텅스텐

텅스텐 봉

텅스텐의 준위별 전자 수(2, 8, 18, 32, 12, 2)

텅스텐(Tungsten)은 주기율표 산소족에 속하며 굳고 단단한 백색 또는 회백색의 금속 원소이다. 볼프람(Wolfram)이라고 하며 화학 원소로 기호는 W, 원자 번호는 74이다. 텅스텐이라는 말은 스웨덴어로 '무거운 돌'을 의미하기 때문에 한자어로 중석(重石)이라고도 부른다. 무겁고 매우 단단한 전이 금속으로 철망가니즈중석과 회중석 등의 광석에서 산출된다. 1781년에 처음 발견되어 1783년에 순수한 형태로 분리되었다. 원소들 중 녹는점이 가장 높으며, 밀도는 19.3g/cm³으로 금이나 우라늄과 비슷하다. 순수한 텅스텐은 단단하면서도 연성이 뛰어나며, 불순물이 소량 첨가되면 단단하지만 부서지기 쉬워 가공하기 어려워진다.

순수한 텅스텐은 전기·전자 분야에 쓰이지만 주로 화합물이나 합금으로 널리 쓰인다. 전구의 필라멘트가 가장 대표적이다. 또, 텅스텐은 단단하고 밀도가 높으므로 군용 목적으로는 전차의 장갑을 뚫는 탄에도 많이 활용된다. 한국에는 최대 3천만톤(80년 사용 가능한 분량)이 매장되어 있다고 한다. 강원도 영월에는 세계 최대의 텅스텐 매장 광맥이 있다. 주된 수출품이 없던 1950~70년대에는 세계 텅스텐 총생산량의 15%를 생산했다. 당시 텅스텐 수출액은 우리나라 총 수출액의 약 70%를 차지했다.

최근, 전극 재료로서 산화 텅스텐의 개질에 대한 연구는 매우 뜨겁다. 황색 산화 텅스텐 분말은 물리적 및 화학적 특성이 안정적이고 중요한 반도체 재료이다. 밴드 갭이 적당하고 리튬 배터리를 향상시킬 수 있다. 전기 화학적 성능. 또한 삼산화 텅스텐은 기계적 안정성이 우수하여 장기 사이클링 후에 양극 및 음극 재료가 원래 모양을 유지하므로 사용 횟수가 증가해도 배터리의 안전성이 저하되지 않는다.

삼산화 텅스텐은 화학적으로 안정하고 내산성이 강하여 연료 전지의 반응 환경에 매우 적합합니다. wo₃는 백금 촉매로부터 전달된 활성 수소 이온을 수용할 수 있고, 이것과 결합되어 텅스텐 브론즈를 형성하여, 다른 수소를 흡수하기 위해 백금의 활성 영역이 다시 방출되어 백금 촉매의 촉매 효율을 크게 증가시킨다.

나노 옐로우 텅스텐 산화물은 특수 전극 재료이다. 이론적 인 용량이 693mah / g에 도달하면 전기 변색이 우수하다다. 또한 저렴한 가격, 풍부한 매장량 및 독성이 없다는 장점이 있다.

개요

1783년에 스웨덴의 엘야아르 형제가 철망가니즈중석의 산화 반응으로 얻은 삼산화 텅스텐과 탄소의 환원 반응으로 얻어진 새로운 원소를 스웨덴어에 기인한 'Tungsten'이라고 명명하였다. 회중석으로부터 생성된 텅스텐 산화물과 철의 혼합물을 환원시켜 산업적으로 유용한 페로텅스텐을 제조할 수 있다. 텅스텐은 천연에 5 가지의 동위원소가 있으며, 두 번째로 높은 녹는점과 가장 높은 끓는점을 가지는 원소이다. -2에서 +6까지의 다양한 산화 상태를 가지는 텅스텐은 고온의 공기 중에서 쉽게 산화한다. 예전에는 텅스텐이 낮은 증기압을 가져서 등, 램프, 필라멘트로 사용되었으나, 2차 세계대전에서 기계, 공구, 무기로써의 용도가 추가되었다. 산화 텅스텐은 장신구, 도자기 유약, 촉매 등으로 널리 이용된다. 텅스텐과 다른 금속의 합금은 연마제, 절단기, 공작 기계, 균형 추 등에, 페로텅스텐 합금은 내마모성 부품 및 드릴 등에 각각 사용된다.

텅스텐의 발견과 분리

1761년에 독일의 레만(J. G. Lehmann)이 철망가니즈중석(wolframite, (Fe,Mn)WO₄)을 분석하던 중 새로운 원소의 존재를 알게 되었다. 1789년에 아일랜드의 울프(P. Woulfe)도 스웨덴과 독일에서 얻은 텅스텐 광석에 새로운 원소가 포함되어 있다고 주장하였고, 2년 후 그는 조사한 광석을 산화시켜 삼산화 텅스텐(WO₃)을 얻었다. 이들 산화물의 생성을 발견한 스웨덴의 셸레(C. W. Scheele)도 이를 환원시키면 새로운 금속이 발견될 것이라고 제안하였으나 실험으로 옮기지는 못했다.

