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76Os 오스뮴 Osmium |
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| 분류 | 전이 원소 | 상태 | 고체 |
| 원자량 | 190.23 | 밀도 | 22.586 g/cm3* |
| 녹는점 | 3033 °C | 끓는점 | 5012 °C |
| 용융열 | 57.85 kJ/mol | 증발열 | 378 kJ/mol |
| 원자가 | 6 | 이온화에너지 | 840, 1600 kJ/mol |
| 전기음성도 | 2.2 | 전자친화도 | 106.1 kJ/mol |
| 발견 | S. Tennant (1803) | ||
| CAS 등록번호 | 7440-04-2 | ||
| 이전 원소 | 레늄(Re) | 다음 원소 | 이리듐(Ir) |
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* 자연에 존재하는 가장 밀도가 높은 원소이다.
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1. 개요
주기율표 제8족 6주기에 속하는 백금족 원소이다. 결정구조는 육방정계이고, 자성은 상자성이고, 체적탄성율은 462GPa이고, 강성율은 222GPa, 모스 경도는 7.0이다.2. 역사
1803년에 영국 화학자 테난트(Smithson Tennant, 1761~1805)에 의해 백금 광석(천연 백금 합금)에서 발견되었다. 이 백금 광석은 1600년대 후반에 컬럼비아(Columbia)의 은광에서 처음 발견되었으며, 1700년대 중반에 유럽 학계에 소개되었다. 처음에는 새로운 원소로 인식되었으나, 곧 혼합물, 즉 합금 형태임이 확인되었다. 화학자들은 백금 광석에서 수용성 백금염을 얻기 위해 이를 왕수(진한 염산과 질산의 3:1 혼합물)에 녹였는데, 항상 소량의 검은색 찌꺼기가 관찰되었으며 일부 과학자들은 이 찌꺼기를 흑연으로 간주하기도 하였다.테난트는 1803년에 이 검은색 찌꺼기를 알칼리와 산으로 처리하여 두 가지 새로운 원소, 오스뮴(Osmium) 분말과 이리듐(Iridium) 분말을 분리·발견하였다. 그는 왕수에 녹지 않고 남아있는 찌꺼기를 회수하여 수산화나트륨(NaOH)과 함께 뜨겁게 가열하고는 물을 넣어 아직도 녹지 않고 남은 찌꺼기와 알칼리 용액을 분리·회수하였다.
오스뮴 분말
이 중 알칼리 용액을 산성화 시키고 증류하여 자극적인 냄새가 나는 물질인 사산화오스뮴(OsO4)을 얻었으며, NaOH와 가열해도 녹지 않고 남은 찌꺼기에 염산을 넣어 산성 용액을 얻고 여기서 금속 이리듐을 발견했다.
3. 특징
그리스어로 냄새(Osme)란 뜻을 가지고 있는데, 실온에서 휘발성이 크며 자극적인 냄새가 나는 사산화오스뮴(OsO4)으로 쉽게 산화되기 때문에 붙여진 이름이다.백금족 금속 중에서 녹는점과 끓는점이 가장 높고, 증기압이 가장 낮으며, 모든 천연 원소 중에서 밀도가 가장 높다. 구리와 니켈의 전기 제련에서 생기는 양극 전물에서 주로 얻는다.
인공 방사성 원소를 제외하면 +20℃에서 단위부피 당 가장 무거운 원소로 납(11.34g/cm3)의 약 2배 정도 더 무거운 22.59g/cm3의 비중을 자랑한다.[1]
단단하면서도 부서지기 쉬운 청백색의 금속이다. 모스 경도(Mohs hardness)는 7.0으로, 수정과 비슷하다. 녹는점은 모든 원소 중에서 탄소(C), 텅스텐(W), 레늄(Re) 다음으로 높으며, 백금족 원소 중에서는 가장 높다.
