백금

백금

백금 준위별 전자 수(2, 8, 18, 32, 17, 1)

백금(白金, Platinum)은 화학 원소로 기호는 Pt, 원자 번호는 78이다. 플래티나(platina)라고도 한다. 무겁고, 가단성과 연성이 있는 귀금속으로, 전이 금속에 속한다. 니켈 광석이나 구리 광석, 또는 자연 금속 상태로 산출된다. 또한 백금은 훌륭한 촉매이다. 장신구나 실험 장비, 전기 콘센트, 의료 기기, 자동차 배출 가스 제어 장치 등에 사용된다. 백금은 가치가 아주 높은 금속이다. 내부식성, 내마모성이 우수하다. 클라크수 0.0000005(5×10-7)(제74위)이다.

백금은 금(Au)과는 전혀 다르며 금에 합금을 한 화이트골드와는 달리 천연적으로 하얀 색깔을 띤 희귀한 금속이다. 백금의 이름은 '작은 은'을 뜻하는 스페인어 플라티나(platina)에서 유래됐다. 스페인의 군인이자 천문학자인 안토니오 데 울로아가 1748년 그의 저서 '남미의 서해안 탐험기'에서 백금을 '핀토의 작은 은(Platina del Pinto)'이라고 명명했다. 당시 유럽인들은 백금을 녹일 수 없어서 '미지의 금속'이라고 불렀다. 백금은 융점(섭씨 1768도)이 상당히 높아 19세기에 들어서야 비로소 용해시켜 다룰 수 있었다.

백금은 '귀금속의 다이아몬드'라고도 불릴 정도로 고급 보석으로 사용된다. 지구상에서 백금이 발견되는 곳은 아주 적으며 금보다 35배나 더 희귀하기 때문이다. 백금은 이처럼 금과 같은 귀금속으로 분류되지만 대부분 산업용으로 쓰인다. 연간 생산량 중 60%가 산업용으로 쓰이기 때문에 '실물경제의 바로미터'라고 불린다.

백금을 가장 많이 쓰는 곳은 자동차 회사로, 배기가스를 정화하는 촉매제의 원자재로 사용된다. 특히 백금은 물에서 수소를 끌어내는 전기분해 과정과 연료전지에서 모두 중요한 역할을 한다. 연료전지는 수소 등을 투입해 화학반응을 일으켜 전기를 만드는 장치인데 이를 만들려면 백금이 꼭 필요하다. 게다가 수소를 얻기 위해 물을 전기분해하는 과정에서도 백금이 사용된다. 이렇게 주로 백금을 수소 산화 반응용 음극 촉매로 사용하는 기존 수소연료전지는 희소성과 높은 가격 뿐만 아니라 연료전지 내 물 범람, 반응 기체 공급 이상 등이 발생해 촉매의 안정성에 걸림돌로 작용했다. 그리하여 이리듐-루테늄 합금 비율을 최적화하여 수소 산화 반응과 산소 발생 반응에서 모두 우수한 촉매를 개발해 연료전지 음극에서 백금 촉매를 대체하는 연구가 국내에서 이루어졌다.

월스트리트저널(WSJ)에 따르면 2020년 11월 백금 가격은 14%나 올라 트로이온스당(트로이온스는 31g) 964.90달러를 기록했다.

상세

주기율표 제10족에 속하는 백금족 원소이다. 밀도는 +20℃에서 21.45g/cm3로, 천연 원소 중에서는 오스뮴((Os), (밀도 22.59g/cm3))과 이리듐((Ir), (밀도 22.56g/cm3))다음으로 높다. 결정구조는 면심입방격자구조이고, 자성은 상자성이고, 부피 탄성 계수는 230GPa이고, 전단 탄성 계수는 61GPa이고, 모스 굳기계는 4〜4.5이다.

아름답고 부식이 잘 되지 않는 최고의 귀금속인 백금은, 지각 무게의 약 1ppb (1x10-7%)를 차지하는 희귀 원소로, 존재비는 은(Ag)의 약 1/100, 금의 약 1/4 이지만, 백금족 원소 중에서는 팔라듐 다음으로 많이 존재한다. 가소성이 있으며, 밀도가 높고 은백색을 띤다. 순수 백금은 광택이 나는 은백색을 띠며, 연성과 전성이 있다. 그러나 천연 백금은 불순물이 들어있어 부서지기 쉽다. 녹는점은 1768℃로 금의 1064℃보다 월등히 높고, 철의 녹는점 1538℃와 비교해도 200℃이상 높다.

