플루오린화 수소

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플루오린화 수소(Hydrogen fluoride)
Hydrogen-fluoride-3D-vdW.png
Hydrogen-fluoride-2D-dimensions.png
Hydrogen fluoride.svg
일반적인 성질
화학식 HF
CAS 번호 7664-39-3
PubChem 16211014
ChemSpider 14214
물리적 성질
상태 기체
분자량 20.01 g/mol
녹는점 189.55 K (−83.6 °C, -118.48 °F)
끓는점 292.65 K (19.5 °C, 67.1 °F)
밀도 0.00115 g/cm3
산성도(pKa) 3.17[1][2]
형태 무색
열화학적 성질
안전성

플루오린화 수소(Hydrogen fluoride) 또는 불화수소(弗化水素)는 플루오린수소의 화합물로, 화학식은 HF이다. 수소 결합을 한다. 에 녹으면 플루오린화 수소산이 된다. 테플론과 같은 수많은 중합체의약품의 전구물질로서 이용된다. 석유화학에서도 매우 널리 쓰이는 물질중 하나이다. 끓는점이 다른 할로젠화 수소보다 높은 편이며, 상온에 가까운 온도에서 끓는다. 또한 다른 할로젠화 수소와는 다르게 공기보다 가볍다.

수분과 만나면 부식성과 관통성이 강한 플루오린화 수소산을 형성해 매우 위험하다. 또한 각막의 빠른 손상을 야기해 실명을 일으킬 수도 있다.

프랑스 화학자 Edmond Frémy는 플루오린을 분리하던 도중 무수 플루오린화 수소를 발견했다고 알려졌다. (수용액인 플루오린화 수소산의 경우 1771년 화학자 칼 빌헬름 셸레가 처음 발견하였다.)

원자간의 결합거리는 91.7pm이다.

구조[편집]

Hydrogen-fluoride-solid-2D-dimensions.png

이원자분자이지만 HF는 분자간에 상대적으로 강한 수소결합을 형성한다. 고체 상태에서는 분자간에 지그재그 형태의 사슬 구조를 가진다. 이 때 HF 분자안에서의 H-F결합 거리는 95 pm이고, 분자간에는 155 pm의 거리를 유지한다.[3] 액체 플루오린화 수소는 또한 분자간 사슬모양을 구성하지만, 한 사슬의 길이가 평균적으로 대여섯개 정도로 짧은 편이다.[4]

다른 할로젠화 수소와의 비교[편집]

다른 할로젠화 수소들이 상온보다 훨씬 낮은 −85 ℃ ~ −35 ℃에서 끓는 반면, 분자간 수소결합으로 인해 플루오린화 수소는 20 ℃정도의 상대적으로 높은 온도에서 끓는다. [5][6][7]

플루오린화 수소는 어느 비율로도 물과 잘 섞이는데, 이는 다른 할로젠화 수소의 경우 물에 대한 용해도 차이가 큰 것과는 대비된다. [8]

HF와 H2O의 유사성
칼코젠화 수소와 할로젠화 수소의 끓는점 그래프에서 경향에 어긋나는 모습을 보이는 물과 플루오린화 수소 물과 플루오린화 수소의 혼합물의 어는점
할로젠화 수소(파랑)과 칼코젠화 수소(빨강)의 끓는 점. 각각의 그래프에서 플루오린화 수소와 물은 경향에 어긋나는 모습을 보인다. 플루오린화 수소와 물의 혼합물의 어는점. 화살표는 고체상태에서 형성하는 화합물을 나타낸다.

산으로서의 성질[편집]

다른 할로젠화 수소산과는 다르게 플루오린화 수소산은 수용액 상태에서 약산으로 존재한다.[9] 이는 H-F결합이 강한 것도 있지만, H2O와 F-이온이 이온쌍을 형성하여 자유 하이드로늄 이온이 적어지기 때문이다.[10] 고농도에서는 플루오린화 수소 분자는현상을 겪어와 같은 다원자 이온과 양성자들을 형성하여 산성도가 높아지게 된다.[11] 이로인해 농축된 플루오린화 수소산 용액은 염화 수소산과 황산, 질산과 같은 강산의 양성자 첨가 반응을 일으킨다.[12] 플루오린화 수소산이 약산으로 분류됨에도 불구하고, 이는 매우 부식성이 높고, 유리에게 까지 반응을 일으킬 수 있는 물질이다.[11]

플루오린 이온의 수소 결합으로 인해 플루오린화 수소산의 산성도는 농도에 따라 달라진다. 희석된 용액의 경우 산성 이온화 상수값Ka = 6.6×10^-4 (pKa = 3.18),[13]을 나타낸다. 이는 다른 할로젠화 수소 수용액이 강산인것과는(pKa < 0) 대비된다. 농축된 경우 훨씬 강한 산성을 띄는데 하메트 산도 함수(Hammett acidity function) H0[14](혹은 "effective pH")를 통해 나타낸다. 순수한 플루오린화 수소의 H0값은 −10.2 에서 −11사이로, -12인 황산과 비슷하다.[15][16]

열역학적인 관점에서 보면, 플루오린화 수소 용액은 매우 비이상 용액으로써 실제 농도보다 HF의 활량이 더 빠르게 증가하게 된다. The weak acidity in dilute solution is sometimes attributed to the high H—F bond strength, which combines with the high dissolution enthalpy of HF to outweigh the more negative enthalpy of hydration of the fluoride ion.[17] However, Giguère and Turrell[18][19] have shown by infrared spectroscopy that the predominant solute species is the hydrogen-bonded ion-pair [H3O+·F], which suggests that the ionization can be described as a pair of successive equilibria:

