텅스텐

화학 원소

텅스텐(문화어: 탕그스텐←스웨덴어: Tungsten 퉁스텐[*]) 또는 볼프람(문화어: 월프람←독일어: Wolfram)은 화학 원소로 기호는 W(←라틴어: Wolframium 볼프라미움[*]), 원자 번호는 74이다. 텅스텐이라는 말은 스웨덴어로 '무거운 돌'을 의미하기[1][2] 때문에 한자어로 중석(重石)이라고도 부른다. 무겁고 매우 단단한 전이 금속으로 철망가니즈중석과 회중석 등의 광석에서 산출된다. 1781년에 처음 발견되어 1783년에 순수한 형태로 분리되었다. 금속원소들 중 녹는점이 가장 높으며, 밀도는 19.3g/cm3으로 이나 우라늄과 비슷하다. 순수한 텅스텐은 단단하면서도 연성이 뛰어나며, 불순물이 소량 첨가되면 단단하지만 부서지기 쉬워 가공하기 어려워진다.

텅스텐(74W)
개요
영어명Tungsten
표준 원자량 (Ar, standard)183.84(1)
주기율표 정보
수소 (반응성 비금속)
헬륨 (비활성 기체)
리튬 (알칼리 금속)
베릴륨 (알칼리 토금속)
붕소 (준금속)
탄소 (반응성 비금속)
질소 (반응성 비금속)
산소 (반응성 비금속)
플루오린 (반응성 비금속)
네온 (비활성 기체)
나트륨 (알칼리 금속)
마그네슘 (알칼리 토금속)
알루미늄 (전이후 금속)
규소 (준금속)
인 (반응성 비금속)
황 (반응성 비금속)
염소 (반응성 비금속)
아르곤 (비활성 기체)
칼륨 (알칼리 금속)
칼슘 (알칼리 토금속)
스칸듐 (전이 금속)
타이타늄 (전이 금속)
바나듐 (전이 금속)
크로뮴 (전이 금속)
망가니즈 (전이 금속)
철 (전이 금속)
코발트 (전이 금속)
니켈 (전이 금속)
구리 (전이 금속)
아연 (전이후 금속)
갈륨 (전이후 금속)
저마늄 (준금속)
비소 (준금속)
셀레늄 (반응성 비금속)
브로민 (반응성 비금속)
크립톤 (비활성 기체)
루비듐 (알칼리 금속)
스트론튬 (알칼리 토금속)
이트륨 (전이 금속)
지르코늄 (전이 금속)
나이오븀 (전이 금속)
몰리브데넘 (전이 금속)
테크네튬 (전이 금속)
루테늄 (전이 금속)
로듐 (전이 금속)
팔라듐 (전이 금속)
은 (전이 금속)
카드뮴 (전이후 금속)
인듐 (전이후 금속)
주석 (전이후 금속)
안티모니 (준금속)
텔루륨 (준금속)
아이오딘 (반응성 비금속)
제논 (비활성 기체)
세슘 (알칼리 금속)
바륨 (알칼리 토금속)
란타넘 (란타넘족)
세륨 (란타넘족)
프라세오디뮴 (란타넘족)
네오디뮴 (란타넘족)
프로메튬 (란타넘족)
사마륨 (란타넘족)
유로퓸 (란타넘족)
가돌리늄 (란타넘족)
터븀 (란타넘족)
디스프로슘 (란타넘족)
홀뮴 (란타넘족)
어븀 (란타넘족)
툴륨 (란타넘족)
이터븀 (란타넘족)
루테튬 (란타넘족)
하프늄 (전이 금속)
탄탈럼 (전이 금속)
텅스텐 (전이 금속)
레늄 (전이 금속)
오스뮴 (전이 금속)
이리듐 (전이 금속)
백금 (전이 금속)
금 (전이 금속)
수은 (전이후 금속)
탈륨 (전이후 금속)
납 (전이후 금속)
비스무트 (전이후 금속)
폴로늄 (전이후 금속)
아스타틴 (준금속)
라돈 (비활성 기체)
프랑슘 (알칼리 금속)
라듐 (알칼리 토금속)
악티늄 (악티늄족)
토륨 (악티늄족)
프로트악티늄 (악티늄족)
우라늄 (악티늄족)
넵투늄 (악티늄족)
플루토늄 (악티늄족)
아메리슘 (악티늄족)
퀴륨 (악티늄족)
버클륨 (악티늄족)
캘리포늄 (악티늄족)
아인슈타이늄 (악티늄족)
페르뮴 (악티늄족)
멘델레븀 (악티늄족)
노벨륨 (악티늄족)
로렌슘 (악티늄족)
러더포듐 (전이 금속)
더브늄 (전이 금속)
시보귬 (전이 금속)
보륨 (전이 금속)
하슘 (전이 금속)
마이트너륨 (화학적 특성 불명)
다름슈타튬 (화학적 특성 불명)
뢴트게늄 (화학적 특성 불명)
코페르니슘 (전이후 금속)
니호늄 (화학적 특성 불명)
플레로븀 (화학적 특성 불명)
모스코븀 (화학적 특성 불명)
리버모륨 (화학적 특성 불명)
테네신 (화학적 특성 불명)
오가네손 (화학적 특성 불명)
Mo

