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40Zr 지르코늄 Zirconium |
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| 분류 | 전이 원소 | 상태 | 고체 |
| 원자량 | 91.224 | 밀도 | 6.52 g/cm3 |
| 녹는점 | 1855 °C | 끓는점 | 4377 °C |
| 용융열 | 14 kJ/mol | 증발열 | 591 kJ/mol |
| 원자가 | 4 | 이온화에너지 | 640.1, 1270, 2218 kJ/mol |
| 전기음성도 | 1.33 | 전자친화도 | 41.1 kJ/mol |
| 발견 | M. H. Klaproth (1789) | ||
| CAS 등록번호 | 7440-67-7 | ||
| 이전 원소 | 이트륨(Y) | 다음 원소 | 나이오븀(Nb) |
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Zirconium
1. 개요
주기율표 제4족에 속하는 금속 원소. 천연에 풍부하고 공업적으로는 마그네슘을 이용한 크롤법에 의해 제조하며 내식성이 매우 좋기 때문에 원자로의 재료로서 많이 이용된다.2. 역사
지르코늄을 포함한 광물은 고대부터 알려져 있었다. 당시에는 "히야신스"나 "자르곤" 등 여러가지 이름으로 불리고 있었는데, 그 광물은 알루미늄의 산화물과 비슷했기 때문에 새로운 원소가 포함되어 있으리라고는 아무도 생각지 못했다. 이것이 실수라는 것이 판명된 건 1789년, 독일의 화학자 마르틴 하인리히 클라프로트에 의해서였지만 그는 지르코늄의 분리에는 성공하지 못했다. 이후 1808년 영국의 험프리 데이비는 전기 분해를 통해 순수한 지르코늄을 얻으려 했지만 실패했고, 1824년 왼스 베르셀리우스가 불순물이 섞인 형태로 분리하였다.다만 19세기 시점에서 지르코늄의 원자량은 정확히 알아낼 수 없었다. 지르코늄의 원자량은 실제보다 높게 측정되었는데, 이는 20세기 초에 들어서야 잘못되었다는 것이 밝혀졌다. 1923년에 Coster 와 Hevesey 가 하프늄 이라는 원소를 발견하여 보고했는데, 질량이 지르코늄의 두 배에 육박하나,[2] +4가 이온이 안정하고 원자 반지름도 유사한 특징이 있다. 이로 인해 화학적 성질이 유사하여 지르코늄 화합물에서 하프늄 화합물을 인지하기는 쉽지 않았고,[3] 따라서 하프늄에 의해 지르코늄의 질량이 실제보다 무거운 것처럼 보인 것. #
3. 특징
지르코늄은 내식성, 흡착성, 침투성이 풍부하기 때문에 내화물재료로서 우주왕복선 등에 쓰인다. 또, 중성자를 잘 흡수하지 않기 때문에 핵연료 피복재료로도 이용된다. 원자로는 중성자를 이용해서 핵분열을 일으키기 때문에 지르코늄의 중성자를 잘 흡수하지 않는 성질을 필요로 한다. 마그네슘이나 베릴륨처럼 지르코늄보다 중성자를 덜 흡수하는 재질도 존재하지만, 단가와 내식성, 높은 녹는점 등의 기계적 특성 등을 고려하면 지르코늄이 제일 적합하다. 지르코늄 생산량의 1%가 순도 95%의 합금 형태로 핵 연료 피복재로 사용된다. # 비등경수로에서는 니켈이 포함된 지르코늄-2를 사용하며, 한국에서도 사용되는 가압경수로 노형의 경우 니켈이 수소를 흡수해 피복재에 취성이 생기는 문제로 인해 니켈을 제외하고 철의 비중을 늘린 지르코늄-4 합금을 사용한다.그리고 핵분열실험의 방어재로도 쓰이기 때문에 고농도의 Zr은 IAEA의 관리대상 품목이기도 하다. 그렇기에 순도가 높은 지르콘계열 합성물 연구실험은 언제나 지르콘의 농도를 높이는 삽질부터 시작하는 판국이기도 하다. 75%이상은 관리대상이라 구하려면 여러가지 인증을 받아야 하기 때문.
