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[무기화학] 산소에 관한설명

16족 : O, S, Se, Te, Po16족에서는 아래로 내려갈수록 금속성이 증가하는 일반적인 경향성이 있지만, 16족 원소 중 어는 것도 전형적인 금속처럼 행동하지는 않는다. 16족 원소의 가장 대표적인 화학적 성질은 두 개의 전자를 받아들여, 영족 기체와 같은 전자 구조를 가지는 2- 음이온이 되어, 금속과 이온성 화합물을 형성하는 것이다.원소기호 O.주기율표16족에 속하는 산소족원소의 하나. 원자량 15.9994.원자번호는 8이며 녹는점－218.4℃, 끓는점 －182.94℃이다. 비중은 액체일 때 1.141(측정온도 －183℃), 고체일 때 1.426(측정온도 －252℃)이며, 기체의 밀도는 0℃, 1atm에서 1.4289g/dm³이다. 결정계에서 α형은 단사결정계, β형은 사방결정계, 형은 입방결정계이다.용해도는 0℃ 물에 4.89m/100m, 100℃ 물에 1.70m/100m이며, 임계온도는 －118.8℃, 임계압력은 49.7atm이다. 산소분자 O는 기체일 때 무색, 액체와 고체일 때 엷은 파랑이다. 산소는 스웨덴의 K.W. 셸레와 영국의 J. 프리스틀리가 각각 독립적으로 발견하였다.〔존재〕 암석 속에 약 50질량%, 물에는 약 89질량％ 정도 포함되어 있으며, 화합물로서 지각(두께 16㎞), 수권 중에 가장 많은 원소이다. 또한 유리상태인 산소분자로서 대기 중에 21부피％나 포함되어 있다. 우주에는 수소·헬륨에 이어서 세번째로 많다. 지구가 생성됐을 때 산소는 모두 용융상태로 고정되어 있었다고 생각되는데, 뒤에 출현한 녹색식물의 광합성에 따른 부산물로서 공급되어 현재와 같은 대기가 생긴 것은 10억년 전이라고 한다.〔제법〕 산소는 액체 공기의 분별증류로 질소와 동시에 제조된다. 소형 제조법으로서 공기에서 분자체(molecular sieve)에 의한 흡탈착을 이용한 분리법과 물을 전기분해하는 방법이 있다. 실험실에서는 염소산칼륨에 촉매로서 절반량 정도의 이산화망간을 섞어서 가열한다. 그 밖에 이산화망간을 촉매로 하는 과산화수소의 분해, 황산산성에서 과산화수소와 과망간산칼륨의 반응, 그리고 과망간산칼륨을 진공 속에서 가열분해시키는 방법이 있다.〔성질과 용도〕 상온·상압에서 무색·무미·무취의 기체이다. 2원자분자 O는 2개의 홀전자를 가지며 상자성(常磁性)이다. 무성방전(無聲放電)이나 원자외선의 조사(照射)로 오존을 만든다. 매우 활성인 원소로서, 가벼운 비활성기체를 제외한 모든 원소와 화합물을 만들고, 많은 원소와 직접 반응한다. 예를 들면 탄소·황·인 등은 산소 속에서 격렬하게 타며, 알루미늄·철·구리 등도 분말상태에서는 섬광을 내며 탄다. 비활성기체·할로겐·금·백금 등과는 직접 반응하지 않는다.산소의 화학은 다음 방법중의 한 가지에 의하여 옥테트(네온의 전자배열)의 완성에 관여한다.1. 전자를 얻어 산화물 O₂?를 생성한다.2. 물과 에테르같은 AB₂E ₂계에서처럼 두개의 단일 공유결합을 생성한다.3. 케톤 혹은 Cl₄R e = O 와 같은 ABE₂계에서처럼 이중결합을 생성한다.4. OH? 와 RO?와 같은 ABE₃계에서처럼 전자를 얻어 단일결합을 생성한다.5. H₃O + 와 R ₃O + 와 같은 AB₃E 계에서처럼 세 개의 공유결합을 생성한다.6. 예를 들어 Be₄O (CH₃C O₂) ? 에서처럼 드문 경우이지만 네 개의 공유결합을 생성한다.이온성 산화물 : 분자 산소로부터 산화물 이온이 생성할 때에 약 1000kJ /mol을 필요로한다. 이온성 금속산화물이 생성될 때는 금속이 증발하여 이온화하는데 에너지가 소비되어야 한다. 이같이 이온성 금속산화물이 안정한 것은 크기가 작고 전하가 대단히 큰 산화물의 이온으로 생성되는 큰 격자에너지의 결과 때문이다.