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플루오린
플루오린(Fluorine)은 할로젠(17족)에 속하는 화학 원소로 기호는 F, 원자 번호는 9이다. 플루오린 분자는 상온에서 옅은 황록색 기체로, 다른 할로젠 원소와 마찬가지로 맹독물이다. 과거에는 불소(弗素)란 이름이 널리 쓰였는데, 독일어식 표현인 플루오르(Fluor)로 명명되었다가 최종적으로는 대한화학회에서 영어명칭인 플루오린으로 변경하였다. 이름이 바뀌었음에도 실생활에서는 '불소 치약'처럼 아직 불소라는 말을 사용하며, 화합물인 '불산' 등의 용어는 '플루오린화수소산'보다 더 널리 사용되고 있다.
이 원소를 한 마디로 설명하자면 명실공히 원소계의 일진. 하지만 후술하듯 충치와 열사병 해결에 도움을 주기도 했으며, 플루오린 동위원소는 필트다운 인의 사실 여부 파악에 결정적인 역할을 했다.
상세[편집]
플루오린은 전기 음성도가 3.98로 가장 강한 원소이다. 비활성 기체를 제외한 전형원소는 주기율표의 오른쪽 위로 갈수록 전기 음성도가 커지며 왼쪽 아래로 갈수록 작아진다. 이처럼 플루오린은 가장 강하게 전자를 잡아당기기 때문에 반응성이 매우 커서 헬륨이나 네온 이외의 대부분의 원소와 반응한다. 심지어 비활성 기체인 제논과도 반응해 XeF₄, XeF₆ 등의 괴랄한 화합물을 만든다. 아르곤 역시 반응하지 않는 원소로 여겨졌으나, 17K(-256℃) 이하에서는 반응한다. 반응성만으로 따지면 최강의 비금속 원소. 즉 다른 화학종의 전자를 뺏어오는 능력은 우주최강. 그래서 이걸 분리시킬 때 백금기구를 이용해서 분리했다고 한다. 이게 어느정도냐면, 산소의 산화수가 -2가 기본인데 오로지 이것이랑 반응할 때 만큼은 +1이나 +2가 된다. 그러니까, 공유결합을 할 때는 산소는 반응물질을 산화시키며 전자를 2개를 뺏는 것이 보통인데, 이 것이랑 반응할 때 만큼은 빼앗지 못하고, 오히려 플루오린에 산화되며 뺏긴다. 즉 산소가 산화당한다. 산소와 플루오린의 화합물은 OF₂이고, 이름도 이플루오린화산소(Oxygen Difluoride)이다. 단, 전자친화도는 의외로 염소에 밀려 2위. 원자의 크기가 너무 작아 전자가 너무 빽빽히 차 있어 서로 반발하기 때문이다.
반응성과 독성이 매우 강하기 때문에 분리가 아주 곤란했다. 원소 자체의 표준 전위차도 +2.87볼트 정도로 꽤 높아서 플루오린화염 용융물의 전기분해 아니면 분리할 방법이 없다고 한다. 그래서 많은 과학자들이 플루오린을 분리하다 중독되어 죽어 갔으며(험프리 데이비, 루이 조제프 게이뤼삭 등) 인류 최초로 분리에 성공한 과학자인 앙리 무아상도 실험 중에 한 쪽 눈을 잃었다고 한다. 무아상은 이 공로로 주기율표를 만든 그 멘델레예프를 제치고 노벨상을 수상했다. 웬만한 플라스틱들도 골로 보내는 경우가 많고, 거기다 앵간한 화학물질들과는 반응하지 않는 유리까지도 녹이는 성질이 있어 취급, 보관까지 매우 난감한 까다로운 녀석이다. 다만 이 독한 반응성을 이용해 다이아몬드를 자를 때 쓴다고 한다. 같은 플루오린이 포함된 테플론 수지는 2015년부터 금지되었다. 적어도 저온에서는 안전하다고 한다. 아니면 전혀 반응하지 않는 금이나 백금족들로 보관해야 하는데 가능할 리가 없다. 그나마 백금도 고온에서는 반응해서 녹여버린다.
