타이타늄

연구사

타이타늄의 산화물은 1791년 영국의 화학자이자 광물학자인 윌리엄 그레거(William Gregor)가 영국 콘월의 메나칸 계곡에서 발견하여 ‘메나카나이트(Menaccanite)’라고 명명했다. 1795년 독일의 화학자 마르틴 하인리히 클라프로트(Martin Heinrich Klaproth)도 헝가리의 금홍석 광산에서 독자적으로 발견하여 ‘티탄(Titan)’이라고 명명했다. 1797년 두 사람이 발견한 원소가 동일한 것으로 밝혀짐에 따라 명칭도 통일되었는데, 이후 영어권에서는 ‘티타늄(Titanium)’, 독일어권에서는 ‘티탄(Titan)’ 이라고 표기했다.

1910년 뉴질랜드 태생 미국의 야금학자인 매슈 A. 헌터는 밀폐 강철통에서 사염화타이타늄(TiCl₄)을 나트륨으로 환원시켜 순수한 타이타늄을 분리했다.1947년 이후 타이타늄은 상업적으로 크롤법(사염화물을 마그네슘으로 환원시키는 방법)으로 생산하는 중요한 건축용 금속이 되었다.

한국에서는 일제 강점기 이후 원소의 명칭이 독일어·일본어에 기반을 두어 통용됨에 따라 타이타늄의 원소명은 ‘티탄’, 금속재로서의 명칭은 ‘티타늄’으로 불렸다. 2005년 대한화학회에서 국제 순수·응용화학 연합(IUPAC)이 정한 국제기준에 맞게 만든 <화합물 명명법>을 기준으로, 산업자원부 기술표준원에서 화학용어를 개선하면서 ‘타이타늄’으로 변경되었다. 이에 따라 2013년부터는 초·중·고 교과서에서도 개정된 용어를 전면적으로 사용하기 시작했다.

분포

타이타늄은 널리 분포하며, 지각의 0.44％를 구성하고 있다. 타이타늄 금속은 실제로 모든 암석·모래·점토와 그밖의 토양에서 결합된 형태로 발견된다. 또한 동식물·천연수·심해·운석·별에서도 존재한다. 상업적으로 중요한 광물은 타이타늄철석과 금홍석이다.

타이타늄

물리적 특성

순수한 타이타늄은 연성이 좋고 철 무게의 반이며, 알루미늄보다는 2배 정도 무겁고 연마하면 광택이 매우 좋다. 열전도도와 전기전도도가 매우 낮고 상자성을 띤다. 2개의 결정 구조를 갖고 있는데, 882℃ 이하에서는 육방밀집구조(α)이며 882℃ 이상에서는 체심입방구조(β)를 갖는다. 천연에 존재하는 티탄은 5개의 안정한 동위원소(⁴⁶Ti~⁵⁰Ti)로 이루어져 있다.

화학적 특성

타이타늄은 대부분의 금속 및 일부 비금속과 유용한 합금을 형성하기 때문에 중요하다. 이들 합금 중에 일부는 타이타늄 자체보다 장력이 매우 큰 것도 있다. 타이타늄은 여러 환경에서 표면에 불용성 산화막이 생기기 때문에 내식성이 뛰어나며 해수에 3년 이상 담가두어도 부식되지 않는다. 실온에서 타이타늄은 변색되지 않지만 고온에서는 공기 중의 산소와 반응한다. 그러나 타이타늄 합금을 단조하거나 제조하는 동안 타이타늄의 성질은 변하지 않으며, 산화막은 제조 후에 제거할 수 있다. 그러나 액체 상태에서 타이타늄은 반응성이 커서 모든 내화물질을 환원시킨다.

활용

타이타늄은 강도가 크고 밀도가 작으며 내식성이 뛰어난 금속이므로 항공기·우주선·미사일·선박의 부품으로 쓰이고 신체조직 및 뼈와 반응하지 않기 때문에 인공 장기로도 쓰인다. 타이타늄은 강철에서 탈산제로 쓰이며, 여러 가지 강철의 입자 크기를 줄이고 스테인리스강의 탄소 함량을 낮추며, 알루미늄의 입자 크기를 조절하거나 구리의 경도를 크게 하는 데 각각 합금 첨가제로 쓰인다.

타이타늄 화합물

22 titanium (Ti) enhanced Bohr model

타이타늄은 3개의 원자가를 가진다. 산소 화합물에서 산화타이타늄(Ⅱ)(일산화타이타늄 TiO)·산화타이타늄(Ⅲ)(삼산화이타이타늄 Ti₂O₃)·산화타이타늄(Ⅳ)(이산화타이타늄 TiO₂)이 있으며, 산화수가 ＋4일 때 가장 안정하다.

산화수가 ＋2인 타이타늄 화합물은 거의 없는 반면 산화수가 ＋3인 타이타늄 화합물은 많다. 가장 중요한 ＋3가 화합물은 결정 형태인 삼염화물(TiCl₃)인데, 프로필렌을 입체 특이성 중합반응을 시켜 상업적으로 유용한 중합체인 폴리프로필렌을 만드는 촉매로 쓰인다. 산화수가 ＋4인 타이타늄 화합물 중 가장 중요한 화합물은 이산화물이다.

이 화합물은 독성이 없는 순수한 흰색 분말로 페인트·법랑·래커의 안료로 쓰인다. 또한 천연에서 브루카이트·옥타헤드라이트·애너테이즈·금홍석에서 발견된다. 사염화타이타늄도 상업적으로 중요한 무색 액체로 타이타늄 금속을 얻는 데 사용되며, 공중무늬 그리기와 연막제 및 많은 유기반응에서 촉매로 쓰인다(→ 삼염화타이타늄).