붕소

특성·산출·용도

순수한 결정상태의 붕소는 광택이 나는 검은색의 반도체이다. 즉 고온에서는 금속처럼 전기전도성이 있고 저온에서는 거의 절연체가 된다. 모스 경도 9.3으로 카보런덤 같은 연마제(硏磨劑)를 긁을 만큼 단단하지만 잘 부서져 연장으로 사용하지 못한다.

지각의 무게의 약 0.001％를 차지하며, 붕사·커나이트·틴캘코나이트(수화된 붕산나트륨) 등에서 결합된 형태로 산출된다.

틴캘코나이트는 상업적으로 중요하게 쓰이는 붕소 광물로 특히 캘리포니아의 건조지대에 많이 분포되어 있으며, 콜레마나이트·울렉사이트·전기석과 같이 널리 분포되어 있는 광물이다. 천연 붕산인 사솔라이트는 특히 이탈리아에서 산출된다.

1808년 조제프 루이 게이 뤼삭과 루이 자크 테나르가, 그리고 이들과는 독자적으로 험프리 데이비가 산화붕소(B₂O₃)를 칼륨 금속과 함께 가열하여 최초로 붕소를 분리했다. 여기서 생긴 무정형의 불순한 흑갈색 분말이 1세기 이상이나 알려져온 붕소의 유일한 형태였다.

전기적으로 가열된 탄탈 필라멘트에서 브롬화붕소(BBr₃)나 염화붕소(BCl₃)를 수소로 환원시키는 힘든 과정을 거쳐 순수한 결정상태의 붕소를 얻을 수 있다.

강철을 만들 때 경도를 높이기 위해 소량의 붕소를 첨가하기도 한다. 붕소는 철과의 합금인 페로 붕소의 형태로 첨가되는데 여러 강철에서 보통 0.001~0.005％ 정도를 차지한다. 또한 붕소는 비철금속공업에서 일반적으로 산소 제거제로, 구리가 주성분인 합금이나 전도도가 높은 구리를 만들 때에는 기체 제거제로도 쓰이며, 알루미늄 주조(鑄造)에서 알갱이들을 정제하는 데도 쓰인다.

반도체 산업에서는 소량의 붕소를 규소와 저마늄에 도핑 물질로 첨가해 전기전도도를 변화시킨다.

육상식물의 생장을 위해 붕산이나 붕산염의 형태로 미량의 붕소가 꼭 필요하므로 간접적으로 동물의 생존에도 꼭 필요한 물질이다. 붕소 결핍에 의한 장애로는 채소의 갈색썩음병이나 사탕수수의 마른썩음병 등을 들 수 있다. 그러나 붕소의 양이 많으면 붕산염이 비선택적인 제초제(除草劑)로 작용하게 된다.

천연에서 붕소는 2개의 안정한 동위원소, 즉 붕소-10(¹⁰B：19.8％)과 ¹¹B(80.2％)의 혼합물로 산출되며, 이 비율이 약간씩 다르므로 원자량은 ±0.003 정도의 오차가 있다.

상대적으로 양이 적은 동위원소인 ¹⁰B의 열중성자 단면적이 3,836b으로 크기 때문에 붕소와 몇몇 붕소 화합물들은 중성자를 차폐시키는 화합물로 쓰인다. 순수한 붕소에는 최소한 4개의 동소체가 존재한다. 결정형태의 붕소는 상온에서 화학적으로 거의 비활성이다. 끓는 염산에 의해서도 변화가 생기지 않으며, 미세한 분말형태의 붕소는 뜨겁고 진한 질산에 의해 서서히 붕산(H₃BO₃)으로 전환된다. 화학작용을 볼 때 붕소는 비금속이다.

붕소 화합물

Electron shell 005 Boron

화합물을 만들 때 붕소의 원자가는 3이다.

그러나 붕소의 처음 3개의 전자를 떼어내는 데 필요한 이온화 에너지가 너무 커서 B³⁺ 이온을 포함하는 화합물을 만들기 어려우므로 화합물에서 붕소는 공유결합을 하고 있으며, 이때 붕소의 배위수는 3 또는 4이다. 붕소의 배위수가 3인 화합물들은 평면구조이며, 고립전자쌍을 포함하는 화합물인 주개받개착물(첨가생성물)로 쉽게 바뀐다. 이 첨가생성물에서 붕소의 배위수는 4이며, 그 4개의 원자단은 붕소 주위에서 4면체 형태로 배열되어 있다. 이 4면체의 결합은 음이온의 형성이나 주개원자로부터 나오는 비공유전자쌍을 받아들여서 생기며, 이로 인해 다양한 구조가 생긴다.

