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황산염

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목차

1. 개요

황산염은 황 원자를 4개의 산소 원자가 사면체 형태로 둘러싼 음이온(SO₄²⁻) 또는 이온을 포함하는 화합물을 의미한다. 다양한 황산염 화합물이 존재하며, 이들은 화학 산업, 생물학적 과정, 기후 변화 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 한다. 황산염은 납 축전지, 살조제, 수치료 등에 사용되며, 석고와 같은 산업적 용도로도 활용된다. 또한, 황산염 에어로졸은 기후 모델에서 지구 온난화를 상쇄하는 음의 성분으로 나타나며, 지구 공학 기술에도 활용된다. 황산염 광물은 광물학에서 황산염으로 이루어진 광물을 지칭하며, 과황산모노, 아황산염, 페록소 이황산염 등 다양한 황산염 옥시음이온이 존재한다.

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황산염 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
화학식SO4(2-)
몰 질량96.07g/mol
황산 이온의 구조 및 결합. 황 원자와 산소 원자 사이의 거리는 149피코미터임.
황산 이온의 구조
황산 음이온의 [[공-막대 모델]]
황산 음이온의 공-막대 모델
식별 정보
CAS 등록번호14808-79-8
UNII7IS9N8KPMG
EINECS 번호233-334-2
PubChem CID1117
ChemSpider ID1085
SMILESS(=O)(=O)([O-])[O-]
InChI1/H2O4S/c1-5(2,3)4/h(H2,1,2,3,4)/p-2
InChIKeyQAOWNCQODCNURD-NUQVWONBAM
표준 InChI1S/H2O4S/c1-5(2,3)4/h(H2,1,2,3,4)/p-2
표준 InChIKeyQAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L
ChEBI16189
성질
짝산황산수소
용해도자료 없음
위험성
주요 위험자료 없음
인화점자료 없음
자연 발화점자료 없음

2. 명명법 및 표기

"황산염"은 IUPAC에서 권장하는 철자이지만, "sulphate"는 전통적으로 영국 영어에서 사용되었다.

3. 구조 및 결합

'''1''': 극성 공유 결합만 가짐, '''2''': 이온 결합을 가짐]]

6개의 공명 구조


황산염 결합에 대한 최초의 설명은 1916년 길버트 N. 루이스의 논문에서 제시되었는데, 각 원자 주위에 전자 옥텟을 기준으로 결합을 설명했고, 이중 결합이 없고 황 원자에 +2의 형식 전하, 각 산소 원자에 -1의 형식을 부여했다.[1]

이후, 라이너스 폴링은 원자가 결합 이론을 사용하여 가장 중요한 공명 정준이 d 오비탈을 포함하는 두 개의 파이 결합을 갖는다고 제안했다. 그의 추론은 그의 전기적 중성 원리에 따라 황의 전하가 감소한다는 것이었다.[2] S-O 결합 길이는 149pm로 황산의 S-OH 결합 길이 157pm보다 짧다.

폴링의 d 오비탈 사용은 S-O 결합의 단축을 일으키는 데 있어서 파이 결합과 결합 극성(정전기적 인력)의 상대적 중요성에 대한 논쟁을 촉발했다. 그 결과 d 오비탈이 역할을 하지만 폴링이 믿었던 것만큼 중요하지 않다는 광범위한 합의가 이루어졌다.[3][4]

pπ-dπ 결합을 포함하는 널리 받아들여지는 설명은 처음에 듀워드 윌리엄 존 크루익섕크에 의해 제안되었다. 이 모델에서 산소의 완전히 채워진 p 오비탈은 비어 있는 황 d 오비탈(주로 dz2 및 dx2-y2)과 겹친다.[6] 그러나 이 설명에서 S-O 결합에 약간의 π 특성이 있음에도 불구하고, 결합은 상당한 이온성을 갖는다. 황산의 경우, 전산 분석(자연 결합 궤도 포함)은 황에 대한 명확한 양전하(이론적으로 +2.45)와 낮은 3d 점유율을 확인한다. 따라서 4개의 단일 결합을 갖는 표현이 2개의 이중 결합을 갖는 표현보다 최적의 루이스 구조이다(따라서 폴링 모델이 아닌 루이스 모델).[5]

이 모델에서 구조는 옥텟 규칙을 따르고 전하 분포는 원자의 전기 음성도와 일치한다. 황산 이온의 S-O 결합 길이와 황산의 S-OH 결합 길이 사이의 불일치는 황산의 말단 S=O 결합에서 p-오비탈 전자가 반결합 S-OH 오비탈로 기증되어 후자의 결합 길이가 길어짐으로써 설명된다.