플루오린의 장기적인 과다섭취는 치아가 아니라 뼈가 플루오린으로 치환되어 결과적으로 뼈가 약해진다는 연구결과도 있고, 어느 지역에서는 플루오린 함량이 높은 물을 마시고 자란 주민들이 급격한 노화현상을 겪는 사례도 발견되기도 했다. 차에도 플루오린 성분이 많아 치아에 효과가 있지만 지나치게 마시면 플루오린 중독에 빠지는 것이 중국의 승려 등에서 확인된 바 있다.
플루오린의 이용 예 중 대표적인 것이 치약이다. 플루오린에는 치아가 산에 잘 녹지 않게 만드는 효과가 있고, 초기의 충치라면 산에 녹은 부분의 에나멜질을 보수해서 내산성을 향상시키는 효과도 가지고 있다. 일상적으로 사용하는 용품인 치약에 다량 함유되어있다는 점 때문에 플루오린이 그저그런 있으나 없으나 한 물질이고 별 효과가 없다고 생각하는 사람들이 많은게 현실이다. 하지만 플루오린은 치과적으로는 혁신적인 발견이었다고 평가된다. 치아우식(충치)이 진행되는 것을 더디게 하거나 재광화 과정을 통해 어느정도 회복도 도모해볼 가능성을 주는 유일한 물질이기 때문이다.
적정량의 플루오린을 수돗물에 넣음으로써 많은 사람들의 충치 발병률을 줄이는 수돗물불소화사업은 미국 질병관리본부가 선정한 20세기 10대 공중보건사업이었고 우리나라에서도 일부 지역에서 시행되었다. 하지만 해외에서는 불소화사업을 취소하는 나라도 나오고 있을 정도로 학계에서는 논쟁중인 사안이다. 치약은 이를 닦은 뒤 잘 행구면 쓰인 플루오린에 비해 흡수한 플루오린이 훨씬 적지만 수돗물 불소화는 흡수될 가능성이 더 높다. 그러나 건강에 문제가 갈 정도로 고용량이 흡수되어 축적되는가에 대해 논란이 있다.
불소화 사업 중단에 대해서 불소화 사업의 목적인 저소득층 어린아이 등과 같은 공중보건취약 계층은 염두에 두지 않는다는 일부 극빈층의 비판도 있다만 대다수의 전문가들은 득보다 실이 더 크며 국민들의 건강을 담보로 의학적 도박을 한다며 반대 의견이 더 많다.
한편 불소화 반대론에는 엉뚱하게 음모론이 끼어들기도 한다. 정부가 국민들의 지능을 떨어뜨려서 지배하기 쉽도록 한다거나, 백신 반대 운동 음모론처럼 암과 같은 병을 일으켜서 의료업계가 돈을 벌게 하도록 만든다는 근거 없는 내용들이다. 수돗물 불소화 사업을 처음 시작할 때 부터 21세기 현대까지 아직도 돌아다니는 음모론이다.
