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이크롬산 암모늄

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1. 개요

이크롬산 암모늄은 주황색의 산성 결정으로, 물과 알코올에 녹는 화합물이다. 과거 폭죽 제조, 사진술, 석판술 등에 사용되었으며, 현재는 실험실 시약, 염료 매염제, 가죽 무두질 등에 활용된다. 강력한 산화제이며, 가열 시 가짜 화산 폭발 반응을 일으키는 것으로 알려져 있다. 모든 크롬(VI) 화합물과 마찬가지로 독성이 매우 강하며 발암 물질로 분류되어 취급에 주의가 필요하다.

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이크롬산 암모늄 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
IUPAC 이름이크롬산 암모늄
다른 이름이크롬산 암모늄
피로크롬산 암모늄
화학식(NH₄)₂Cr₂O₇
몰 질량252.07 g/mol
외형주황색-적색 결정
냄새무취
밀도2.115 g/cm³
용해도18.2 g/100 ml (0 °C)
35.6 g/100 ml (20 °C)
40 g/100 ml (25 °C)
156 g/100 ml (100 °C)
다른 용매에 대한 용해도아세톤에 불용
에탄올에 용해
녹는점180 °C (분해)
결정 구조단사정계
식별
PubChem CID24600
ChemSpider ID23002
InChI1/2Cr.2H3N.7O/h;;2*1H3;;;;;;;/q;;;;;;;;;2*-1/p+2/rCr2O7.2H3N/c3-1(4,5)9-2(6,7)8;;/h;2*1H3/q-2;;/p+2
SMILES[O-][Cr](=O)(=O)O[Cr]([O-])(=O)=O.[NH4+].[NH4+]
InChIKeyJOSWYUNQBRPBDN-RFRSXZKWAS
표준 InChI1S/2Cr.2H3N.7O/h;;2*1H3;;;;;;;/q;;;;;;;;;2*-1/p+2
표준 InChIKeyJOSWYUNQBRPBDN-UHFFFAOYSA-P
CAS 등록번호7789-09-5
UNII5J18BP595G
RTECS 번호HX7650000
UN 번호1439
위험성
LD5020–250 mg/kg
주요 위험매우 유독함, 폭발성, 산화성, 발암성, 돌연변이 유발성, 환경에 위험함
H 문구H272, H301, H312, H314, H317, H330, H334, H340, H350, H360, H372, H410
P 문구P201, P220, P260, P273, P280, P284
NFPA 704건강: 4
화재: 2
반응성: 3
기타: OX
자동 발화점190 °C
관련 화합물
다른 양이온다이크로뮴산 칼륨
다이크로뮴산 나트륨

2. 성질

상온 및 상압에서 주황색 또는 등적색에서 적갈색을 띠는 산성 결정 또는 결정성 분말 형태로 존재한다.[3][19] 알코올에 잘 녹으며,[3][19] 이크롬산염이므로 강력한 산화제이다.[19]

(NH4)2Cr2O7 결정(C2/c, ''z'' = 4)은 C1(2,3) 대칭 위치에 단일 유형의 암모늄 이온을 포함한다.[4] 각 NH4+ 중심은 8개의 산소 원자에 불규칙하게 둘러싸여 있으며, N—O 거리는 약 2.83 Å에서 3.17 Å 범위이다. 이는 전형적인 수소 결합의 특징이다.[4][20]

3. 용도

과거에는 폭죽 제조, 초기 사진술 및 석판술에 사용되었으며, 실험실에서는 순수한 질소의 공급원이나 촉매로 활용되었다.[5][21] 또한 염료매염제로서, 알리자린, 크롬 명반 제조, 가죽 무두질 및 오일 정제에도 사용된다.[2][21]

PVA, 이크롬산 암모늄, 형광체(인광 물질)를 함유한 감광성 필름은 텔레비전 화면 및 브라운관과 같은 장치의 형광체 래스터(raster) 생산 과정에서 수성 슬러리 형태로 스핀 코팅 방식으로 도포된다. 이 과정에서 이크롬산 암모늄은 빛에 반응하는 광활성 부위 또는 광증감제로 작용한다.[6][22]

4. 반응

이크롬산 암모늄은 대표적으로 두 가지 유형의 반응을 보인다. 첫째는 가열에 의한 열분해 반응이며, 둘째는 다른 물질을 산화시키는 산화제로서의 반응이다.