W

Sg
TaWRe
원자 번호 (Z)74
6족
주기6주기
구역d-구역
화학 계열전이 금속
전자 배열[Xe] 4f14 5d4 6s2
준위전자2, 8, 18, 32, 12, 2
텅스텐의 전자껍질 (2, 8, 18, 32, 12, 2)
텅스텐의 전자껍질 (2, 8, 18, 32, 12, 2)
물리적 성질
겉보기회백색
상태 (STP)고체
녹는점3695 K
끓는점5828 K
밀도 (상온 근처)19.25 g/cm3
융해열52.31 kJ/mol
기화열806.7 kJ/mol
몰열용량24.27 J/(mol·K)
증기 압력
압력 (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
온도 (K) 3477 3773 4137 4579 5127 5823
원자의 성질
산화 상태6, 5, 4, 3, 2 (약산성 산화물)
전기 음성도 (폴링 척도)2.36
이온화 에너지
  • 1차: 770 kJ/mol
  • 2차: 1700 kJ/mol
원자 반지름135 pm (실험값)
193 pm (계산값)
공유 반지름146 pm
Color lines in a spectral range
스펙트럼 선
그 밖의 성질
결정 구조체심 입방정계 (bcc)
음속 (얇은 막대)(단조됨) 4620 m/s (실온)
열팽창4.5 µm/(m·K) (25 °C)
열전도율173 W/(m·K)
전기 저항도52.8 n Ω·m (20 °C)
영률411 GPa
전단 탄성 계수161 GPa
부피 탄성 계수310 GPa
푸아송 비0.28
모스 굳기계7.5
비커스 굳기3430 MPa
브리넬 굳기2570 MPa
CAS 번호7440-33-7
동위체 존재비 반감기 DM DE
(MeV)
DP
180W 0.12% 1.8×1018 y α 2.516 176Hf
181W 인공 121.2 d ε 0.188 181Ta
182W 26.50% 안정
183W 14.3% 안정
184W 30.64% 안정
185W 인공 75.1 d β- 0.433 185Re
186W 28.43% 안정
보기  토론  편집 | 출처
텅스텐 봉

순수한 텅스텐은 전기·전자 분야에 쓰이지만 주로 화합물이나 합금으로 널리 쓰인다. 전구의 필라멘트가 가장 대표적이다. 또, 텅스텐은 단단하고 밀도가 높으므로 군용 목적으로는 전차장갑을 뚫는 탄에도 많이 활용된다.

특성 편집

물리적 특성 편집

순수한 텅스텐은 은회색의 광택을 가지는 단단한 금속으로, 전성연성이 뛰어나 가공하기가 쉽다. 그러나 불순물이 약간 섞이면 단단하면서도 부서지기 쉬워지는 단점이 있다.

텅스텐은 모든 원소들 중 녹는점이 가장 높고(3422 °C) 1650 °C 이상에서 증기압이 가장 낮은 원소이기도 하다. 비록 탄소고체 상태로 존재하는 온도가 더 높기는 하지만 탄소는 약 4027 °C에서 액체 상태를 거치지 않고 바로 기체승화하기 때문에 녹는점이 가장 높은 원소는 텅스텐이다. 또, 텅스텐의 인장 강도는 모든 원소들 중에서 가장 높은데 이는 5d 오비탈전자들이 텅스텐 원자들을 서로 강하게 결합시키고 있기 때문이다. 따라서 강철에 약간의 텅스텐을 첨가하면 그 강도가 매우 높아진다. (탄화텅스텐(WC)은 가장 강한 물질중 하나(질화붕소(BN), 탄화텅스텐(WC), 질화규소(Si₃N₄))이다. )

텅스텐의 안정된 동위원소는 Tungsten - 180(99.99491974285%+), Tungsten - 182, Tungsten - 183, Tungsten - 184, Tungsten - 186 이고, 텅스텐의 모든 알려진 동위원소는 Tungsten - 158 ~ Tungsten - 192 (35가지)이다. {이 문단 업데이트 날짜는 2019년 2월 11일임}

