알루미늄

알루미늄(Aluminum)은 주기율표에서 원자 번호 13번에 해당하는 화학 원소로써 원소 기호는 Al이다. 은백색의 무른 금속이다. 지각 구성 원소로 8%를 차지하며 이는 철보다도 많은 양이며, 산소와 규소 다음으로 세번째 많은 양이다.  

알루미늄 ()

금속 중 밀도가 낮은 금속에 속한다. 순수한 알루미늄은 반응성이 매우 좋다. 표면에서 발생하는 부동화(passivation) 현상으로 인해 외부 환경에 따른 부식에 저항성을 가진다. 금속공학 분야에서 알루미늄의 가장 큰 가치는 강도나 외관이 아닌 가벼움이다. 가볍고 연성이 높아 공정이 쉬우며 다양한 금속들과 합금을 형성한다. 따라서 다양한 물성의 금속 소재들을 구현 가능하다는 측면에서 널리 사용된다. 우리 일상생활에서 흔히 발견되는 값싼 제품들에서부터 고부가가치의 제품들에 이르기까지 다양한 곳에 사용되고 있다.  

알루미늄은 수산화 알루미늄이 풍부하게 들어 있는 철반석(bauxite) 암석에서 전기화학을 통해 정제하여 얻는다. 정제 과정 중 얻게 되는 산화 알루미늄은 섭씨 2000도가 넘는 고온에서 녹으며 불 속에서도 산소가 쉽게 떨어지지 않는다. 알루미늄을 환원시킬 수 있으면서 공정에 적합한 가격을 가지는 물질이 없었기 때문에 전기분해 방법이 개발되었다. 이러한 정제 기술이 개발되기 전에는 흙 속의 은이라고 불릴 만큼 귀한 금속이었으며 금보다 비쌌다. 알루미늄의 가격을 획기적으로 낮춘 전기분해 제련법은 1886년 미국의 화학자 찰스 마틴 홀과 프랑스의 화학자 폴 루이 투생 에루가 각각 발견하였다. 홀과 에루는 우연한 공통점이 많은 화학자이다. 같은 해(1863년)에 태어나서 같은 해에 알루미늄 제련법을 개발하였고 같은 해(1914년)에 유명을 달리했다. 둘은 생전에 만난 적이 한 번도 없었다고 한다.  

이들의 노력으로 인하여 1910년에 주석 포일이 알루미늄 포일로 대체되었다. 전기분해에 의한 알루미늄 제련법 개발에 따라 전기는 알루미늄 생산에 필수적이다. 1970년 석유파동이 오면서 알루미늄 제련소가 북반구에서 남반구로 옮겨갔으며 대표적인 나라가 브라질이다. 브라질의 알루미늄 산업은 아마존 열대우림을 위협하는 큰 장애물로 여겨지고 있다. 알려지기로 전 세계 전체 생산되는 전기의 3% 이상이 알루미늄 제련에 사용된다고 한다.  

알루미늄은 많은 경우 온전히 재활용이 가능한 금속이다. 재활용 과정에서 알루미늄 조각들을 녹이는데 사용되는 에너지는 광물에서 알루미늄을 생산하는 에너지에 비해 대략 5% 수준으로 알려져 있다. 이러한 이유로 선진국에서는 알루미늄의 재활용을 적극 권장하고 있다. 유럽의 경우 알루미늄의 재활용률이 매우 높다. 예로써 음료 캔의 경우 약 40%, 건축자재의 경우 85%, 운송수단(차량, 선박, 기차 등)에서는 90% 이상의 알루미늄 재활용률을 보임이 보고된 적이 있다.   

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face-centered cubic (fcc) 구조

알루미늄 전자배치

알루미늄은 13개의 전자를 가지며 비활성 기체 대비 3개의 전자를 더 가지고 있다. 전자 배치는 다음과 같다: [Ne]3s²3p¹. 따라서 3개의 전자를 제거하기 위한 각각의 이온화 에너지보다 4번째 전자를 제거하기 위한 이온화 에너지가 더 높다. 폴링의 전기음성도에 따르면 1.61의 전기음성도를 가진다. 중성 상태의 알루미늄은 143 pm의 원자 반지름을 가지며 산화되어 전자를 잃게 되면 그 반지름이 39 pm까지 줄어든다. 표준상태에서 순수한 알루미늄은 면심입방 결정 구조[face-centered cubic (fcc) crystal structure]를 가진다.

²⁷Al 은 안정한 알루미늄 동위원소로 지구상에서 주로 발견된다. 다른 동위원소들은 방사성을 띤다. ²⁶Al의 경우 720,000년 정도의 반감기를 가지는 것으로 알려져 있다. 괴상 알루미늄은 다른 금속인 은(Ag)과 비슷한 외관을 가진다. 알루미늄은 금속임에도 2.70 g/cm³의 낮은 밀도를 가지며 이는 일반적인 강철에 대비하여 3분의 1 정도 수준이다.

