지르코늄

화학 원소의 하나

지르코늄(←영어: Zirconium 저코니엄[*],문화어: 지르코니움←독일어: Zirkonium 치르코니움[*])은 화학 원소로 기호는 Zr(←라틴어: Zirconium 지르코니움[*]), 원자 번호는 40이다. 광택이 있는 회백색의 단단한 전이 금속으로 타이타늄과 비슷하다. 지르코늄은 주로 지르콘으로 산출되며 부식에 대한 저항이 강하다. 부식에 강하고 중성자 단면적이 작은 특징 때문에 원자로를 만드는 데 주로 쓰인다. 산화 지르코늄(ZrO2)은 모조 다이아몬드, 모조 치아, 광커넥터 페룰로 사용된다. 자연에는 총 5가지의 동위 원소가 존재하는데 이 중 3가지는 안정하며, 지르코늄 화합물은 생물학적 역할이 없는 것으로 알려져 있다.

지르코늄(40Zr)
개요
영어명Zirconium
표준 원자량 (Ar, standard)91.224(2)
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)
Ti

Zr

Hf
YZrNb
원자 번호 (Z)40
4족
주기5주기
구역d-구역
화학 계열전이 금속
전자 배열[Kr] 4d2 5s2
준위전자2, 8, 18, 10, 2
지르코늄의 전자껍질 (2, 8, 18, 10, 2)
지르코늄의 전자껍질 (2, 8, 18, 10, 2)
물리적 성질
겉보기은백색
상태 (STP)고체
녹는점2128 K
끓는점4682 K
밀도 (상온 근처)6.52 g/cm3
융해열14 kJ/mol
기화열573 kJ/mol
몰열용량25.36 J/(mol·K)
증기 압력
압력 (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
온도 (K) 2639 2891 3197 3575 4053 4678
원자의 성질
산화 상태4
(양쪽성 산화물)
전기 음성도 (폴링 척도)1.33
이온화 에너지
  • 1차: 640.1 kJ/mol
  • 2차: 1270 kJ/mol
  • 3차: 2218 kJ/mol
원자 반지름155 pm (실험값)
Color lines in a spectral range
스펙트럼 선
그 밖의 성질
결정 구조조밀 육방 격자 (hcp)
음속 (얇은 막대)3800 m/s (실온)
열팽창5.7 µm/(m·K) (25 °C)
열전도율22.6 W/(m·K)
전기 저항도421 n Ω·m (20 °C)
자기 정렬상자성
영률68 GPa
전단 탄성 계수33 GPa
푸아송 비0.34
모스 굳기계5.0
비커스 굳기903 MPa
브리넬 굳기650 MPa
CAS 번호7440-67-7
동위체 존재비 반감기 DM DE
(MeV)
DP
88Zr 합성 83.4d ε - 88Y
γ 0.392D -
89Zr 합성 78.4h ε - 89Y
β+ 0.902 89Y
γ 0.909D -
90Zr 51.45% 안정
91Zr 11.22% 안정
92Zr 17.15% 안정
93Zr 합성 1.53×106y β- 0.060 93Nb
94Zr 17.38% 안정
96Zr 2.8% >3.9×1020y β-β- ? 96Mo
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특성

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지르코늄은 광택이 있는 회백색의 연성전성이 뛰어난 무른 전이 금속으로, 실온에서 고체로 존재한다. 불순물이 첨가되면 매우 단단해지고 부서지기 쉬워진다. 분말 형태의 지르코늄은 스스로 발화하기 쉽지만 고체 덩어리 형태로는 잘 연소되지 않는다. 지르코늄은 , 염기, 을 포함한 등에 잘 부식되지 않지만 염산, 황산 등에는 녹기도 한다. 아연과의 합금은 35K 이하에서 자성을 띤다.

지르코늄의 녹는점은 1855°C, 끓는점은 4371°C로 매우 높으며, 전기음성도는 1.33이다. d-구역에 속하는 원소들 중에서 이트륨, 루테튬, 하프늄에 이어 네 번째로 전기음성도가 낮은 원소이다. 실온에서는 육방정계 구조를 갖는 α-지르코늄 형태로 존재하나, 863°C 이상으로 가열하면 체심 입방정계 구조를 갖는 β-지르코늄 형태로 전환된다.

동위 원소

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지르코늄은 자연에서 다섯 종류의 동위 원소가 존재한다. 이들 중 90Zr, 91Zr, 92Zr은 안정하며, 90Zr은 이들 중 존재 비율이 51.45%로 가장 높다. 94Zr은 1.10×1017년 이상의 반감기를 거쳐 이중 베타 붕괴한다. 96Zr은 2.4×1019년 이상의 반감기를 거쳐 붕괴하며, 지르코늄의 방사성 동위 원소 중 가장 긴 반감기를 가지므로 사실상 안정한 동위 원소로 분류되기도 한다. 이들 외에 원자량 78에서 110 사이에 총 28종류의 지르코늄 동위 원소가 인공적으로 합성되었으며, 이들 중 반감기가 가장 긴 것은 93Zr로 반감기가 1.53×106년이다. 다섯 종류의 준안정한 동위 원소도 관찰되었다.