또한, 텅스텐은 두 종류의 원자 배열을 가진다. 하나는 α 텅스텐으로 체심 입방정계 구조이며, 텅스텐 구조들 중 가장 안정하다. β 텅스텐은 A15 등축정계 구조를 갖는데 준안정하며, 일반적인 상태에서 α 구조일 때와 함께 존재할 수 있다. α 구조는 전기 저항이 β 구조일 때의 1/3이며, 초전도체가 되는 임계온도는 약 0.015K로 β 구조일 때 1~4K인 것보다 낮다. 두 종류의 구조를 혼합하면 그 중간 정도의 임계온도를 나타낸다. 텅스텐과 다른 금속을 혼합하여 만든 합금은 그보다도 더 높은 임계온도를 나타내는데, 이들은 저온 초전도체 회로에 사용된다. 대표적인 예로 텅스텐-테크네튬 합금이 있다.

생물학적 특성 편집

원자 번호 74번인 텅스텐은 생물학적 역할이 있다고 알려진 원소들 중 가장 무거운 원소로, 진핵생물을 제외한 일부 세균들이 사용한다. 텅스텐을 사용하는 효소들은 일반적으로 카르복시산알데하이드환원시키는 역할을 한다. 산화 환원 효소들의 경우 산화 반응의 촉매로 사용하기도 한다. 텅스텐을 필요로 하는 일부 효소의 경우 셀레늄도 함께 필요로 하는 경우가 있는데, 이러한 조합은 몰리브데넘-의 조합과 비슷한 역할을 한다.

또한, 텅스텐은 토양 속에서 산화하여 양이온이 된다. 이러한 텅스텐 양이온은 토양 속에 사는 원핵생물들이 특정 효소 내에서 몰리브데넘 대체용으로 사용하기도 한다. 토양의 산성도에 따라 텅스텐이 중합되는 정도가 달라지기도 한다. 일반적으로 토양이 산성일 경우 텅스텐 중합체가 잘 형성된다.

역사 편집

텅스텐은 1781년 칼 빌헬름 셸레가 발견하였다. 당시 그는 회중석에서 얻을 수 있는 텅스텐산을 처음으로 발견하고는 이 환원시켜 새로운 금속 원소를 얻을 수 있을 것이라고 예측했다. 1783년에는 엘야르 형제(Jose Elhuyar, Fausto Elhuyar)가 철망가니즈중석에서 같은 물질을 발견하였고 이를 목탄으로 환원시켜 순수한 텅스텐을 발견하였다.

제2차 세계대전 동안에는 텅스텐이 군사적으로 중요한 역할을 하였다. 텅스텐은 높은 온도에서도 잘 견디고 다른 금속과 섞으면 강도가 높아지는 성질이 있어 군용으로 많이 사용된다. 이 때문에 당시 유럽 내 주요 산지였던 포르투갈파나스케이라 지방의 철망가니즈중석 자원 때문에 연합국추축국 모두로부터 압력을 받기도 하였으나, 동시에 이득을 취하기도 하였다.

한편, 텅스텐이라는 이름은 스웨덴어 tung sten에서 유래한 것인데, 이는 고대 스웨덴어로 회중석을 지칭하는 말이며, '무거운 돌(중석)'이라는 뜻이다. 따라서 텅스텐이라는 이름은 스칸디나비아 지역에서는 사용되지 않는다. 원소 기호 W는 독일어에서 사용되는 이름인 'wolfram'에서 따온 것으로, 늑대라는 뜻이다.

동위 원소 편집

자연에는 다섯 종류의 텅스텐 동위 원소가 존재하며, 모두 반감기가 매우 길어 안정한 원소로 분류되는 동위 원소들이다. 이론상으로는 안정한 텅스텐 동위 원소 5가지 모두 알파 붕괴를 통해 하프늄으로 붕괴할 수 있지만 현재까지는 180W만이 약 1.8×1018년의 반감기를 거쳐 방사성 붕괴하는 것이 관찰되었으며, 이는 평균적으로 1년에 1g의 텅스텐 중에서 180W 원자 2개만이 붕괴하는 것과 같다. 다른 안정 동위 원소들은 아직까지 붕괴하는 것이 관찰된 적은 없으며 모두 반감기가 4×1018 이상인 것으로 추정되나 실제로 붕괴하지 않을 수도 있다. 이외에 원자량 158에서 192 사이에 30개의 인공 방사성 동위 원소와 4개의 준안정 동위 원소가 발견되었으며, 이들 중 가장 안정한 것은 반감기 121.2일의 181W이다.