고체 형태의 붕산염은 몇몇 음이온(즉 붕소와 산소로 이루어진 BO₃^3－) 및 전자공유결합으로 이루어진 5가지 형태의 구조가 존재한다. 가장 흔한 붕산염은 흔히 붕사(Na₂B₄O₇·10H₂O)로 알려진 사붕산소듐으로 염층(鹽層)에서 천연적으로 산출된다. 붕사는 비누와 순한 소독제로 오랫동안 사용되었으며, 금속 산화물을 녹일 수 있기 때문에 납땜 융제로도 널리 쓰인다.

공업적으로 다양하게 이용되는 다른 붕소 화합물은 붕산(H₃BO₃)으로 오르토붕산이라고도 하는 이 백색의 고체는 진한 붕사용액을 황산으로 처리하여 얻어진다.

붕산은 화상이나 피부의 상처를 치료하기 위한 순한 소독제로 흔히 쓰이며, 안약의 중요한 성분이 된다. 그밖의 중요한 용도로는 직물의 내화재, 니켈 전기도금이나 가죽을 무두질하기 위해 사용되는 용액과 여러 유기화학반응에 사용되는 촉매의 중요한 성분으로 쓰인다. 붕산을 가열하면 물이 빠지고 메타붕산(HBO₂)이 되며, 여기서 물을 더 잃으면 산화붕소(B₂O₃)가 된다.

이 산화붕소를 실리카와 혼합하여 조리기구나 특정 실험장치로 쓰이는 내열유리(耐熱琉璃：붕규산 유리)를 만든다.

붕소는 여러 금속들과 결합되어 붕소화물이라고 하는 일련의 화합물들을 만든다. 이 붕소화물은 금속 붕소보다 보통 더 단단하고 녹는점이 더 높으며, 화학반응성은 작고 전기저항은 크다. 일부 붕소화물은 알려진 모든 물질 중에서 가장 단단하고 가장 내열성이 큰 화합물 중의 하나이며, 이 극단적인 특징에 따라 그 용도가 결정된다.

예를 들어 붕소화알루미늄(AlB₁₂)은 많은 경우에 연마용과 분쇄용 다이아몬드 가루의 대체물질로 이용된다.

질소와 붕소를 반응시키면 질소화붕소(BN)가 만들어지는데 이것은 탄소처럼 2개의 동소체(화학적으로는 같으나 물리적으로는 다른 형태)가 존재한다. 그중 하나는 흑연과 비슷한 층상구조를, 다른 하나는 다이아몬드와 비슷한 입방결정구조를 이룬다.

보라존(borazon)이라 하는 후자의 동소체는 매우 높은 온도에서도 산화에 견딜 수 있고 상당히 단단하기 때문에 고온용 연마제로 유용하게 쓰인다. 붕소는 모든 할로젠 원소와 반응하여 반응성이 매우 큰 삼할로젠화물을 형성한다. 소위 루이스산이라고 하는 이들 화합물은 아민·포스핀·에터·할로젠화이온들과 쉽게 착물을 형성한다.

수소와 붕소가 반응하여 보란(borane)이라 하는 일련의 화합물을 형성하며, 그중 가장 간단한 것은 디보란(B₂H₆)이다.

이들 수소화붕소의 분자구조와 화학작용은 무기화합물 중에서 특이하다. 대표적으로 그들의 분자구조를 살펴보면 붕소 원자와 수소 원자의 일부는 서로 가까이 둘러싸여 있거나, 또는 각 원자쌍에 대응하는 전자쌍 결합으로 설명될 수 있는 것보다 많은 원자와 결합되어 있음을 알 수 있다.

이러한 차이로 인해 전자쌍은 2원자 사이에 편재되어 있지 않고, 3원자에 의해 공유된 결합(3중심 결합)이라는 개념이 생겨났다. 디보란은 여러 화합물들과 결합해 알킬보란·아릴보란·알데히드와 첨가생성물 등의 유기 붕소화합물을 포함하는 수많은 붕소 유도체나 보란 유도체를 형성한다.