드디어 1783년 스웨덴의 엘야아르 형제(J. J. & F. Elhuyar)가 텅스텐 산화물을 환원시켜 새로운 금속 텅스텐을 분리할 수 있었다. 셸레를 기념하기 위해 명명된 회중석(scheelite, CaWO₄)을 염산 처리하여 생성된 침전물인 텅스텐산(H2WO₄)을 암모니아 용액에서 농축하고, 고온에서 열분해하여 삼산화 텅스텐을 얻을 수도 있다. 이를 수소 기체로 환원시켜 얻은 텅스텐을 철과 혼합한 후 탄소를 이용하여 환원시킴으로써 텅스텐 합금인 페로텅스텐(ferrotungsten, 70~80 % W / 20~39 % Fe)을 만들기도 한다.

순수한 금속 상태로는 존재하지 않으며, 회중석, 철망가니즈중석, 철중석(ferberite, MnWO₄), 망가니즈중석(hubnerite, MnWO₄) 등의 광석으로 발견된다. 한때 북한이 텅스텐 최대 생산국이었으나, 지금은 중국이 주 생산국이자 매장국이며, 러시아, 캐나다, 볼리비아, 베트남 등에도 상당한 양이 매장되어 있다.

특성

물리적 특성

순수한 텅스텐은 은회색의 광택을 가지는 단단한 금속으로, 전성과 연성이 뛰어나 가공하기가 쉽다. 그러나 불순물이 약간 섞이면 단단하면서도 부서지기 쉬워지는 단점이 있다.

텅스텐은 모든 원소들 중 녹는점이 가장 높고(3422℃) 1650℃ 이상에서 증기압이 가장 낮은 원소이기도 하다. 비록 탄소가 고체 상태로 존재하는 온도가 더 높기는 하지만 탄소는 약 4027℃에서 액체 상태를 거치지 않고 바로 기체로 승화하기 때문에 녹는점이 가장 높은 원소는 텅스텐이다. 또, 텅스텐의 인장 강도는 모든 원소들 중에서 가장 높은데 이는 5d 오비탈의 전자들이 텅스텐 원자들을 서로 강하게 결합시키고 있기 때문이다. 따라서 강철에 약간의 텅스텐을 첨가하면 그 강도가 매우 높아진다. (탄화텅스텐(WC)은 가장 강한 물질중 하나(질화붕소(BN), 탄화텅스텐(WC), 질화규소(Si₃N₄))이다. )

텅스텐의 안정된 동위원소는 Tungsten - 180(99.99491974285%+), Tungsten - 182, Tungsten - 183, Tungsten - 184, Tungsten - 186 이고, 텅스텐의 모든 알려진 동위원소는 Tungsten - 158 ~ Tungsten - 192 (35가지)이다.

또한, 텅스텐은 두 종류의 원자 배열을 가진다. 하나는 α 텅스텐으로 체심 입방정계 구조이며, 텅스텐 구조들 중 가장 안정하다. β 텅스텐은 A15 등축정계 구조를 갖는데 준안정하며, 일반적인 상태에서 α 구조일 때와 함께 존재할 수 있다. α 구조는 전기 저항이 β 구조일 때의 1/3이며, 초전도체가 되는 임계온도는 약 0.015K로 β 구조일 때 1~4K인 것보다 낮다. 두 종류의 구조를 혼합하면 그 중간 정도의 임계온도를 나타낸다. 텅스텐과 다른 금속을 혼합하여 만든 합금은 그보다도 더 높은 임계온도를 나타내는데, 이들은 저온 초전도체 회로에 사용된다. 대표적인 예로 텅스텐-테크네튬 합금이 있다.

생물학적 특성

원자 번호 74번인 텅스텐은 생물학적 역할이 있다고 알려진 원소들 중 가장 무거운 원소로, 진핵생물을 제외한 일부 세균들이 사용한다. 텅스텐을 사용하는 효소들은 일반적으로 카르복시산을 알데하이드로 환원시키는 역할을 한다. 산화 환원 효소들의 경우 산화 반응의 촉매로 사용하기도 한다. 텅스텐을 필요로 하는 일부 효소의 경우 셀레늄도 함께 필요로 하는 경우가 있는데, 이러한 조합은 몰리브데넘-황의 조합과 비슷한 역할을 한다.

또한, 텅스텐은 토양 속에서 산화하여 양이온이 된다. 이러한 텅스텐 양이온은 토양 속에 사는 원핵생물들이 특정 효소 내에서 몰리브데넘 대체용으로 사용하기도 한다. 토양의 산성도에 따라 텅스텐이 중합되는 정도가 달라지기도 한다. 일반적으로 토양이 산성일 경우 텅스텐 중합체가 잘 형성된다.