공유성 혹은 분자성 산화물 : 공유성 혹은 분자성은 CO₂,SO₂,SO₃,NO₂등과 같은 화합물이고 그 화합물에서는 공유성 결합이 우세하다. 그러한 화합물은 ABxEy 분류에 의하여 잘 설명되지만 몇가지 예외도 존재한다.산소의 존재, 성질 및 동소체 현상산소는 16O(99.759%),17O(0.0374%),18O(0.2039%)의 세가지 동위원소가 있다. 물론 물로 분별증류하면 18O를 97원자%까지 17O를 4원자% 까지의 농도로 농축할 수 있다. 산소-18은 산소화합물의 반응메카니즘 연구에 추적자로 사용한다. 17O은 핵스핀(5/2)을 가지므로 농축된 시료를 사용하더라도 그것의 존재량은 적으므로 스펙트럼의 축적법이나 Fourier변환법을 필요로한다.산소는 두 가지의 동소체 즉 이산소 (O₂)와 삼산소 혹은 오존 (O₃)이 있다. 이산소는 모든 상에서 상자기성이고 대단히 큰 해리 에너지 496kJ/mol를 갖는다. 단순한 원자가 결합이론에서는 의 전자구조를 예상하지만 그리고 센 결합이라 설명하지만 상자성을 설명하는데는 실패하고 있다. 그러나 단순한 MO이론으로는 이중결합을 갖는 삼중항 바닥 상태를 쉽게 설명하고 있다. 광화학적 산화에는 중요한 몇가지의 저위단일항 상태가 있다. 반결합성 MO에 한 홀전자를 갖는 NO처럼 산소분자는 약하게 회합되어 있을 뿐이고 고체 상태에서는 대칭성 O₄화학종을 생성하기 위한 실제적 전자쌍의 생성이 일어나지 않는다. 액체와 고체상태의 O₂는 모두 엷은 청색이다.오존 : O₂에 대하여 무성전기방전하면 10%까지의 농도로 O₃를 만들 수 있다. 오존기체는 눈에 볼 수 있을 정도의 청색이고 반자기성이다.O₂-O₃혼합물의 분별액화법으로 만든 순수한 오존은 진한 청색이고 폭발성 액체이다. 상층권에서 O₂에 자외선을 쪼이면 미량의 O₃가 생성된다. ~25km의 대기권 높이에서 최대의 농도이다. 그것은 지구의 표면이 자외선에 지나치게 노출되는 것을 보호하는데 중요한 역할을 한다. 다음과 같은 식처럼 발열반응적으로 분해한다.그러나 오존은 촉매와 자외선이 없을 때는 다만 250??에서 서서히 분해한다. O₃분자는 대칭성이고 ∠O-O-O은 117?이고 O-O는 1.28A이다. HOOH(단일결합)에서 O-O결합거리는 1.49A이고 O₂(~이중결합)에서는 1.21A이므로 O₃의 O-O결합은 상당히 큰 이중결합을 갖는 것이 분명하다. 공명의 설명에 의하면 다음과 같은 공명형태로 설명할 수 있다.O₂와O₃의 화학적 성질오존은 O₂보다 훨씬 더 센 산화제이고 O₂가 작용하지 않는 조건하에서도 여러 가지의 물질과 반응한다. 그 반응은정량적이고 분석에 이용될 수 있다. 오존은 유기화합물의 산화와 물의 정제에 사용될 수 있다. 산화 메카니즘에는 -OOH원자단을 갖는 중간체와 함께 자유 라디칼의 사슬반응과정이 포함되어 있다. 산성용액 중에서 O₃는 산화력이 세다. 그리고 O₃보다 센 것은 F2 ,과크세논산이온, 원자상태의 산소, OH라디칼 및 그 밖의 몇가지 화학종이다.다음의 전위는 보통의 수용액 중에서 O₂와O₃의 산화력 세기를 나타낸다.DMSO 및 피리딘같은 비양성자성 용매중에서 O₂환원의 첫단계는 초과산화물 음이온으로 되는 1전자 단계로 나타난다.그와 반대로 수용액 중에서는 2전자 단계로 일어나서 HO₂-로 된다.O₂로 포화된 중성 수용액이 대단히 좋은 산화제라는 것은 위의 반응에서도 알 수 있다.산성용액 중에서 산소에 의한 여러가지의 산화반응은 느리지만 전이금속이온의 촉매량에 의하여 산화속도가 크게 증가될 수 있다.

공학/기술| 2004.06.20| 4페이지| 1,000원| 조회(520)

무기화학, 산소, 주기율표16족

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