용도 편집

고강도 물질 편집

전체 텅스텐 생산량의 약 60% 정도는 탄화 텅스텐(WC)를 기반으로 한 고강도 물질의 생산에 이용된다. 이는 탄화물 중 가장 단단한 물질 중의 하나로, 경도다이아몬드와 비슷하며 녹는점은 약 2770 °C이다. 매우 단단한 특성을 이용하여 칼, 드릴, 톱 등 절단 용구에 많이 사용된다. 일부는 반지 제조에 사용되기도 한다.

합금 편집

텅스텐은 단단하고 밀도가 높아 중금속의 합금에 많이 이용되며, 특히 고강도강은 텅스텐 함량이 18% 정도이다. 녹는점도 매우 높으므로 로켓이나 미사일엔진 노즐에도 사용된다. 텅스텐을 , 니켈, 코발트 등과 혼합하여 만든 합금은 매우 무거우므로 열화 우라늄탄을 대신하여 운동 에너지탄에 사용하기도 한다. 방사능이 문제가 되는 경우 등 열화 우라늄탄을 사용할 수 없는 곳에 주로 사용하며, 이와 비슷하게 포탄의 탄피, 수류탄, 미사일 등에 사용된다. 이밖에도 항공우주공학, 자동차 산업, 방사선 보호 등 텅스텐은 다양한 분야에 널리 사용된다.

기타 편집

  • 황화 텅스텐(IV)은 탈황 작용의 촉매로 이용된다.
  • 텅스텐 산화물은 세라믹 제조에 이용된다. 촉매의 물리적인 강도를 높이거나 수명을 늘이는데 사용하기도 한다. 삼산화 텅스텐(WO3)은 화력 발전소에서 생성되는 질소 산화물(NOx)을 암모니아(NH3)와 반응시켜 질소(N2)와 (H2O)로 바꾸는 반응의 촉매로 사용된다.
  • 텅스텐은 녹는점이 매우 높고 고온에서도 잘 견디므로 전구, 음극선관, 진공관필라멘트, TIG 용접의 전극봉 등에 사용된다.
  • 밀도가 과 비슷하므로 보석에서 금이나 백금 대용으로 사용되기도 한다.

존재 편집

텅스텐은 철망가니즈중석, 회중석 등의 광물에서 주로 산출된다. 2009년 기준으로 중국이 전 세계 생산량의 약 83%에 해당하는 51,000톤을 생산하였으며, 제2차 세계대전 당시에는 미국의 텅스텐 공급에 도움을 주기도 하였다. 이외에 러시아, 캐나다, 볼리비아, 오스트리아, 포르투갈, 태국, 브라질, 페루, 르완다 등에서도 상당량 생산되었으며, 이 중 포르투갈은 제2차 세계대전 당시 중립국이면서도 연합국나치 독일 양측 모두에 텅스텐을 판매하여 이득을 보았다.

한국에는 텅스텐이 최소 약 970만톤 ~ 최대 3천만톤(80년 사용 가능한 분량)가량 매장되어 있다고 한다. 강원도 영월군 상동광산은 단일 광구로서는 한때 세계 최대의 광산이었다. 그러나 1990년대 값싼 중국산 텅스텐 유입으로 폐광되었고 대한중석은 거평그룹에 매각되었다.[3] 2020년부터 상동광산 재개광을 추진중이다.[4]

주의사항 편집

텅스텐은 자연에서 흔하게 존재하는 원소는 아니며, 대체로 화학적 활성이 적기 때문에 자연에 미치는 영향은 적다. 그러나 일부 수용성의 텅스텐 화합물은 중추 신경계에 영향을 미칠 수도 있으므로 주의해야 한다[5].

각주 편집

  1. “보관된 사본”. 2011년 11월 23일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2011년 10월 1일에 확인함. 
  2. “보관된 사본”. 2011년 11월 23일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2011년 10월 1일에 확인함. 
  3. “대한중석, 거평 소유로 넘어가 민영화”. 《KBS 9시뉴스》. 1994년 2월 28일. 
  4. 홍정화 기자 (2023년 8월 4일). “알몬티, 상동 텅스텐 광산 개발 본격화…중국 의존도 낮추기”. 《글로벌이코노믹》. 
  5. United States Department of Labor. “Occupational Safery & Health Administration: Tungsten (as W) Soluble Compounds”. 2014년 7월 28일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2014년 7월 23일에 확인함. 

외부 링크 편집