칼슘

알칼리 토금속에 속하며, 공기 중에 노출되었을 때 검은 색상의 산화물-질화물층을 만드는 칼슘의 물리^.화학적 성질은 더 무거운 질량을 지닌 동족 원소인 스트론튬이나 바륨과 유사하다. 지각에 포함된 원소 중 다섯 번째로 풍부하며, 금속 중에서는 철, 알루미늄에 이어 세 번째로 풍부하다고 알려져 있다. 자연계에서 가장 흔하게 발견되는 칼슘 화합물로는 탄산 칼슘염이 있으며, 석회석 및 지구 초기 바다 생물들의 화석에서도 발견되기도 한다.

Ca()

목차

칼슘의 전자 배치는 아래 그림과 같이 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²이며 다른 2족 원소들과 마찬가지로 최외각 s 오비탈에 2개의 전자를 갖고 있다. 이 두 개의 최외각 전자는 쉽게 떨어져 나갈 수 있으며 그 결과 비활성 기체인 아르곤의 전자 배치와 같은 Ca²⁺ 양이온을 만들 수 있다. 따라서 칼슘은 화합물의 구성 성분으로 존재할 때는 대부분의 경우 2가 양이온으로서 존재한다. 이러한 특징은 이온화 에너지로도 설명될 수 있는데 칼슘의 경우 1, 2차 이온화 에너지는 각각 589.8kJ/mol과 1145.4kJ/mol이지만, 3차 이온화 에너지는 4912.4kJ/mol로 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있다.

칼슘 금속은 842℃에서 녹으며 1494℃에서는 끓기 시작한다. 이는 같은 2족에 속해 있는 마그네슘이나 스트론튬의 녹는점이나 끓는점보다 더 높은 온도이다. 칼슘의 결정 구조는 스트론튬과 같이 면심 입방 구조이지만, 450℃ 이상에서는 이등방성 육방 밀집 구조를 지닌다. 또한 칼슘은 납보다 단단하지만, 칼로 절삭이 가능하다. 밀도는 상대적으로 낮아서 부피 단위로 보면 구리나 알루미늄보다 전도 효율이 낮지만, 질량을 고려하면 두 금속보다 더 좋은 전도 효율을 보인다. 대기 중에서 쉽게 산화되는 성질 때문에 보통은 전도체로 쓰기는 힘들지만, 우주 공간에서의 활용에 대해서는 여전히 고려할 수 있는 물질이다.

칼슘의 전자배치()

칼슘이 형성하는 대표적 화합물들에는 산화 칼슘(CaO), 과산화 칼슘(CaO₂)과 같이 높은 산소 기압 하에서 산화되어 만들어지는 산화물들이 있다. 특히, 초산화 칼슘(Ca(O₂)₂)이나 수산화 칼슘(Ca(OH)₂) 같은 화합물들의 경우, 강염기성을 가지는 것으로도 알려져 있다. 칼슘 할로젠 화합물의 경우, 네 종류의 할로젠족 원소들이 칼슘과 이할로젠화물을 만들 수 있는 것으로 알려져 있다. 또한 광물 상태로 발견되는 칼슘 화합물들로는 주로 탄산 칼슘(CaCO₃) 이나 황산 칼슘(CaSO₄)이 알려져 있다.

Ca²⁺ 양이온은 그 크기가 상대적으로 커서 이로 인해 주로 높은 배위수를 갖는 경우가 흔히 발견된다. 예를 들어 아연화 칼슘(CaZn₁₃)과 같은 화합물의 경우에는 Ca²⁺의 배위수가 무려 24가 되는 것으로 알려져 있다. 분석 화학에서 널리 쓰이는 EDTA와 같은 킬레이트 산화물과도 잘 결합하는 성질로 인해 경수에서 Ca²⁺ 양이온을 제거하는데 이러한 킬레이트 산화물들이 유용하게 활용되기도 한다.

탄산칼슘 ()

자연계에는 총 6개의 칼슘 동위원소가 존재하는데 이들 중 다섯 개는 안정하지만 한 개는 상대적으로 긴 반감기를 거쳐 분해 된다. 안정한 동위원소로 ⁴⁰Ca, ⁴²Ca, ⁴³Ca, ⁴⁴Ca, ⁴⁶Ca 등이 있고, 4.3 x 10¹⁹년의 매우 긴 반감기를 갖는 동위원소로는 ⁴⁸Ca이 존재한다. 이들 중 자연계에서 가장 많은 비율을 차지하는 동위원소는 ⁴⁰Ca로써 전체 칼슘 동위 원소 중 96.941%를 차지한다. 두 번째로 많은 양이 존재하는 칼슘의 동위원소로는 ⁴⁴Ca가 있으며 전체의 2.806%를 차지한다. 나머지 네 개의 동위원소 ⁴²Ca, ⁴³Ca, ⁴⁶Ca, ⁴⁸Ca는 모두를 합해도 1% 미만의 비율을 차지한다.

