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황화 카보닐

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1. 개요

황화 카보닐(COS)은 대기 중에 존재하는 가장 풍부한 황 화합물로, 해양, 화산, 심해 열수구 등에서 배출된다. 황 순환에서 중요한 역할을 하며, 성층권 황산염층으로 운반되어 황산으로 산화되기도 한다. 육상 식물의 흡수, 해수에서의 가수분해에 의해 대기에서 제거되며, 식품, 성간 물질, 혜성 등에서도 발견된다. 티오카르바메이트 제초제 생산의 중간체로 사용되며, 아미노산으로부터 펩타이드 형성을 촉매하는 등 화학적 특성을 지닌다. 고농도에서는 독성을 나타낼 수 있으며, 훈증제로 사용되기도 한다.

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황화 카보닐 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
황화 카보닐
황화 카보닐
황화 카보닐의 공간 채우기 3D 모델
황화 카보닐의 공간 채우기 3D 모델
IUPAC 이름황화 카보닐
옥시도술피도카본
계통명티옥소메탄온
다른 이름산화 황화수소
옥시 황화수소
식별 정보
화학 물질 식별자ChemSpiderID_Ref: ""
ChemSpider ID9644
KEGGC07331
InChI1/COS/c2-1-3
InChIKeyJJWKPURADFRFRB-UHFFFAOYAF
StdInChI1S/COS/c2-1-3
StdInChIKeyJJWKPURADFRFRB-UHFFFAOYSA-N
CAS 등록번호463-58-1
UNII871UI0ET21
UN 번호2204
ChEBI16573
스마일즈 표기법O=C=S
펍켐 CID10039
유럽 공동체 목록 번호207-340-0
속성
화학식COS
몰 질량60.075 g/mol
외형무색 기체
냄새황화물 유사 냄새
녹는점−138.8 °C
끓는점−50.2 °C
임계점101.85 °C, 58.03 atm
밀도2.51 g/L
용해도0.376 g/100 mL (0 °C)
0.125 g/100 mL (25 °C)
다른 용매에 대한 용해도수산화 칼륨(KOH)에 매우 잘 녹음
이황화 탄소(CS2)에 매우 잘 녹음
에탄올(알코올), 톨루엔에 잘 녹음
쌍극자 모멘트0.65 D
열화학
표준 생성 엔탈피-141.8 kJ/mol
엔트로피231.5 J/(mol⋅K)
열용량41.5 J/(mol⋅K)
위험성
외부 물질안전보건자료황화 카보닐 물질안전보건자료
NFPA 704건강: 3
화재: 4
반응성: 1
폭발 한계12–29%
GHS 신호어위험
관련 화합물
관련 화합물이산화 탄소
이황화 탄소
카보닐 셀레나이드

2. 발생

황화 카보닐은 대기 중에 약 0.5ppb 농도로 자연적으로 존재하며, 해양, 화산, 심해 열수구 등에서 배출된다.[3] 이는 전 세계 황 순환에서 중요한 화합물이며, 남극 빙핵과 빙하 위 눈(설원 공기) 측정을 통해 1640년부터 현재까지 농도 변화와 인위적, 비인위적 발생원의 상대적 중요성을 알 수 있다.[3] 성층권으로 운반된 일부는 황산으로 산화되어 빛 산란으로 인해 에너지 균형에 영향을 주는 미립자를 형성한다.[4][5] 긴 대기 수명으로 인해 성층권 황산염의 주요 공급원이 되지만, 화산 활동으로 인한 이산화황도 상당량 존재한다.[5] 황화 카보닐은 광합성, 해수 가수분해 등에 의해 제거되며, 대기 중 수명은 몇 년 정도이다.[6][7][8]

인간에 의한 황화 카보닐 배출은 화학적 중간체 및 이황화 탄소 생산의 부산물이 주를 이루지만, 자동차, 타이어 마모, 석탄 화력 발전소, 코크스 오븐, 바이오매스 연소, 어류 가공, 쓰레기 및 플라스틱 연소, 석유, 합성 섬유, 전분 및 고무 제조 등에서도 발생한다.[9][10] 전 세계 배출량은 연간 약 300만 톤으로 추정되며, 이 중 3분의 1 미만이 인간 활동과 관련 있다.[10] 황화 카보닐은 황 함유 합성가스 등 연료 가스에도 황 함유 불순물로 존재한다.[11]

황화 카보닐은 치즈, 양배추과 채소 등에 존재하며, 곡물종자에도 미량(0.05–0.1 mg/kg) 존재한다. 성간 매질, 혜성 67P, 금성 대기에서도 발견되었으며, 무기적으로 생성하기 어렵기 때문에 생명의 지표로 간주되기도 한다.[12][13]

