황화 나트륨

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1. 개요
2. 구조
3. 제조
4. 반응
- 4.1. 유기 화학에서의 반응
5. 응용
6. 안전성
참조

1. 개요

황화 나트륨(Na₂S)은 무기 화합물로, 다양한 수화물 형태로 존재하며, X선 결정학을 통해 구조가 밝혀졌다. 산업적으로는 황산 나트륨을 탄소로 환원시켜 생산하며, 실험실에서는 황을 나트륨으로 환원시키는 방법 등으로 제조된다. 황화 나트륨은 물에 용해되어 강한 알칼리성을 나타내며, 산소, 이산화 탄소, 황 등과 반응하여 다양한 화합물을 생성한다. 유기 화학에서 알킬화 반응을 통해 티오에테르를 생성하고, 샌드마이어형 반응과 니트로 화합물의 환원에 사용된다. 펄프 및 제지 산업, 수처리, 섬유 산업, 가죽 산업 등 다양한 분야에서 탈리그닌화, 산소 제거, 표백, 탈황 등의 용도로 사용되며, 화학 제조, 광석 부유, 석유 추출 등에도 활용된다. 황화 나트륨은 강한 알칼리성을 띠며, 산과 반응하여 유독한 황화 수소를 생성하므로 취급에 주의해야 한다.

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황화 나트륨 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
황화 나트륨 견본
다른 이름	다이소듐 설파이드
화학식	Na2S
몰 질량	78.0452 g/mol (무수물) 240.18 g/mol (9수화물)
외관	무색의 조해성 고체
냄새	없음
용해도	12.4 g/100 mL (0 °C) 18.6 g/100 mL (20 °C) 39 g/100 mL (50 °C) (가수분해됨)
다른 용매에 대한 용해도	에터에 불용 알코올에 약간 용해
밀도	1.856 g/cm3 (무수물) 1.58 g/cm3 (5수화물) 1.43 g/cm3 (9수화물)
녹는점	1176 °C (무수물) 100 °C (5수화물) 50 °C (9수화물)
자기 감수율	-39.0×10−6 cm3/mol
구조
섬아연광 단위 세포 - 3D 이온
결정 구조	역플루오라이트 (입방정), cF12
공간군	Fm3m, No. 225
배위수	사면체 (Na+) 입방 (S2−)
열화학
위험성
외부 MSDS	ICSC 1047
GHS 그림 문자
GHS 신호어	위험
NFPA 704	건강: 3 화재: 1 반응성: 1 기타:
자연 발화점	> 480 °C
관련 화합물
다른 음이온	산화 나트륨 셀렌화 나트륨 텔루르화 나트륨 폴로늄화 나트륨
다른 양이온	황화 리튬 황화 칼륨 황화 루비듐 황화 세슘
관련 화합물	황화 수소 나트륨
EU 분류
R 문구	, ,
S 문구	, , ,

2. 구조

X선 결정학에 의해 황화 나트륨의 구조가 밝혀졌다. 9수화물은 S^2-가 12개의 물 분자와 수소 결합을 이루는 특징을 보인다.^[2] 5수화물은 Na⁺에 결합된 S^2- 중심과 수소 결합 배열로 둘러싸여 있다.^[3] 무수 Na₂S는 드물게 발견되며, 반형석 구조를 갖는다.^[4]^[5] 이는 Na⁺ 중심이 CaF₂ 골격 내에서 불화물의 위치를 차지하고, 더 큰 S^2- 이온이 Ca²⁺의 위치를 차지한다는 것을 의미한다.

3. 제조

산업적으로 황화 나트륨(sodium sulfide|소듐 설파이드^영어)은 황산 나트륨을 코크스를 이용해 탄소열 환원시켜 생산한다.^[6]

: Na₂SO₄ + 2 C → Na₂S + 2 CO₂

실험실에서는 무수 암모니아에서 황을 나트륨으로 환원시키거나, 건조 THF에서 나트륨과 나프탈렌을 반응시켜 만들 수 있다.^[7]

: 2 Na + S → Na₂S

수산화 나트륨 용액을 황화 수소로 포화시킨 황화 수소 나트륨 용액에 같은 양의 수산화 나트륨을 첨가하여 농축하면 9수화물이 석출된다.

: NaOH + H₂S → NaHS + H₂O

: NaHS + NaOH + 8 H₂O → Na₂S·9H₂O

9수화물을 황산 데시케이터 중에서 건조시킨 후 수소 기류 중에서 가열하면 무수물이 얻어진다. 또한 계산량의 나트륨과 황의 직접 반응으로도 무수물이 얻어진다.

공업적으로는 무수 황산 나트륨으로 공기를 차단하고 반사로에서 약 1000°C로 코크스로 환원시켜 제조한다.

