팔라듐

팔라듐

팔라듐의 준위별 전자 수(2, 8, 18, 18)

팔라듐(palladium)은 주기율표 10족 5주기에 속하는 백금족원소로 기호는 Pd, 원자번호 46, 원자량 106.42g/mol, 녹는점 1554.9℃, 끓는점 2,963℃, 밀도 12.023g/cm³이다. 은백색 금속으로 전성과 연성이 좋고 거의 모든 금속과 합금을 이룬다. 백금과 화학적 성질이 유사하며, 구리나 니켈 광석에서 추출된다.

1802년에 영국의 울러스턴이 남아메리카에서 산출된 백금이 들어 있는 광석으로부터 로듐과 함께 분리하였다. 소행성 이름으로부터 원소 이름이 정해졌다. 지각에 가장 희귀하게 존재하는 원소 중 하나인 팔라듐은 자연계에서 동위원소 6가지가 알려져 있고, 녹는점과 끓는점은 백금족 금속 중 가장 낮다. 예전에는 팔라듐이 장신구에 주로 쓰였지만, 지금은 점화 플러그 전극, 고급 수술 기구, 수소 저장 장치 등에 사용된다. 특히 팔라듐-수소 전극은 수소 연료 전지에 매우 중요하며, 팔라듐 박막은 고순도 수소 생산에 사용된다. 또한, 팔라듐 합금은 치아 보철 재료에 쓰이고, 자동차 촉매 전환기에 백금과 함께 섞어 배출 기체의 촉매로 사용된다. 그리고 유기 금속 팔라듐 화합물은 탄소-탄소 결합 형성과 관련된 여러 반응의 중요한 촉매이다.

전기자동차는 연료를 태우지 않으며, 배기 파이프가 없고 팔라듐을 사용하지 않는다. 한편, 하이브리드 자동차는 팔라듐을 사용하고 있다.

발견과 분리

금이나 백금 등과의 합금 형태로, 혹은 풍화 작용으로 형성된 표사 광상(placer deposit)에서 사백금 형태로 발견된다. 영국의 울러스턴(W. H. Woolaston)은 왕수에 녹인 백금이 들어 있는 광석에 수산화 소듐을 가해 중화시킨 후, 염화 암모늄을 넣어 염화백금산 암모늄((NH₄)₂[PtCl₆])으로 침전시켰다. 아연과의 금속 치환 반응을 이용해 나머지 여액을 침전시켜 분리된 팔라듐을 다시 왕수에 녹인 후, 사이안화 수은(Hg(CN)₂)을 가해 얻은 사이안화 팔라듐(Pd(CN)₂) 침전물을 가열함으로써 팔라듐 금속을 1802년에 최초로 분리하였다.

쿠퍼광, 폴라라이트, 그리고 니켈-구리 광석 등에서 발견되며, 러시아의 노릴스크 광산(Norilsk complex)과 남아프리카 공화국의 트란스발 분지(Transvaal basin)에 84%, 캐나다의 서드베리 분지(Sudbury basin)와 미국의 스틸워터 광산(Stillwater complex)에 각각 6%와 5% 매장되어 있다.

성질

팔라듐은 지각에 가장 희귀하게 존재하는 원소 중 하나이다. ¹⁰²Pd(1.02%), ¹⁰⁴Pd(11.14%), ¹⁰⁵Pd(22.33%), ¹⁰⁶Pd(27.33%), ¹⁰⁸Pd(26.46%), ¹¹⁰Pd(11.72%)과 같은 6가지 천연 동위원소와 질량수 91~123의 123가지 방사성 동위원소가 알려져 있으며, 이 중 반감기 650만 년의 ¹⁰⁷Pd이 가장 안정하다.

백금족 금속(platinum group metals)으로 원자 번호 46번이며, 10족 원소로서 밀도는 상온에서 12.02 g/mL이나 액체 상태에서는 10.38 g/cm³이며, 녹는점과 끓는점은 1555 °C와 2963 °C이다. 0, +2, +4의 산화 상태를 가지는데, 이중 산화 팔라듐(PdO)이나 할로젠화 팔라듐(PdX2, X=F, Cl, Br, I) 화합물의 예에서 보듯이, +2 상태가 가장 흔하다. 특히 이염화 팔라듐(PdCl₂)은 사슬 구조를 갖는 붉은색의 α형과 육합체((PdCl₂)₆))의 β형 이성질체가 있다. 팔라듐 염화물과 트라이페닐포스핀(PPh₃)과의 반응으로 얻은 시스-이염화비스(트라이페닐포스핀) 팔라듐(cis-PdCl₂(PPh₃)₂)은 전기 도금액, 잉크, 일산화 탄소의 검출 및 탄소-탄소 짝지음(carbon-carbon coupling) 반응에 쓰인다. 상온의 덩어리 상태에서는 공기 중에서도 안정하나, 가루 상태에서는 발화한다. 대부분의 산에 녹지 않으나, 뜨거운 산과 왕수에는 녹는다.

