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니켈
니켈(nickel)은 주기율표 10족 4주기 철족에 속하는 전이금속원소로, 원소기호 Ni, 원자번호 28, 원자량 58.70g/mol, 녹는점 1455℃, 끓는점 2732℃, 밀도는 8.9 g/㎤이다. 은백색의 강한 광택이 있는 금속이다.
중국에는 약 2,000년 전부터 양은이나 백동(큐프로니켈)에 상당하는 니켈합금이 화폐 등에 이용되었다. 독일에서는 17세기 말부터 홍니켈석이 유리를 녹색으로 착색하는 데 이용되었다. 1751년 스웨덴의 광물학자 A. F. 크론슈테트(1722~65)가 처음으로 홍비니켈석(니콜라이트)에서 새로운 원소를 추출하고 니켈이라 명명했다. 중요한 광석으로 펜틀란다이트(pentlandite) · 규니켈석(garnie-rite) · 침니켈석 · 홍비니켈석 등이 있다. 운석 속에도 존재하며, 지구의 중심부에는 철과 함께 다량으로 존재한다고 추정된다.
니켈은 배터리 양극재의 핵심소재이다. 양극재의 구성에 따라 배터리의 용량과 출력 등 성능이 좌우된다. 일반적으로 니켈(N), 망간(M), 코발트(C), 알루미늄(A) 등을 조합해 만든다. 배터리 업계에서는 최근에 이 양극재에 니켈의 비중을 높이는 작업을 진행하고 있다. 이른바 하이니켈(High-Ni) 배터리다.[1]
개요
주기율표 10족 철족에 속하는 금속원소이다. 결정구조는 면심입방결정, 공간군은 Fm3m이다.
독일어로 쿠페르니켈(Kupfernickel, 악마의 구리)이라고 불리던 니켈 광석인 홍비니켈석은 구리 광석과 매우 유사하게 생겼지만 구리를 추출해 낼 수 없었기 때문에 독일의 광부들에게 골칫거리 취급을 받고 있었다. 분명 구리가 들어 있을 것이라고 믿었던 광부들은 산도깨비 닉(이 원소의 이름의 유래이다)이 저주를 걸어서 구리를 추출해 내지 못하게 하는 것이라고 굳게 믿었다. 그러던 1751년, 스웨덴의 야금학자 크론스테드는 구리를 추출하기 위해 쿠페르니켈의 표면을 덮은 결정에서 얻은 산화물을 환원하는 실험을 행했다. 그러자, 거기서 구리가 아닌 흰 금속이 나왔고, 새로운 원소 니켈이라는 것이 밝혀졌다.
니켈은 단단한 은백색의 연성이 풍부한 금속으로, 철, 코발트와 함께 철족원소라 불린다. 철족원소인 니켈은 전자석에 대면 니켈 자신도 자석이 되는 성질을 나타내는데, 전자석을 떼도 자기가 남는다. 이를 강자성이라 한다. 이와는 반대로 전자석을 떼면 자기가 사라지는 성질은 상자성이라 불린다. 또, 니켈은 온도가 385도가 되면 강자성을 잃는다. 이 온도를 퀴리 온도라고 한다.
니켈은 표면이 산화하며 치밀한 막이 생겨 내부를 보호해서 녹이 잘 슬지 않으므로 철 등의 금속 표면에 도금하거나 합금을 만들어 부식 방지로 사용할 수 있다. 니켈은 부착성이 뛰어나 도금하기 쉽고 철제 부품에서 녹스는 걸 방지할 목적으로 하는 도금은 니켈 도금이 많이 쓰인다. 다만 크롬에 비해서는 광택이나 내구성이 떨어지므로 광택을 유지하고 마모에 견뎌야 하는 용도 예를 들어 반짝이는 금속 장식물이나 총열의 도금 등에는 니켈도금 위에 크롬을 다시 도금하기도 한다.
대부분은 철, 크롬에 합금해 스테인리스강을 만드는 데 쓰이며 그외 각종 다른 합금을 만드는 재료로 널리 쓰인다. 그리고 니켈 합금인 하스텔로이 중 2종과 모넬 중 2종은 60% 농도의 불산(불화수소산)에 견디는 몇 안되는 금속재료이기도 하다. 도금 또한 니켈 생산량의 10% 정도가 쓰이는데, 예를 들어 컴퓨터 부품 중에 하나인 히트싱크가 있는 고가형 공랭식 쿨러는 부식 방지를 위해 니켈 도금된 경우가 많다.