가열하면 이크롬산 암모늄은 분해되어 산화 크로뮴(III)의 녹색 가루 등을 생성한다. 이 과정에서 질소 가스와 수증기가 발생하며 부피가 크게 팽창하는데, 마치 화산이 폭발하는 모습과 비슷하여 '가짜 화산 폭발' 실험으로 잘 알려져 있다.[23] 이러한 분해 반응은 이크롬산 암모늄이 열역학적으로 불안정한 물질이기 때문에 일어난다.[24][25]

또한, 이크롬산 암모늄은 강력한 산화제로 작용하여 다양한 환원제와 반응한다. 반응하는 상대 환원제의 환원력이 강할수록 반응은 더욱 격렬하게 일어나는 특징이 있다.[18] 과거에는 알코올이나 티올과 같은 유기 화합물을 산화시키는 데 사용되기도 했다.

4. 1. 가짜 화산 폭발 (열분해)

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이크롬산 암모늄 분해(가짜 화산 폭발) 모습


이크롬산 암모늄을 가열하면 산화 크로뮴(III)이 생성되는 열분해 반응이 일어난다. 이 반응은 마치 화산폭발하는 것처럼 불꽃과 함께 부피가 큰 녹색 가루를 뿜어내기 때문에 '가짜 화산 폭발' 실험으로 자주 시연된다. [https://www.youtube.com/watch?v=O0iU9MVUSfk|실험 영상] 소량의 이크롬산 암모늄 더미에 불을 붙이면 다음과 같은 발열 전환이 시작된다.[8][23]

:(NH4)2Cr2O7 (s) → Cr2O3 (s) + N2 (g) + 4 H2O (g) (Δ''H'' = −429.1 ± 3 kcal/mol)

질산 암모늄과 마찬가지로 이크롬산 암모늄은 열역학적으로 불안정한 물질이다.[9][10][24][25] 일단 분해가 시작되면 반응은 저절로 완료될 때까지 계속되며, 부피가 큰 짙은 녹색 분말인 Cr2O3을 생성한다. 이때 발생하는 질소(N2)와 수증기(H2O) 가스에 의해 녹색 분말이 화산재처럼 뿜어져 나온다. 그러나 이 반응에서 모든 이크롬산 암모늄이 분해되는 것은 아니며, 반응 후 남은 녹색 분말을 물에 녹이면 분해되지 않고 남은 이크롬산 암모늄으로 인해 노란색 또는 주황색 용액이 된다.

고배율 현미경을 이용한 관찰 결과, 이크롬산 암모늄의 열분해는 고체 상태에서 직접 일어나는 것이 아니라 중간에 액체 상태를 거쳐 진행된다는 증거가 있다. 분해가 시작되면 이크롬산 암모늄 결정의 색이 어두워지는데, 이는 암모니아(NH3)가 분리되어 떨어져 나가고 음이온인 다이크로뮴산 이온(Cr2O72-)이 Cr3O102-, Cr4O132- 등과 같은 옥소 음이온으로 점차 축합하여 최종적으로 산화 크로뮴(VI)(CrO3)를 형성하는 과정으로 해석된다. 이 CrO3가 녹아서 액체 상태의 중간 생성물 역할을 하며 분해 반응을 촉진하는 것으로 여겨진다.[11][26]

4. 2. 산화 반응

이크롬산 암모늄은 강력한 산화제이며, 모든 환원제와 반응하며 종종 격렬한 반응을 일으킨다. 상대 환원제의 환원력이 강할수록 반응은 더욱 격렬해진다.[2][18] 알코올과 티올의 산화를 촉진하는 데 사용되기도 한다.[2]

특히, 이크롬산 암모늄은 특정 조건 하에서 효율적인 시약으로 작용한다. 황산수소마그네슘(Mg(HSO4)2)과 습윤 이산화 규소(SiO2)가 존재하는 용매가 없는 조건에서, 티올의 산화적 커플링 반응을 촉진하는 데 매우 효과적이다. 이 반응은 비교적 온화한 조건에서 진행되며 상당히 좋은 수율을 보인다.[12][27]

또한, 사염화 지르코늄(ZrCl4)과 습윤 SiO2가 있는 용매 없는 조건에서는 지방족 알코올을 해당 알데히드 및 케톤으로 산화시키는 데 사용된다. 이 반응 역시 높은 수율을 보인다.[13][14][28][29]

