│ 금보다 비싼 금속은 무엇일까요?
노랗고 반짝반짝 빛나는 금!
귀걸이나, 목걸이처럼 장신구에 쓰이고 있는 금은 지구에 많은 양이 존재 하지 않는 반면 사용하는 곳이 많아서 그 가격은 아주 비싼데요. 지난 5월에는 미국 경제지에서 선정한 ‘세상에서 가장 비싼 물질’ 15위에 오르는 영광을 얻기도 했습니다.
그런데 이러한 금보다 비싼 금속이 있다면 믿으시겠어요?
금보다 비싼 대표적인 금속이 백금과 로듐이 있습니다. 백금은 1g에 60달러로 우리 돈으로 환산하면 6만 7000원 정도입니다. 백금의 경우 귀금속에 사용되기도 하지만, 자동차 내부에 사용되기도 하기 때문에 환경에 악영향을 미치는 배기가스를 제거하는데 도움이 되고 있습니다. 로듐도 1g에 58달러로 금보다 비싼 금속으로 알려져 있는데요. 자동차에 쓰이는 촉매로 많이 사용되고 있습니다.
백금과 로듐과는 달리 금보다는 싸지만, 금만큼 얻기 힘든 희소금속들이 우리 생활에 곳곳에서 사용되고 있습니다. 특히 뉴스에 자주 나오는 희토류는 국가간의 문제를 일으킬 정도 희귀하답니다. 화학적 성질이 비슷한 17종의 원소를 일컫는 희토류는 희소할 뿐만 아니라 사용되는 곳이 많아서 점차 중요성이 높아지고 있습니다.
오늘은 이렇게 희소한 금속들 중 특별하게 주목을 받고 있는 리튬과 백금 그리고 잘 들어보지 못한 인듐과 네오디뮴, 디스프로슘에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
│ 배터리에는 꼭 필요한 리튬
리튬은 이제는 생활에 꼭 필요하게 된 핸드폰 배터리에 사용되는 원소 중 하나랍니다.
다른 원소에 비해 아주 뛰어난 전지를 만들 수 있어서 주목을 받고 있어요. 전지는 음극에서 발생시킨 전자를 외부의 회로에 내보내고, 외부의 회로에서 오는 전자를 양극에서 받는 과정을 거치면서 전기를 발생하게 되는데요. 리튬이온전지의 경우 리튬이 음극에서 전자를 내놓고 양극으로 이동하게 되어서 양극에서 전자를 받습니다.
반대로 충전 시에는 리튬이 양극에서 전자를 내놓고 음극에서 전자를 받는 과정을 거칩니다. 한화케미칼에서도 많은 연구를 하고 있는 리튬이온전지는 리튬이 가지고 있는 특성 때문에 다른 원소를 사용한 전지에 비해서 뛰어난 성능을 보여주고 있습니다.
원소들은 전자를 내놓고 양이온이 될수 있는데요, 리튬은 모든 원소들 가운데서 가장 양이온이 되기 쉬워서 리튬을 이용한 전지는 한꺼번에 많은 전자를 내놓게 됩니다. 이 때문에 많은 전류가 흐를 수 있습니다. 또 가벼운 원소이기도 해서 작고 가벼운 전지를 만들 수 있는데요. 그래서 미래형 자동차인 전기 자동차에 리튬을 이용한 전지가 사용되고 있습니다.
이렇게 중요한 리튬은 광석이나 염분 농도가 높은 호수에서 채취하고 있답니다.
다른 희소 금속에 비해 리튬은 그 양이 풍부하기에 쉽게 고갈될 염려는 없지만, 채취하는 회사가 전 세계에서 3군데로 알려져 있어 가격이 급상승할 우려가 있기에 희소금속으로 분류하고 있답니다
│ 환경오염 물질을 제거해주는 백금
‘부릉부릉’
아침에 길거리에 나오면 자동차들이 내뿜는 매연 때문에 인상을 찌푸리게 되는데요. 매연 속에는 호흡에 문제를 일으키는 일산화탄소, 산성비와 스모그의 원인인 질소 산화물, 그리고 기타 인체에 유해한 성분들이 포함되어 있습니다.
이러한 유해성분들이 공기 중으로 바로 배출되면 많은 문제를 일으키기 때문에 이를 최소화 하기 위해서 배출 가스 정화장치를 차량마다 장착하고 있습니다. 이 장치 안에는 약 1g정도의 백금이 들어있어서 유해한 성분들을 무해한 질소나, 물, 이산화탄소와 같은 물질로 바꿔주는 촉매 역할을 하고 있습니다.
그런데 백금은 어떻게 촉매의 역할을 할 수 있는 걸까요?
백금은 수소나, 산소와 같은 원소에 비해 아주 많은 양의 전자를 가지고 있습니다. 78개나 되는 전자를 가지고 있는데요, 이렇게 많은 전자를 가지고도 욕심이 어마어마 해서 전자를 더 갖기를 원합니다. 그래서 다른 분자로부터 전자를 빼앗기 위해서 자기 쪽으로 끌어 들이죠. 이 과정에서 유해한 성분들은 백금 표면에 골고루 퍼지게 되고, 분자가 아닌 원소에 가까운 상태가 되어서 쉽게 무해한 성분으로 바뀌게 됩니다.