오스뮴의 전세계 연간 생산량은 1톤 미만으로 여겨진다. 2013년 1월 당시 99.95% 순도의 오스뮴 분말(Osmium)의 가격은 미화로 1 Troy Ounce((1 ozt), (31.1034768g)) 당 $380인데, 이는 1g당 $12 정도에 해당한다. 화학 시약으로 널리 사용되는 사산화오스뮴(OsO4)은 순도와 양에 따라 1g당 $30~$400에 판매된다.
단단하고 부서지기 쉬운 성질 때문에 가공하기가 아주 어렵다. 그리고 압축률이 매우 낮아 체적탄성률(Bulk Modulus, 압축력에 저항하는 정도를 나타내는 값)이 다이아몬드와 비슷한 462GPa이다. 결정은 전형적인 육방밀집(Hcp) 구조를 가지며, 전기와 열이 잘 통하고 상자기성을 보인다.
루테늄(Ru)과 마찬가지로, 같은 족의 철에 비해 화학 반응성이 훨씬 작다. 덩어리로는 실온의 공기 중에서 안정하며, 염산(HCl)과 같은 비산화성 산과 왕수에도 녹지 않는다. 그리고 플루오린(F2)이나 염소(Cl2) 같은 반응성이 큰 원소를 제외하고는 고온이 아니라면 대부분의 비금속 원소들과 반응하지 않는다.
그러나 분말 상태에서는 실온의 공기 중에서도 느리게 산화되어 자극적인 냄새가 나고 독성이 큰 사산화오스뮴(OsO4)이 되며, 400℃ 이상으로 가열하면 덩어리 상태도 사산화오스뮴(OsO4)으로 산화된다.
4. 용도
사산화오스뮴(OsO4), 오스뮴산포타슘 등의 화합물이 몇 가지 용도로 요긴하게 사용되고 있다.주로 금이나 다른 백금족 금속 등을 단단하게 하는 합금제로 주로 사용되는데, 이들 합금은 내마모성이 뛰어나 만년필 펜촉 끝과 축음기 바늘 끝으로 사용되었으며(오스미리듐), 지금은 전기 접점과 특수 실험 장치 부품, 90%의 백금, 10%의 오스뮴 합금은 인공심장박동 조절기(Pacemaker), 심장 판막 등의 인체 이식기에 사용된다.
과거에는 희귀하고 가공하기 어려워 거의 사용되지 않았다. 1897년에 카를 아우어 폰 벨스바흐(Auer von Welsbach, 1858~1929)가 전등 필라멘트로 개발하여 이를 사용한 오스램프(Os-Lamp)가 출시되었으나 잘 부서지는 단점때문에 1905년에 탄탈럼(Ta) 필라멘트로 대체되었다가 곧 텅스텐(W)으로 대체되었다.
백금보다도 희소하고 특유의 예쁘장한 파란색 때문에 장신구 용도로 쓰려는 움직임이 보이고 있다.
팔라듐(Pd)처럼 수소를 잘 흡수하므로 금속 수소(Metal Hydride) 전지의 전극으로 기대를 모았으나 가격이 비싸고 알칼리에 쉽게 부식되는 단점이 있어 실용화되지는 않았다. 또한 자외선을 잘 반사하므로 우주선에 거울을 입히는데 사용되었으나, 저궤도 공간에 존재하는 산소 라디칼에 의해 산화되는 성질로 인해 더 이상 사용되지 않는다.
5. 화합물
뜨거운 진한 질산, 진한 황산, 또는 하이포아염소산(HClO)과 반응하여 사산화오스뮴(OsO4)이 되며, 산화제(O2 , Na2O2 , KClO3 등) 존재 하에서는 용융 알칼리에 녹아 오스뮴산 이온(Osmate ion,[OsO2(OH) 4] 2-: [OsO4·2H2O]2-로 적기도 함)이 된다.화합물에서는 -2가에서 +8가에 이르는 여러 산화상태를 가지나, +8가, +4가, +3가, +2가 산화상태가 보다 흔하다. +8의 산화상태는 원소들이 갖는 산화상태 중에서 가장 높은 것으로, 오스뮴 외에 제논(Xe)과 루테늄(Ru)도 이 산화상태가 가능하나 오스뮴보다 불안정하다.