4. 성질

황산염 이온 화합물은 종류가 다양하며, 이 중 많은 수가 물에 대한 용해도가 매우 높다. 황산 칼슘, 황산 스트론튬, 황산 납(II), 황산 바륨, 황산 은, 황산 수은 등은 용해도가 낮다. 황산 라듐은 알려진 황산염 중 용해도가 가장 낮다.[7] 황산염 이온은 리간드 역할을 할 수 있다.

황산은 2가의 옥소산이며, 황산염은 '''정염''' (MI2SO4; MIISO4), '''수소염''' (MIHSO4)[19], 염기성염으로 분류된다. 또한 복염도 형성하며, '''타톤염''' (MI2MII(SO4)2·6H2O)이나 명반류 (MIMIII(SO4)2·12H2O) 등이 알려져 있다.

어떤 황산염에서든 황산 이온은 정사면체 구조를 가지며, S–O간 거리는 149pm이며, 수화물 결정에서는 물 분자가 배위하는 경우도 많다.

거의 모든 금속 원소와 안정적인 염을 형성한다. 바륨염, 스트론튬염, 납(II)염, 칼슘염, 은(I)염이 물에 잘 녹지 않는 것을 제외하고는, 황산염은 대부분 물에 잘 녹으며, 대부분의 경우 황산수소염은 정염에 비해 물에 대한 용해도가 크다. 한편, 염기성염의 대부분은 용해도가 낮다.

정염의 탈륨(I)염, 칼륨염은 무수염이 안정하지만, 많은 경우 안정적인 수화물 결정을 생성하는 것으로 알려져 있으며, 일반적으로 2가의 금속염은 6 또는 7수화물이 안정하며, 3가의 금속염은 더 많은 수의 수화물을 형성한다.

5. 생성

일반적으로 금속 황산염은 금속 산화물, 금속 탄산염 또는 금속 자체를 황산으로 처리하여 제조한다.[7]

: Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2

: Cu(OH)2 + H2SO4 → CuSO4 + 2 H2O

: CdCO3 + H2SO4 → CdSO4 + H2O + CO2

위의 반응식은 단순한 무수 화학식으로 작성되었지만, 이러한 변환은 일반적으로 물의 존재 하에 수행된다. 결과적으로 생성된 황산염은 수화되어, 황산 아연 ZnSO4•7H2O, 황산 구리(II) CuSO4•5H2O, 및 황산 카드뮴 CdSO4•H2O에 해당한다.

일부 금속 황화물은 산화되어 금속 황산염을 생성할 수 있다. 황산은 비교적 약한 산화력을 가지므로 부동태를 형성하여 반응하지 않는 경우도 있지만, 대부분의 경우 금속의 산화물, 수산화물, 탄산염은 황산에 용해되어 황산염이 된다.

휘발성 산을 성분으로 갖는 염화물, 질산염도 과량의 황산과 가열하면 각각 HCl, NO2를 발생하여 분해되어 황산염으로 변화한다.

6. 이용

황산염은 화학 산업과 생물계에 모두 중요하다. 납 축전지에는 일반적으로 황산염이 사용되며, 황산 구리는 살조제로, 황산 마그네슘은 수치료에, 황산 칼슘(석고)은 플라스터 생성에 쓰인다.[1]

채소에 황산염을 살포하는 데 사용되는 배낭 분무기. 발렌시아 민족 박물관.


황산염 환원 세균과 같이 일부 혐기성 미생물은 퇴적물이나 심해 열수구 근처에 서식하며, 유기 화합물이나 수소의 산화와 결합된 황산염의 환원을 화학 합성을 위한 에너지원으로 사용한다.[1]

6. 1. 상업적 이용

석고(황산 칼슘)는 플라스터 생산에 사용된다. 건설 산업에서 연간 약 1억 톤이 사용된다.[1] 황산구리는 일반적인 조류 제거제이며, 더 안정적인 형태는 갈바니 전지에 전해질로 사용된다.[1] 황산철(II)는 인간, 동물 및 식물의 토양에 대한 미네랄 보충제의 일반적인 형태의 철이다.[1] 황산마그네슘(엡솜염)은 치료용 목욕에 사용된다.[1] 황산납(II)는 납 축전지의 방전 중에 양극과 음극 모두에서 생성된다.[1] 라우레스 황산나트륨은 샴푸 제형의 일반적인 세제이다.[1] 폴리할라이트는 비료로 사용된다.[1]