색이 있는 금속(금, 구리 등)에 니켈을 섞으면 색이 없어지는 효과가 있다. 니켈과 구리의 합금(백동)은 금속색 색깔이 아름답고 마모와 부식에 강해 동전재료로 아주 좋다. 한국의 50, 100, 500원화, 일본의 50, 100엔화 등 은색의 동전은 대부분 구리 75%, 니켈 25% 조성이 사용된다. 특히 미국의 5센트 동전은 통칭이 '니켈'이다. 한편 니켈생산량이 압도적으로 많은 캐나다의 5센트 동전 혹은 25센트 동전은 99.9%의 순니켈을 사용한다. 금과의 합금은 화이트 골드라고 한다. 백금과는 다르다.
그 밖의 합금으로 니켈티탄합금(니티놀)이 있다. 이것은 니켈과 티탄의 비율이 1:1인 것으로, 변형시켜도 일정 온도 이상으로 가열하면 원래대로 돌아오는 성질을 가지고 있다. 이 성질을 가진 합금을 형상기억합금이라 한다. 크롬과의 합금인 니크롬선은 저항률이 높기 때문에 열선으로 사용된다.
또한, 수산화니켈은 니켈 카드뮴 배터리나, 니켈 수소 합금 전지의 양극으로도 쓰인다. 스마트폰이나 전기자동차 등에 쓰이는 고성능 3원계 리튬이온 배터리에는 전극 재료로 리튬-코발트-니켈 합금이 쓰인다. 코발트 값이 비싸서 되도록 코발트 사용량을 줄이기 위해 니켈의 사용이 늘어나고 있다. 전기자동차의 리튬이온전지 생산이 늘어나며 니켈의 수요가 크게 늘어나 가격도 오르고 구하기 어려워 지는 등 갈수록 중요성이 커지고 있다.
한편, 금속 알레르기를 일으키기 때문에 귀걸이나 목걸이를 하는 몇몇 사람들의 천적이다. 이런 점을 아는지 모르는지 몇몇 판매자들이 신체에 닿는 물건에 니켈도금을 하여 구매자들이 피해를 보는 사례가 발생하기도 했다. 예를 들어 이런 사례 같은 경우. 노르딕 골드가 이러한 금속 알레르기 때문에 만들어진 것이다.
가격이 제법 비싼 금속인데 대충 구리의 2배 정도이고 주석 보다는 싸서 2/3 정도 이다. 알루미늄의 7-8배 가량. 지구의 핵의 주성분이 철과 니켈이므로 지구 전체로 보면 상당히 풍부한 원소지만 대부분 지구의 핵에 모여있어서 (내핵의 무게비로 니켈이 5.8%) 지구 지각에서는 지각구성비로는 구리나 아연 과 비슷한 정도로 귀한 금속이다. 구리와 함께 니켈을 함유한 광상은 꽤 있지만 함량이 낮고 채산성이 있는 광산은 캐나다, 러시아, 인도네시아, 짐바브웨, 오스트레일리아 등에 집중되어 있어 그리 흔하지 않다.
운석 중에 일부 금속성 철질운석, 운철은 주성분이 지구의 핵과 마찬가지로 철과 니켈로 되었다. 철-니켈 합금은 자연적으로는 지표면에서 발견되지 않으므로 우주에서 떨어진 운석임을 알 수 있다. 인류가 철의 제련법을 발명하기 전 청동기에는 금속철괴를 얻을 수 있는 유일한 소스여서 고대의 철검유물은 운철을 가공해 만든 것이고 왕이나 가질만한 귀중한 유물이다.
니켈의 인공방사성동위원소 중에는 반감기가 100년인 니켈 63은 베타붕괴만하고 수명과 에너지가 적당해서 원자력 전지의 연료로 쓰이는 경우가 있다.
니켈은 유기물에 수소를 첨가하는 촉매로도 쓰이는데 식물성 식용유에 수소를 첨가해 버터의 대용품인 마아가린이나 고체유지인 쇼트닝을 만든다든가 비누나 양초의 원료가 되는 경화유로 만들거나 석유를 분해해 탄화수소 가스화한다거나 고온 연료전지 등에서 쓰이고 있다.