H2O + HF 틀:EqmR [H3O+·F]
[H3O+·F] 틀:EqmL H3O+ + F

The first equilibrium lies well to the right (K ≫ 1) and the second to the left (K ≪ 1), meaning that HF is extensively dissociated, but that the tight ion pairs reduce the thermodynamic activity coefficient of H3O+, so that the solution is effectively less acidic.[20]

In concentrated solution, the additional HF causes the ion pair to dissociate with formation of the hydrogen-bonded hydrogen difluoride ion.[18][20]

[H3O+⋅F] + HF 평형 H3O+ + HF2

The increase in free H3O+ due to this reaction accounts for the rapid increase in acidity, while fluoride ions are stabilized (and become less basic) by strong hydrogen bonding to HF to form HF2. This interaction between the acid and its own conjugate base is an example of homoassociation (homoconjugation). At the limit of 100% liquid HF, there is self-ionization[21][22]

3 HF 평형 H2F+ + HF2

제법[편집]

형석(플루오린화 칼슘, CaF2)에 진한 황산을 넣고 가열하여 얻는다.

CaF2 + H2SO4 → CaSO4 + 2HF

※ 생성된 플루오린화 수소는 유리와 반응하기 때문에, 제조 시 유리 기구를 사용하지 않는다.

각주[편집]

  1. “pKa's of Inorganic and Oxo-Acids” (PDF). Harvard. 2013년 9월 9일에 확인함. 
  2. Bruckenstein, S.; Kolthoff, I.M., in Kolthoff, I.M.; Elving, P.J. Treatise on Analytical Chemistry, Vol. 1, pt. 1; Wiley, NY, 1959, pp. 432-433.
  3. Johnson, M. W.; Sándor, E.; Arzi, E. (1975). “The Crystal Structure of Deuterium Fluoride”. 《Acta CrystallographicaB31 (8): 1998–2003. doi:10.1107/S0567740875006711. 
  4. Mclain, Sylvia E.; Benmore, CJ; Siewenie, JE; Urquidi, J; Turner, JF (2004). “On the Structure of Liquid Hydrogen Fluoride”. 《Angewandte Chemie, International Edition》 43 (15): 1952–55. doi:10.1002/anie.200353289. PMID 15065271. 
  5. Pauling, Linus A. (1960). 《The nature of the chemical bond and the structure of molecules and crystals: An introduction to modern structural chemistry》. Cornell University Press. 454–464쪽. ISBN 978-0-8014-0333-0. 
  6. Atkins, Peter; Jones, Loretta (2008). 《Chemical principles: The quest for insight》. W. H. Freeman & Co. 184–185쪽. ISBN 978-1-4292-0965-6. 
  7. Emsley, John (1981). “The hidden strength of hydrogen”. 《New Scientist》 91 (1264): 291–292. 2012년 12월 25일에 확인함. 
  8. Greenwood & Earnshaw 1998, 812–816쪽.
  9. Wiberg, Wiberg & Holleman 2001, 425쪽.
  10. Clark, Jim (2002). “The acidity of the hydrogen halides”. 2011년 9월 4일에 확인함. 
  11. Chambers, C.; Holliday, A. K. (1975). 《Modern inorganic chemistry (An intermediate text)》 (PDF). The Butterworth Group. 328–329쪽. 
  12. Hannan, Henry J. (2010). 《Course in chemistry for IIT-JEE 2011》. Tata McGraw Hill Education Private Limited. 15–22쪽. ISBN 9780070703360. 
  13. Ralph H. Petrucci; William S. Harwood; Jeffry D. Madura (2007). 《General chemistry: principles and modern applications》. Pearson/Prentice Hall. 691쪽. ISBN 978-0-13-149330-8. 2011년 8월 22일에 확인함. 
  14. Hyman HH, Kilpatrick M, Katz JJ (1957). “The Hammett Acidity Function H0for Hydrofluoric Acid Solutions1”. 《Journal of the American Chemical Society》 79 (14): 3668–3671. doi:10.1021/ja01571a016. ISSN 0002-7863. 
  15. W.L. Jolly “Modern Inorganic Chemistry” (McGraw-Hill 1984), p. 203 ISBN 0-07-032768-8
  16. F. A. Cotton and G. Wilkinson, Advanced Inorganic Chemistry (5th ed.) John Wiley and Sons: New York, 1988. ISBN 0-471-84997-9 p. 109
  17. C.E. Housecroft and A.G. Sharpe "Inorganic Chemistry" (Pearson Prentice Hall, 2nd ed. 2005), p. 170.
  18. Giguère, Paul A.; Turrell, Sylvia (1980). “The nature of hydrofluoric acid. A spectroscopic study of the proton-transfer complex H3O+...F”. 《J. Am. Chem. Soc.102 (17): 5473. doi:10.1021/ja00537a008. 
  19. Radu Iftimie; Vibin Thomas; Sylvain Plessis; Patrick Marchand; Patrick Ayotte (2008). “Spectral Signatures and Molecular Origin of Acid Dissociation Intermediates”. 《J. Am. Chem. Soc.130 (18): 5901–7. doi:10.1021/ja077846o. PMID 18386892. 
  20. F.A. Cotton and G. Wilkinson, Advanced Inorganic Chemistry p. 104
  21. C.E. Housecroft and A.G. Sharpe Inorganic Chemistry p. 221
  22. F.A. Cotton and G. Wilkinson Advanced Inorganic Chemistry p. 111