7. 환경적 영향

황산염은 화석 연료와 바이오매스 연소로 인해 발생하는 미세 입자(에어로졸)이다. 이는 지구 대기의 산성도를 증가시켜 산성비를 형성한다. 혐기성 황산염 환원 세균인 ''Desulfovibrio desulfuricans''와 ''D. vulgaris''는 건물을 손상시키는 검은색 황산염 부식을 제거할 수 있다.[9]

7. 1. 기후 변화

황산염은 화석 연료와 바이오매스 연소로 인해 발생하는 미세 입자(에어로졸)로 존재한다. 황산염 에어로졸은 햇빛을 반사하여 지구 냉각 효과를 유발할 수 있다. (전구적 흐림)[9] 황산염 에어로졸 감소는 지구 온난화를 가속화할 수 있다. 또한 황산염 에어로졸은 강수량 변화 등 물 순환에 영향을 줄 수 있다.

2017년 4월 15일 세계의 이산화황. 이산화황은 우세한 바람을 타고 대기 중으로 이동하므로 지역 이산화황 분포는 날씨 패턴과 계절에 따라 매일 달라진다.

7. 2. 태양 지구 공학

에어로졸을 성층권에 주입하기 위해 제안된 테더 풍선


성층권 에어로졸 주입은 황산염 에어로졸을 이용한 지구 공학 기술 중 하나이다.[1]

8. 황산염 광물

광물학에서 황산염으로 이루어진 광물을 '''황산염 광물'''(sulphate mineral|설페이트 미네랄영어)이라고 한다.

9. 기타 황산염 옥시음이온

황산염 옥시음이온
분자식이름
SO₅²⁻과황산모노
SO₃²⁻아황산염
S₂O₈²⁻페록소 이황산
S₂O₇²⁻피로황산염


10. 중황산염 (황산수소염)

중황산 이온(Hydrogensulfate|하이드로젠설페이트영어)[10]은 황산(H₂SO₄)의 짝염기이다.[11] 황산은 강산으로 분류되며, 수용액에서 완전히 이온화되어 하이드로늄(H₃O⁺) 및 황산수소염(HSO₄⁻) 이온을 형성한다. 즉, 황산은 브뢴스테드-로우리의 산-염기 이론에 따라 작용하며, 황산수소염 이온을 형성하기 위해 탈양성자화된다. 황산수소염은 원자가가 1이다. HSO₄⁻ 이온을 포함하는 염의 예로는 중황산나트륨(NaHSO₄)이 있다. 묽은 용액에서 황산수소염 이온도 해리되어 더 많은 하이드로늄 이온과 황산염 이온(SO₄²⁻)을 형성한다.

참조

[1] 논문 The Atom and the Molecule http://osulibrary.or[...] 1916
[2] 논문 The modern theory of valency https://authors.libr[...] 1948
[3] 논문 d Electrons and Molecular Bonding 1969
[4] 논문 Use of outer d orbitals in bonding 1969
[5] 논문 How relevant are S=O and P=O Double Bonds for the Description of the Acid Molecules H2SO3, H2SO4, and H3PO4, respectively? 2000-02-00
[6] 서적 Advanced Inorganic Chemistry Wiley 1966
[7] 문서 ""
[8] 서적 Inorganic and Theoretical Chemistry William Heinemann 1942
[9] 논문 Saving a fragile legacy. Biotechnology and microbiology are increasingly used to preserve and restore the worlds cultural heritage 2006-11-00
[10] 간행물 Nomenclature of Inorganic Chemistry IUPAC Recommendations 2005 http://old.iupac.org[...] IUPAC
[11] 간행물 Nomenclature of Inorganic Chemistry IUPAC Recommendations 2005 http://old.iupac.org[...] IUPAC
[12] 논문 The Atom and the Molecule http://osulibrary.or[...] 1916
[13] 논문 The modern theory of valency 1948
[14] 논문 "" 1969
[15] 논문 "" 1969
[16] 논문 How relevant are S=O and P=O Double Bonds for the Description of the Acid Molecules H2SO3, H2SO4, and H3PO4, respectively? http://www.springerl[...] 2000-02-00
[17] 서적 Advanced Inorganic Chemistry Wiley 1966
[18] 문서 ""
[19] 문서 硫酸水素塩を'''重硫酸塩'''と呼ぶのは誤称 岩波理化学辞典
[20] 서적 학술용어집 지학편 일본학술진흥회 1984


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