수소 수화물의 물리적 및 화학적 특성
수소 수화물
분자 수소가 결정성 수분 격자 내에 포획된 가스-수 클라드레이트로서, 가스-고체 상호작용 평가가 필요한 연구개발 및 소재 시험에 관련됨.
| CAS 번호 | 본 항목에 지정 없음 |
| 분류 | 가스 수화물(클라드레이트) |
| 일반 형태 | 분말 또는 결정 고체(클라드레이트) |
| 일반 등급 | EP |
수소 수화물은 분자 수소와 물 사이의 화학양론적 단축식 \(\ce{H4O}\)로 특징지어지는 분자 결합체이다. 구조적으로는 이수소 분자 \(\ce{H2}\)와 물 \(\ce{H2O}\)의 물리적 혼합물(특정 조건 하에서 클라드레이트 유사 결합)이 가장 적합한 설명이다. 전자 구조는 닫힌 껍질의 비극성 \(\ce{H2}\) 분자(게스트)와 극성의 수소 결합 네트워크를 형성하는 물(호스트)의 조합으로 우세하며, 이 조합으로 인해 분산력과 약한 호스트-게스트 상호작용이 안정성을 제어하는 한편, 물의 수소 결합 네트워크가 극성과 용해 특성을 지배하는 혼합 물리화학적 거동이 나타난다.
산-염기 및 반응성 관점에서 물 성분은 일반적인 프로틱(potic), 극성 매질을 제공하며, 분자 수소는 화학적으로 환원성이지만 적절한 촉매가 없는 경우 반응 속도론적으로 비활성이다. 복합 계의 친지질성은 물이 용매 접근 표면을 지배하기 때문에 최소화되지만, 중성 \(\ce{H2}\) 배열체는 비극성이며 클라드레이트 유사 구조가 형성될 경우 비극성 영역이나 공간으로 분배된다. 수화물 결합체는 공유 결합에 의한 새로운 화합물이 아닌 물리적 응집체로서 온도, 압력, 수소 출입을 촉진하는 핵 생성 사이트 또는 촉매 표면의 존재 여부에 따라 안정성이 크게 좌우된다.
상업적으로 보고되는 일반 등급에는 EP가 있다.
개요 및 조성
정성적 조성
- 형식적(기술적) 분자식: \(\ce{H4O}\).
- 성분: 분자 수소 \(\ce{H2}\)와 물 \(\ce{H2O}\).
- 계산 분자량: 20.031 \(\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}\).
- 정확한 질량: 20.026214747 \(\mathrm{u}\).
- 단일 동위원소 질량: 20.026214747 \(\mathrm{u}\).
- 수소 결합 공여자 수: 1.
- 수소 결합 수용자 수: 1.
- 토폴로지 극성 표면적(TPSA): 1 (계산값).
- 회전 가능한 결합 수: 0.
- 형식적 전하: 0.
- 공유 결합 단위 수: 2 (두 성분의 결합체임을 나타냄).
계산되었거나 제공자가 지정한 이름에는 "molecular hydrogen;hydrate"가 포함된다. 구조/기술 적 식별자: SMILES "[HH].O", InChI InChI=1S/H2O.H2/h1H2;1H, InChIKey VBYZSBGMSZOOAP-UHFFFAOYSA-N.
외관 및 일반 형태
현재 데이터 기준으로 본 물성에 대한 실험적 확립 값은 제공되지 않음.
수소-물 결합체의 분류 수준 거동: 상온 조건에서 수소는 낮은 용해도를 가진 별도의 저밀도 기체로 존재하며, 온도 감소 및 압력 상승, 또는 적합한 호스트 골격 존재 시 수소는 결정성 수화물 격자의 클라드레이트 유사 공간에 포획되어 고체상 수소 수화물이 된다. 이러한 클라드레이트 또는 수화물 형태는 일반적으로 극저온 또는 고압 실험 조건에서 관찰되며, 표준 실험실 온도 및 압력에서는 안정 물질로 존재하지 않는다. 실제 취급 시 수소는 대개 수중에 용해된 기체 형태이거나 별도의 기체상으로 존재하며, 적절한 조건 조작 없이는 수화물 형성이 이루어지지 않는다.
