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이리듐(보더랜드 2)
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77Ir 이리듐 Iridium |
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| 분류 | 전이 원소 | 상태 | 고체 |
| 원자량 | 192.217 | 밀도 | 22.5622 g/cm3 |
| 녹는점 | 2446 °C | 끓는점 | 4130 °C |
| 용융열 | 41.12 kJ/mol | 증발열 | 564 kJ/mol |
| 원자가 | 6 | 이온화에너지 | 880, 1600 kJ/mol |
| 전기음성도 | 2.2 | 전자친화도 | 151 kJ/mol |
| 발견 | S. Tennant (1803) | ||
| CAS 등록번호 | 7439-88-5 | ||
| 이전 원소 | 오스뮴(Os) | 다음 원소 | 백금(Pt) |
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| <rowcolor=#fff> 이리듐 조각 | 이리듐 구슬 | 전자 배치도 | 결정 구조도[1] |
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1. 개요
주기율표 제9족에 속하는 백금족 원소이다. 염류 수용액이 여러 가지 색을 보이기 때문에 그리스 로마 신화에 등장하는 무지개의 여신 이리스를 따서 명명되었다. 결정구조는 면심입방격자구조이고, 자성은 상자성이고, 체적탄성율은 320GPa이고, 강성율은 210GPa이고, 모스 경도는 6.5이다. 단단하나 연성이 적고 쉽게 부서져 가공하기가 어렵다.|
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| 이리듐 분말 |
2. 발견
1803년에 영국 화학자 테난트 (Smithson Tennant, 1761~1805)에 의해 백금 광석(천연 백금 합금)에서 발견되었다. 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 간주했다. 테난트는 1803년에 이 검은색 찌꺼기를 알칼리와 산으로 처리하여 두 가지 새로운 원소, 오스뮴 분말 (Osmium)과 이리듐 분말 (Iridium)을 분리·발견했다. 그는 왕수에 녹지 않고 남아있는 찌꺼기를 회수하여 가성소다 (NaOH)와 함께 뜨겁게 가열하고는 물을 넣어 아직도 녹지 않고 남은 찌꺼기와 알칼리 용액을 분리·회수했다. 그는 이 알칼리 용액을 산성화시키고 증류하여 자극적인 냄새가 나는 물질 (사산화오스뮴 (OsO4))을 발견했으며, 이를 구성하는 원소를 오스뮴으로 명명했다. 그리고 NaOH와 가열해도 녹지 않고 남은 찌꺼기에는 염산을 넣어 산성 용액을 만들고, 여기에서 진한 붉은색의 결정 (Na2 [IrCl6] · nH2O로 여겨짐)을 얻었다. 그는 또한 이 결정에서 다른 여러 염들을 만들었는데, 이들 모두가 진한 색을 띠었다. 이에 따라 그는 이들 염들을 구성하는 금속 원소의 이름을 그리스 신화에 나오는 무지개의 여신 '이리스 (Iris)'를 따서 이리듐 (Iridium)으로 지었다.1813년에 영국 화학자 칠드런 (John Children, 1777~1852)은 당시로는 ‘가장 거대한’ 갈바니 전지를 사용하여 이리듐을 처음으로 녹였으며, 1842년에는 미국 화학자 헤어(Robert Hare, 1781~1858)가 처음으로 고순도의 이리듐 금속을 얻고, 밀도가 약 21.8g/cm3 (실제 값은 22.56g/cm3)임을 보였다. 이걸 만년필 펜촉 끝에 처음 사용한 것은 1834년이다.
1933년에는 이리듐과 루테늄 (Ru) 합금을 사용한 열전대 (Thermocouple)가 처음 개발되어 공기 중에서 2000℃ 이상의 높은 온도를 측정할 수 있게 되었다.
1957년에 뫼스바우어 (Rudolf Mőssbauer, 1929~2011)는 191Ir를 포함하는 고체 금속 시료에서 뫼스바우어 효과 (Mőssbauer effect)를 발견했으며, 뫼스바우어는 이를 논문으로 발표한 지 3년 후인 1961년, 만 32세의 나이에 노벨물리학상을 수상했다. 이 발견은 뫼스바우어 분광학으로 발전되어 여러 자연과학 연구에 요긴하게 사용된다.