동위 원소

자연에는 다섯 종류의 텅스텐 동위 원소가 존재하며, 모두 반감기가 매우 길어 안정한 원소로 분류되는 동위 원소들이다. 이론상으로는 안정한 텅스텐 동위 원소 5가지 모두 알파 붕괴를 통해 하프늄으로 붕괴할 수 있지만 현재까지는 ¹⁸⁰W만이 약 1.8×10¹⁸년의 반감기를 거쳐 방사성 붕괴하는 것이 관찰되었으며, 이는 평균적으로 1년에 1g의 텅스텐 중에서 ¹⁸⁰W 원자 2개만이 붕괴하는 것과 같다. 다른 안정 동위 원소들은 아직까지 붕괴하는 것이 관찰된 적은 없으며 모두 반감기가 4×10¹⁸ 이상인 것으로 추정되나 실제로 붕괴하지 않을 수도 있다. 이외에 원자량 158에서 192 사이에 30개의 인공 방사성 동위 원소와 4개의 준안정 동위 원소가 발견되었으며, 이들 중 가장 안정한 것은 반감기 121.2일의 ¹⁸¹W이다.

존재

텅스텐은 철망가니즈중석, 회중석 등의 광물에서 주로 산출된다. 2009년 기준으로 중국이 전 세계 생산량의 약 83%에 해당하는 51,000톤을 생산하였으며, 제2차 세계대전 당시에는 미국의 텅스텐 공급에 도움을 주기도 하였다. 이외에 러시아, 캐나다, 볼리비아, 오스트리아, 포르투갈, 태국, 브라질, 페루, 르완다 등에서도 상당량 생산되었으며, 이 중 포르투갈은 제2차 세계대전 당시 중립국이면서도 연합국과 나치 독일 양측 모두에 텅스텐을 판매하여 이득을 보았다. 한국에는 최소 약 970만 톤 정도의 텅스텐이 매장되어 있으며, 세계 최대의 텅스텐 광산도 존재하였으나 대한민국 내에서는 수요처가 거의 없어 폐광되었다.

산업적 용도

높은 녹는점과 낮은 증기압을 가지는 텅스텐은 예전에 백열등, 진공관, 할로젠 램프, 캐소드-선(cathode-ray) 관의 필라멘트로 사용되었으나, 기계, 공구, 무기 등의 재료로서의 용도가 발견된 2차 세계대전에서는 더 요긴하게 쓰였다. 금과 비슷한 밀도를 가지기에 유사 금으로도 사용되는 탄화 텅스텐과 텅스텐의 합금은 잘 마모되지 않아 장신구에 널리 쓰였다. 소량의 금속을 텅스텐 탄화물에 첨가하여 얻은 텅스텐 초경합금(cemented carbide 혹은 hard metal)의 강도는 강철보다 3배나 크기에, 내마모성 연마제, 절단기, 각종 공작 기계, 석유 시추액과 토건용 착암기의 비트 등에 사용된다. 밀도가 높은 텅스텐 합금의 성질을 이용하여 저울추나 자동차, 요트, 항공기용 균형추로 쓰인다. 내열성이 큰 텅스텐과 은이나 구리와 같은 전도성 금속과의 합금은 아트 용접에도 사용된다.

페로텅스텐과 다른 금속의 혼합으로 얻은 고속도강(high speed steel) 합금은 항공기, 우주선, 전기 및 전자 장치의 내마모성 부품으로 사용되며, 절단기, 착암기 드릴 등에도 쓰인다. 밝은 노란색의 삼산화 텅스텐, 밝은 흰색의 텅스텐산 아연(ZnWO₄), 텅스텐산 바륨(BaWO₄)은 도자기 유약의 안료로 사용된다. 화학 촉매로 선택적 환원 반응, 수소화 분해, 황 및 질소 화합물 제거 반응 등에 삼산화 텅스텐이, 정유 공장에서 수소화탈황 반응에 황화 텅스텐(WS₂)이 각각 쓰인다. 일부 박테리아에는 알데하이드 환원 효소에 텅스텐이 들어 있다. 텅스텐은 동물에 필수 원소는 아니지만 사람은 음식물로부터 미량 섭취한다. 텅스텐 먼지는 눈과 피부에 자극을 주며, 인체에 크게 해롭지는 않으나 몰리브테넘과 구리 대사에 간섭하여 독성을 가지며, 특히 사산화 텅스텐 이온은 중추 신경계에 작용한다고 알려져 있다.

참고자료

• 〈텅스텐〉, 《위키백과》
• 〈텅스텐〉, 《화학백과》
• 〈새로운 양극 물질 --- 삼산화 텅스텐 (Wo3) 나노 입자〉, 《洪武國際》, 2019-09-09

같이 보기

• 합금
• 필라멘트
• 삼산화 텅스텐

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