화학적 특성
반응성 및 부식 거동
수소 수화물 결합체는 분자 수소의 비활성과 물의 반응성 프로필을 결합한다. 주요 사항:
- 분자 수소(\(\ce{H2}\))는 환원제로서 대부분의 기질에 대해 상온에서는 반응 속도론적으로 비활성이며, 화학 변화를 일으키려면 촉매 활성화(금속 표면, 세분화된 촉매 또는 극한 조건)가 필요하다.
- 물은 프로틱 산성도/염기성을 제공하며, 수소 결합 네트워크에 참여한다. 이온 및 극성 종을 용매화하고 가수분해 반응을 중재할 수 있다.
- 수화물 결합체 자체는 화학적으로 강한 부식성은 없으나, 수소에 노출된 금속 및 합금에서는 특히 촉매적 또는 전기화학적 조건 하에서 원자 수소가 생성되어 수소 취성 현상을 촉진할 수 있다.
- 고체 또는 준안정 수화물이 분해되면 분자 수소와 물이 방출되며, 이러한 방출은 온도 또는 압력 변화 시 급격히 일어날 수 있다.
상용성 및 부적합성
- 강한 산화제와는 부적합한데, 방출된 수소가 가연성 환원종으로 작용하여 점화 조건에서 산화제와 격렬히 반응할 위험이 있다.
- 금속 촉매나 반응성 금속 표면은 \(\ce{H2}\)를 원자 수소로 분해할 수 있어 취성 및 예기치 않은 반응성 위험을 증가시킨다.
- 활성 수화물 형성 금속 및 합금(예: 세분화된 전이 금속)은 수소와 상호작용할 수 있으므로 저장 또는 용기 소재 선택 시 수소 유발 손상 가능성을 고려해야 한다.
- 현재 데이터에는 명시적 상용성 표가 없으며, 용기 및 시스템 소재 선택은 수소 서비스와 수계 시스템에 대한 설계 지침을 따라야 한다.
용도 및 안전
산업 및 상업적 사용 맥락
현재 데이터에는 간략한 용도 요약이 없으며, 본 물질은 위 기술된 일반 특성에 근거하여 선택된다. 일반적인 분류 수준의 용도 및 연구 환경은 다음과 같다:
- 수소 저장을 위한 수계 클라드레이트 또는 수화물 내 수소 연구 및 에너지 저장 연구를 위한 호스트-게스트 상호작용 실험.
- 수계 시스템 내 수소 용해도, 질량 전달, 기-액 상호작용에 관한 실험실 규모 연구.
- 가스 수화물 과학에서 압력 및 온도 의존 상변화 거동에 대한 기초 연구.
위험 및 취급 주의사항
- 가연성: 분자 수소는 매우 가연성이며 공기와 폭발성 혼합물을 형성한다. 수화물 분해나 고압 시스템 누출 등 \(\ce{H2}\) 방출 가능 과정에서는 점화원 제어, 적절한 환기 및 가스 감지가 필수적이다.
- 질식 위험: 밀폐 공간 내 방출된 수소가 산소를 대체하여 질식 위험을 초래할 수 있다.
- 압력 및 극저온 위험: 고체 수화물의 형성 또는 취급은 낮은 온도 및/또는 고압 환경을 수반하므로, 적합한 압력 등급 장비, 열 보호 및 안전한 감압 절차가 요구된다.
- 소재 고려사항: 취성 유발 금속에 대한 수소 취성 위험이 있으므로, 고압 또는 촉매 환경에서 수소 서비스에 적합하지 않은 소재 사용을 피해야 한다.
- 개인 보호 장비 및 엔지니어링 제어: 고압 가스 및 극저온 취급을 위한 표준 PPE, 가스 감지 시스템, 가연성 가스가 존재하는 경우 접지 및 본딩, 국소 배기/환기.
- 상세한 위해성, 운송 및 규제 정보는 제품별 안전보건자료(SDS) 및 현지 법규를 참고해야 합니다.