화합물[편집]
- HF(플루오린화 수소)
- NaF(플루오린화 나트륨)
- AgF(플루오린화 은)
- Na₃AlF₆(빙정석)
- CaF₂(형석)
- H₂SiF₆(육플루오린화 규산)
- CFC(염화 플루오린화 탄소, 프레온 가스)
- SF₆(육플루오린화 황)
- 테플론
- SiF₄(사플루오린화 규소)
- HFC(수소 플루오린화 탄소) XeF₂
플루오린과 배터리[편집]
플루오린은 1970년대 부터 배터리에 사용되어 왔지만 현재 모바일 제품군보다 훨씬 높은 온도에서 동작하는 장치, 고체 상태라는 한계로 인해 일상에서는 쉽게 접할 수 없었다. 칼텍 연구진은 불소 베터리를 상온에서 액체 형태로 구동하기 위해 BTFE(2,2,2-trifluoroethyl)를 이용해 불소 이온을 안정화 하는데 성공, 리튬 이온 배터리보다 8배의 에너지 밀도를 갖춘 불소 배터리의 상용화 가능성을 찾아냈다. 아직 불소의 반응성과 부식성, 최신 전자 기기에 알맞는 전압 유지, 상용화를 위한 경재성 등 해결해야 할 문제는 남았지만, 연구진은 이후 BTFE 솔루션의 안정성과 성능 개선을 위한 연구를 이어간다는 방침이다.[1]
토요타는 기존의 리튬이온 배터리보다 단위 중량 당 약 7 배의 에너지를 제공하고 한번 충전으로 1,000Km를 주행할 수 있는 새로운 불소이온 배터리를 교토 대학의 과학자들과 협력하고 있다. 일본 경제 신문 Nikkei가 보도 한 것처럼, 연구팀은 불소, 구리 및 코발트로 만든 양극과 전해질이 있는 해당 충전식 배터리의 프로토 타입을 개발했다. 중량 측정 에너지 밀도가 7배 더 높은 것으로 알려져 있으므로 바로 설치할 수 있는 차량 배터리의 에너지 함량이 동일한 설치 공간에서 크게 증가 할 수 있다. 교토에서 테스트 한 프로토 타입이 시리즈 생산에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지는 아직 명확하지 않다. 일반적으로 적어도 지금까지 알려진 리튬 이온 배터리의 경우 프로토 타입 값을 실험실 규모에서 대량 생산으로 이전하는 것이 항상 가능한 것은 아니다. 불소이온 배터리는 리튬을 완전히 제거한다. FIB라고도 알려진 이러한 배터리는 불소이온을 전도하는 전해질을 통해 한 전극에서 다른 전극으로 불소이온을 전달하여 전기를 생성한다. 장점은 금속 원자 당 여러개의 전자가 전달 될 수 있다는 것인데, 이는 높은 에너지 밀도를 설명한다.[2]
또 UNIST 에너지 및 화학공학부의 최남순-곽상규 교수팀은 불소 원자를 포함하는 용매를 이용한 '이온 농축형 전해액'을 개발했다. 이 전해액은 리튬 금속 전지의 음극과 양극에 보호막을 고르게 형성해 전체 배터리의 수명과 출력을 높여준다.[3]
플루오린과 인산, 바나듐을 합친 화합물로 칼륨이온 배터리용 양극재를 개발하고 있다.[4]
각주[편집]
- ↑ 이상호 기자, 〈칼텍 연구진, 리튬 이온 8배 에너지 밀도의 불소 배터리 위한 새로운 방법 개발〉, 《보드나라》, 2018-12-12
- ↑ 천상천하, 〈Toyota, 전기차 1000km 주행범위의 불소 이온 고체 배터리 발표〉, 《네이버블로그》, 2020-08-19
- ↑ 윤병효 기자, 〈리튬배터리 성능 높이는 '불소 전해액' 개발〉, 《이비엔》, 2019-12-18
- ↑ 윤신영 기자, 〈리튬이온 대체할 차세대 배터리는?〉, 《동아사이언스》, 2020-03-09
참고자료[편집]
- 〈플루오린〉, 《나무위키》
- 〈플루오린〉, 《위키백과》
- 이상호 기자, 〈칼텍 연구진, 리튬 이온 8배 에너지 밀도의 불소 배터리 위한 새로운 방법 개발〉, 《보드나라》, 2018-12-12
- 윤신영 기자, 〈리튬이온 대체할 차세대 배터리는?〉, 《동아사이언스》, 2020-03-09
- 천상천하, 〈Toyota, 전기차 1000km 주행범위의 불소 이온 고체 배터리 발표〉, 《네이버블로그》, 2020-08-19
- 윤병효 기자, 〈리튬배터리 성능 높이는 '불소 전해액' 개발〉, 《이비엔》, 2019-12-18
같이 보기[편집]
