아연

청백색의 아연은 광택이 있고 부서지기 쉬우며, 인류가 철, 알루미늄, 구리 다음으로 많이 생산하여 사용하고 있는 금속이다. 철보다 밀도가 다소 낮으며, 전기 전도성이 우수하고, 녹는점이 수은과 카드뮴을 제외한 모든 전이 금속 중에서 가장 낮다. 마그네슘과 화학적 특성이 일부 유사하며 주로 +2가의 산화 상태를 가진다. 가장 흔히 발견되는 아연 광석은 황화물 형태인 섬아연석(sphalerite 혹은 zincblende)이다. 구리와 아연을 다양한 비율로 합금한 황동이 예전부터 사용되었으며, 철의 부식 방지를 위한 도금, 건전지, 통신장비, 악기, 주화 및 다양한 합금의 제조에 아연이 쓰인다. 아연 화합물은 식이 보조제, 방취제, 항균제, 발광 도료, 화장품 원료 및 유기 합성용 시약 등 다양한 분야에서 사용된다. 아연은 인간을 비롯한 거의 모든 생명체의 필수 미량 원소이지만 과도한 양을 흡수하면 구리와 철의 흡수를 억제하여 불규칙한 근육 기능, 위장 장애 등을 일으킨다.

금속 아연 ()

목차

아연을 사용한 고대 시대 유물이 세계 곳곳에서 발견되었는데. 이 금속을 순수한 원소로 분리하여 사용하기 수천 년 전부터 아연 광석은 구리-아연 합금인 황동을 만드는 데 이용되었다. 루마니아의 다키아(Dacia) 지역에서 발견된 선사시대 조각상과 기원전 14세기에서 10세기 사용된 유대 황동(Judean brass)에 각각 87.5% 그리고 23%의 아연을 함유하고 있다. 기원전 7세기경 고대 그리스에서는 황동을 생산하는 방법이 널리 알려져 있었던 것으로 추정되며, 80~90%의 아연에 납, 철, 안티모니 등이 포함된 합금으로 만들어진 장식품이 발견되기도 하였다. 기원전 30년경 로마에서 아연을 함유한 칼라민(calamine : 탄산 아연(ZnCO₃)과 규산 아연(Zn₄Si₂O₇(OH)₂^.H₂O) 혼합광석) 분말을 숯과 구리와 함께 가열하여 황동을 제조하였으며 주로 동전과 무기를 만드는 데 사용하였다. 인도 마우리아 왕조 (Mauryan, 기원전 322년～기원전 187년) 시대에 아연 광산이 사용되었으며, 13세기경에는 양모 및 기타 유기물질을 이용하여 칼라민 광석을 환원시켜 아연을 제련∙추출하는 방법이 알려져, 17세기와 18세기 초 동양에서 유럽으로 정기적으로 수출되었다.

서양에서 아연은 17세기 후반 정제되기 시작했는데, 1746년 독일의 화학자 마르그라프(A. S. Marggraf)가 밀폐된 용기에서 칼라민 광물과 숯 혼합물을 가열하여 순수한 아연 금속을 처음으로 얻었으며, 1752년에 이 방법을 이용한 상업적 생산이 시작되었다. 오늘날 아연 생산에 쓰이는 광석의 95%는 구리, 납, 철 황화물이 혼합된 섬아연석(ZnS)으로 금속 아연은 추출 야금법(extractive metallurgy)으로 생산한다. 광석을 곱게 빻은 후 부유시켜 불순물을 분리한 후 아연의 함량이 약 50%가 되도록 농축시키고 구워서(roasting) 산화 아연(ZnO)으로 전환한다.

2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂

산화 아연에서 아연을 얻기 위해서는 고온건식야금법(pyrometallurgy)이나 전해채취법(electrowinning)이 사용된다.

고온건식야금법은 950 °C에서 산화 아연을 탄소나 일산화 탄소(CO)로 환원시킨 후, 이 온도에서 휘발되지 않는 다른 금속과 분리하고 아연 증기를 냉각시켜 순수한 금속을 얻는 방법이다.