연도가 오래된 연구실이나 퇴임교수들에게 대대로 물려받은 연구실에 가보면 관리대상이 되기 이전의 고농도 지르코늄화합물이 있을 때도 있지만, 이미 변성되어 실험용으로는 사용할 수 없을 확률이 높다.
내식성도 좋고 경도도 높고 전연성도 좋아서 다 좋은데, 한 가지 치명적인 단점이 있다. 약 화씨 2200도, 섭씨로는 1200도 근방에서 물과의 산화반응 속도가 급격하게 증가하며, 이 때 많은 양의 수소를 만든다.[4] 또한, 이는 발열반응이기에 이 반응이 일어나기 시작하면 이미 냉각은 물건너갔다고 생각하면 되고, 이로 인해 원자력 안전에서 화씨 2200도는 반드시 지켜야 할 마지노선으로 취급받는다.
- [math(\text{Zr} + \text{2H}_\text{2}\text{O})] → [math(\text{ZrO}_\text{2} + \text{2H}_\text{2})]
4. 용도
지르코늄은 금속 뿐만이 아니라 산화물의 이용도 많다. 산화지르코늄인 지르코니아(Zirconia)는 녹는 점이 높기 때문에 내열성 세라믹스의 재료로서 알려진다. 도자기는 물론이고 금속색이 아닌 흰색의 가위나 식칼, 내열 냄비도 세라믹스이다. 여기에 희토류 원소의 산화물이나 마그네슘 등을 첨가하면 안정 지르코니아라는 입방형이나 정방형의 결정으로 변화한다. 특히 입방형 지르코니아는 다이아몬드와 닮았기 때문에 모조품으로도 이용된다(일명 큐빅이나 지르콘).치과계에서도 지르코니아를 사용하여 보철물( 크라운)을 제작한다. 가격이 금니 이상으로 비싸지만
어느 회사는 자사의 한정판 초프리미엄(?)폰 뒷판에 지르코늄 세라믹을 넣었다.
ZrN(질화지르코늄)은 내마모성이 매우 뛰어나기 때문에 고급 공구나 나이프의 코팅재로도 많이 쓰인다.
상술했다시피 소이탄의 재료로도 쓰인다.
[1]
참고로 여기서 탄두에 쓰인다는 이야기는
소이탄에만 해당되는 이야기이다. 일반적인 탄환은
구리 도금한 납 탄두를 쓰며,
철갑탄 관통자로는
텅스텐이나
우라늄을 쓴다.
FN 5.7×28mm처럼
연철과
알루미늄을 쓰는 경우도 있다.
[2]
지르코늄 원자의 질량은 91.2 amu, 하프늄 원자의 질량은 178.5 amu 이다.
[3]
화합물에서 구조상전이 온도가 달라지는 것과 같은 차이가 나타난다. 예를 들면 지르코니아(ZrO2) 와 하프니아 (HfO2)는 온도가 높아짐에 따라 monoclinic -> tetragonal -> cubic 순서로 구조상전이하는데, 상전이 온도에서 큰 차이가 있다.
[4]
사실 실험용 지르콘계 화합물은 거의 모두가 상온에서도 극히 소량 물과 반응해서 수소를 내보낸다. 미량이라 문제는 안 되지만 순도가 떨어지고 이산화지르콘이 혼합되니, 연구자의 입장에서는 골치 아프다.
[5]
지르코니아는 강도가 강한 편에 속하면서도 마주보는 이빨의 마모율이 매우 낮은편이고,냉온 자극에 있어서도 다른 재료(아말감, 레진, 세라믹, 금 등)보다 치아에 훨씬 자극이 덜 한 편이다. 또한 내식성과 생체친화성, 청결성(지르코늄 특성상 치태가 거의 생기지 않음)으로 인해 특히 씹거나 으깨는 힘이 많이 요구되고 안쪽에 있어서 칫솔이 잘 닿지 않아 + 변화가 잘 눈에 띄지 않아 충치 발전이 쉬운 어금니 보철에도 이용되는 편. 물론 값 때문에 사용빈도는 당연히 밀리는 편이다. (아말감이야 겨우 1-2만원 선이지만 레진만 해도 6-10만원이 넘어가는데 광물을 소재로 쓰는 지르코니아 보철물의 가격은 보험처리 안하면 치과 드릴 공포보다 영수증이 더 무서울 정도로 비싸다.)