2. 1. 자연적 발생

황화 카보닐은 바다, 화산, 심해 열수구에서 배출되기 때문에 대기 중에 자연적으로 존재하는 가장 풍부한 황 화합물(0.5ppb 농도)이다.[3] 따라서 이는 전 세계 황 순환에서 중요한 화합물이다. 남극 빙핵과 빙하 위의 눈(설원 공기)에 대한 측정을 통해 1640년부터 현재까지 황화 카보닐 농도에 대한 상세한 정보를 파악하고, 이 가스의 인위적 및 비인위적 발생원의 상대적 중요성을 이해할 수 있다.[3] 성층권 황산염층으로 운반된 일부 황화 카보닐은 황산으로 산화된다.[4] 황산은 빛 산란으로 인해 에너지 균형에 영향을 미치는 미립자를 형성한다.[5] 황화 카보닐의 긴 대기 수명은 화산 활동에서 발생하는 이산화황도 상당할 수 있지만, 성층권 황산염의 주요 공급원이 되게 한다.[5] 황화 카보닐은 또한 광합성 중 이산화탄소 흡수와 관련된 효소에 의해 육상 식물에 의해 제거되고, 해양에서 가수분해에 의해 제거된다.[6][7][8] 이러한 손실 과정은 대기 중 황화 카보닐 분자의 수명(또는 지속성)을 몇 년으로 제한한다.

2. 2. 인위적 발생

황화 카보닐의 인위적 발생원으로는 화학 중간체 및 이황화 탄소 생산 과정의 부산물이 가장 큰 비중을 차지한다.[1] 이 외에도 자동차 및 타이어 마모, 석탄 화력 발전소, 코크스 오븐, 바이오매스 연소, 어류 가공, 쓰레기 및 플라스틱 연소, 석유 제조, 합성 섬유, 전분 및 고무 제조 등 다양한 উৎস에서 황화 카보닐이 배출된다.[1] 전 세계적으로 연간 약 300만 톤의 황화 카보닐이 대기 중으로 방출되며, 이 중 약 3분의 1 미만이 인간 활동에 의한 것으로 추정된다.[1] 황화 카보닐은 황 함유 공급 원료에서 생산되는 합성가스와 같은 연료 가스에 포함된 주요 황 함유 불순물이기도 하다.[1]

대한민국에서는 산업 현장의 황화 카보닐 배출량 저감을 위한 기술 개발과 정책적 지원이 이루어지고 있다. 특히, 더불어민주당은 미세먼지 저감 및 기후변화 대응을 위해 산업 부문의 황화 카보닐 배출 규제 강화를 추진하고 있다.

2. 3. 식품 및 기타 환경

치즈, 양배추과 채소와 같은 식품에 존재한다. 곡물종자에 0.05–0.1 mg/kg 범위로 자연적으로 존재한다.[10] 성간 매질, 혜성 67P[12] 및 금성 대기에서 관찰되었으며, 무기적으로 황화 카보닐(COS)을 생성하기 어렵기 때문에 생명의 지표로 간주된다.[13]

3. 화학적 특성 및 응용

황화 카보닐은 티오카바메이트 제초제 생산의 중간체로 사용되며,[14] 크롬 기반 촉매에 의해 가수분해가 촉진된다.[11] 또한, 식물과 포유류의 탄산 탈수 효소에 의해 촉매 작용을 받아 기체 신호 분자인 황화 수소를 전달하는 데 사용된다.[15][16] 아미노산으로부터 펩타이드 형성을 촉매하는 것으로 밝혀져 생명의 기원에 중요한 역할을 했을 것으로 추정된다.[17] 생태계 과학에서는 광합성 속도를 설명하는 데 사용된다.[18][19][20]

3. 1. 반응

황화 카보닐은 티오카바메이트 제초제 생산의 중간체로 사용된다.[14]

황화 카보닐의 가수분해는 크롬 기반 촉매에 의해 촉진된다.[11]

:COS + H₂O → CO₂ + H₂S

이 전환은 식물과 포유류의 탄산 탈수 효소 효소에 의해 용액 내에서 촉매 작용을 받는다. 이러한 화학 작용으로 인해, 작은 유기 분자로부터의 황화 카보닐의 방출은 기체 신호 분자인 황화 수소를 전달하기 위한 전략으로 확인되었다.[15][16]

이 화합물은 아미노산으로부터 펩타이드의 형성을 촉매하는 것으로 밝혀졌다. 이 발견은 밀러-유리 실험의 확장이며, 황화 카보닐이 생명의 기원에서 중요한 역할을 했을 것으로 추정된다.[17]

생태계 과학에서,[18]광합성 속도를 설명하는 데 점점 더 많이 사용되고 있다.[19][20]

3. 2. 합성

황화 카보닐은 1841년에 처음 기술되었지만,[21] 이산화 탄소황화 수소의 혼합물로 오인되었다. 1867년 칼 폰 탄이 이 물질을 처음으로 특성화했다. 황화 카보닐은 일산화 탄소가 용융 황과 반응하여 생성된다.

: CO + ⅛ S₈ → COS

이 반응은 1,200,000 이상에서 역전된다.

실험실 합성에서는 티오시안산 칼륨과 황산의 반응이 수반된다.