존재

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지르코늄은 지각에 130ppm, 해수에 0.026μg/L 정도 포함되어 있다. 자연에서는 순수한 형태로 발견되지 않으며 자연에서는 규산염 광물인 지르콘 형태로 발견된다. 이러한 광석은 티타늄을 포함한 광석들을 채굴하거나 제련하는 과정에서 발견되며, 주로 호주, 브라질, 인도, 러시아, 남아프리카 공화국, 미국 등지에 분포되어 있다. 특히 호주와 남아프리카 공화국에서 전 세계 생산량의 80% 정도를 생산하는데 이외에도 세계 각지에 소량 매장되어 있다.

우주에서는 S형 별에서 풍부하게 포함되어 있으며 태양계 내에서는 태양운석들에서 발견되었다. 또, 아폴로 우주선들을 통해 수집한 의 암석들에는 지구의 암석보다 더 높은 함량의 지르코늄 산화물이 포함되어 있었다.

역사

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1789년 독일 화학자 마르틴 하인리히 클라프로트가 지르코늄이 새로운 원소라는 것을 발견하였다. 그는 실론섬(오늘날 스리랑카 지역)에서 채취한 지르콘 광석을 분석하던 중 이러한 사실을 알아내었다. 이후 1808년 영국험프리 데이비전기분해를 통해 순수한 지르코늄을 얻으려 했지만 실패했고, 1824년 베르셀리우스가 불순물이 섞인 형태로 분리하였다. 이듬해에는 두 명의 네덜란드 화학자가 실용적으로 순수한 지르코늄을 분리하는 방법을 개발하였다. 이러한 방법은 1945년 사염화 지르코늄을 마그네슘으로 환원시켜 순수한 지르코늄을 얻는 크롤 공정이 개발되기 전까지 널리 사용되었다. 크롤 공정의 화학식은 아래와 같다.


ZrCl4 + 2Mg → Zr + 2MgCl2


용도

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  • 산화 지르코늄은 모조 다이아몬드의 일종인 큐빅 등의 각종 보석, 모조 치아, 광커넥터 페룰 등으로 사용된다.
  • 전 세계 지르코늄 생산량의 1% 정도는 핵연료를 생산할 때 피복에 사용된다. 지르코늄 합금은 부식에 강하고 중성자 단면적이 작아 이러한 용도로 적합하다. 그러나 900도 이상의 고온에서 과 반응하여 수소 기체를 발생시키는 단점이 있어 수소폭발의 위험이 존재한다. 1979년 미국 스리마일섬 원자력 발전소 사고에서도 이러한 수소폭발로 인해 자칫 대형사고가 발생할 뻔 했으며, 2011년 3월 11일 동일본 대지진으로 인해 손상된 일본후쿠시마 제1 원자력 발전소의 1,2,3호기에서는 이러한 수소폭발로 인해 세슘-137등이 누출되기도 하였다. 이러한 폭발을 막기 위해서 대부분의 가압수형 경수로에서는 발생한 수소를 실온에서 빠르게 연소시켜 물로 바꾸는 장치를 보유하고 있다.
  • 항공우주공학 분야에서는 지르코늄 합금이나 산화물이 열에 대한 저항성을 이용해 우주선의 부품이나 연마재에 사용하기도 한다. 또, 직접 고온에 노출되는 연소실, 날개, 엔진 등에는 얇은 세라믹 층을 씌워야 하는데 여기에도 지르코늄 또는 이트륨 화합물이 사용된다.
  • 병원이나 가속물리학 실험실 등에서 사용하는 양전자 방출 단층촬영(PET)은 지르코늄의 방사성 동위 원소89Zr이 양전자를 방출한다는 점을 이용한 것이다.

주의사항

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지르코늄은 생명체 내에서 알려진 역할은 없으나 인체에는 평균적으로 250mg 정도 포함되어 있으며, 각종 식품에도 소량 함유되어 있다. 일상에서는 일부 제품이나 수돗물 정화에도 사용되기도 한다.

한편, 단시간 내에 지르코늄 분말에 다량 노출되는 것은 , 피부, 호흡기에 자극을 줄 수 있으며 진폐증을 유발할 수 있다[1]. 그러나 산업 현장에서는 지르코늄으로 인해 재해가 발생하는 경우는 드물거나 잘 알려지지 않았기 때문에 건강 위험 요소로 분류되지는 않는다.

각주

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  1. U. S. Department of Labor. “Occupational Safety & Health Administration: Zirconium Compounds (as Zr)”. 2014년 7월 14일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2014년 7월 7일에 확인함. 

외부 링크

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