동위원소
자연계에서 존재하는 니켈 동위원소로는 ⁵⁸Ni, ⁶⁰Ni, ⁶¹Ni, ⁶²Ni, ⁶⁴Ni가 존재한다. ⁵⁸Ni은 니켈 동위원소 중에서 68.077%로 자연계에서 가장 많이 차지하는 동위원소이다. 대부분의 ⁵⁸Ni은 30P에서 시작된 헬륨 융합 과정을 통해 생성된다. 30P의 헬륨 과정은 ⁵⁴Co에서 멈추는데 이 다음 산물인 ⁵⁸Cu을 형성하려면 에너지를 방출하여 순탄하게 일어나지만 이미 항성의 핵이 응축되기 시작하므로 그리 많은 양이 형성되지 않는다. 하지만 항성의 중심핵이 응축하고 시간적 여유가 없지만 이러한 이유 때문에 ⁵⁸Ni이 니켈 동위원소들 중 가장 풍부하게 존재하는 것이며, 니켈이 철보다 10배 이상 희귀한 이유가 된다.
⁶⁰Ni은 니켈 동위원소 중 26.233%로 풍부하게 존재한다. ⁶⁰Ni은 ⁶⁰Fe가 베타 붕괴로 인해 생성되므로 초신성 폭발의 R-과정을 통해 생성한다.
⁶²Ni는 니켈 동위원소 중 3.634%를 차지하며 항성의 핵융합으로 인해 생성되기도 하며 초신성 폭발을 통해서도 생성한다. 왜냐하면 ⁶²Ni는 모든 원소들 중 핵자간 결합 에너지가 가장 높으므로 가장 안정적 동위원소이기 때문이다. ( ⁶²Ni의 결합 에너지는 8.794549 MeV, ⁵⁸Fe의 결합에너지는 8.792221 MeV, ⁵⁶Fe의 결합에너지는 8.790323 MeV )
따라서 ⁶²Ni가 항성의 핵융합으로 인해 생성되는 최종 동위원소이다. 그럼에도 불구하고 6⁶²Ni는 철보다 희귀하며 니켈 동위원소들 중에서도 희귀하다. 이유는 30P의 헬륨 과정은 ⁵⁴Co를 형성할 때에 항성의 중심핵은 응축하기 시작한다. 그 다음 산물인 ⁵⁸Cu는 에너지를 방출하므로 순탄하게 일어나지만 이미 항성의 중심핵이 응축하기 시작하여 시간이 많지 않으므로 ⁵⁸Ni은 많은 양이 형성되지 않는다. 그 다음 산물인 ⁶²Ga은 ⁵⁸Cu보다 결합 에너지가 낮기 때문에 에너지를 흡수해야 생성되며, 58Cu에 비해 형성될 시간적 여유가 더욱 더 없으므로 미량 생성된다. 형성된 ⁶²Ga은 어마어마한 에너지를 내뿜는데 3번의 B+ 붕괴를 통해 총 14.75 MeV의 엄청난 에너지를 내뿜고 ⁶²Ni로 붕괴한다. 따라서 ⁶²Ni는 항성의 핵융합을 통해서도 생성되지만 상당비율이 초신성 폭발을 통해서 생성된다.
⁶¹Ni과 ⁶⁴Ni는 초신성 폭발의 R-과정을 통해 생성된다.
주요 성질
니켈은 은백색의 강한 광택이 있는 금속이다. 철족 원소로 단단하며 가단성과 연성이 있다. 황 화합물인 침상니켈석이나 비소 화합물인 홍비니켈석, 황/비소 화합물인 황비니켈석 광물에서 산출된다.
공기 중에서 변하지 않고, 산화 반응을 일으키지 않아 도금이나 합금 등을 통해 동전의 재료로 사용된다. 자성을 띠며 코발트와 함께 산출된다.
니켈은 강자성을 띠는 다섯 원소 중 하나이다.
일반적인 산화 상태는 +2로, 0, +1, +3 상태도 관찰된다.
니켈-62은 존재하는 원소 중 가장 안정성이 뛰어난 핵종으로, 그 다음은 철-58이다.
지구에서의 존재
니켈은 지구의 외핵과 내핵의 성분 중 하나이다. 지각에는 84ppm이 존재하지만 지구 자체에는 1.83%가 존재하는데 지구 내핵의 5.8%가 니켈로 이루어져 있다.
각주
- ↑ 김벼리 기자, 〈전기차 배터리 열풍에…핵심 소재 니켈 몸값↑〉, 《이투데이》, 2020-10-25
참고자료
- 〈니켈(nickel)〉, 《사이언스올》
- 〈니켈〉, 《나무위키》
- 〈니켈〉, 《위키백과》
- 이종민 수석연구원, 〈무한한 가치의 금속, 니켈(Nickel)〉, 《포스코경영연구원》, 2014-07-21
- 김벼리 기자, 〈전기차 배터리 열풍에…핵심 소재 니켈 몸값↑〉, 《이투데이》, 2020-10-25
같이 보기
