작성일 : 13-11-06 01:56
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글쓴이 :
김희진 (211.♡.133.107)
 조회 : 3,161  추천 : 0
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붕소가 들어있는 대표적 화합물은 붕사와 붕산이다. 붕사는 오래 전부터 도자기 유약의 재료로 사용되어 왔으며, 붕산은 눈 세정제로 우리와 친숙하다. 채소를 재배하는 농부들은 가끔 농토에 붕사를 비료로 뿌린다. 그리고 붕소 화합물들은 안전한 원자력 발전과 반도체 제조에도 사용된다. 붕소가 어떤 원소이고, 붕소의 화합물들은 어떤 것들이 있으며, 어떻게 만들어져 어디에 사용되는지 알아 보기로 하자.
원자번호 5번, 붕소
붕소는 원자번호 5번의 원소로 원소기호는 B이다. 주기율표에서 13족(3A족)에 속하는 갈색-검정색 준금속 원소로, 화합물에서의 산화 수는 +3이다. 자연 상태에서는 주로 붕산염과 붕산으로 존재한다. 지구 껍질에서의 존재 비는 약 0.001%로 비교적 흔하지 않은 원소이며, 식물의 필수 영양소이다. 원소 상태의 붕소 중 결정형은 다이아몬드 다음으로 단단하다. 붕소 화합물들은 주로 붕사에서 출발하여 만들어지는데, 이들은 도자기 유약, 내열유리 제조, 살충제, 융제, 세제 첨가제, 반도체의 미량 첨가 불순물 등 아주 다양한 용도로 사용된다. 또한 핵 반응기에서 열중성자 조절제와 방사선 차폐물로, 그리고 강화 유리 섬유, 항공우주 산업의 경량 구조체 등의 제조에도 붕소 화합물들이 사용된다. 붕소의 수소화물은 유기화학에서 사용되는 중요한 환원제이다. 최근에는 붕소의 마그네슘 화합물 MgB2가 39K에서 초전도 전이를 보이는 현상이 발견되었다.
안전한 원자력 발전의 숨은 비밀, 원자번호 5번, 붕소. <출처: gettyimages>
안전한 원자력 발전의 숨은 비밀, 원자번호 5번, 붕소. <출처: gettyimages>
붕소의 원소 정보.
붕소의 원소 정보.
붕소의 발견과 명명
붕소는 주로 증발암 광석인 붕사(硼砂, borax, 화학식 Na2B4O7·10H2O)와 울레사이트(ulexite)에 들어있다. 티베트 서부 사막에서 생산된 붕사는 중국에서 오래 전부터 도자기 유약의 재료로 사용되었다. 붕사는 아랍을 거쳐 유럽에 전해졌으며, 야금할 때 광물을 녹이는 융제로도 사용되었다. 원소 상태의 붕소는 1808년에 영국의 데이비(H. Davy, 1778~1829), 그리고 프랑스의 게이-뤼삭(J. L. Gay-Lussac, 1778~1850)과 테나르(L. J. Thenard, 1777~1857)가 붕사와 황산의 반응을 통해 붕산(H3BO3)을 얻은 후, 이를 포타슘(K)과 반응시켜 얻었다. 그러나 이때 얻은 붕소는 상당히 불순한 것이었다. 1824년에 베르셀리우스(J. J. Berzelius, 1779~1848)는 붕소가 원소라는 것을 확인하였다. 1892년에 프랑스의 무아상(H. Moissan, 1852~1907)은 산화붕소(삼산화붕소 또는 붕산 무수물이라고도 함, B2O3)를 마그네슘(Mg)과 반응시켜 95~98% 순도의 붕소를 얻었으며, 순수한 붕소는 1909년에야 얻어졌다.
붕소의 영문 이름 ‘boron’은 붕사의 아랍어인 ‘buraq’ 또는 페르시아어인 ‘burah’에서 따왔다. 데이비는 붕소를 보라슘(boracium)이라 불렀는데, 뒤에 베르셀리우스가 탄소(carbon)와 성질이 비슷하다는 이유로 ‘boron’이라 명명하였다.
원소 상태의 붕소를 분리한 영국의 데이비(왼쪽), 게이-뤼삭(가운데), 테나르(오른쪽).
원소 상태의 붕소를 분리한 영국의 데이비(왼쪽), 게이-뤼삭(가운데), 테나르(오른쪽).
원자구조와 원소 성질
붕소의 전자배치는 헬륨(He)의 전자배치에 추가로 3개의 전자가 더 높은 에너지 상태에 들어가 있는 것이다. 따라서 붕소 화합물의 형식 산화 수는 +3이다. 붕소의 제 1, 2, 3 이온화 에너지는 13족의 다른 원소들에 비해 상당히 높다. 화학결합에서 전자를 끌어들이는 정도를 나타내는 전기음성도는 수소(H), 실리콘(Si), 저마늄(Ge)과 비슷하며, 탄소(C)보다는 약간 적다.