칼슘 화합물은 오래전부터 인류에 의해 사용되어 왔으나 그 화학적 조성이 명확히 이해된 것은 17세기 이후부터이다. 주로 광산에서 채취될 수 있는 석회석은 건축물이나 조각상의 재료로 서기 7000년경부터 사용되기 시작했으며 고대 로마 시대에는 석회를 가열해 만든 석회 모르타르(CaCO₃)를 이와 같은 용도로 사용하였다. 이로 인해 칼슘의 어원도 석회를 칭하는 라틴어 calx에서 유래되었다. 비트루비우스(Vitruvius)는 석회를 가열하면 무게가 더 작아진다는 것을 알아냈고 이러한 현상은 석회에 포함된 물이 증발하면서 발생한다고 주장하였다. 하지만 1755년, 블랙(Joseph Black)은 이러한 현상이 당시 로마인들에게는 알려지지 않았던 기체인 이산화 탄소가 증발하면서 일어나는 현상이라는 것을 밝혀냈다.

석회석 광산()

칼슘은 1808년 처음으로 데이비(Humphry Davy)에 의해 마그네슘, 스트론튬, 바륨과 함께 화학적으로 분리되었다. 또한 그는 칼슘 산화물과 마그네슘 산화물을 각각 수은 산화물과 섞어 백금 전극판을 사용한 전기 분해를 통해 각각 칼슘-수은 아말감과 마그네슘-수은 아말감을 얻는 데 성공하였다. 이후 데이비는 이 물질들을 가열하여 수은을 제거한 뒤 칼슘과 마그네슘 금속을 얻을 수 있었다. 하지만 이 방법으로는 대량으로 칼슘 금속을 얻어내기 힘들었고 상업적 규모의 분리 공정은 한 세기 이후에나 도입되었다.

험프리 데이비 ()

칼슘은 지각에 다섯 번째로 많이 존재하는 원소로써 지각의 약 3%를 차지하고 있다. 현존하는 광물 중에는 주로 방해석에서 발견되며 그 외에 석고, 경석고, 형석 등에서도 많이 발견된다. 주요 생산국으로는 중국(연간 약 10,000t-12,000t), 러시아(연간 약 6,000-8,000t), 미국(연간 약 2,000-4,000t) 등이 있다. 전 세계에서 생산된 칼슘의 절반이 미국에서 사용되며 그렇게 칼슘을 활용해 만들어진 제품들의 80%가 미국에서 매년 소모된다. 중국과 러시아에서는 아직 데이비가 썼던 전기 분해 방식을 사용하는 반면 미국과 캐나다에서는 고온에서 알루미늄으로 석회를 환원시키는 방식의 생산 공정을 채택하고 있다.

칼슘의 가장 큰 용도는 강철 제조이다. 우선 칼슘은 산소나 황과의 반응성 때문에 다양한 산화물 및 황화물을 쉽게 생성하며 이러한 산화물들은 액상의 석회 알루민산 염과 함께 황화물을 만든다. 이렇게 만들어진 화합물들은 강철 내부에 작은 구형의 첨가물과 포함되어 기계적 물성을 향상한다. 또한 칼슘은 자동차의 배터리, 베어링용 알루미늄 합금의 강화, 주철의 탄소 함유량 조절, 납으로부터 비스무트 불순물 제거 등 다양한 야금 분야에 활용된다. 이 외에도 크로뮴, 지르코늄, 토륨, 우라늄의 환원제 및 산소 기체의 저장 물질로도 널리 활용된다. 이처럼 다양하게 칼슘을 활용할 수 있는 이유는 칼슘이 수소와 쉽게 반응하여 고체 수소화 칼슘을 형성하기도 하고 반대로 쉽게 수소로부터 분리할 수도 있기 때문이다. 또한 칼슘은 다양한 식품 및 의약품 등에 첨가되기도 한다.

강철()

칼슘은 인체의 필수 원소 중 하나로 인체의 유지를 위해 많은 양이 요구된다. Ca²⁺ 양이온은 근육, 순환계, 소화기 건강을 위한 주요 전해질로 작용하며, 골격의 유지 및 발달에 필수적이다. 또한 혈액 세포의 생성이나 기능에서도 중요한 역할을 담당한다. 또한 칼슘은 단백질 및 효소와 다양한 상호 작용을 하기도 한다. 반면, 칼슘의 과잉 섭취 시 고칼슘혈증과 같은 다양한 부작용이 발생할 수도 있으므로 주의가 필요하다.

1. Retrieved on 2019-2-20.