산업적 용도

예전에는 팔라듐이 금과의 합금인 백색금 형태로 장신구에 주로 쓰였지만, 단단하고 내마모성이 좋아 지금은 항공기의 점화 플러그 전극, 고급 수술 기구, 베어링, 시계 템포 바퀴 등에 쓰인다. 수소와 산소 기체의 반응에서 얻어지는 큰 에너지를 활용한 수소 자동차 내연 기관은 원래 200년 전 리바즈(F. I. Rivaz)에 의해 개발되었다. 수소 자동차는 최근 환경 문제로 큰 관심을 받고 있지만, 문제는 가벼운 수소를 액화하기가 매우 어렵고 부피 당 에너지 밀도가 매우 낮다는 점이다. 따라서 같은 부피에 많은 수소를 저장하기 위해 팔라듐과 같은 금속을 사용하는데, 이 때 팔라듐-수소 전극(Palladium-H2 electrode)은 수소 연료 전지(fuel cell)에 매우 중요하다. 팔라듐 박막(palladium membrane)은 수소 기체를 잘 통과시키지만 다른 기체는 통과시키지 않기에 고순도 수소 생산에 사용된다. 팔라듐은 독성이 매우 낮으나 과량을 섭취하면 해가 된다.

금, 은, 구리, 그리고 아연과의 팔라듐 합금은 생체 적합성(biocompatibility)이 좋고 부식되지 않기에 충치 씌우개, 브리지, 인공 치아, 치과 보철 시술에 쓰인다. 팔라듐은 자동차 배기 가스 정화 장치인 촉매 전환기에 백금과 함께 섞여, 산화 질소(NOx), 일산화 탄소, 미연소된 탄화수소를 질소 분자, 이산화 탄소, 물로 전환하는 산화 반응의 촉매로 사용된다. 차량 운행 시 촉매 전환기를 통해 가스 분출 시 4~108 ng/km의 팔라듐 미립자가 함께 방출되는 것으로 알려져 있다. 전자 산업에서는 팔라듐과 그 합금이 적층 세라믹 콘덴서(multilayer ceramic capacitor, MLCC)의 전극으로 쓰인다. 또한, 이들은 평판 TV, 컴퓨터, 휴대전화에 쓰이며, 도전 재료 및 내 부식 도금에도 사용된다. 각종 전자 부품의 도금과 땜질 재료에도 팔라듐과 팔라듐 합금이 쓰인다.

화학 공업에 있어서, 탄소 지지체에 입힌 미세한 팔라듐 분말 상태는 수소화 및 탈수소화 반응, 정유 공장에서의 석유 분해 반응, 에틸렌을 아세트알데하이드로 전환시키는 바커 공정(Wacker process)에 사용된다. 특히 탄소-탄소 결합 형성과 관련된 헤크(Heck) 반응, 네기시(Negishi) 반응, 그리고 스즈키(Suzuki) 반응의 촉매로 쓰이는 테트라키스(트라이페닐포스핀) 팔라듐(Pd(PPh₃)₄) 화합물은 시스-이염화 비스(트라이페닐포스핀) 팔라듐과 트라이페닐포스핀 그리고 하이드라진(NH₂NH₂)의 반응으로부터 얻는다.

주의사항

팔라듐의 미세한 분말은 자연 발화할 수 있으므로 주의가 필요하다. 또, 팔라듐에 알레르기가 있는 사람은 니켈에도 알레르기가 있는 것이 확인되었는데, 이러한 사람들에게는 니켈이나 팔라듐 합금이 들어간 치과용 합금은 가급적 사용하지 않는다.

참고자료

• 〈팔라듐〉, 《위키백과》
• 〈팔라듐〉, 《화학백과》
• 〈팔라듐〉, 《두산백과》

같이 보기

• 구리
• 니켈
• 수소연료전지
• 촉매

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