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(새 문서: 파일:아연.jpg|썸네일|300픽셀|오른쪽|아연 주괴의 결정조각(가운데), 나무 가지 모양으로 승화한 결정 조각(오른쪽)과 고순도의 아연 입방...) |
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2021년 8월 3일 (화) 14:16 판
아연(Zinc)은 원자번호 30번 원소이며 구리와 함께 볼타전지를 이루는 금속으로, 그리고 망가니즈 건전지의 음극 물질로 많은 사람에게 친숙한 금속이다. 아연은 철, 알루미늄, 구리 다음으로 많이 생산되어 사용되는 금속이다. 우리 주변에서 사용되는 많은 철 제품은 아연 도금이 되어있어 잘 부식되지 않는다. 철판에 아연을 도금한 것을 함석이라 하는데, 스테인리스 강에 비해 값싸게 생산되므로 널리 사용된다. 아연과 구리의 합금인 황동(놋쇠)은 통신 장비, 악기, 물 밸브, 주화 등에 광범위하게 사용된다. 또한 여러 아연 합금들이 다이캐스팅 합금으로 많이 사용된다. 아연 화합물들은 페인트 안료, 인광체, 자외선 차단제, 의약품, 유기 합성 시약 등으로 요긴하게 사용된다. 아연은 전이 금속 중에서는 철 다음으로 인체에 많이 존재하며, 여러 생체 내 과정에서 중요한 역할을 하는 미량 필수 원소이다.
개요
아연은 원자번호 30번의 원소로, 원소기호는 Zn이다. 주기율표에서 카드뮴(Cd), 수은(Hg)와 함께 12족(2B족)에 속하며, 전이금속 중 하나이다. 청백색의 금속으로, 실온에서는 단단하고 부서지기 쉬우며 전성과 연성이 거의 없으나, 100~150oC에서는 전성을 띠게 되어 가는 선이나 얇은 판으로 가공할 수 있다. 비교적 좋은 전기 전도체이며, 녹는점과 끓는점이 비교적 낮고, 쉽게 승화(고체가 증기로 되는 것)된다. 화학 반응성이 제법 크고 강한 환원제이다. 공기 중에서 물과 이산화탄소(CO₂)와 반응하면 염기성 탄산아연(Zn₅(OH)₆(CO₃)₂) 보호막이 생겨 내부가 물이나 공기와 반응하는 것을 막는다. 산, 알칼리, 여러 비금속 원소들과 쉽게 반응하며, 공기 중에서 태우면 푸른 불꽃을 내며 타서 산화아연(ZnO)이 된다. 화합물에서는 주로 +2의 산화상태를 가지며, 색을 띠지 않는다.
아연은 천연에서 화합물로만 존재하며, 지각에서의 존재 비는 약 76 ppm(0.0076%)으로 대략 24번째로 풍부한 원소이다. 중요한 광석은 섬아연석(sphalerite, ZnS), 능아연석(smithsonite, ZnCO₃), 이극석(hemimorphite, Zn₄Si₄O₇(OH)₂·H₂O)인데, 이중 섬아연석이 아연 생산에 사용되는 광석의 90% 이상을 차지한다. 아연은 고대부터 합금에 사용되었으나, 금속 아연은 13세기에 인도에서 처음 얻어졌고 유럽에서는 1746년에 처음 분리되었으며, 1800년에 볼타(Alessadro Volta, 1745~1827)가 이를 사용하여 전지를 처음 만들었다.
아연의 가장 큰 용도는 철에 내부식성 도금을 하는 것이다. 그리고 황동(아연과 구리의 합금)에서처럼 다른 금속과 합금을 만드는 데 사용되며, 아연-탄소 건전지(망가니즈 건전지)에서 음극으로 사용된다. 여러 아연 화합물들도 요긴하게 사용되는데 산화아연(ZnO)은 반도체 물질로 복사기와 자외선 차단제, 흰색 페인트 안료 등으로 사용되며, 황화아연(ZnS)은 발광성 페인트, 식품 보존제, 탈취제, 비듬방지 샴푸 첨가제, 목재 보존제, 유기 합성 시약, 항균 농약 등으로 사용된다.
아연은 거의 모든 생명체에 필수적인 미량 원소로, 인체에는 전이 금속 중에서는 철 다음으로 많이 있다. 여러 효소의 구성 원소로, 탄수화물, 단백질, 핵산 등의 생체분자들의 합성과 분해에 관여하며, 성장과 골격 형성, 생식과 면역 기능에도 관여한다. 어린이에게 아연이 결핍되면 성장 지연, 면역력 저하, 만성 또는 급성 설사 등을 일으킬 수 있는 반면, 과량의 아연 섭취는 근육기능의 불규칙, 무기력증, 위장 장애, 구리 결핍 등을 초래할 수 있다. 식물의 경우, 아연이 결핍되면 생육이 저해되고 열매가 잘 맺지 않을 수 있다.
