아연

개요

은회색을 띠는 금속. 생명유지에 꼭 필요한 원소이며 가장 널리 사용되는 금속 중의 하나이다. 습기를 만나면 표면이 산화되지만, 산화된 표면 안쪽에서는 내식성이 있어 주철제 수도관 등의 도금용으로 사용된다. 인체 안에서는 세포를 구성하는 물질 가운데 하나로, 성장 발육에 도움을 준다.

아연

로마 시대에는 구리와의 합금인 놋쇠만이 알려져 있었으나 13세기에 인도의 야금학자들이 순수한 아연을 분리했으며, 중국에서는 16세기에 아연을 대량생산했다. 서구에서는 18세기 중엽 잉글랜드에서 윌리엄 챔피언의 지도 아래 공업적으로 아연을 생산했다.

내식성이 높기 때문에 부식을 막기 위해 다양한 금속의 도금용으로 많이 사용된다. 구리와 합금하면 놋쇠가 된다. 니켈과 합금으로 은색을 띠고 강도를 높일 때에도 사용되며 동전용 합금으로도 많이 쓰인다.

특성

섬아연석(sphalerite)

산출

아연은 지각에 평균적으로 t당 65g 정도가 분포되어 있으며, 구리보다 약간 풍부하게 존재한다. 주요 아연광물로는 황화물인 섬아연광을 들 수 있는데, 그의 산화물인 스미소나이트와 이극석을 합하여 세계 아연광석의 대부분을 차지한다. 세계 아연(Zinc) 매장량은 약 3억 3천만 톤이며 오스트레일리아, 카자크스탄, 캐나다, 러시아, 중국 등 70여개 국에 매장되어 있다. 원광을 제련하여 원자재로 가공하는 주요 아연 생산국은 오스트레일리아, 캐나다, 중국, 한국이며 주요 수입국은 미국, 독일, 대만 등이다. 천연 아연이 오스트레일리아·뉴질랜드·미국 등에 있다는 보고가 있으나 산출된 사실은 입증되지 않았다.

제련

천연 아연은 5가지 안정한 동위원소, 즉 ⁶⁴Zn(48.6％), ⁶⁶Zn(27.9％), ⁶⁷Zn(4.1％), ⁶⁸Zn(18.8％), ⁷⁰Zn(0.6％)의 혼합물이다(→ 천연원소 도표). 아연의 결정구조는 육방밀집구조(六方密集構造)이며, 아연 금속은 산화물을 탄소로 열환원(熱還元)한 후에 아연 증기를 응축시키거나 정제된 황산아연 용액을 전기분해해 얻는다. 새롭게 주조한 아연의 표면은 청색빛이 도는 은색을 띠나 공기 중에서 서서히 산화하여 회색의 보호산화막을 형성한다.

금속의 특성

99.99％의 순도가 높은 아연은 연성(延性)이 있고, 99.8％의 서부 1등급 아연은 냉각시키면 부서지기 쉬우나 100℃ 이상에서는 유연성이 남아 있어 압연(壓練)하여 얇은 판으로 만들 수 있다. 철과 아연을 함께 부식성 매질에 노출시키면 전해전지를 구성하게 되고, 아연이 철보다 전극전위가 더 높기 때문에 먼저 산화하여 아연이온(Zn^2＋)이 된다. 대기 중에서 아연의 내식성이 크기 때문에 이런 반응을 이용해서 아연도금(亞鉛鍍金)의 효과를 얻을 수 있다.

산업의 이용

아연 금속은 주로 철과 강철을 아연도금하는 데 쓰이며, 금형주조용(金形鑄造用) 합금과 놋쇠를 만드는 데 쓰인다. 일반 건전지의 음극도 아연으로 만든다. 아연은 철강이나 자동차, 전기, 전자, 건설 등 다른 산업의 기초 소재로 활용도가 높다. 특히 세계에서 소비되는 아연의 60% 이상은 자동차용 아연도금 강판으로 들어간다.

인체 내의 기능

아연은 인체에 꼭 필요한 미량원소(微量元素)로 적혈구에 고농도로 존재하며, 이산화탄소 대사와 관련있는 많은 반응들을 촉진시키는 효소인 탄산탈수효소의 필수성분이다. 췌장 내에 존재하는 아연은 인슐린의 저장을 돕는다. 또한 위장관 내에서 단백질을 소화시키는 몇몇 효소의 성분이다. 견과류 및 과실수에 아연이 부족하면 잎이 적어지고 반점이 생기는 피칸로젯병에 걸리게 된다. 또한 달팽이 혈액 중의 헤모사이코팁신 내에서 아연은 인간의 혈액 중 헤모글로빈 내에 있는 철분과 유사한 방법으로 산소를 운반하는 기능을 담당한다.

아연 화합물

30 zinc (Zn) enhanced Bohr model

화합물에서 아연의 산화수는 거의 대부분이 ＋2가이다. 아연 화합물 중 극히 일부는 ＋1가의 산화수를 갖는 것도 있으나 ＋3가 이상의 아연 화합물은 존재하지 않는다.

산화아연(ZnO)

산화아연

산화아연(ZnO)은 가장 중요한 아연 화합물 중의 하나로 순도가 높은 상태로 만들 수 있으며, 공기 중에서 아연 증기를 연소시켜 결정의 모양과 크기를 다양하게 할 수 있다. 열전도와 열용량이 크기 때문에 고무와 섞어서 열방산제로 쓰인다. 산화아연의 결정을 살펴보면, 격자구조(이온들이 규칙적인 배열로 이루어진 구조)로 격자 내에 단지 부피의 44％만이 아연과 산소 이온들로 채워져 있는 열린 격자구조를 갖는다.

격자결함은 빈 격자점에 모체결정의 원자인 아연원자나 다른 외부원자로 채우는 것과 같은 특수한 처리에 의해 생기며, 이로 인해 여러 전기적·광전기적·촉매적 성질들이 나타난다. 결과적으로 산화아연은 텔레비전 진공관과 형광등에 이용되는 인(燐)을 생산하기 위한 반도체로 쓰인다. 또한 많은 화합물과의 반응성에 미치는 효과 때문에 합성 고무와 메탄올을 제조하는 과정에서 촉매로 유용하게 쓰인다. 산화아연에 빛을 쬐면 전기전도도가 증가하므로 특정 사진복사법에도 이용된다.

황산아연

황산아연(ZnSO₄)은 전해법으로 아연 광석에서 아연을 채광할 때 중간물질로 쓰이며, 제초제나 비스코스레이온의 제조, 염색할 때 매염제로도 이용된다. 염화아연(ZnCl₂)은 직접 반응이나 여러 반응을 통해 만들어진 수용액을 증발시켜 만든다. 조해성(수분을 흡수하는 성질)이 강하고, 건조제 및 융제로 쓰이며, 수화물은 목재용 방부제로 사용된다.

황산아연(ZnSO4)

황화아연

황화아연(ZnS)은 천연에서 섬아연광으로 산출되며, 아연의 염용액과 황화수소를 반응시켜 만든다. 백색색소로 오래 전부터 사용되어왔으나 점차 이산화타이타늄으로 대체되고 있다. 황화아연에 구리·망간·은 또는 비소를 소량 첨가하면 황화아연이 활성화되어 발광성이 나타나므로 X선 영상 및 탁상시계·손목시계 등의 발광 눈금판 등에 쓰인다. 인화아연(Zn₃P₂)은 인과 아연이 직접 결합해서 만들어지며, 주로 쥐약으로 쓰인다.