화학 반응성은 매우 작아, 공기 중에서는 여간한 온도에서도 산화되지 않는다. 염산(HCl), 질산(HNO₃) 등 대부분의 산에 녹지 않으나, 뜨거운 왕수(진한 염산과 질산의 3:1 혼합물)에는 녹으며, 아주 뜨거운 알칼리에도 녹는다. 고온에서 많은 양의 수소 기체를 흡수한다.

순수 백금은 덩어리 상태에서는 광택이 나는 은백색을 띠며, 분말은 검은색이다. 흔히 고운 백금 분말을 백금 블랙(platinum black)이라 부른다. 백금은 전성과 연성이 있으며, 쉽게 가공할 수 있고 100개 원자 두께 이하로 두들겨 펼 수 있다. 모스 경도(Mohs hardness)는 4.3으로 금(모스 경도 2.5)보다 단단하다.

전기 전도도와 열 전도도는 금이나 은의 약 1/4이다. 열 팽창계수는 금의 약 60% 정도이며, 소다 석회 유리(soda-lime glass: 일반 유리)와 거의 같아 유리에 영구적으로 접합시킬 수 있다. 결정은 면심입방(fcc) 구조를 하며, 상자기성이다.

자연에서 원소 상태의 천연 백금이나 다른 백금족 금속들과의 합금 (예로 이리듐과의 합금인 플라티니리듐, Platiniridium) 형태로 존재하기도하나, 금과는 달리 큰 덩어리로는 거의 발견되지 않으며, 대부분의 천연 백금과 합금은 표사광상(Placer Deposit)이나 충적토(Alluvial Deposit)에서 발견된다.

그리고 니켈, 구리, 철의 황화물 광석에 황화물(예로 쿠퍼라이트, Cooperite: PtS), 비소화물(예로 스페릴라이트, Sperrylite: PtAs₂) 등의 형태로 들어있기도 한다. 한편, 백금은 운석이나 달에서 채취한 암석에는 지각에서보다 높은 농도로 들어있으며, 지구상에서 유성이 충돌한 자리에도 경제적으로 채광이 가능할 정도로 높은 농도로 있기도 한다.

화학적 성질

은백색의 귀금속으로 은보다 단단하고, 전성, 연성이 있다. 냉간가공도 할 수 있으나, 보통은 800∼1,000℃로 가열하여 가공한다. 소량의 이리듐을 가하면 굳기는 뚜렷하게 증가하지만 전성은 떨어진다. 팽창률은 유리와 거의 같아서, 유리기구의 접합에 편리하다. 백금은 여러 가지 색다른 성질 때문에 귀하게 여겨진다. 백금은 금과 은 다음으로 쉽게 모양을 바꿀 수 있다. 즉 늘여서 가는 선으로 뽑을 수도 있고, 망치로 두들겨서 얇은 판을 만들 수도 있다.

공기 중의 산소나 황화합물과 거의 잘 결합하지 않기 때문에, 공기 중에 그냥 두어도 부식하거나 색이 변하지 않는다. 백금은 강한 산에도 녹지 않으며, 왕수라는 질산과 염산의 혼합물에 가장 잘 녹는다. 비소, 인, 규소와 잘 결합하며, 백금의 합금 중에는 이리듐, 니켈, 오스뮴, 팔라듐, 로듐, 루테늄과의 합금이 가장 널리 쓰인다.

염화 수소나 질산 등을 섞으면 H₂PtCl₆가 된다. 분말 또는 백금해면으로서 촉매, 도량형원기, 백금저항온도계, 실험용 도가니, 열전기쌍, 전기접점재료, 발화전, 전극, 화학장치, 다이, 노즐, 치과재료, 장식용 등으로 사용된다. 다음은 백금이 왕수에 녹는 반응이다.

Pt + 8HCl + 2HNO₃ → PtCl₆²⁻ + 2NOCl + 2H⁺ + 4H₂0

동위원소

백금은 자연에서 6가지의 동위 원소(¹⁹⁰Pt, ¹⁹²Pt, ¹⁹⁴Pt, ¹⁹⁵Pt, ¹⁹⁶Pt, and ¹⁹⁸Pt)가 있다. 이 중 가장 안정적인 동위 원소는 자연에 존재하는 ¹⁹⁵Pt로, 자연에서 33.83%를 차지한다. ¹⁹⁰Pt는 매우 적게 차지하며 그 양은 0.01%에 불과하다. 자연에 존재하는 동위 원소 중 불안정한 것은 ¹⁹⁰Pt이며, 붕괴할 때의 반감기는 650×109 년이다. ¹⁹⁸Pt는 알파 붕괴를 하고 반감기가 가장 길며 약 320×1012 년이다. 많은 양을 차지하고 안정적인 것은 질량수 195짜리이다. 백금의 동위 원소는 일반적으로 31가지로 질량수는 166에서 202까지 다양하다. 여기에 인공적으로 만들어진 동위 원소까지 합하면 37가지가 된다. 핵 이성질체 백금 동위 원소 중 가장 반감기가 짧은 것은 166Pt이며 반감기는 300 µs이다. 핵 이성질체 중 반감기가 가장 긴 것은 ¹⁹³Pt이며 반감기는 50 년이다. 모든 백금의 방사성 동위 원소는 베타 붕괴와 알파 붕괴를 한다. ¹⁸⁸Pt, ¹⁹¹Pt, and ¹⁹³Pt는 내부 전환을 하며. ¹⁹⁰Pt와 ¹⁹⁸Pt는 이중 베타 붕괴를 한다.