3. 희귀함
지각에 대략 10ppb (1x10-8%)의 비율로 존재하는 매우 희귀한 원소의 하나로, 존재비가 금의 약 1/40, 백금의 약 1/10이다. 안정한 천연 원소 중에서 이리듐보다 존재량이 적은 것은 레늄 (Re), 로듐(Rh)뿐인 것으로 여겨진다. 운석에는 지각에서보다 훨씬 더 풍부하게 있는데, 예로 철질 운석에는 보통 지각보다 3만 배나 높은 약 3ppm, 그리고 석질 운석에는 약 0.64ppm의 비율로 들어있다. 때문에 가격이 금보다도 몇 배로 비싸다.보통 다른 백금족 금속들과의 천연 합금 형태로 존재하는데, 오스뮴과의 합금인 이리도스민 (Iridosmine, Ir ~70%: Iridiosmium으로도 불림)과 오스미리듐 (Osmiridium, Ir ~50%)이 대표적인 예로, 이들은 남아프리카와 미국의 알래스카에서 주로 발견된다. 또한 니켈과 구리 황화물 광상에 들어있는 백금족 금속의 황화물, 텔루르화물, 비소화물 등에서 백금을 미량 치환하여 오스뮴과 함께 들어있다. 니켈과 구리 제련의 부산물로 주로 얻으며, 2011년 전 세계 수요량은 대략 10톤에 불과하다.
상업적 용도로 사용되는 이리듐들은 천연의 원소를 구하는 것이 아니라, 구리와 니켈 제련의 부산물로 주로 얻는다. 구리와 니켈 광석에 들어있는 이리듐 등의 백금족 원소, 금, 은, 셀레늄 (Se), 텔루륨 (Te) 등은 이들 광석을 제련할 때 광석에서 1차로 얻는 물질인 마트 (Matte)에 포함되어 들어가는데, 이들 금속들은 마트를 전기분해 방법으로 순수한 구리나 니켈을 얻는 과정에서 전해조 바닥에 진흙처럼 쌓이는 양극 전물(Anodic Slime)에 남아있게 된다. 양극 전물에서 다른 희귀원소들과 함께 추출·분리되는데, 그 방법은 전물의 조성에 따라 달라진다. 금속을 분리하기 위해서는 우선 양극 전물을 녹여야 하는데, 흔히 쓰이는 방법은 과산화소듐 (Na2O2)과 용융시킨 후 왕수에 녹이거나 염소 (Cl2)와 염산 (HCl)의 혼합물에 녹여내는 것이다. 이렇게 녹인 다음에는 염화암모늄 (NH4Cl)을 가하여 헥사염화이리듐암모늄 (IV) ((NH4) 2 [IrCl6])으로 침전시키거나 유기아민 화합물로 추출하여 다른 백금족 금속들과 분리한다. 분리한 이리듐 화합물을 높은 온도에서 수소 기체로 환원시키면 금속 이리듐이 분말 또는 스폰지 형태로 얻어진다. 이렇게 얻은 이리듐을 보통 분말 야금법 (powder metallurgy: 분말을 가압 성형하고 가열하여 소결함으로써 원하는 금속 제품을 만드는 것)을 써서 원하는 형태의 금속 제품으로 가공한다.
4. 특징
모스 경도(Mohs Hardness)는 6.5로, 모스 경도가 7인 오스뮴이나 석영 (Quartz)보다 약간 작다. 녹는점과 끓는점은 모든 원소 중에서 10번째로 높다. 이런 특성으로 인해 이리듐은 가공하기가 매우 어렵지만, 고온에서는 연성이 커져 원하는 모양으로 가공할 수 있다. 또한 현재 발견된 모든 원소 중 가장 큰 산화수(+9)를 가질 수 있다.밀도가 22.56g/cm3으로 모든 원소 중에서 두 번째로 큰데, 밀도가 가장 큰 오스뮴(밀도 22.59g/cm3)보다 단지 약 0.12% 작을 뿐이다. 탄성률도 금속 중에서 오스뮴 다음으로 높다. 결정은 전형적인 면심입방(fcc) 구조를 하며, 전기와 열을 잘 통하고 상자기성을 보인다. 0.14K 이하에서 초전도체가 된다.