환경에 무해한 배기가스를 만들어 주는 백금은 지구 상에 그 양이 아주 소량입니다. 지각 1톤당 0.001g만 존재하고 이를 채취하는 국가도 러시아와 남아프리카가 거의 독점을 하고 있어서 가격이 비쌉니다. 그런데도 불구하고 수소에너지를 전지에너지로 바꿔주는 연료전지에도 백금이 촉매로 사용되고 있기 때문에 앞으로 지속적으로 사용량이 늘어날 예정이어서 희소금속 중에서도 아주 희소 하다고 평가 받고 있습니다.
│ 투명한데 전기를 흐르게 하는 인듐
금속이 불투명하지만 반짝반짝 빛이 나는 이유를 아시나요?
철이나 구리, 금과 같이 금속을 이루는 원소들은 전자들이 자유롭게 움직일 수 있게 해주어서 전기를 잘 통하게 만드는 성질이 있는데요. 이러한 전자들에 빛이 닿으면 반사되어서 금속에 광택이 일어나게 됩합니다. 그래서 투명한 금속은 없는 것 입니다.
그렇지만 투명한 금속은 없어도 투명하면서도 전기를 통하게 해주는 물질은 있습니다. 바로 ITO인데요, ITO는 산화인듐(In2O3)에 산화주석(SnO2)을 섞어서 만든 재료로 투명하면서도 전기가 통해서 우리가 잘아는 LCD에 재료로 많이 사용되고 있습니다.
일반적으로 금속과 산소가 결합해 만든 산화금속 중에는 투명한 재료는 많이 알려져 있지만, 산소가 전자의 자유로운 이동을 방해해서 금속과 같이 전기를 통하게 하는 성질은 없는 것이 대부분입니다. 산화인듐도 이 때문에 투명하지만 전기가 안 통하는 물질인데요. 여기에 주석을 섞어주면 산소에 의해 움직이지 못했던 전자들에게 주석이 다리 역할을 해주어서 전자들이 활발하게 움직일 수 있게 해줍니다. 이에 따라서 전자들이 슝슝 움직이면서 전기가 통하는 것입니다.
이렇게 인듐은 투명한 전극을 만드는 데에 꼭 필요한 원소이지만 그 양은 지각 1톤당 0.05g밖에 존재하지 않는다고 합니다. 게다가 인듐만 들어있는 광석은 존재하지 않고 주석이나 납의 광석에 극히 소량 포함되어서 생산하기도 어려운 것이 사실입니다.
그렇지만 LCD를 만드는 데에 꼭 필요해서 중요성은 높기 때문에 다른 투명전극 재료를 찾기 위해 연구 중에 있습니다.
│ 이름부터 어려운 네오디뮴과 디스프로슘
끝말잇기를 할 때 나트륨과 같은 화학원소가 나오면 패배를 실감하게 되는데요. 여기 차세대 끝말잇기 종결자가 있으니 바로 네오디뮴과 디스프로슘입니다. 발음도 어렵고 생소한 이 두 원소는 어디에 사용되고 있을까요?
자동차와 컴퓨터, 가전제품이 공통적으로 가지고 있는 장치가 있으니 바로 모터입니다. 모터가 작동하는 원리는 모터 내부에 있는 영구자석에 전기를 흘려서 회전하게 되는데요. 이러한 모터의 힘은 자석의 세기에 따라 달라지기 때문에 강력한 모터를 만들기 위해서는 강한 자석이 필요하답니다. 네오디뮴과 디스프로슘은 강력한 자석을 만드는 곳에 사용되고 있습니다.
자석의 세기는 N극과 S극의 방향이 얼마만큼 일정하냐에 따라 달라집니다. 네오디뮴은 자석에서 N극과 S극을 일정한 방향으로 만들어주는 역할을 하고 있습니다. 철은 둥근 모양으로 방향이 반대로 바뀌기 쉽지만 네오디뮴은 그렇지 않아서 방향이 쉽게 바뀌지 않습니다. 게다가 디스프로슘은 네오디뮴보다 더 방향이 바뀌기 어렵기 때문에 자석의 N극과 S극이 바뀌는 것을 어렵게 만들어서 자석이 강력해 지는 것을 도와주고 있답니다. 그래서 강력한 자석을 만들 때에는 네오디뮴과 디스프로슘이 꼭 필요한 것입니다.
이러한 두 원소는 지각 1톤에 약 0.3g정도 포함되어 있어서 역시 희소하답니다. 게다가 중국에서 생산되는 것이 전세계의 97%를 차지하고 있어서 돌연 생산을 중단하면 가격이 급상승할 수 도 있습니다. 최근에 일본과 중국의 마찰이 일어났을 때도 중국의 희토류 수출을 이용해 문제를 해결한 것도 이와 같이 생산지가 한 곳에 집중되어 있어서 인데요. 이를 해결하기 위해 대체 물질 연구가 계속되고 있습니다.
지금까지 생활 곳곳에 사용되고 있는 희토류와 희소금속에 대해서 알아보았습니다. 언급된 것 이외에도 팔라듐, 루테늄, 이리듐, 세륨등 많은 원소들이 있습니다. 현재 가장 중요한 것은 이들을 적게 혹은 사용하지 않고 대체하는 기술을 만드는 것이 중요한데요, 빨리 많은 연구가 이루어져서 좀 더 싼 물질들이 나왔으면 하네요.
참고문헌: Newton 2011년 3월호 ‘최첨단 산업의 필수 비타민, 희소금속 희토류원소’
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