비화학양론적 화합물(세라믹)

고체상의 무기화합물에서 비화학양론적 즉 원소의 비율이 분자식과 같이 정확한 정수의 비율로 구성되어 있지 않은 경우가 발생하는데 이것을 비화학양론적 화합물이라고 부른다.

화합물의 비화학양론적 특성은 그림과 같이 결정구조 내에서 실제 원자가 있어야 할 자리에 원자가 없거나 다른 자리에 있는 경우(공공, vacancy 혹은 dislocation/Frenkel Pair), 불순물이 원래 원자의 자리를 치환하는 경우(substitution) 혹은 작은 원자들이 원자들 사이에 끼어 들어가는 경우(interstitial) 발생한다. 이 경우

비화학양론적 화합물은 물질의 비화학양론적 특성을 주장한 화학자인 프랑스의 베르톨라이드(Claude Louis Berthollet)의 이름을 따서 베르톨라이드 화합물(berthollide)이라고도 불린다.

일반적으로 고체는 전체적으로(거시적인 결정의 측면에서) 전기적으로 중립이기 때문에, 그 산화의 상태를 변화시키거나, 다른 전하를 가진 다른 원소의 원자로 대체함으로써 이와 같은 결함을 보상하게 된다. 그러나, 비화학양론적인 특성 때문에 특이한 전기적, 화학적 특성을 가지는 경우가 많다. 예를 들어, 원자가 없을 때, 전자는 고체를 더 빨리 통과할 수 있으며, 이는 비화학양론적 화합물이 초전도성 재료와 전기화학(즉, 배터리) 시스템 설계에 응용될 수 있게 한다.

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그림. 비화학양론적 화합물 생성의 원인

주요 비화학양론적 화합물 및 용도

대부분의 산화물 촉매들은 산화반응을 일으키면서 반응을 일으키는 표면은 비화학양론적을 특성을 띄는 것으로 여겨진다.

산화아연(ZnO)는 다량의 산소공공을 가지고 있는 것으로 알려져 있으며, 산화아연의 이와 같은 특성은 전극재료, 산소센서로 쓰일 수 있게 한다. 자동차 배기 시스템의 CeO2 기반 센서 역시 비화학양론적인 특성을 띈다.

일반적으로 산화철(II)의 분자식은 FeO로 알려져 있으나, 실제 원자의 비율은 Fe0.95O에 가깝다. 이와 같은 특성에 따라, 본 결정구조 내에서 상당량 Fe 원자는 Fe3+로 구성되어, 전체 결정구조에서 전하의 균형을 맞추게 된다.

황화철 또한 비화학양론적인 구성을 가진다. 일반적으로 황화철은 Fe7S8, Fe9S10, Fe11S12 등으로 이루어 지는 다수의 서로 다른 결정체를 가지고 있으며, 이들은 격자 내 철의 결함으로 인해 철의 비중이 낮은 편이다.

텅스텐의 산화물, 즉 삼산화 텅스텐(WO3)은 결정구조내에 산소가 약간 부족한 편이다. 실제 분자식은 WnO3n-2(여기서 n = 20, 24, 25, 40)으로 구성된다.

고온 초전도체인 이트륨-바륨-구리 산화물(Ittrium barium copper oxide)은 YxBa2Cu3O7-x 의 분자식을 가지며, 초전도성을 가지게 되는 임계 온도는 x의 정확한 값에 따라 달라진다.