불화수소

 

수소의 플루오린화물로서 무색의 유독성 기체이다. 수용액인 플루오린화 수소산은 할로젠 원소의 수소 화합물치고는 이례적으로 약산. 불산, 플루오르산, 불화수소산이라고도 불린다. 약산으로 유통되는 것은 HF의 수용액으로, 공업적인 생산은 형석을 고온의 황산과 반응시켜 만들며(무수불산), 핵연료 가공공장에서 UF6를 UO2로 만들 때도 부산물(수용액)로 나온다.

그리고 무엇보다도 일반인들은 절대 가까이 하지 말아야 될 정도로 매우 유독하고 위험한 물질이다.(산성이 약하다고 독성과 위험성이 약한 게 아니다.)

 

 

화학식은 HF. 무색투명한 기체 혹은 액체(19˚C 미만)로 발연성과 자극성이 매우 강하다. 불연성이라 불에 타거나 폭발하지는 않는다. 다만 반응성이 커서 금속 분말 따위를 끼얹으면 폭발한다. 물론 이건 불산만 그런 건 아니고 반응성이 큰 물질은 이런 경우가 많지만. 물과 매우 비슷한 액체지만 담겨 있는 모습이 물과 약간 다르다. 테플론 그릇에 담아두면 물과 달리 나무테처럼 동그란 물결이 희미하게 보인다. 물론, 증발하기 쉽고 유독하므로 벤트가 있는 곳에서만 사용해야 한다. 참고로 끓는점이 19.5˚C에 불과하기 때문에 실험실 온도를 저온으로 유지하거나 물에 희석해 쓴다.

반응성이 풍부해 촉매제나 탈수제로 이용하고, 반도체 실리콘 웨이퍼의 제조 과정 중 습식 세정에 사용되어 웨이퍼 표면의 산화물을 제거하는 데 사용되어 반도체 산업에 많이 사용된다. 물론, 웨이퍼를 수령하고 공정에 들어가기 직전에도 습식 세정을 하여 산화막을 없앨 때 자주 사용된다. HF에 노출된 실리콘 웨이퍼 표면은 재산화에 안정적이고 높은 저항성을 갖게 된다.  실리콘이란 게 오래 내버려두면 공기 중의 산소와 결합하여 매우 얇은 유리가 생기는데, 이걸 재산화라 표현하는 것이다. CPU나 DRAM을 만들 때는 진공 시설에서 열을 줘 가속시키는 Thermal Oxidation이라는 공정을 사용한다.

유리를 녹이기 때문에 예전부터 유리의 세공에 사용되었고 이외에도 옥탄가가 높은 휘발유를 만들 때와 용접이나 로켓 연료를 만들 때에도 사용된다.

또한 알루미늄 제련에 필요한 빙정석을 인공적으로 생산하는 데도 많이 쓰인다. 이외에도 세정제, 부식액, 불화물이나 유기불소 화합물의 생성에 사용되기도 한다. 프라이팬에 코팅되는 물질이자 플루오린화수소 자기 자신을 보관하는 용기를 만드는 데에도 쓰이는 테플론 역시 플루오린화수소 없이는 만들기 힘들다.

각종 초강산을 합성할 때도 사용된다. 플루오린화 수소산 자체는 약산이지만 다른 물질과 반응해 pH가 0 이하로 내려가는 온갖 해괴한 산성 물질들이 튀어나오는 것. 당장 항목 들어가서 초강산들의 목록을 살펴봐도 분자에 플루오린이 끼어있는 경우가 꽤 많다. 이런 경우 대부분 플루오린화수소가 합성 과정에 들어간다.

이렇게 상당히 유용하고 쓰임새가 풍부한 물질이다.

 

다른 할로겐 원소와 수소와의 화합물이 전부 강산인 것과는 달리, 약산이다. pKa는 3.2 정도. 단, 고농도 불산의 경우 황산과 맞먹는 강산이다. 이는 농도가 매우 진해져서 용매가 물이 아니라 불산 분자가 되는 경우에 한해서 그렇다. 묽은 불산의 경우 HF + H2O ⇄ H3O+ + F-의 일반적인 산해리반응만 일어나지만 진한 불산의 경우 불산이 스스로 2 HF ⇄ H2F+ + F-를 만들어낸 후, 주변에 널리고 깔린 해리가 안 된 HF와 반응해서 또 다른 화학평형인 HF + F- ⇄ HF2- 를 이루기 때문이다. Homoassociation이라 불리는 과정으로 생성된 F-가 HF에 의해서 안정화되어 자체해리반응인 2 HF ⇄ H2F+ + F- 가 우변으로 확 쏠려버리기 때문. 여기에 물이 투입되면 위에서 기술된 대로 H2F+의 양성자가 H3O+로 바뀌고 이 녀석이 다시 F-에 묶여서 얌전한 약산이 된다.

특이한 것은 유리를 녹일 수 있는 산이라는 것이다!!! 그 때문에 화학계통 한정의 마이너한 공대개그로 '체내(혈관이라든가)에 유리조각이 들어가면 이걸 주입해서 안전하게 녹여 내상을 방지할 수 있다.' 같은 낚시를 시전하는 경우가 있는데, 아래 항목에서도 설명하겠지만 절대로 해서는 안 된다!!! 유리를 녹일 수 있다고 했지 유리만 녹인다고 하진 않았다.

엎지르지만 않으면 얌전한 황산이나 왕수에 비하여 불산은 훨씬 고약한 녀석이기 때문에 어지간한 실험실에서는 취급하지 않는다.

플루오린의 반응성이 무지막지하므로, H+ 외의 음이온의 활성이 별로 없는 다른 산, 심지어 음이온이 꽤 좋은 산화제인 질산마저도 능가하는 반응성을 보인다. 어지간한 금속들은 물론이거니와 심지어 규소 화합물인 유리나 실리콘 등도 녹인다. 따라서 취급 시에는 백금, 하스텔로이 계열, 스테인레스 계열, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 테플론 계열 기구를 사용해야만 한다. 보관은 플라스틱에 하는 게 대부분. 이 때문에 보통 반도체 공정 시 실리카를 패터닝하는 데 많이 사용된다. 주로 Wet Etch공정에 사용되는데, 대학원 랩에서 물과 헷갈려서 유리 비커에 넣고 실험하다가는 쫓겨날 각오를 해야 할 것이다. 물론, 이 공정에 쓰이는 물질은 주로 NH4F와 물로 대량 희석한 Buffered HF, BHF라 불리는 물건인데, 이놈도 피부에 떨어졌다가는... 너는 이미 죽어있다.

제법은 보통 형석(CaF2)에 황산을 가한 다음 가열하여 반응시키는 것이다.

물과 매우 잘 섞이며, 강력한 수소 결합으로 다시 분리하기가 쉽지 않다. 수용액은 보통 플루오린화수소산(Hydrofluoric Acid)이라고 부른다. 이 화합물에서 플루오린을 분리하기 위해 수많은 사람들이 플루오린의 독성에 희생당했다. 그래서 이것을 발견한 무아상 또한 한쪽 눈을 잃었다고...