가장 흔한 화합물인 사산화오스뮴(OsO4)은 금속 오스뮴 생산의 중간체이기도 하며, 오스뮴 금속 분말을 산소와 반응시키면 얻어진다. 휘발성이 매우 크고 물과 유기 용매 모두에 잘 녹으며, 독성이 매우 크다.
찬 알칼리에 녹이면 붉은색의 과오스뮴산 이온(Perosmate ion, [OsO4(OH)2]2-)이 되는데, 쉽게 환원되어 자주색의 오스뮴산 이온([OsO2(OH)4]2-)이 되는 성질이 있다.
6. 생산
자연계에서는 순수금속이나 이리듐과의 합금 상태로 산출된다. 이 중 이리듐과의 합금은 오스뮴이 많이 포함되어 있으면 오스미리듐, 이리듐이 많이 포함되어 있으면 이리도스민이라 불리는데, 보통 이들의 총칭은 이리도스민으로 불리는 일이 많다.상업적 용도로는 구리와 니켈 제련의 부산물로 주로 얻는다. 구리와 니켈 광석에 들어있는 오스뮴, 이리듐 등의 백금족 원소, 금, 은, 셀레늄(Se), 텔루륨(Te) 등은 이들 광석을 제련할 때 광석에서 1차로 얻는 물질인 마트(Matte)에 포함되어 들어가는데, 마트를 전기분해하여 순수한 구리나 니켈을 얻는 과정에서 전해조 바닥에 진흙처럼 쌓이는 양극 전물(Anodic Slime)에 남아있게 된다.
양극 전물에서는 다른 희귀 원소들과 함께 추출·분리되는데, 전물의 조성에 따라 추출 방법도 다르다. 대표적인 예로는 양극 전물을 과산화소듐(Na2O2)과 반응시켜 녹이고 물로 추출한 후, 염소(Cl2), 염산(HCl)과 반응시키고 가열, 증류하여 사산화오스뮴(OsO4)를 얻는 것이다. 이렇게 얻은 사산화오스뮴(OsO4)을 NaOH 알코올 용액에 녹이면 오스뮴산 이온([OsO2(OH)4]2-)이 되는데, 이를 염화암모늄(NH4Cl)과 반응시켜 OsO2(NH3)4 Cl2로 전환시킨다. OsO2(NH3)4Cl2를 고온에서 수소 기체로 환원시키면 분말 상태의 오스뮴을 얻을 수 있다.
7. 기타
순도 99.95%의 오스뮴 구슬. 출처
안정한 원소중 가장 밀도가 높으며 밀도가 납의 두배나 되기 때문에 이론적으로는 납보다 훌륭한 방사선 차폐물로 사용될 수 있으나 납에 비해 월등히 비싸기 때문에 이러한 목적으로는 거의 사용되지 않는다.[2]
이름의 유래[3]에서 알 수 있듯이, 사산화오스뮴은 특유의 자극적인 냄새를 풍긴다. 오스뮴 가루를 공기중에 방치하면 서서히 산화되어 '향기로운' 사산화물이 된다. 사산화오스뮴은 금속산화물로서는 끓는점이 131℃로 낮고 상온에서도 휘발한다.
사산화오스뮴(OsO4)
사산화오스뮴은 금속산화물로서는 녹는점 40 ℃, 끓는점이 131 ℃로 정도에 불과해 상온에서도 고체/액체상태에서도 쉽게 승화/휘발하고 매우 유독한 물질이라 흡입하지 않도록 특히 주의해야한다.
