산화 납

산화 납(II)는 화학식 PbO를 가지는 납의 산화물이다. 일산화 납이라고도 불리며, 리사지 또는 리타지라는 별칭으로 알려져 있다. 이 화합물은 황색 또는 적색의 고체 형태로 존재하며, 이는 결정 구조의 차이에 기인한다. 황색형은 사방정계 구조를, 적색형은 사방정계 구조를 가지는 것으로 알려져 있다.

산화 납(II)는 물에는 거의 녹지 않는 불용성 물질이다. 그러나 산에는 용해되어 해당 납 염을 형성한다. 공기 중에서 가열하면 산소를 추가로 흡수하여 산화 납(IV)로 더 산화될 수 있다. 또한 강한 환원제를 사용하면 금속 납으로 환원된다.

제조 방법으로는 금속 납을 공기 중에서 가열하는 방법이 일반적이다. 이 과정에서 납이 산소와 반응하여 산화 납(II)이 생성된다. 또는 질산 납이나 탄산 납과 같은 납 염을 열분해하여 순수한 산화 납(II)을 얻을 수도 있다.

주요 용도는 유리 및 세라믹 산업, 특히 크리스탈 유리와 납 유리의 제조에 있다. 또한 다양한 납 화합물을 만드는 중간체로 사용되며, 과거에는 페인트의 안료나 배터리의 재료로도 쓰였다. 그러나 납의 독성 문제로 인해 이러한 용도는 현재 크게 제한되었다.

산화 납(IV)는 화학식 PbO2를 가지는 화합물로, 이산화 납이라고도 불린다. 이 물질은 갈색 또는 검은색을 띠는 무정형 또는 정방정계 결정 형태의 고체이다. 산화 납(IV)는 강한 산화제로 작용하며, 특히 산성 환경에서 그 성질이 두드러진다. 납-산 배터리의 양극 활물질로 사용될 때, 이 산화 능력이 전기 에너지를 생성하는 데 핵심적인 역할을 한다.

산화 납(IV)는 일반적으로 산화 납(II)을 알칼리성 매체에서 산화시키거나, 납 염 용액을 전기 분해하는 방법으로 제조한다. 이 물질은 열에 대해 안정하지 않아 가열하면 산소를 방출하면서 산화 납(II,IV) (Pb3O4)를 거쳐 최종적으로 산화 납(II) (PbO)로 분해된다. 이는 산화 납(IV)가 높은 산화 상태에 있기 때문이다.

주요 용도는 자동차용 납축전지의 양극판 제조에 있다. 방전 시 이산화 납은 황산과 반응하여 황산납으로 환원되며, 충전 시 다시 이산화 납으로 산화된다. 이 외에도 화학 산업에서 산화제로, 그리고 일부 특수 유리나 도자기 안료로 제한적으로 사용된다. 그러나 납 화합물의 독성으로 인해 그 용도는 점차 줄어드는 추세이다.

혼합 산화 납은 산화 납(II)과 산화 납(IV)이 혼합된 형태로, 일반적으로 삼산화 이납(Pb3O4)을 가리킨다. 이 화합물은 밝은 적색을 띠기 때문에 적색 산화 납 또는 미녹으로도 불린다. 이는 산화 납(II)을 약 450~500°C의 온도에서 공기 중에서 가열하여 제조한다.

삼산화 이납의 화학 구조는 2분자의 산화 납(II)(PbO)과 1분자의 산화 납(IV)(PbO2)이 결합한 Pb2IIPbIVO4로 생각할 수 있다. 이는 산화 납(II)이 부분적으로 산화된 결과 형성된다. 이 물질은 산화 납(II)과 달리 물에는 거의 녹지 않으나, 질산과 같은 산에는 녹아서 산화 납(II) 이온과 이산화 납을 생성한다.

주요 용도는 방청 기능을 가진 철강 구조물의 프라이머 도료인 연단(레드 리드 옥사이드)이다. 그 밖에 유리, 세라믹, 일부 종류의 고무 제품의 착색제로 사용되기도 했다. 그러나 납의 독성으로 인해 현재 많은 용도에서 사용이 제한되거나 대체 재료로 교체되고 있다.

산화 납(II)는 고체 상태로 존재하며, 황색과 적색의 두 가지 결정 형태를 가진다. 황색 형태는 리사지, 적색 형태는 리타지라고 불린다. 이 두 형태는 같은 화학식을 공유하지만 원자 배열이 다르다. 황색 리사지는 사사면체 구조를, 적색 리타지는 사각평면층 구조를 이루며, 약 488 °C 이상에서는 적색 형태가 안정하다. 두 형태 모두 물에는 거의 녹지 않는 불용성이다.

물리적 특성으로는 높은 밀도(약 9.53 g/cm³)와 비교적 높은 녹는점(약 888 °C)을 보인다. 이러한 높은 밀도는 납 원자의 무거운 질량에 기인한다. 끓는점은 약 1472 °C에 이른다. 전기적 성질 측면에서는 반도체 특성을 나타내며, 특히 적색 형태가 더 높은 전기 전도성을 보인다.

산화 납(II)는 산화 납 중 가장 기본적인 형태로, 산과 염기 모두와 반응하는 양쪽성 산화물이다. 산과 반응하면 해당 납(II) 염을 생성하고, 강염기와 반응하면 플럼베이트 이온(PbO2^2-)을 포함하는 염을 생성한다. 공기 중에서 가열하면 산소를 흡수하여 산화 납(IV)로 산화될 수 있으며, 이는 납-산 축전지의 양극 활물질로 사용되는 원리이다.