내부식성이 큰 원소중 하나로 금속원소 중에서도 가장 부식되기 어렵고 왕수 등의 강력한 산에도 녹지 않을 정도의 내식성을 가지고 있다. 실온에서는 공기, 물, 산, 알칼리와 반응하지 않고 왕수에도 녹지 않는다. 금속 이리듐을 녹이는 것이 가능한 물질은 융해 시안화나트륨과 융해 시안화칼륨뿐이다. 그 외에 공기 중에서 800℃ 이상으로 가열하거나 산화성 용융 알칼리와 반응시키면 이산화 이리듐이 되는데, 화합물에서는 -3~ +6의 산화상태를 가지나, +3과 +4의 산화상태가 가장 흔하다. 이산화 이리듐은 약 1100℃이상에서 금속 이리듐과 산소로 분해되며, 왕수에 녹는다. 이리듐은 염화 나트륨, 시안화 나트륨(NaCN) 등과는 용융 상태에서 반응하며, 고온에서는 할로겐 원소(특히 F2와 Cl2)와도 반응한다.
5. 사용처
근래에는 아주 높은 온도에서도 부식되지 않는 특성을 이용해, 화합물 반도체를 비롯한 전자 및 레이저 재료를 고온에서 단결정으로 성장시키는데 쓰이는 도가니에 사용되며, 항공기와 자동차에 쓰이는 고성능 점화 플러그의 전기 접점에도 사용된다. 대표적으로 백금 합금에서 경화제 (硬化劑)로 사용되는데, 1:1이리듐 백금 합금은 순수 백금에 비해 비커스 경도 (Vicker’s hardness)가 약 9배나 크다. 그리고 여러 이리듐 화합물들이 화학 촉매, 유기발광다이오드(OLED)의 형광체 등으로 중요시되고 있으며, 인공 방사성 동위원소 192Ir은 금속의 비파괴검사와 암의 근접 방사선 치료에서 감마(γ)선 원으로 중요하게 사용된다.이리듐 블랙 (Iridium Black, 고운 이리듐 분말)은 도기에 깨끗하고 진한 검은색을 내는 안료로도 사용된다.
단단하고, 가공하기 어렵기 때문에 용도는 적지만 방위를 표시하는 나침반 등에도 이용된다. 또한 만년필의 펜촉에도 이용된다. 일단, 글자를 쓸 때 사용하는 잉크도 화학물질이기 때문에 잉크가 닿는 펜촉은 부식이 진행된다. 그래서 금속 중에서도 가장 내식성이 강한 이리듐이 펜촉에 쓰이는 것이다.[2] 보통의 금속은 종이와의 마찰로 금방 닳아 버리지만 이리듐은 내마모성도 아주 강하기 때문에 이리듐을 함유한 합금은 거리로 치면 약 70km 이상 종이 위를 달릴 수 있는 것이다. 그러나 최근에는 실제로 이리듐을 사용하여 펠릿을 제작하는 경우는 거의 없고, 다른 백금족 금속인 오스뮴이나 루테늄으로 거의 대체되었다. 어지간히 싸구려 만년필이 아닌 이상 티핑 자체는 백금족 금속으로 이뤄지고 있다.
홑원소물질로서의 이리듐, 이리듐-백금 합금 또는 이리듐-오스뮴 합금은 내부식성, 내마모성, 내열성 및 높은 녹는점이 요구되는 여러 용도에 중요하게 사용되며, 화합물과 방사성 동위원소도 요긴하게 쓰인다. 내마모성이 요구되는 펜촉 끝, 나침반 베어링, 저울 등 각종 과학기기의 내마모성 부품, 방사 (紡絲)노즐 (용융 고분자에서 실을 뽑는 돌기), 내구성 항공기 부품, 전기접점, 소금물을 전기분해시켜 염소와 가성소다를 생산하는 공정 (클로르알칼리 공정, chloralkali process)의 전극 등에 사용되며 심해용 파이프로 이리듐 (Ir)- 티타늄(Ti) 합금이 사용되기도 한다.
