구리

산출·용도·특성

천연 구리는 현무암의 주요광물 또는 구리화합물의 환원물 형태로 여러 곳에서 발견된다. 구리는 휘동석·황동석·적동석·반동석·공작석·남동석 같은 광물 속에 다른 물질과 화합하여 존재한다. 또한 해초를 태운 재, 산호, 사람의 간, 연체동물 및 절지동물의 몸 안에도 있다. 연체동물·갑각류 등 푸른 피를 가진 동물의 헤모시아닌에 있는 구리는 붉은 피를 가진 동물의 헤모글로빈 안에 있는 철과 마찬가지로 산소를 운반하는 역할을 한다. 사람 몸속에는 헤모글로빈 형성을 촉진시키기 위해서 적은 양이 존재한다.

상업적으로는 주로 제련이나 여과 과정을 거친 뒤 전기분해로 정제시켜 생산한다. 전세계에서 생산된 구리의 많은 양이 전기 산업에 쓰이고, 나머지 대부분은 다른 금속과 합금하여 쓴다. 구리가 주성분인 주요합금은 황동(구리-아연 합금)·청동(구리-주석 합금)·양은(구리-아연-니켈 합금) 등이다.

구리와 니켈은 완전히 섞여서 모넬(Monel)과 같은 여러 가지 유용한 합금을 만든다. 또한 알루미늄과 함께 알루미늄청동이라는 일련의 중요한 합금이 되고, 베릴륨구리(베릴륨 2%)는 열처리로 단단해지는 특이한 성질의 구리 합금이다. 화폐를 주조할 때는 대부분 구리가 들어간다. 철기시대에도 구리는 철 다음으로 중요하게 쓰인 금속이었다. 그러나 1960년대에 이르러 더 싸고 훨씬 풍부한 알루미늄이 구리보다 더 많이 생산되게 되었다.

구리는 가장 무른 금속 중의 하나로 특별히 강하지도 단단하지도 않다. 달구지 않고 연마해도 구리의 강도나 경도는 현격하게 증가하는데, 이는 더 부드럽게 열처리된 구리에서와 같이 면심입방구조의 결정체가 형성되기 때문이다. 산소·질소·이산화탄소·이산화황과 같은 기체들은 융해된 구리에 녹을 수 있으며, 이들이 녹아 굳은 금속 구리의 역학적·전기적 성질은 크게 변한다(→ 연성). 천연 구리는 2개의 안정된 동위원소 ⁶³Cu(69.09%)와 ⁶⁵Cu(30.91%)의 혼합물이다.

구리는 수소보다 환원전위가 크기 때문에 일반적으로 수소를 내는 산(酸)과는 반응하지 않지만 질산, 고온의 진한 황산과 같이 산화력을 가진 산과는 반응을 한다. 구리는 공기와 바닷물의 작용에 잘 견디지만 오랫동안 공기 중에 노출되면 녹색의 얇은 염기성 보호막인 탄산구리(녹청)를 만든다. → 천연원소

주요화합물

29 copper (Cu) enhanced Bohr model

구리는 보통 ＋1가와 ＋2가 산화수를 갖는 화합물을 만든다. 그러나 특별한 조건에서는 ＋3가의 화합물을 생성할 수도 있는데, ＋3가의 구리는 수용액 속에서 단지 몇 초 동안만 안정하다.

1가(Cu¹⁺) 화합물은 모두 반자성을 띠고 대부분 색깔이 없다. Cu¹⁺의 중요한 공업용 화합물은 산화구리(Ⅰ)(Cu₂O), 염화구리(Ⅰ)(Cu₂Cl₂), 황화구리(Ⅰ)(Cu₂S) 등이다. 산화구리(Ⅰ)은 적동석으로 산출되는 적색 또는 적갈색 결정이나 분말이다. 산화구리(Ⅰ)은 산화구리(Ⅱ) 광석을 금속 구리로 환원시키거나 염화소듐 용액을 구리 전극으로 전기분해함으로써 많은 양을 얻을 수 있다. 순수한 산화구리(Ⅰ)은 물에는 녹지 않으나 염산이나 암모니아에 녹는다. 주로 오염방지 페인트, 유리제품, 유약과 도자기에 적색을 낼 때 사용되고, 종자나 곡물의 살균제로도 쓰인다.