역사
아연이 들어있는 고대 금속 유물들이 세계 곳곳에서 발견되었다. 선사시대의 것으로 짐작되는, 87.5%의 아연을 함유한작은 조각상이 현 루마니아의 다시안(Dacian) 유적지에서 발견되었으며, 80~90%의 아연을 함유하는 합금으로 만들어진 기원전 5세기경의 여러 장신구들도 발견되었다. 고대 이집트의 구리 제품에는 약간의 아연이 들어 있으며, 기원전 1400~1000년경에 만들어진 팔레스타인 황동에는 아연이 23% 들어있다. 로마에는 기원전 약 30년경에 황동의 제조 방법이 알려졌는데, 로마는 이를 사용하여 주화와 무기를 만들기도 하였다. 이들은 황동을 보통 능아연석(ZnCO3)과 이극석(Zn4Si2O7(OH)2·H2O)의 혼합 광석인 칼라민(calamine) 가루를 숯, 구리와 함께 섞고 가열하여 얻었는데, 이런 방법으로 얻은 황동을 칼라민 황동(calamine brass)이라 한다. 또한 아연이 포함된 혼합 금속 광석을 야금하여 아연이 들어있는 금속을 얻기도 하였을 것으로 짐작된다.
아연은 끓는점이 907oC(녹는점은 419.53oC)이고, 고체 상태에서도 쉽게 승화된다. 아연 광석을 구워서 얻은 산화아연(ZnO)을 숯으로 환원시켜 아연 금속을 얻기 위해서는 1000oC 이상의 온도가 필요한데, 이 온도에서는 환원된 금속 아연은 증기가 되고, 증기 상태의 아연은 쉽게 재산화된다. 공기와 접촉시키지 않고 아연 증기를 응축시켜 금속 아연을 대량으로 얻는 방법이 13세기에 인도에서 처음 터득되었으며, 이것이 중국으로 전해졌고, 중국 명 나라에서는 아연 주화를 만들어 사용하였다.
중세 유럽에서는 금속 아연을 의도적으로 생산하지는 않았으나, 납, 은, 황동 등의 제조 과정에서 소량 얻을 수 있었으며, 1605년 이후에는 동인도 회사를 통해 중국에서 수입하였다. 연금술사들은 아연을 공기 중에서 태워 생긴 물질을 응축시켜 산화아연(ZnO)을 얻었는데, ZnO 분말을 ‘철학자의 양털(Philosopher’s wool)’, ‘백설(white snow)’, ‘아연의 꽃(flowers of zinc)’ 등 여러 이름으로 불렀으며, 우리 나라에서도 최근까지 산화아연을 아연화(亞鉛華)라고 불렀다. 원소 이름 ‘zinc’는 금속 아연이 바늘 모양을 하는 것에서, 독일어로 톱니 또는 포크의 끝을 뜻하는 ‘Zinke’에서 따왔거나, 또는 주석과 비슷하다는 것에서 주석을 뜻하는 독일어 ‘Zinn’에서 따온 것으로 여겨진다. 우리 말 아연(亞鉛)은 색깔과 모양이 납(Pb, 鉛)과 비슷한 데서 붙여진 이름이다.
아연은 서양에서도 17세기 후반부터 분리되기 시작했는데, 순수한 금속 아연은 1746년에 독일 화학자 마르그라프(Andreas Sigmund Marggraf, 1709~1782)가 처음 얻었다고 여겨진다. 그는 칼라민과 숯의 혼합물을 밀폐된 용기에서 가열하여 아연을 얻었는데, 1752년에는 이 방법을 써서 아연이 상업적으로 생산되기 시작하였다. 1758년에는 밀폐된 용기에서 섬아연석(ZnS)을 구워 산화아연을 만든 후, 이를 밀폐된 용기에서 숯과 반응시켜 아연을 얻는 방법이 개발됨으로써 가장 흔한 아연 광석인 섬아연석에서 아연을 얻을 수 있게 되었다. 1800년에는 볼타가 구리판과 아연판으로 구성된 전지를 만듦으로써 아연의 유용성이 더욱 확대되었다. 아연의 생물학적 중요성은 비교적 최근에 알려졌는데, 1940년에 혈액에서 이산화탄소를 배출시키는 데 관여하는 효소에 아연이 들어있음이 밝혀졌으며, 1955년에는 단백질 분해에 관여하는 효소에도 아연이 들어있음이 발견되었다.
물리적 성질
화학적 성질
용도
참고자료
같이 보기