금속산화물 중에는 가장 유독한 물질 중에 하나이다. 냄새를 맡지 못할 정도의 저농도에서도 유독성이 있다. 사산화오스뮴 증기에는 독성이 있어서 폐나 눈, 피부 등에 해를 끼칠 수 있으며, 두통을 일으키고 홍채를 오염시켜 실명과 사망에 이를 수 있다. 때문에 오스뮴을 전문적으로 취급하는 기술자도 사산화오스뮴에 노출되지 않도록 세심한 주의를 기울일 필요가 있다.
이런 위험한 원소인데도 사용되는 이유는 유기화학 실험에서 광학활성을 제한하며 원하는 물질을 생성할 수 있기 때문이다. 예를 들어서 손의 모양을 만들 때 일반적인 방법으로는 왼손과 오른손이 50%씩 섞여서 나온다면, 이러한 물질을 쓰면 왼손 모양만 100% 만들 수 있다는 뜻.
사산화오스뮴(OsO4)이 취급하기 어렵고 독성이 크므로, 이를 직접 첨가해서 사용하기 보다는 반응용기 내에서 비휘발성인 오스뮴산염에 과산화수소(H2O2) 나 K3Fe(CN)3 등의 산화제를 첨가하여 그 자리에서 사산화오스뮴(OsO4)을 생성시켜 반응하게 하는 방법이 주로 사용된다. 이 경우에 오스뮴산 염은 반응 중 다시 생성되므로 촉매로 작용하는 셈이고, 과산화수소 등의 산화제만 소모된다.
이의 대표적인 예가 샤플리스 다이하이드록실화(Sharpless dihydroxylation) 반응인데, 배리 샤플리스(K. Barry Sharpless, 1941~)는 카이랄 키닌(Chiral Quinine) 배위자(Ligand)를 사용하여 비대칭적인 다이올(Diol)의 합성이 가능하도록 이 반응을 개발하였다. 그는 이 반응을 포함한 여러 비대칭 유기반응을 개발한 업적으로 다른 2명의 화학자와 함께 2001년 노벨화학상을 공동 수상하였다. 샤플리스는 이후 노벨화학상을 한 번 더 수상하여 프레더릭 생어에 이은 두 번째 노벨화학상 2회 수상자가 되었다.
처음에는 질소와 수소로부터 암모니아를 합성하는 하버 공정에서 촉매로 사용되었으나, 곧 보다 값싼 철과 산화철 촉매로 대체되었다. 사산화오스뮴(OsO4)은 탄소간 이중결합을 다이올(Diol)로 입체 선택적으로 산화시키는 시약으로 사용된다.[4]
여러 화합물이나 원소들과 격렬하게 반응하여 폭약같은 폭발을 일으키고 그 폭연도 극히 유해하므로 이를 이용한 "더러운 폭탄" 도시 테러 시도가 적발되기도 했다. 다만 매우 비싼 물질이라 폭탄으로서 가성비는 낮다.
[1]
방사능 원소까지 포함하면 가장 무거운 원소는 원소주기표에서 오스뮴 바로 아래에 위치한
하슘으로 대략 27g/cm3 정도의 비중을 가진다. 하지만 어디까지나 예측치일 뿐, 실제로 측정된 적은 없다.
[2]
전기 전도도가 가장 높은
은이 전선으로 잘 쓰이지 않는 것과 같은 이치이다.
[3]
사산화오스뮴의 증기가 강한 냄새를 풍기는 데서, 냄새를 뜻하는 그리스어 osmē을 따서 명명되었다.
[4]
NMO와 사용할 경우 OsO4는 단순히 bulky한 시약으로만 작용하여 입체장애를 최소화하는 방향으로 접근하여 diol을 형성한다. 이때 NMO는 환원되어 산화수가 떨어진 오스뮴을 다시 산화시키는 역할을 한다. 반면 TMEDA와 같은 시약과 함께 사용할 시엔 TMEDA가 Os에 배위한다. 이러면 O - Os - O의 결합각을 좁혀 반응활성을 높임과 동시에 -OH와 같은 지향기의 영향을 받아 지향성 작용기와 동배향으로 diol을 형성한다.