타이타늄

은빛 광택을 띠며 밀도는 낮으나 강도가 높은 전이 금속인 타이타늄은 바닷물, 왕수 및 염소에 대한 내부식성이 큰 금속이며, 주로 금홍석과 타이타늄철석(ilmenite)과 같은 광물에 포함되어 지구의 지각이나 암석권에 널리 분포되어 있다. 원소 이름은 1795년 독일의 화학자인 클라프로트가 그리스 신화에 등장하는 거대하고 강력한 신인 타이탄(titans)에서 따서 지었다. 순수한 타이타늄은 크롤(Kroll)과 헌터(Hunter) 공정으로 앞서 언급한 광물에서 추출한다. 타이타늄 금속은 높은 내부식성을 나타내며 밀도 대비 강도가 가장 높다. 순수한 타이타늄 금속은 일부 강철보다 강도가 크지만 밀도는 낮다. 타이타늄 화합물 중 일반적으로 가장 잘 알려진 이산화 타이타늄(TiO^­₂)은 광촉매(photocatayst)로 널리 사용되고 있으며, 백색 안료 제조 시 재료로도 이용된다.

타이타늄 결정막대 ()

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1791년 성직자이자 지질학자인 그레고르(William Gregor)에 의해 발견되었다. 영국 콘월(Cornwall) 근처의 냇가에서 자석에 끌리는 검은 모래(타이타늄철석)를 발견하고 분석하여, 이 모래에는 철 산화물과 함께 흰색의 새로운 원소의 산화물이 존재한다는 것을 알아내었고, 그 결과를 학회에 보고하였다. 1795년에 독일의 화학자인 클라프로트(Martin Heinrich Klaproth)는 금홍석(rutile)으로부터 이 원소의 산화물을 재발견하였다.

타이타늄은 탄소와 결합하여 안정한 탄화 타이타늄(TiC)을 생성하기 때문에 일반적으로 금속을 얻는 공정으로 생산하는 것이 불가능하다. 99.9% 순도의 타이타늄 금속은 1910년 미국의 헌터(Mattew A. Hunter)가 헌터 공정으로 잘 알려진 고압에서 사염화 타이타늄(TiCl­₄)을 소듐과 함께 700-800 °C에서 가열하여 처음으로 제조하였다. 1925년 반 아르켈(Anton Eduard van Arkel)과 드보어(Jan Hendrik de Boer)는 사아이오드화 타이타늄(TiI₄) 증기를 뜨거운 텅스텐 필라민트로 분해하여 고순도의 타이타늄을 소량 제조하는 방법을 고안하였다. 

이후 1932년 크롤(William Justin Kroll)이 사염화 타이타늄을 칼슘으로 환원시켜 생산하는 방법을 고안하였고, 8년 후 마그네슘과 소듐으로 이 공정을 개선한 크롤 공정으로 타이타늄이 대량으로 생산되기 시작하였다.

클라프로트는 금홍석으로부터 타이타늄 산화물을 발견하고 그리스 신화에 등장하는 신의 종족인 타이탄(Titan)에서 이름을 따고 여기에 금속을 나타내는 접미어를 더해 '타이타늄'이라고 명명하였다. 원소 기호는 'Ti'이다.

타이타늄은 높은 중량 대비 강도를 지닌 금속으로 흰색 금속 광택을 띠며 연성이 크다. 상대적으로 녹는점이 1668 °C로 높아 내열 금속으로 이용되며 자기적 성질은 상자성이고 전기 및 열 전도도는 다른 금속에 비해 매우 낮다.

타이타늄 금속과 합금은 알루미늄 및 마그네슘과 마찬가지로 공기 중에 노출되면 표면이 즉시 산화된다. 그러나 표면에 생성된 산화물 보호 피막에 의해 더 이상의 산화가 진행되지 않아 결과적으로 상온에서 물이나 공기와 아주 느리게 반응한다.  표면에 산화물 보호 피막이 생성된 타이타늄은 백금과 비슷한 내부식성을 나타내는데, 실온에서는 묽은 황산(H₂SO₄)과 염산(HCl), 염화물 용액 및 대부분의 유기산과 반응하지 않는다. 그러나 타이타늄은 진한 산에 의해서 부식되며 반응성이 매우 높아 공기 중에서 녹는점보다 낮은 온도에서 쉽게 산화된다. 따라서, 타이타늄의 용융은 비활성 분위기나 진공 상태에서만 가능하다. 금속 타이타늄은 공기 중에서 1200 °C, 그리고 산소 조건 하에서 610 °C에 각각 산화되어 이산화 타이타늄(TiO₂)을 형성한다. 타이타늄은 순수한 질소 기체와 반응하는 몇 안되는 원소 중 하나로, 질소 기체와 반응하여 800 °C에서 질화 타이타늄(TiN)이 된다. 550 °C에서 염소 기체와 반응하며 다른 할로젠과도 반응한다.  

화합물에서 타이타늄은 +4가 산화 상태가 대부분이나, +3가 상태도 흔히 있고 +2가와 +1가도 알려져 있다. 일반적으로 타이타늄 착물은 팔면체 배위 구조를 가지지만, 예외적으로 사염화 타이타늄처럼 사면체 착물도 알려져 있다. 타이타늄(IV) 화합물은 공유 결합 특성이 크다.

