플루오린화 수소( hydrogen fluoride, 불화수소, 에칭가스)

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■플루오린화 수소( hydrogen fluoride, 불화수소, 에칭가스)

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플루오린화 수소(Hydrogen fluoride)

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

화학 포털

플루오린화 수소(영어: hydrogen fluoride), 불화수소(弗化水素) 또는 에칭가스는 플루오린과 수소의 화합물로, 화학식수소 결합물에 녹으면 플루오린화 수소산테플론과 같은 수많은 중합체와 의약품할로젠화 수소할로젠화 수소

수분과 만나면 부식성과 관통성이 강한 플루오린화 수소산각막

프랑스의 화학자 에드먼드 프레미(Edmond Frémy)는 플루오린칼 빌헬름 셸레

원자간의 결합거리는 91.7pm이다.

목차

• 1 구조
  • 1.1 다른 할로젠화 수소와의 비교
• 2 산으로서의 성질
• 3 제법
• 4 반도체에서의 이용
• 5 같이 보기
  • 5.1 관련 사고
• 6 각주

구조[편집]

이원자분자이지만 HF는 분자간에 상대적으로 강한 수소결합^[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
할로젠화 수소(파랑)과 칼코젠화 수소	플루오린화 수소와 물의 혼합물의 어는점. 화살표는 고체상태에서 형성하는 화합물을 나타낸다.

산으로서의 성질[편집]

다른 할로젠화 수소산과는 다르게 플루오린화 수소산은 수용액 상태에서 약산^[9] 이는 H-F결합이 강한 것도 있지만, H₂O와 F^-이온이 이온쌍을 형성하여 자유 하이드로늄 이온이 적어지기 때문이다.^[10] 고농도에서는 플루오린화 수소 분자는 en:homoassociation현상을 겪어 en:bifluoride와 같은 다원자 이온과 양성자^[11] 이로인해 농축된 플루오린화 수소산 용액은 염화 수소산과 황산, 질산과 같은 강산의 양성자 첨가 반응^[12] 플루오린화 수소산이 약산으로 분류됨에도 불구하고, 이는 매우 부식성이 높고, 유리에게 까지 반응을 일으킬 수 있는 물질이다.^[11]

플루오린 이온의 수소 결합으로 인해 플루오린화 수소산산 해리 상수K_a = 6.6×10^^-4 (pK_a = 3.18),^[13]을 나타낸다. 이는 다른 할로젠화 수소 수용액이 강산인것과는(pK_a < 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 활동도엔탈피^[17] 하지만, Giguère 와 Turrell^[18][19]는 적외선 분광법을 통해서 용해된 주요 화학종이 수소 결합을한 이온쌍 [H₃O⁺·F⁻]임을 보였다. 이 이온쌍의 연속적인 평형은 아래와 같이 나타난다.

H₂O + HF ⇌ [H₃O⁺·F⁻]

[H₃O⁺·F⁻] ⇌ H₃O⁺ + F⁻

첫번째 평형식은 우변으로 잘 이동하며(평형상수≫1), 두번째 평형식은 좌변으로 잘 이동한다.(평형상수≪1) 즉, 플루오린화 수소가 잘 이온화하지만, 이온쌍을 형성하여 하이드로늄 이온^[20]

농축된 용액에서, 플루오린화 수소의 첨가는 이온쌍이 수소결합을 하는 플루오린화 수소 이온(HF₂^-)을 형성하도록 하는 효과가 있다.^[18][20]

[H₃O⁺⋅F⁻] + HF H₃O⁺ + HF₂−

이 반응을 통한 자유 하이드로늄 이온의 증가는 플루오린화 이온이 플루오린화 수소 이온을 형성하면서 안정화되는 동안 나타나는 급격한 산성도 증가를 설명한다. 이 산과 짝염기의 상호작용은, homoconjugation^[21][22]

3 HF 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.

반도체에서의 이용[편집]

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일본 정부는 한국 기업이 대량으로 수입한 에칭가스가 북한에 수출되었다고 주장했다. 일반 불화수소는 독가스 생산, 우라늄 농축에 사용되고, 고순도 불화수소는 반도체 생산에 사용되는데, 한국의 불화수소 기업들은 일본에서 일반 불화수소를 수입해서 고순도 불화수소로 정제하여 삼성전자나 SK하이닉스삼성전자나 SK하이닉스

이덕환 서강대 화학과 교수는 "과거부터 독가스를 제조하거나 우라늄을 농축할 때 저순도 불화수소(순도 97% 안팎)를 사용해왔다"며 "굳이 비싸고 구하기도 힘든 고농도 불화수소(에칭가스)를 쓸 이유가 없다"고 지적했다. 결국, 일본은 한국에 일반 불화수소 수출만 중단하고, 고순도 불화수소는 수출을 재개해도 된다는 의미이다. 북한의 독가스 생산, 우라늄 농축에는 고순도 불화수소가 사용되지 않고, 오로지 반도체 생산에만 고순도 불화수소가 사용된다.

같이 보기[편집]

관련 사고[편집]

• 2012년 구미 가스 누출 사고