Bulk 알루미늄은 가볍고 높은 연성을 가지며 다양한 모양으로 변형할 수 있다. 따라서 다양한 기계적 공정을 통해 원하는 모양의 제품을 개발하는데 널리 사용된다. 알루미늄은 비자성(nonmagnetic) 물질이며, 불에 연소하지 않는다. 깨끗한 알루미늄 박막은 가시광선에 높은 반사율(대략 92%)을 보이며 적외선도 일부 반사한다. 순수한 알루미늄은 7–11 MPa의 항복 강도(yield strength)를 보인다. 합금을 만들면 항복 강도를 200 에서 600 MPa까지 향상할 수 있다. 알루미늄은 상대적으로 좋은 열전도도 및 전기전도도를 보인다: 열, 전기 전도도가 좋은 원소인 구리(Cu) 대비 대략 60% 정도의 열, 전기 전도도를 보이면서 밀도는 구리의 30% 수준이다.

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알루미늄 캔 ()

알루미늄 호일 ()

알루미늄과 물의 반응 

순수한 알루미늄은 공기에 노출 시 표면에 산화 알루미늄(aluminum oxide) 박막을 형성한다. 이러한 부동화(passivation) 특성은 알루미늄을 이용한 내부식성을 구현할 수 있게 해주는 주요 화학 메커니즘이며 현재 알루미늄이 다양한 제품에 사용되는 주된 이유이기도 하다. 

순수한 알루미늄은 반응성이 매우 높다. 예를 들어 순수한 알루미늄이 280도 정도의 고온에서 물과 반응하여 수소 기체를 발생시킨다. 두 개의 알루미늄 원자로 세 개의 수소 기체 분자를 발생시킬 수 있다. 반응식은 다음과 같다.

2 Al + 6 H₂O → 2 Al(OH)₃ + 3 H₂

반응 조건을 온화하게 하려고 산성 혹은 염기성 조건에서 반응을 진행하여 수소를 발생시키기도 한다. 석탄 연료의 과다한 사용에 따른 지구 환경 파괴 문제를 해결하기 위하여 친환경 에너지원이 주목을 받고 있다. 친환경 에너지원으로써 수소 기체를 발생시키는 위 반응은 큰 주목을 받고 있다. 그러나 알루미늄이 공기에 노출 시 산화알루미늄으로 변화하여 수소 기체의 생성 반응을 방해하는 문제가 있다.

Lithium aluminum hydride (LAH) ()

알루미늄 하이드라이드

알루미늄에 수소가 결합할 때 수소와 알루미늄의 전기음성도 차이에 의해 수소가 음전하를 띄며 하이드라이드(hydride)로 작용한다. 따라서 다양한 알루미늄 하이드라이드 분자들이 하이드라이드 공급 분자로 널리 이용된다.

AlH₃와 강염기 분자가 반응 시 첨가 생성물(adduct)이 형성된다. 예를 들어 AlH₃는 트라이메틸아민(trimethylamine) 분자와 1: 1 혹은 1: 2 첨가생성물을 형성한다. 에터 분자와도 첨가 생성물을 형성한다. 예로써 다이에틸 에터와 반응하면 다음의 생성물이 형성된다.

AlH₃ + (C₂H₅)₂O → H₃Al · O(C₂H₅)₂

리튬 하이드라이드와 반응하면 리튬 알루미늄 하이드라이드(lithium aluminum hydride, LAH) 분자를 형성한다. LAH는 유기 화학에서 화학 작용기들을 환원시키는 데 흔히 사용되는 환원제이다.

AlH₃ + LiH → LiAlH₄

LAH를 이용하여 알데하이드(aldehyde) 작용기를 하이드록시(hydroxy) 작용기로 환원시킬 수 있으며, 아자이드(azide) 작용기를 1차 아민(amine)으로 환원시킬 수 있다. 또한 탄소 이중 결합을 단일 결합으로 환원시킬 수 있다. 다른 하이드라이드 공급 분자인 소듐 사수소화붕소[sodium borohydride (NaBH₄)]에 비하여 높은 반응성을 보인다. 예를 들어, 아래 반응의 경우 LAH는 왼쪽의 케톤(ketone)과 오른쪽의 에스터(ester) 작용기를 모두 환원시킬 수 있는 반면 NaBH₄는 케톤만 선택적으로 환원시킨다.

알루미늄 하이드라이드 분자인 LAH를 이용한 환원반응의 예

유기알루미늄(Organoaluminum)

다양한 유기 작용기들이 알루미늄과 결합을 형성하여 AlR₃ 혹은 AlR_1.5Cl_1.5 등의 유기알루미늄 화합물을 만든다. 이러한 분자들은 Al 원자가 정사면체 구조를 가지는 이합체 형태로 존재하기도 한다. 이합체 형성을 위해 R 혹은 Cl 치환기가 두 Al 원자들을 잇는 역할을 한다. 만약에 R 작용기가 부피가 큰 경우 이합체가 아닌 단량체의 형태로 주로 존재하게 된다. 트라이아이소뷰틸알루미늄(triisobutylaluminum)이 그 예라 할 수 있다.

Triisobutylaluminum 분자 (ball-and-stick과 space-filling 모델)