염화구리(Ⅰ)은 광물 난토카이트(nantokite)에서 얻어지는 회백색 고체로, 보통 염화구리(Ⅱ)를 금속 구리로 환원시켜서 얻는다. 순수한 염화구리(Ⅰ)은 건조한 공기 중에서 안정하지만 습기가 있는 공기 중에서 녹색 산화물로 변하고, 빛에 노출되면 염화구리(Ⅱ)로 변한다. 물에는 녹지 않지만 진한 염산이나 암모니아를 가하면 착이온을 형성하여 용해된다. 아세틸렌과 사이안화수소(HCN)로부터 아크릴로나이트릴을 합성하는 반응을 비롯한 수많은 유기 반응에서 촉매로 쓰이며, 석유 제품의 탈색제와 탈황제, 섬유소의 질소 제거제 또는 비누·기름·고체 유지의 응고제로 쓰인다.

황화구리(Ⅰ)은 검정색 분말이나 덩어리로 휘동석의 형태로 산출된다. 황화구리(Ⅱ)를 수소증기 안에서 가열하면 많은 양을 얻을 수 있다. 물에 녹지 않으나 수산화암모늄(NH₄OH)과 질산(HNO₃)에 녹는다. 태양전지, 발광 페인트, 전극, 그리고 다양한 고체 윤활유 등으로 쓰인다.

2가 구리(Cu²⁺) 화합물 가운데 널리 쓰이는 것들로는 산화구리(Ⅱ)(CuO), 염화구리(Ⅱ)(CuCl₂), 황산구리(Ⅱ)(CuSO₄) 등이 있다. 산화구리(Ⅱ)는 흑동석과 파라멜라코나이트(paramelaconite)에서 얻어지는 검은 분말이다. 혼합 산화구리 광석을 1,030℃ 이하의 온도로 가열하면 많은 양을 얻을 수 있다. 순수한 산화구리(Ⅱ)는 산과 염기성 사이안화물에 녹는다. 유리제품·자기유약·인조보석에 푸른색이나 초록색을 낼 때, 또 석유 기체의 탈황제와 산화 촉매제로 쓰인다.

염화구리(Ⅱ)는 황색 내지 갈색 분말로, 공기 중에 있는 습기를 쉽게 흡수하여 청록색의 수화물(CuCl₂·2H₂O)이 된다. 이 수화물은 보통 금속 구리로 채워진 용기 속에 염소와 물을 통과시켜 얻으며 100℃로 가열하면 물이 빠져나가 무수물이 된다. 염화구리(Ⅰ)과 마찬가지로 염화구리(Ⅱ)도 탄화수소의 염소화(化) 같은 많은 유기반응의 촉매로 쓰인다. 또한 목재 방부제, 직물의 염색이나 날염시의 매염제, 유리제품이나 도자기의 색소, 그밖에 소독제, 사료 첨가물로 쓰인다.

황산구리는 산화구리(Ⅱ)를 황산으로 처리했을 때 생기는 염으로, 물분자 5개를 가지고 있는 크고 밝은 청색의 결정이다(CuSO₄·5H₂O). 150℃에서 가열하면 황산구리 무수물을 얻는다. 황산구리는 사료 첨가물, 비료, 살균제, 살충제 등 주로 농업용으로 쓰이지만 다른 구리 화합물을 만들 때나 분석화학에서 시약으로도 쓰인다. 또 전지와 전기도금조의 전해액, 소독제·살균제·수렴제 등의 의약품으로도 쓰인다.

그밖에 중요한 2가 구리 화합물로 탄산구리[Cu₂ (OH)₂CO₃]가 있는데, 이는 탄산소듐(Na₂CO₃)을 황산구리 용액과 반응시킨 뒤 여과, 건조시켜 얻는다. 착색제로 쓰이며, 비소(As)와 결합하여 파리그린(Paris green)이라는 아세토아비산구리를 만들어 목재의 방부제 및 살충제로 쓰인다.