화학적 반응성

공기나 수분 등에는 매우 안정하여 고온으로 가열해도 변하지 않고, 산·알칼리에 강하여 내식성이 크다. 다만 왕수에는 서서히 녹고, 가성알칼리와 함께 고온으로 가열하면 침식된다. 플루오린, 염소, 황, 셀레늄 등과 가열하면 반응한다. 또, 고온에서는 탄소를 흡수하고 냉각하면 이것을 방출하는데, 이때 백금의 표면이 물러지므로, 석탄, 코크스 또는 탄소가 많은 환원불꽃 등으로 가열하는 것은 피하는 것이 좋다.

비소, 안티모니, 비스무트, 주석, 납 등과는 녹는점이 백금보다 훨씬 낮은 합금을 만든다. 미세한 분말로 한 백금은 그 부피의 100배 이상의 수소를 흡수하며, 적열한 백금은 수소를 흡수하여 투과시킨다. 또 산소, 헬륨 등도 흡수하는데, 흡수된 수소나 산소는 활성화되므로 산화환원의 촉매로서 중요하다.

= 화학적 화합물

백금의 산화 상태는 보통 +2나 +4이다. 산화 상태 +1, 산화 상태 +3 은 그 비율이 매우 적다. 백금(II)는 정방정계결정 구조를 띠고 있다. 백금은 다른 기체와 함께 산이 되면 육클로로백금산 ("H₂PtCl₆", (H₃O)₂PtCl₆·nH₂O )가 된다.

Pt + 4HNO₃ + 6HCl → H₂PtCl₆ + 4NO₂ + 4H₂O 백금의 화합물은 이 외에도 다양하다. 아연 화합물의 경우, 평평하여 거울처럼 생겼으며, 광택이 난다.

백금은 염화 암모늄과 반응을 하여 육클로로백금산암모늄을 만든다. 백금의 암모늄 화합물은 불용성을 띤다. 이것을 가열하면 수소는 기체가 되어 날아가서 다시 순수한 백금으로 돌아가게 된다. 백금은 몇 번이고 재활용이 가능하다. 헥사클로로백금산칼륨은 역시 불용성이며, 여기서 칼륨은 칼륨 이온으로 양이온화가 된다.

헥시클로로백금산의 경우에는 백금이 염화 백금(IV) 또는 염화 백금(II)의 원소 형태를 띤다. 이 반응은 다음의 식과 같다.

(H₃O)₂PtCl₆ ∙ nH₂O → PtCl₄ + 2HCl + (n+2)H₂O

PtCl₄ → PtCl₂ + Cl₂

PtCl₂ → Pt + Cl₂

백금(II)와 백금(IV), 육플루오린화백금은 산화 상태가 높다.

산화 백금의 화학식은 PtO₂이며, 이 형태의 산화 백금은 다른 산과 결합이 가능하다. 다음은 그 반응이다.

2Pt²⁺ + Pt4⁴⁺ + 4O2 → Pt₃O₄

백금으로는 항암제를 만들기도 하는데 백금으로 만든 항암제에는 두 가지가 있다. 하나는 시스플라틴으로 고환 종양에 효과가 있다. 분자식은 H₆ Cl₂N₂Pt이다. 또 하나는 카보플라틴으로 분자식은 C₆ H₁₄N₂O₄Pt이다. 카보플라틴은 선플라의 유도체이기도 하다.

육클로로백금산 이온, 지세의 염, 백금(II) 화합물 이온, 시스플라틴

 

참고자료

• 〈백금〉, 《위키백과》
• 〈백금〉, 《나무위키》
• 이장훈 국제문제 애널리스트, 〈백금과 구리 전성시대 도래〉, 《매거진한경》, 2020-12-23
• 김지완 기자, 〈수소차 배터리 성능 향상시키는 합금촉매 개발〉, 《뉴스핌》, 2020-07-22

같이 보기

• 수소연료전지
• 연료전지
• 화이트골드
• 금

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