: Na₂SO₄ + 4 C → Na₂S + 4 CO

4. 반응

황화 나트륨은 물에 녹아 가수 분해되어 강한 알칼리성을 나타낸다. 이 반응식은 다음과 같다.^[8]

:S^{2-}\ + H2O\ <=> HS^- + OH^-

황화 나트륨은 산과 반응하면 유독한 황화 수소(H₂S)를 생성한다. 산소 및 이산화 탄소와 함께 가열하면 탄산 나트륨 및 이산화 황으로 산화될 수 있다.^[8]

:2 Na₂S + 3 O₂ + 2 CO₂ → 2 Na₂CO₃ + 2 SO₂

과산화 수소와 반응하면 황산 나트륨을 생성한다.^[8]

:Na₂S + 4 H₂O₂ → 4 H₂O + Na₂SO₄

황과 반응하면 폴리황화 나트륨을 형성한다.^[8]

:Na₂S + S₈ → Na₂S₅

4. 1. 유기 화학에서의 반응

황화 나트륨의 알킬화 반응은 티오에테르를 생성한다.^[9]

:Na₂S + 2 RX → R₂S + 2 NaX

아릴 할로겐화물도 이 반응에 참여한다.^[9] 이와 유사한 과정을 통해 황화 나트륨은 티올-엔 반응에서 알켄과 반응하여 티오에테르를 생성할 수 있다.

황화 나트륨은 친핵체로서 샌드마이어형 반응에 사용될 수 있다.^[10]

황화 나트륨 수용액은 니트로기를 아민으로 환원시킨다. 이러한 전환은 다른 환원성 작용기, 예를 들어 아조기가 그대로 남아있기 때문에 일부 아조 염료 생산에 적용된다.^[11] 황화 나트륨을 사용하여 니트로 방향족 화합물을 아민으로 환원시키는 반응은 발견자를 기려 지닌 반응으로 알려져 있다.^[12] 수화된 황화 나트륨은 1,3-다이니트로벤젠 유도체를 3-니트로아닐린으로 환원시킨다.^[13]

5. 응용

펄프 및 제지 산업의 크라프트 공정에서 종이의 주요 성분인 셀룰로오스를 얻기 위해 탈리그닌화 과정을 돕는다.^[14] 수처리에서 산소 제거제 및 금속 침전제로 사용되며, 흑백 사진의 토닝에도 사용된다.^[14] 섬유 산업에서 표백제, 탈황제, 탈염소제로 사용되며, 가죽 산업에서 태닝 추출물의 설피트화에 사용된다.^[14] 화학 제조에서 술폰화 및 설포메틸화제, 고무 화학 물질, 황 염료 및 기타 화학 화합물의 생산에 사용된다.^[14] 광석 부유, 석유 추출, 염료 제조, 세제 제조를 포함한 다른 응용 분야에도 사용된다.^[14] 또한 가죽 가공 중 석회 처리 공정에서 제모제로 사용된다.^[14] 광촉매 응용 분야에도 사용되어 왔다.^[14]

6. 안전성

수산화 나트륨과 유사한 성질을 가진 황화 나트륨은 강한 알칼리성을 띠며, 피부에 닿으면 화학적 화상을 유발할 수 있다.^[1] 산과 빠르게 반응하여 매우 유독한 황화 수소를 생성한다.^[1]

폐액 중의 황화 나트륨과 산, 산성염 등이 반응하여 황화 수소를 발생시킨 사례가 있으므로, 취급에 주의해야 한다.^[1]

참조

_[1] 논문 Solubility of Sodium Sulfide in Alcohols 2010-06-09
_[2] 논문 Hydrogen Bonds in Na₂S·9D₂O: Neutron Diffraction, X-Ray Diffraction and Vibrational Spectroscopic Studies 1982
_[3] 논문 Hydrogen Bonds in Na₂S·5H₂O: X-ray Diffraction and Vibrational Spectroscopic Study 1984
_[4] 논문 Gitterstruktur der oxyde, sulfide, selenide und telluride des lithiums, natriums und kaliums
_[5] 서적 Structural Inorganic Chemistry Clarendon Press 1984
_[6] 서적 Inorganic Chemistry Academic Press
_[7] 논문 Hexamethyldisilathiane 2007
_[8] 간행물 Sulfides, Polysulfides, and Sulfanes Wiley-VCH, Weinheim 2000
_[9] 간행물 p-Aminophenyldisulfide 1948
_[10] 논문 synthesis of thiophenols 2012
_[11] 논문 Syntheses of functionalized azobenzenes 2006
_[12] 논문 Beschreibung einiger neuer organischer Basen, dargestellt durch die Einwirkung des Schwefelwasserstoffes auf Verbindungen der Kohlenwasserstoffe mit Untersalpetersäure https://zenodo.org/r[...]
_[13] 간행물 2-Amino-4-nitrophenol
_[14] 논문 Highly crystalline poly(heptazine imides) by mechanochemical synthesis for photooxidation of various organic substrates using an intriguing electron acceptor – Elemental sulfur 2017-06
_[15] 논문 Solubility of Sodium Sulfide in Alcohols 2010-06-09

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