타이타늄 산화물 중 이산화 타이타늄이 가장 흔하며, 백색의 반자성 고체로 루타일(rutile), 아나타제(anatase), 브루카이트(brookite) 등 세 가지 다형체(polymorphs)가 알려져 있다. 열역학적으로 가장 안정한 구조는 루타일 구조이다. 페로브스카이트(perovskite) 구조를 가지는 타이타늄산 바륨(BaTiO₃)은 압전(piezoelectric) 특성을 보여 소리와 전기를 상호 변환시키는 변환기로 사용된다. 오산화 삼타이타늄(Ti₃O₅), 삼산화 이타이타늄(Ti₂O₃), 일산화 타이타늄(TiO) 등 다양한 타이타늄 산화물도 알려져 있다. 흑연과 비슷한 층상형 구조(layered structure)를 가진 이황화 타이타늄(TiS₂)은 리튬 이차전지의 음극 소재로써 우수한 특성을 보인다.

타이타늄(IV) 알콕사이드는 물과 반응하여 이산화 타이타늄을 생성한다. 산업적으로 이 솔-젤 공정을 이용하여 표면에 고체 이산화 타이타늄을 증착할 수 있다. 타이타늄 아이소프로폭사이드(titanium isopropoxide)는 샤플리스(Sharpless) 에폭시화 반응에서 카이랄 유기 화합물을 합성하는 데 사용된다.

질화 타이타늄은 모스 경도계의 9.0에 해당하는 경도를 가지고 있어 절삭 공구 표면을 코팅하는데 주로 사용되며, 탄화 타이타늄 역시 매우 단단해서 절삭 공구와 코팅제로 사용된다.

사염화 타이타늄은 무색의 휘발성 액체이고, 공기 중 물과 반응하여 흰 기체를 방출하며 가수분해된다. 주로 백색 안료의 재료인 이산화 타이타늄을 제조하는 데 사용되며 유기화학에서 알돌 축합 반응 시 루이스 산으로도 널리 이용된다. 타이타늄(III)과 타이타늄(II)도 안정한 염화물을 형성한다. 예로 삼염화 타이타늄(TiCl₃)은 폴리올레핀생산 과정의 촉매(Ziegler-Natta 촉매)로 사용되며 유기 화학 반응에서 환원제로도 사용된다.

이염화 타이타노센((C₅H₅)₂TiCl₂)과 같이 Ti-C 결합을 갖는 타이타늄 유기금속 화합물은 고분자 중합 반응 촉매로써 중요한 역할을 한다.  타이타늄은 (C₅H₅)₂Ti(CO)₂와 같이 카르보닐 착물도 형성한다.

타이타늄 광석의 약 95%는 이산화 타이타늄으로 정제되어 칠감, 종이, 치약 및 플라스틱의 첨가제로 이용된다. 이산화 타이타늄 분말은 화학적으로 비활성이고, 햇빛에 강하며 제품의 색을 보다 하얗게 만든다. 이산화 타이타늄으로 만든 페인트는 극한 온도와 환경에서도 변하지 않는다. 순수한 이산화 타이타늄은 다이아몬드보다 높은 굴절률과 광 분산력을 가지고 있으며 광촉매나 자외선 차단제로 사용된다.

타이타늄 합금은 높은 밀도 대비 인장 강도, 내부식성, 내피로성, 내균열성, 내열성을 가지고 있어, 항공기, 선박, 우주선 및 미사일 제조에 사용된다. 실제로 생산된 타이나늄 금속 중 약 2/3가 항공기 엔진 및 프레임을 만드는 데 사용되며, 타이타늄 6AL-4V 합금(6%의 알루미늄과 4%의 바나듐 등이 포함된 타이타늄 합금)은 항공기 산업에 사용되는 전체 합금의 대략 50%의 양을 차지한다. 타이타늄은 바닷물에 의한 부식에도 강하기 때문에, 선박용 부품, 담수화 시설 부품, 해수 수족관용 냉난방기, 낚싯줄 및 낚싯대, 잠수부 칼 및 해양 감시 장비의 부품 등으로 사용된다. 특히 주노(Juno) 우주선의 전자 장치를 보호하기 위한 벽 재료로 사용되기도 하였다. 타이타늄 합금은 화학 물질에 대한 부식에 강하기 때문에 화학 및 석유화학 산업에서 용접관이나 공장 시설에 사용하고 있다. 제지 산업에서 사용되는 하이포염소산 소듐 또는 표백 공장의 염소 가스와 같은 부식성 매체에 노출된 공정 장비에도 타이타늄을 사용한다.

타이타늄은 경량 및 고강도 특성이 필요한 자동차 부품 소재 분야에 사용된다. 타이타늄 합금은 가격이 비싸지만 가볍고 내구성이 높으며 피부 알레르기를 일으키지 않아서, 다양한 스포츠용품과 안경테, 시계 및 보석류와 같은 생활용품 및 건축 재료로 이용된다. 타이타늄은 내구성이 뛰어나고 생체 적합성이 우수하여 인공 관절 및 치과용 임플란트와 같은 의학 분야의 소재로 사용된다. 또한, 비강자성체이기 때문에, 임플란트 환자가 자기 공명 영상 검사를 할 수 있도록 한다. 이산화 타이타늄 나노입자는 전자 제품, 의약품 및 화장품 등에 널리 사용된다. 타이타늄의 뛰어난 내부식성 때문에, 장기간의 핵폐기물을 저장하기 위한 용기 재질로도 사용한다.

'Titanium' Retrieved on 2017-08-13.