산화 납(II)는 환원제에 의해 금속 납으로 환원된다. 예를 들어, 일산화탄소나 수소, 탄소와 같은 환원성 물질과 고온에서 반응하면 금속 납이 생성된다. 이 성질은 납의 제련 공정에서 활용된다. 또한 유리나 도자기 제조에서 산화 납(II)는 강한 염기로 작용하여 규산염과 반응하여 납 규산염 유리를 형성하는데, 이는 유리의 굴절률을 높이고 광학적 특성을 부여한다.

산화 납(IV)는 강한 산화제로 작용한다. 염산과 반응하면 염소 가스를 발생시키며, 이 반응은 역사적으로 염소 제조에 사용되기도 했다. 이산화 납은 산성 환경에서 특히 산화력이 강하며, 납-산 축전지에서 방전 시 이산화 납이 환원되어 황산납(II)으로 변환되는 과정이 전기를 발생시킨다.

혼합 산화 납인 삼산화 이납(Pb3O4)은 산화 납(II)와 산화 납(IV)의 혼합물로 간주될 수 있으며, 열에 대해 불안정하다. 가열하면 산소를 방출하며 산화 납(II)로 분해된다. 이 물질은 흔히 '연단'이라고 불리며, 밝은 적색을 띠는 성질로 인해 방청 도료의 색소로 오랫동안 사용되었다.

산화 납(II)는 다양한 산업 분야에서 중요한 원료로 사용된다. 가장 대표적인 용도는 유리 제조, 특히 결정 유리와 광학 유리의 생산이다. 산화 납(II)를 첨가하면 유리의 밀도와 굴절률이 높아져 광학 기기용 렌즈나 장식용 크리스탈 제품을 만드는 데 적합해진다. 또한 방사선을 차단하는 성질을 이용해 방사선 차폐용 유리나 CRT 모니터의 흑연 유리 제조에도 활용되었다.

세라믹 산업에서는 유약과 안료의 성분으로 쓰인다. 특히 납 유약은 융점을 낮추고 광택을 부여하여 도자기 표면을 매끄럽고 반짝이게 만든다. 황색 산화 납(II)는 '납황'이라 불리는 황색 안료의 주성분이었으나, 납의 독성 문제로 현재는 사용이 크게 제한되었다.

전자 산업에서는 중요한 기능성 재료이다. 산화 납(II)는 납-산 배터리의 양극 활물질인 이산화 납(PbO2)을 제조하는 중간체 역할을 한다. 또한 압전 세라믹 소자인 PZT(납 지르코네이트 티탄산염)의 주요 구성 성분으로, 센서나 액추에이터 등 정밀 전자 부품 제작에 필수적이다.

그 외에도 고무 가공의 가황 촉진제, 윤활유 첨가제, 그리고 일부 약품의 원료로 사용되기도 한다. 그러나 납 화합물의 유해성으로 인해 환경과 인체에 노출될 수 있는 용도는 점차 규제를 받고 있으며, 무독성 대체 재료를 찾는 연구가 지속되고 있다.

산화 납(IV), 즉 이산화 납(PbO₂)은 강력한 산화제로서의 성질을 바탕으로 여러 분야에서 활용된다. 가장 대표적인 용도는 납축전지(자동차 배터리)의 양극 재료이다. 방전 시 이산화 납이 환원되어 황산납(II)으로 변하고, 충전 시 다시 이산화 납으로 산화되는 반응을 이용하여 전기를 저장하고 공급한다. 이는 납축전지의 핵심 작동 원리이다.

화학 산업에서는 유기 화합물의 합성 과정에서 산화제로 사용되기도 한다. 또한, 과산화수소(H₂O₂)의 제조나 일부 폭발물의 제조에 촉매 또는 산화제 역할을 한다. 과거에는 성냥의 발화제나 염료 제조에도 쓰였으나, 납의 유해성으로 인해 이러한 용도는 현재 크게 줄었다.

이산화 납은 갈색 또는 검은색을 띠는 고체로, 안료나 유약으로도 사용될 수 있으나, 납의 독성 문제로 인해 일반적인 예술품이나 생활용품에는 제한적으로만 적용된다. 현대에는 주로 산업용 전지의 재료로서 그 중요성이 집중되어 있다.

혼합 산화 납, 특히 삼산화 이납(Pb3O4)은 적색 산화 납으로도 불리며, 그 독특한 선명한 적색 덕분에 역사적으로 가장 중요한 용도는 안료이다. 이 적색 안료는 납연(鉛丹, minium)이라고 불리며, 철강 구조물의 방청용 도료인 프라이머 페인트에 널리 사용된다. 또한 예술가용 유화 물감과 세라믹 유약, 유리 착색제로도 활용된다.

산업적으로는 이 물질이 강한 산화제 역할을 할 수 있다는 점을 이용해, 고무 제품의 가황 과정에서 가황 촉진제로 사용되기도 한다. 그러나 납의 독성 문제로 인해 이 용도는 점차 다른 물질로 대체되는 추세이다. 또한 일부 특수 유리와 크리스털 제조에도 사용된다.

전기 화학 분야에서는 납-산 배터리의 양극 활물질로 산화 납(IV)과 함께 사용되기도 하지만, 이는 주로 이산화 납의 역할이며, 혼합 산화 납 자체는 배터리 제조 과정에서 중간체로 생성될 수 있다.