최근에는 내열성과 내식성에 주목하여 제트엔진의 터빈블레이드 등에 쓰는 초내열성 합금재료로 니켈 레늄 이리듐- 하프늄의 연구가 활발하다.
6. 위험성
인체 조직에서 극미량 (약 2×10-9%) 발견되지만, 생물학적 역할은 없는 것으로 여겨진다. 금속 자체는 독성이 거의 없으나, 분말은 피부와 눈에 자극을 줄 수 있다. 대부분의 화합물은 물에 잘 녹지 않고, 체내에서도 잘 흡수되지 않으나, 삼염화이리듐 (IrCl3)은 섭취 시 약간의 독성을 나타낸다.흔히 사용되는 방사성 동위원소192Ir 는 다른 방사성 동위원소들과 마찬가지로, 방사선 위험이 있고 암 발생위험을 높일 수 있으며, 섭취 시 위와 장의 내벽을 손상시킬 수 있다. 192Ir, 192mIr과 194mIr는 체내에서 간에 축적되고, 이들의 방사선에 의해 인체가 해를 입을 수 있다고 보고되었다.
중국에선 이리듐을 허술하게 보관하다가 피폭되어 팔다리를 절단한 사건도 있었다고 한다. #
7. 여담
- 길이와 질량의 기준인 미터, 킬로그램 원기는 백금이 약 90%, 이리듐이 약 10%, 그 밖의 미량 원소들로 구성되어 있다. MKS 단위 중 마지막까지 물리법칙을 이용해서 정의되지 않았던 기초단위가 질량(kg). 2018년까지 kg의 정의는 킬로그램 원기였다. 하지만 이 원기도 인공물이기 때문에 2003년에 1889년에 만들어진 국제 킬로그램 원기의 질량을 재자, 수십 마이크로그램의 감소가 보였다. 그래서 새로운 질량의 정의가 모색되었고 2019년 5월 20일, 플랑크 상수를 바탕으로 한 새로운 정의가 내려졌다. 킬로그램 문서 참조.
- 지각의 여러 곳에는 약 6,500만 년 전인 백악기 말기에 형성된 이리듐 농도가 아주 높은 엷은 퇴적층이 있는데, 이 층을 백악기-고제3기 경계 (Cretaceous-Paleogen boundary: K-Pg 또는 K-T 경계)라 한다. 이 퇴적층의 형성 시기가 공룡을 포함한 지구 상의 많은 생물들이 멸종된 시기와 같으며, 이 층에 이리듐이 특히 높은 농도로 들어 있고, 지각보다 운석에 월등히 높은 농도의 이리듐이 들어 있다는 사실에 근거하여, 백악기-고제3기 대멸종의 원인을 커다란 소행성 (또는 혜성)이 지구와 충돌했기 때문이라고 설명하는 것이 알베레즈 가설 (Alvarez hypothesis)이다. 자세한 건 유카탄 반도의 소행성 충돌설 참조.
- 우리나라 5대 국새 제작 과정에서 균열을 방지하기 위해 이리듐을 넣은 것으로 알려졌다. 하지만 이후 성분 분석 결과에서는 이리듐이 검출되지 않았다. 행정안전부는 국방기술품질원으로부터 제출받은 감리 보고서를 통해 이 같은 사실을 알고도 이리듐이 들어갔다고 판정해 논란이 일었다.
- 대부분 화학 원소가 그렇지만 특히나 이리듐은 이로 시작하기 때문에 나트륨과 더불어 끝말잇기에서 한방 단어로 많이 알려져 있다. 이터븀, 이트륨도 쓸 수 있다.
- 게임 스타듀 밸리에서 아이템으로 등장. 버스를 수리한 뒤에[3] 갈 수 있는 사막에 존재하는 해골 광산에서 획득 가능하며, 광물 형태는 검푸른빛, 주괴는 보랏빛이다. 금보다 한 단계 더 높은 최상위 광물로 각종 도구들을 이리듐 도구로 업그레이드 하거나 일부 고급 아이템의 재료로 쓰인다.