로듐

로듐

[ rhodium ]

로듐(Rhodium)
상태 은백색의 고체 금속
원자번호 45
원자량, u 102.91
녹는점, °C 1964
끓는점, °C 3695
밀도, g/cm3 12.41

로듐은 천연 합금 형태로 백금이 들어있는 광석에 함께 들어 있는 루테늄, 이리듐 등과 같이 백금족 금속 중 하나이다. 백금 광석 농축물로부터 얻은 로듐 염화물을 환원하여 얻은 분말 혹은 스폰지 형태의 화합물을 높은 온도에서 산화 로듐으로 바꾼 후, 고온에서 분해시켜 순수한 로듐을 얻는다.

울러스턴(W. H. Woolaston)이 로듐 염화물의 색에 근거하여 ‘Rhodium’으로 명명하였으며, 지각에서 가장 희귀하게 얻어지는 원소 중 하나이다. 로듐은 산화와 부식이 잘 되지 않고, 생산량도 적어 값이 비싸다.

질소 산화물의 질소와 산소로의 분해, 아세트산, 알데하이드, 질산 생산 공정의 촉매로 로듐을 사용한다. 백금족 금속과의 합금은 열전대로 쓰이며, 빛의 반사율이 높은 성질을 이용하여 반사판으로도 사용한다. 로듐 금속이 포함된 유기 금속 화합물인 윌킨슨 촉매는 불포화 탄화 수소의 수소 첨가 반응에 쓰인다.

목차

로듐의 발견과 분리

1803년에 울러스턴은 왕수에 녹인 백금 광석 농축물을 수산화 소듐으로 중화시킨 다음, 염화 암모늄을 가해 얻은 침전물에 묽은 질산을 가하였다. 그 침전물을 다시 왕수에 녹이고 염화 소듐을 넣어 생기는 로듐 수화물 침전물을 알코올로 씻은 후 아연과의 금속 치환 반응으로부터 순수한 로듐을 최초로 분리하였다.

요즈음 로듐을 분리하는 과정은 그의 방법과는 달리, 농축물을 왕수에 녹이고 남은 찌꺼기를 황산수소 소듐(NaHSO4)과 함께 용융시키는 것으로부터 출발한다. 이어서 물로 추출하여 황산 로듐(Rh2(SO4)3)이 들어있는 수용액에 수산화 소듐을 가해 얻은 산화 로듐 수화물(Rh2O3.5H2O) 침전물을 염산에 녹인 후, 아질산 소듐과 염화암모늄을 가해 헥사나이트로로듐 암모늄((NH4)3[Rh(NO2)6]) 착화합물을 생성시킨다. 이를 염산 용액에 다시 녹여서 헥사염화로듐 암모늄((NH4)3[RhCl6])을 건조시킨 후 수소 기체로 환원시킨다. 얻어진 물질은 공기 중에서는 산화되지 않으나 500 ℃ 이상의 높은 온도에서 산화 로듐(Rh2O3)이 되며, 더 높은 온도에서는 로듐 금속과 산소로 분해된다.

로듐은 로다이트(rhodite 혹은 rhodium gold, Rh-Au), 스페릴라이트(sperrylite, PtAs2), 이리도스민(iridosmine, Ir-Os) 광석에 주로 존재한다. 일반적으로 백금족 금속들은 니켈과 구리의 전기 제련에서 전해조의 양극 바닥에 쌓인 찌꺼기인 양극 전물 혹은 황화물 광석의 제련에서 전로 마트(converter matte)로 농축된 것에서부터 얻는다. 분말 상태에서는 왕수에 녹으며, 강산에는 녹지 않으나 뜨거운 황산과 용융 알칼리에는 녹는다. 로듐의 주요 매장국이자 생산국은 남아프리카공화국이며, 러시아와 캐나다에서도 생산된다.