2ZnO + C → 2Zn + CO₂

ZnO + CO → Zn + CO₂

전해채취법은 산화 아연을 황산에 녹여 얻은 황산 아연을 전기분해하여 환원시키는 방법이다.

ZnO + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂O

2ZnSO₄ + 2H₂O → 2Zn + 2H₂SO₄ + O₂

아연의 이름은 스위스 출신의 독일 연금술사 파라켈수스(Paracelsus)의 책에 'zincum'또는 'zinken'으로 기록된 것으로부터 이로부터 유래된 것으로 알려져 있다. 아마도 바늘 모양의 금속 아연 결정을 묘사하기 위해 "포크나 톱니의 뾰족한 모양"을 뜻하는 독일어 ‘zinke’에서 파생되었거나, 주석과 비슷하다는 의미로 주석을 뜻하는 독일어 ‘zinn’에서 따온 것으로 추정된다. 아연의 원소 기호는 ‘Zn’이다.

아연은 청백색을 띠며 광택이 있고 반자성인 금속으로 철보다 다소 밀도가 낮으며 전기 전도성이 우수하고 녹는점이 수은과 카드뮴을 제외한 모든 전이 금속 중에서 가장 낮은 금속이다.

천연에 존재하는 아연의 동위원소는 5가지가 있는데, ⁶⁴Zn는 가장 흔한 동위원소(48.63%)이며 반감기가 4.3 x 10¹⁸년으로 매우 길어 발생하는 방사능은 무시된다. 이와 유사하게, 반감기가 1.3 x 10¹⁶년인 ⁷⁰Zn(0.6%)도 보통 방사성 원소로 간주하지 않는다. 이 외에 ⁶⁶Zn(28%), ⁶⁷Zn(4%) 및 ⁶⁸Zn(19%)이 존재한다. 다양한 질량수의 인공 방사성 동위원소들이 합성되었는데, ⁶⁵Zn은 반감기가 243.66일로 가장 길고, 그다음으로 긴 것은 ⁷²Zn으로 반감기가 46.5 시간이다. 질량수가 66보다 작은 방사성 동위원소는 전자 포획과정으로 붕괴하여 구리의 동위원소가 되고 질량수가 66보다 큰 방사성 동위원소는 베타 붕괴를 하며 갈륨의 동위원소를 생성한다.

아연은 [Ar]3d¹⁰4s²의 전자 배치를 가지고 있기에 전자 2개를 잃어 +2가 이온으로 되려는 경향이 큰 금속이다. 순수한 아연 금속의 표면은 공기 중의 이산화 탄소와 반응하여 염기성의 탄산 아연(Zn₅(OH)₆(CO₃)₂) 보호 피막을 형성하여, 더 이상의 반응이 일어나는 것을 막는다. 아연을 공기 중에서 태우면 밝은 청록색 불꽃을 내면서 연소하여 산화 아연을 형성하며 산, 염기 및 비금속과 쉽게 반응한다. 염산이나 황산과 같은 강산에서는 표면의 보호 피막이 제거되기에 물과 반응하여 수소 기체를 발생시킨다.

Zn²⁺ 이온의 이온 반경은 74 pm로 Mg²⁺ 이온의 반경 72 pm와 비슷하기에, 같은 음이온으로 이루어진 일부 염은 유사한 결정 구조를 갖는다. 5배위의 아연 착화합물도 알려져 있지만, 주로 4배위나 6배위를 갖는다. 아연은 화합물에서 주로 +2가의 산화상태를 가지며 +1가 화합물도 알려져 있다.

