. 또한, 다음과 같은 반응을 통해 자기 안료인 이산화 크로뮴의 전구체로 사용되기도 한다:[7]: Cr2O3 + 3 CrO3 → 5 CrO2 + O2
5. 2. 연마재
산화 크로뮴(III)은 단단한 성질 때문에 연마재로도 이용된다. 주로 칼, 면도날, 광학 기기 등의 날카로운 가장자리를 다듬거나 표면을 매끄럽게 할 때 사용된다. 가죽이나 발사 나무, 천과 같은 재료에 산화 크로뮴(III) 화합물을 묻혀 연마하는 방식(스트로핑)으로 활용된다. 분말 또는 왁스 형태로 제공되며, 이러한 용도로 사용될 때는 그린 컴파운드(Green Compound)라는 이름으로 알려져 있다. 특히 왁스 형태로 굳혀 만든 제품은 청봉이라는 이름으로 시판되기도 한다.5. 3. 내화 재료
고융점 때문에 내화물의 구성 요소로 사용된다.5. 4. 기타 응용
산화 크로뮴(III)은 자기 안료인 이산화 크로뮴의 전구체로 사용된다.[7] 반응식은 다음과 같다.:Cr2O3 + 3 CrO3 → 5 CrO2 + O2
또한 단단한 성질을 이용하여 칼, 면도날, 광학 기기 등의 가장자리를 가죽이나 천 등에 문질러 날카롭게 세우는 연마(스트로핑) 작업에 사용되는 연마재의 재료로 쓰인다. 분말 또는 왁스 형태로 제공되며, 흔히 "그린 컴파운드" 또는 "청봉"이라고 불린다.
녹는점이 높아 내화 재료의 구성 요소로도 사용된다.
1962년부터 가축의 소화 과정을 연구할 때 내용물의 이동을 추적하기 위한 불활성 표지자로 사용되었다. 하지만 현재는 이산화 티타늄이 식품 안전성 측면에서 더 유리하다고 여겨져 점차 대체되는 추세이다.[9] 이산화 티타늄을 사용하면 연구에 사용된 동물을 식용으로 판매할 수 있다는 장점이 있다.
6. 반응
산화 크로뮴(III)은 양쪽성 물질이다. 물에는 잘 녹지 않지만, 산과 반응하여 수화된 크로뮴 이온([Cr(H2O)6]3+)의 염을 생성하며, 농축된 알칼리와 반응하여 아크롬산 이온 또는 하이드록소 착이온([Cr(OH)6]3-)의 염을 형성한다.[10]
또한, 알루미늄이나 탄소 분말과 함께 가열하면 크로뮴 금속으로 환원될 수 있다. 염소 및 탄소와 함께 가열하면 염화 크로뮴(III)을 생성하며, 염기성 환경에서 다른 금속 산화물과 함께 산화시키면 크롬산염이 만들어지기도 한다.
6. 1. 산과의 반응
산화 크로뮴(III)은 양쪽성 물질이다. 물에는 녹지 않지만, 산과 반응하여 [Cr(H2O)6]3+와 같은 수화된 크로뮴 이온의 염을 생성한다.[10]6. 2. 염기와의 반응
산화 크로뮴(III)은 양쪽성 물질로, 산뿐만 아니라 염기와도 반응한다.[10] 농축된 알칼리 용액과 반응하면 [Cr(OH)6]3-와 같은 하이드록소 착이온의 염을 생성한다.또한, 염기성 환경에서 다른 금속 산화물(MO)과 함께 공기 중의 산소에 의해 산화되어 크롬산염(MCrO4)을 형성할 수 있다.
: 2Cr2O3 + 4MO + 3O2 → 4MCrO4
6. 3. 환원 반응
분말 형태의 탄소나 알루미늄과 함께 가열하면 크로뮴 금속으로 환원되는데, 특히 알루미늄과의 반응은 테르밋 반응의 일종이다.Cr2O3 + 2 Al → 2 Cr + Al2O3
이 반응은 철 산화물을 이용한 일반적인 테르밋 반응과 달리 불꽃, 연기 또는 소리가 거의 발생하지 않지만 밝은 빛을 내며 진행된다. 그러나 크로뮴의 녹는점이 매우 높기 때문에, 이 반응을 이용한 크로뮴 주조는 실용적이지 않다.
6. 4. 염화 반응
염소 및 탄소와 함께 가열하면 염화 크로뮴(III)과 일산화 탄소가 생성된다.: Cr2O3 + 3 Cl2 + 3 C → 2 CrCl3 + 3 CO
참조
[1]
논문
Structural and optical characterization of Cr2O3 nanostructures: Evaluation of its dielectric properties
AIP Publishing
[2]
간행물
PGCH 0141
[3]
서적
Magnetic oxides
John Wiley & Sons
[4]
서적
Inorganic Chemistry
Academic Press
[5]
웹사이트
Eskolaite
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Webminerals
2009-06-06
[6]
서적
The pigment compendium: a dictionary of historical pigments
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간행물
Chromium Compounds
Wiley-VCH, Weinheim
[8]
웹사이트
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2019-02-26
[9]
논문
The determination of chromic oxide in feces samples by atomic absorption spectrophotometry
1962
[10]
간행물
Sodium Hexahydroxochromate(III)
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2009-06-06
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논문
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간행물
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