로듐의 IUPAC 원소 이름과 기호

영국의 울러스턴이 남아메리카에서 산출된 백금 광석으로부터 얻은 헥사염화로듐 소듐 수화물(Na3[RhCl6].12H2O)이 띠는 '장미색'의 그리스어 ‘rhodon’과 금속을 나타내는 접미어 -ium을 합하여 원소 이름을 ‘Rhodium’으로 지었으며, 원소 기호는 ‘Rh’이다.

로듐의 물리 화학적 성질

지각에 1x10-8% 존재하는 로듐은 지구상에서 가장 희귀한 원소 중 하나이며, 천연 상태에서 103Rh으로만 존재한다. 질량수 89~122의 다양한 방사성 동위원소가 알려져 있으며, 그중 반감기 3.3년인 101Rh이 가장 안정하다. 원자번호 45번이며, 밀도는 상온에서 12.41 g/cm3이나 액체 상태에서는 10.7 g/cm3, 녹는점은 1964도, 끓는점은 3695도이다.

루테늄, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 팔라듐, 백금과 같은 원소들로 이루어진 백금족 금속(platinum group metals, PGM) 중 하나인 로듐은 9족에 속하며, 0~+6의 산화 상태를 가지나, 삼산화 로듐(Rh2O3)이나 염화 로듐(RhCl3)처럼 +3 상태가 가장 안정하다.

로듐의 산업적 용도

산화와 부식이 잘 되지 않는 로듐은 자동차 배기가스 정화 장치인 촉매 전환기(catalytic converter)의 주요 물질이며, 스모그를 유발하는 질소 산화물(NOx)을 질소와 산소 분자로 환원시키는 촉매로 쓰인다. 특히 로듐 화합물은 메탄올을 아세트산으로 만드는 몬산토 공정(Monsanto process), 알켄을 알데하이드로 바꾸는 하이드로폼일화 공정(hydroformylation process), 알켄에 수소를 첨가하는 수소화 반응 공정(hydrogenation process), 불포화 결합 분자에 수소-규소 결합을 첨가하는 하이드로규소화 공정(hydrosilylation process), 암모니아를 질산으로 만드는 공정 등과 같은 화학 공업의 주요 촉매로 사용한다.

로듐은 희귀하고 생산량이 적고 값도 비싸 귀금속으로 쓰인다. 아울러 빛의 반사율이 높고 내부식성이 좋아 장신구나 전기 도금과 진공 증착 도금 및 거울과 탐조등의 반사판으로 이용한다.

자동차 하부에 달린 촉매 전환기()

로듐과 백금족 금속의 합금은 고온에서 잘 물러지거나 부식되지 않는 성질을 가지는데, 특히 두 도체를 접합시킬 때 그 온도 차이에 비례하여 기전력이 생성되는 현상을 이용한 온도 측정 장치인 열전대(thermocouple)의 재료로 많이 사용한다. 실험실용 도가니와 고온로 및 저항체, 항공기 점화 플러그의 전극, 베어링과 전기 접점 등에도 로듐 합금을 사용한다.

염화 로듐(RhCl3)을 산소와 함께 600 ℃에서 가열하여 얻는 산화 로듐은 일산화 탄소와 일산화 질소의 산화 촉매로 사용한다. 특히 염화 로듐과 과량의 트라이페닐포스핀(PPh3)의 반응으로 얻는 윌킨슨 촉매(Wilkinson's catalyst, [RhCl(PPh3)3])는 균일 유기 금속 화합물(homogeneous organometallic compound)로써 프로필렌의 수소 첨가 반응에 널리 쓰인다. 의약품 합성에 매우 중요한 비대칭 합성 반응의 촉매로써 로듐-바이냅(2,2'-bis(diphenylphosphino)-1,1'-binathyl, BINAP) 착화합물이 사용된다. 로듐은 무독성이나, 로듐 화합물은 반응성이 크고 고농도에서는 위험하며, 생체 내에서 이 원소의 역할은 알려져 있지 않다.1)

참고 자료

1. Retrieved on 2017-07-06.