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인산철
인산철(燐酸鐵, iron(iii) phosphate, Eisenphosphat)은 인산고철이라고도 하며 백색 또는 회백색의 단사결정 분말이다. 분자식은 무수물이 FePO₄ , 이수화염은 FePO₄.2H₂O이다. 철분염 용액과 인산나트륨이 작용하는 소금으로 이 중 철분은 정3가이다. 주요 용도는 리튬인산철 배터리 소재, 촉매제 및 세라믹 등을 제조하는데 사용된다. FePO₄.2H₂O은 미황색 또는 담황색의 분말로 냄새가 없으며 철분을 26∼32% 함유하고 있는 강화제이다. 물에 녹지 않고 질산에 서서히, 염산에 쉽게 용해하며, 140℃에서 결정을 상실한다.
2가 및 3가 철의 오르토인산염이 알려져 있다. 2가 철 및 3가 철을 함유한 인산염으로는 남철광의 변종이 알려져 있는데, 조성은 분명하지 않다. 이것은 새로 침전된 인산철(Ⅱ)를 공기 중에서 산화하여 만들 수도 있다.
(오르토)인산철(Ⅱ), (오르토)인산제일철 [英 iron(Ⅱ)(ortho)phosphate, ferrous(ortho)phosphate 獨 Eisen(Ⅱ)-(ortho)phosphat, Ferro(ortho)phosphat] Fe₃(PO₄)₂＝357.50. 1, 6, 및 8수화염이 생긴다. 8수화염이 가장 보통이고 천연적으로 남철광으로 산출된다.
제법
- 1수화염 : 인산이수소철(Ⅱ) 1수화염을 물과 함께 250℃로 가열한다. 6수화염 : 탄산철(Ⅱ)를 과잉의 인산암모늄과 함께 83℃에서 장시간 가열한다. 8수화염 : 1) 철(Ⅱ)염 용액에 인산수소이나트륨 용액을 넣고, 침전을 과잉의 침전제와 함께 8일간, 50~60℃로 방치한다. 2) 황산철(Ⅱ)암모늄 혹은 황산철(Ⅱ) 용액에 공기를 차단하고 인산수소이나트륨과 아세트산나트륨을 넣고 2~3일 방치한다. 3) 봉관 속에서 철(Ⅱ) 용액과 인산수소이암모늄을 가열한다.
- 2수화염 : 염화철(Ⅲ) 용액을 인산과 함께 봉관 속에서 180~190℃에서 2~3시간 가열한다. 2.5수화염 : 염화철(Ⅲ)과 인산을 물중탕 위에서 가열하고 차가운 물로 씻어 진공 중 진한 황산 위에서 가열한다. 함수량 불명의 함수염 : 중성 혹은 아세트산 산성 철(Ⅲ)염 용액에 인산수소이나트륨을 넣는다. 여분의 산과 때로는 알칼리를 함유한다.
특성
- 1수화염 : 암녹색의 결정 입자. 6수화염 : 백색 덩어리. 공기 중에서 녹색이 된다. 8수화염 : 백색 결정성 분말. 단사 결정계. d 2.58. 공기 중에서 빠르게 청색이 된다. 단, 제법 3)으로는 남철광과 달리 공기 중에서 황색 또는 황록색이 된다. 물에 녹지 않는다. 산에 녹는다. 수소염으로는 FeHPO₄(1수화염 및 2수화염)와 Fe(H2PO₄)2(2수화염)이 생긴다. (오르토)인산철(Ⅲ), (오르토)인산제이철 [英 iron(Ⅲ)(ortho)phosphate, ferric(ortho)phosphate 獨 Eisen(Ⅲ)-(ortho)phosphat, Ferri(ortho)phosphat] FePO₄＝150.83. 2수화염, 2.5수화염 및 함수량 불명의 함수염이 생긴다. 2수화염은 천연적으로 스트렝석으로 산출되며 3수화염이 코닌카이트로 산출된다.
- 2수화염 : 장미색의 결정. 단사 결정계. d 2.87, nD 1.70~1.76. 용해도 차가운 물에는 녹지 않는다 ; 100℃, 0.67g/100g : 질산에 녹지 않는다. 염산에 녹는다. 2.5수화염 : 연한 장미색의 분말. 가열하면 110℃에서 물을 잃기 시작하여 170~180℃에서 대부분 물을 잃는다. 물에 잘 녹지 않는다. 질산에 천천히 녹고, 염산에 녹지 않는다. 함수량 불명의 함수염 : 황백색의 겔 상태 침전. 수소 속에서 가열하면 피로인산철(Ⅱ)를 거쳐 인화철이 된다. 물과 함께 고온에서 수소로 처리하면 인산철(Ⅲ)철(Ⅱ)를 만든다. 이것은 철(Ⅱ)의 함량에 따라 녹, 청 또는 흑색을 띤다. 물에 잘 녹지 않는다. 뜨거운 물로 씻으면 인산을 잃고 마지막에 수산화철(Ⅲ)이 된다. 무기산에 녹는다. 아세트산에 녹지 않는다. 또 황색의 염화철(Ⅲ) 용액에 인산을 과잉으로 넣으면 포스파토철(Ⅲ) 착염을 만들고 무색이 된다. 수소염으로는 FeH₃(PO₄)₂ㆍ2H₂O와 Fe(H₂PO₄)₃(무수염 및 2수화염)이 있고 염기성염으로는 여러 가지 조성의 것이 천연적으로 광물로서 산출된다.
용도
주로 리튬 인산철 배터리 소재를 제조하는데 사용되며 촉매제 및 세라믹 제조 등에도 사용된다.
인산철은 유기 농업에서 사용을 허가한 몇 안 되는 멸나제(灭螺剂) 중의 하나다. 기존에 쓰던 포름알데히드와 달리 애완동물이나 야생동물에는 독이 없다.
강철과 금속 제조 공정에도 사용된다. 인산철을 금속 표면에 붙이면 금속이 더욱 산화되는 것을 방지할 수 있다.
인산철도료는 주로 철이나 강철 표면의 부착력을 증가시키기 위해 기초적인 코팅으로 사용된다. 또한 녹 방지 처리에도 자주 사용된다. 원단이나 나무, 또는 다른 재료들을 위 재료의 표면에 붙이는 용도로도 쓰인다. 인산철을 칠하는 것은 일반적으로 스프레이 페인트나 파우더로 칠하는 과정의 일부분이라 할 수 있다.
전도율이 낮지만 재료공학자들이 전기전도율 문제를 해결하면서 인산철도 리튬이온 배터리의 전극 소재로 많이 사용되고 있다. FePO₄는 열에 안정적이기 때문에, 비교적 쉽게 재활용이 가능하며 전기자동차 배터리의 이상적인 전극 재료이다.
참고자료
같이 보기
