지르코늄

보석으로도 잘 알려진 자곤 광석에서 발견된 지르코늄은 지각에 상당량 존재하며, 다양한 질량수의 천연 및 인공 동위원소와 준안정한 6가지의 이성질체가 알려져 있다. 할로젠화 지르코늄과 포타슘 혼합물의 환원 반응으로부터 불순한 상태의 지르코늄이 처음으로 얻어졌다. 그리고 순수한 분리는 지르코늄 아이오딘화물의 열분해로 얻어지며, 크롤 공정으로 대량 생산이 가능해졌다. 지르코늄은 세라믹 재료 및 원자로의 소재로, 그 합금은 항공 우주 및 의료 재료로, 큐빅 지르코니아는 보석으로 각각 사용된다.

목차

지르코니아라고도 불리는 바델라이트(baddeleyite, ZrO₂)에 주로 섞여 있는 지르코늄을 영국의 데이비(H. Davy)가 전기 분해를 이용하여 분리하고자 했으나 성공하지 못했다. 1824년에 베르셀리우스(J. J. Berzelius)는 헥사플루오린화 포타슘 지르코늄(K₂ZrF₆)과 포타슘 혼합물을 철관에서 가열하여, 불순한 상태이긴 하지만 지르코늄 금속을 처음으로 분리했다. 1925년 네덜란드의 반아르켈(A. E. van Arkel)과 드보아(J. H. de Boer)가 테트라아이오딘화 지르코늄(ZrI₄)을 뜨거운 텅스텐 필라멘트 위에서 열분해시키는 아이오딘화 공정(iodide process)으로 순수한 지르코늄을 얻었다.

한편, 전기로에서 지르콘을 탄소와 염소 기체로 처리하여 얻은 사염화 지르코늄(ZrCl₄)을 아르곤 기체가 존재하는 상태에서 승화시켜 정제한 후, 이를 용융된 마그네슘으로부터 환원시키는 반응을 통하여 지르코늄을 대량 생산할 수 있다. 이 공정은 1945년에 룩셈부르크의 크롤(W. J. Kroll)에 의해 개발되어 크롤 공정(Kroll process)이라 한다. 요즘 지르코늄은 호주, 남아프리카공화국, 미국, 우크라이나, 중국에 주로 매장되어 있는 타이타늄철석(ilmenite, FeTiO₃)과 금홍석(rutile, TiO₂)으로부터 타이타늄을 생산할 때 부산물로 얻는다.

지르콘 보석 ()

예전부터 중동 지역에서 지르콘(zircon, ZrSiO₄) 광석은 보석으로 잘 알려졌으며, 성경에도 장식용으로 귀중하게 사용했다고 기록되어 있다. 1789년에 클라프로트(M. H. Klaproth)는 지르콘의 변종인 자곤(jargon) 광석에서 발견한 새로운 산화물의 이름을 담황색의 ‘금빛’을 뜻하는 페르시아어 ‘zargun’에서 따와 ‘zirconia’라 불렀으며, 원소 이름은 여기에 금속을 나타내는 접미어 -ium을 합해 ‘Zirconium’으로 명명하였다. 원소 기호는 ‘Zr’이다.

4족에 속하며, 지각에 1.6x10^-2% 존재하는 지르코늄은 ⁹⁰Zr(51.45%), ⁹¹Zr(11.22%), ⁹²Zr(17.15%), ⁹⁴Zr(17.38%), ⁹⁶Zr(2.8%)의 6가지 동위원소로, 준 안정한 이성질체로는 ^83mZr, ^85mZr, ^89mZr, ^90m1Zr, ^90m2Zr, ^91mZr이 각각 있으며, 낮은 온도에서의 α형과 863 ℃에서의 β형 두 동소체 그리고 질량수 78~110의 28가지 인공 동위원소가 알려져 있다.

밀도는 상온에서 6.51 g/cm³이며 액체 상태에서는 5.8 g/cm³, 녹는점은 1855 ℃, 끓는점은 4409 ℃이며, -1, 0, +2~+4의 산화 상태를 가진다. 공기 중에서 불이 붙을 수 있으며, 가열한 산에는 녹지만 알칼리에는 녹지 않는다.

중성자 흡수력이 낮으므로 지르코늄은 원자로에 쓰이는 핵연료의 피복재, 지지 격자, 중수로 압력 관의 소재로 사용되며, 내열성과 내부식성이 뛰어나기에 그 합금은 항공 우주 및 의료용 재료에 쓰인다. 다이아몬드처럼 경도와 굴절률이 매우 높으며, 투명하고 값이 저렴한 큐빅 지르코니아는 보석으로 사용된다.

녹는점이 매우 높은 질화 지르코늄(ZrN) 세라믹은 내부식성과 내마모성이 요구되는 의료기기, 드릴 비트, 자동차와 항공기 부품의 코팅에 사용되며, 다른 재료에 지르코늄 피막을 입혀 연소실, 제트 엔진, 가스 터빈의 고온 부품으로 쓰인다.

지르코늄의 생물학적 역할은 알려져 있지 않고, 독성은 거의 없으나 일부 탈취제에 들어 있는 경우 피부 발진을 일으킨다는 보고가 있다.