대부분의 준금속(metalloids)과 비활성 가스를 제외한 아연 이성분계 화합물이 알려져 있다. 산화 아연은 중성 수용액에서는 거의 녹지 않지만, 강염기 및 산성 용액에는 완전히 녹는다. 전자 및 광학에서 응용성이 뛰어난 칼코젠 화합물(ZnX; X=S, Se, Te)이 알려져 있으며, 주기율표 15족 원소들과도 화합물(Zn₃X₂; X=N, P, As, Sb)을 이룬다. 이외에도 과산화물(ZnO₂), 수소화물(ZnH₂) 및 탄소화물(ZnC₂)이 알려져 있다. 할로젠화물(ZnX₂; X=F, Cl, Br, I)중 플루오린화 아연(ZnF₂)은 이온결합성이 가장 강해 다른 할로젠 화합물들보다 높은 녹는점을 가진다.

Zn²⁺이온은 약염기성 용액에서 백색의 침전물인 수산화물(Zn(OH)₂)을 형성하며, 더 강한 염기성 용액에서는 수산화 음이온([Zn(OH)₄]^2-)을 형성하며 녹는다. 아연-탄소 결합을 가지는 유기-아연 화합물 중 1848년 처음으로 보고된 다이에틸 아연((C₂H₅)₂Zn)은 아연과 요오드화 에틸의 반응으로 합성되었으며, 금속과 탄소가 시그마 결합을 이루는 최초의 화합물이었다.

아연 1가 화합물은 2가 화합물에 비해 드물며 대부분 수은 1가 화합물의 [Hg₂]²⁺ 이합체(dimeric) 양이온과 유사한 [Zn₂]²⁺를 포함하고 있다. 예로 아연-아연 결합을 포함하는 다이메탈로센(dimetallocene, (η⁵-C₅Me₅)₂Zn₂)이 알려져 있다. [Zn₂]²⁺ 이온은 불안정하여 금속 아연과 아연 2가 이온으로 빠르게 불균등화(disproportionate)된다.

(η⁵-C₅Me₅)₂Zn₂) + 2H₂O → Zn(0) + Zn(OH)₂ + 2C₅Me₅H

전 세계에서 생산되는 아연의 약 55%는 아연 도금에, 16%는 황동과 청동 제조에, 21%는 합금 제조에, 나머지 약 8%는 기타 용도에 사용된다. 아연은 현수교, 난간, 가로등, 금속제 지붕, 열교환기 및 자동차 차체 등과 같이 부식이 쉬운 철이나 강철로 이루어진 구조물의 표면에 도금하여 부식 방지제 역할을 한다.

아연에 소량의 구리나 알루미늄 혹은 마그네슘이 첨가된 합금인 자막(Zamak)은 스핀 주조(spin casting)나 다이 주조(die casting)가 쉬워 자동차, 전기 및 기계 부품 산업에서 널리 사용된다. 한 예로 아연-알루미늄 자막의 경우 합금의 녹는점과 점도가 낮아 작고 복잡한 모양의 금속 부품을 신속하게 생산할 수 있다.

아연은 상대적으로 산화력이 높기에 매설된 배관이나 선박의 부식을 방지하기 위해 음극 보호(cathodic protection)를 통한 희생용 금속으로 사용할 수 있다. 아연의 표준 전극 전위(standard electrode potential)는 -0.76 V로 낮아 알칼리 전지 및 아연-탄소, 아연-공기 전지의 양극 물질로 사용된다. 구리에 3~45% 첨가하여 구리보다 연성과 내부식성이 우수한 합금인 황동을 만드는데도 널리 사용된다. 미국에서는 1982년 이후 1센트 동전을 만드는 데 아연을 사용하고 있다.

산화 아연은 칠감의 백색 안료나 고무 제조 과정에서 촉매로 사용된다. 자외선으로부터 피부와 고분자나 플라스틱 제품을 보호하는 데도 사용된다. 아연 착물은 비대칭 합성(asymmetric synthesis)을 포함한 다양한 유기물질 합성 과정에서 팔라듐, 루테늄, 이리듐과 같은 귀금속을 대체할 수 있는 대안 촉매로 활발히 연구되고 있다.

Retrieved on 2018-01-12