: KSCN + 2 H₂SO₄ + H₂O → KHSO₄ + NH₄HSO₄ + COS

생성된 기체에는 상당량의 부산물이 포함되어 있으며 정제해야 한다.[22]

이소티오시아네이트를 염산 용액에서 가수 분해해도 COS가 생성된다.

4. 독성

1994년까지 인간과 동물에 대한 황화 카보닐의 급성 독성에 대한 정보는 제한적이었다.[14] 고농도(1000ppm 이상)에서는 갑작스러운 붕괴, 경련, 호흡 마비로 인한 사망을 유발할 수 있다.[10][14] 간혹 사망 사례가 보고되었지만, 국소 자극이나 후각적 경고는 거의 없었다.[14] 쥐를 대상으로 한 실험에서, 90분 동안 1400ppm의 황화 카보닐에 노출된 경우 50%의 동물이 사망했으며, 9분 동안 3000ppm에 노출된 경우에도 50%의 동물이 사망했다.[14] 실험 동물을 대상으로 한 제한적인 연구에 따르면, 낮은 농도(약 50ppm, 최대 12주)의 지속적인 흡입은 폐나 심장에 영향을 미치지 않는다.[14]

황화 카보닐은 브롬화 메틸과 포스핀을 대체하는 잠재적인 훈증제로 거론되지만,[23] 경우에 따라 곡물에 잔류물이 남아 양조에 사용되는 보리와 같이 소비자가 용납할 수 없는 맛을 내는 경우가 있다.

참조

[1] 서적 RedBook2005
[2] 서적 CRC Handbook of Thermophysical and Themochemical Data https://api.pageplac[...] CRC Press
[3] 간행물 A 350-year atmospheric history for carbonyl sulfide inferred from Antarctic firn air and air trapped in ice https://escholarship[...]
[4] 간행물 The possible importance of COS for the sulfate layer of the stratosphere
[5] 서적 Atmospheric Chemistry and Physics J. Wiley
[6] 간행물 Photosynthetic Control of Atmospheric Carbonyl Sulfide During the Growing Season http://www.escholars[...]
[7] 간행물 Global budget of atmospheric carbonyl sulfide: Temporal and spatial variations of the dominant sources and sinks
[8] 간행물 On the global distribution, seasonality, and budget of atmospheric carbonyl sulfide (COS) and some similarities to CO2
[9] 간행물 Automotive tire wear as a source for atmospheric OCS and CS2
[10] 웹사이트 Carbonyl Sulfide CASRN: 463-58-1 http://toxnet.nlm.ni[...] National Library of Medicine
[11] 서적 Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry
[12] 웹사이트 OMET'S FIREWORK DISPLAY AHEAD OF PERIHELION http://blogs.esa.int[...] European Space Agency 2015-08-11
[13] 간행물 Astrobiology: the Case for Venus https://ntrs.nasa.go[...]
[14] 웹사이트 Chemical Summary for Carbonyl Sulfide http://www.epa.gov/c[...] U.S. Environmental Protection Agency 2013-07-19
[15] 간행물 Self-Immolative Thiocarbamates Provide Access to Triggered H2S Donors and Analyte Replacement Fluorescent Probes 2016-06-15
[16] 간행물 Consumption of carbonyl sulphide (COS) by higher plant carbonic anhydrase (CA)
[17] 간행물 Carbonyl sulfide-mediated prebiotic formation of peptides
[18] Youtube What Carbonyl Sulfide Teaches Us About Earth's Biosphere https://www.youtube.[...]
[19] 간행물 Large historical growth in global terrestrial gross primary production 2017-04
[20] 간행물 Ecosystem photosynthesis inferred from measurements of carbonyl sulphide flux 2013-03
[21] 간행물 Ueber den Schwefelkohlenstoff
[22] 간행물 The Chemistry of Carbonyl Sulfide
[23] 간행물 Review of the toxicology of carbonyl sulfide, a new grain fumigant
[24] 문서 Hazardous Substances Data Bank MEDLARS Online Information Retrieval System, National Library of Medicine 1994
[25] 웹사이트 Chemical Summary for Carbonyl sulfide http://www.epa.gov/c[...] U.S. Environmental protection Agency
[26] 간행물 Consumption of carbonyl sulphide (COS) by higher plant carbonic anhydrase (CA)
[27] 간행물 Carbonyl Sulfide–Mediated Prebiotic Formation of Peptides
[28] 간행물 A 350-year atmospheric history for carbonyl sulfide inferred from Antarctic firn air and air trapped in ice
[29] 간행물 The possible importance of CSO for the sulfate layer of the stratosphere
[30] 간행물 Global budget of atmospheric carbonyl sulfide: Temporal and spatial variations of the dominant sources and sinks
[31] 간행물 On the global distribution, seasonality, and budget of atmospheric carbonyl sulfide (COS) and some similarities to CO2
[32] 간행물 Ueber den Schwefelkohlenstoff
[33] 간행물 The Chemistry of Carbonyl sulfide
[34] 서적 RedBook2005



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