5. 안전

이크롬산 암모늄은 모든 크롬(VI) 화합물처럼 독성이 매우 강하며, 발암 물질로 입증되었다.[33][15][30] 또한 인체에 대한 자극성도 강하다.[15][30] 환경 부하 또한 크며[30], 폭발성산화성이 있어 취급에 주의가 필요하다.[33]

5. 1. 사고

이크롬산 암모늄은 밀폐된 용기 안에서 가열될 경우 폭발할 가능성이 높다.[2][31]

1986년 1월 19일, 미국 오하이오주 애슈터뷸라에 위치한 다이아몬드 샴록 케미컬스(Diamond Shamrock Chemicals) 공장에서 폭발 사고가 발생했다.[31] 당시 약 약 907.18kg의 이크롬산 암모늄을 히터에서 건조하던 중 폭발이 일어나[16] 작업자 2명이 사망하고 14명이 부상을 입었다.[16][31] 이 사고는 뉴욕 타임스에 보도되었다.[31]

참조

[1] 웹사이트 2013-07-20
[2] 웹사이트 Ammonium Dichromate Volcano http://jchemed.chem.[...] J. Chem. Educ.
[3] 서적 Hawley's Condensed Chemical Dictionary Wiley & Sons, Inc
[4] 논문 Infrared spectra of the ammonium ion in crystals. Part XII. Low-temperature transitions in ammonium dichromate, (NH4)2Cr2O7
[5] 서적 Handbook of Inorganic Chemicals McGraw-Hill
[6] 논문 Design of Photoresists with Reduced Environmental Impact. 1. Water-Soluble Resists Based on Photo-Cross-Linking of Poly(vinyl alcohol)
[7] 문서
[8] 논문 The Heat Formation of Ammonium Dichromate
[9] 논문 CLIP, Chemical Laboratory Information Profile: Ammonium Dichromate http://jchemed.chem.[...] 2009-06-14
[10] 논문 The Crystal Structure of Ammonium Dichromate, (NH4)2Cr2O7
[11] 논문 A Melt Mechanism for the Thermal Decomposition of Ammonium Dichromate
[12] 논문 Solvent free oxidation of thiols by (NH4)2Cr2O7 in the presence of Mg(HSO4)2 and wet SiO2
[13] 논문 ZrCl4/wet SiO2 promoted oxidation of alcohols by (NH4)2Cr2O7 in solution and solvent free condition
[14] 논문 Oxidation of Alcohols Using (NH4)2Cr2O7 in the Presence of Silica Chloride/Wet SiO2 in Solution and under Solvent Free Conditions
[15] 논문 Catalytic Oxidation of Ammonia: A Sparkling Experiment https://pubs.acs.org[...]
[16] 뉴스 Chemical Explosion In Ohio 1986-01-19
[17] 웹사이트 2022-05-11
[18] 웹사이트 Ammonium Dichromate Volcano http://jchemed.chem.[...] J. Chem. Ed. 2009-05-14
[19] 서적 Hawley's Condensed Chemical Dictionary Wiley & Sons, Inc
[20] 논문 Infrared spectra of the ammonium ion in crystals. Part XII. Low-temperature transitions in ammonium dichromate, (NH4)2Cr2O7
[21] 서적 Handbook of Inorganic Chemicals McGraw-Hill
[22] 논문 カラーブラウン管の蛍光面 https://doi.org/10.1[...]
[23] 논문 The Heat Formation of Ammonium Dichromate
[24] 논문 CLIP, Chemical Laboratory Information Profile: Ammonium Dichromate http://jchemed.chem.[...]
[25] 논문 "The Crystal Structure of Ammonium Dichromate, (NH4)2Cr2O7
[26] 논문 A Melt Mechanism for the Thermal Decomposition of Ammonium Dichromate
[27] 논문 Solvent free oxidation of thiols by (NH4)2Cr2O7 in the presence of Mg(HSO4)2 and wet SiO2
[28] 논문 ZrCl4/wet SiO2 promoted oxidation of alcohols by (NH4)2Cr2O7 in solution and solvent free condition
[29] 논문 Oxidation of Alcohols Using (NH4)2Cr2O7 in the Presence of Silica Chloride/Wet SiO2 in Solution and under Solvent Free Conditions http://newjournal.kc[...]
[30] 논문 Catalytic Oxidation of Ammonia: A Sparkling Experiment http://jchemed.chem.[...]
[31] 간행물
[32] 웹사이트 2013-07-20
[33] 논문 Catalytic Oxidation of Ammonia: A Sparkling Experiment https://pubs.acs.org[...]



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