붕소는 탄소와 비슷하게 공유결합으로 연결된 여러 형태의 안정한 분자망을 만들 수 있다. 중요한 원소 상태의 형태(동소체)로 비결정성붕소와 결정성 붕소가 있다. 이중 결정성 붕소는 모스 경도가 약 9.5로, 다이아몬드 다음으로 단단하다. 붕소는 녹는점이 2,092oC로 비금속 중에서는 탄소 다음으로 높고, 밀도가 낮으며, 전기 전도도가 아주 낮은 단단한 내화물이다. 불꽃은 녹색이다.
비록 붕소가 자연계에서 화합물 상태로만 존재하지만, 결정성 붕소는 화학적으로 비활성이고, 끓는 염산에도 녹지 않는다. 그러나 가루로 만들면 높은 온도에서 진한 과산화수소, 진한 질산, 황산 등과 반응한다. 실온에서는 공기와 반응하지 않으나, 높은 온도에서는 반응하여 산화붕소가 된다. 유황(S)과도 비슷하게 반응하여 B2S3가 되며, 할로겐 원소(X2)와는 할로겐화물(BX3)을 만든다. 이들 반응은 붕소의 결정성, 입자 크기, 순도, 그리고 반응 온도에 따라 달라진다.
자연 상태에서 붕소는 10B(19.9%)와 11B(80.1%)의 두 가지 동위원소로 존재한다. 10종 이상의 다른 붕소 동위원소들이 핵반응으로 만들어졌다.
불순물이 포함된 붕소의 다결정 덩어리.
불순물이 포함된 붕소의 다결정 덩어리.
붕소의 대표적 화합물인 붕사는 오래 전부터 도자기 유약의 재료로 사용되어 왔다.
붕소의 대표적 화합물인 붕사는 오래 전부터 도자기 유약의 재료로 사용되어 왔다.
붕소 화합물
붕소는 산소, 탄소, 질소(N), 유황, 할로겐 등 여러 비금속 원소는 물론, 여러 금속 원소들과 2성분 붕소화물을 만든다. 200 종 이상의 2성분 붕소화물이 만들어졌는데, 화학 구조와 성분비가 아주 다양하다. 또한 붕소-탄소 결합을 갖는 여러 유기붕소 화합물들도 만들어져 사용되고 있는데, 삼페닐붕소[(C6H5)3B]가 한 예이다.
붕소 화합물 중에서 특이한 것으로는 보레인(borane)이라 불리는 붕소-수소화물들이다. 50종이 넘는 중성 보레인(화학 일반식, BnHm: n과 m은 정수)과 이 보다 많은 수의 보레인 음이온(화학 일반식, BnHmx-)들이 알려져 있다. 이들은 대부분 B-B 결합 또는 B-H-B 결합을 갖는 우리 모양의 구조를 하고 있는데, B2H6와 B4H10의 구조를 아래에 나타내었다. 이들 화합물에서는 구성 원소의 산화상태는 큰 의미를 갖지 않는다.
붕소와 붕소 화합물의 생산
원소 상태의 붕소를 얻기는 쉽지 않다. 무아상이 이용한 초기의 방법은 산화붕소를 마그네슘이나 알루미늄 금속과 고온에서 반응시키는 것으로, 마그네슘을 사용한 반응식은 다음과 같다.
B2O3 + 3 Mg → 2 B + 3MgO
이 방법으로 만든 붕소에는 사용한 금속의 산화물이 불순물로 들어간다. 순수한 붕소는 휘발성인 붕소 할로겐화물을 고온에서 수소로 환원시켜 얻으며, 반도체 공업에서 사용되는 초고순도 붕소는 다이보레인(B2H6)을 분해시켜 얻는다. 붕소 화합물들은 주로 붕사나 산화붕소에서 출발하여 만든다. 산화붕소는 붕사를 황산으로 처리하거나 붕산을 탈수시켜 만드는데, 붕사를 원료로 하는 반응은 다음과 같다.
Na2B4O7 + H2SO4 → 2 B2O3 + Na2SO4 + H2O
이 반응은 용융로에서 이루어지는데, 750oC 이상에서 용융된 B2O3(녹는점이 450oC) 액체를 황산소듐(Na2SO4) 고체에서 분리시켜 식히면 산화붕소가 얻어진다. 많이 사용되는 할로겐화 붕소인 BCl3와 BBr3는 산화붕소를 탄소 존재 하에서 할로겐과 반응시켜 얻는다.
B2O3 + 3C + 3 X2 → 3 CO + 2 BX3 (X = Cl, Br)
그리고 BF3는 붕사를 플루오르화 수소와 반응시킨 후 황산으로 처리하여 얻는다.
Na2B4O7 + 12 HF → [Na2O(BF3)4] + 6 H2O
[Na2O(BF3)4] + 2 H2SO4 → 2 NaHSO4 + H2O + 4 BF3
B2H6의 산업적 생산에서는 주로 BF3를 수소화소듐(NaH)으로 환원시키는 방법을 사용한다.
2 BF3 + 6 NaH → B2H6 + 6NaF
붕소는 원자로 냉각에 필수적인 물질로, 핵분열의 감속재로 쓰인다. 2011년 후쿠시마 원전 사태 때 한국 정부가 일본에 붕소를 지원해 주기도 했다.
붕소는 원자로 냉각에 필수적인 물질로, 핵분열의 감속재로 쓰인다. 2011년 후쿠시마 원전 사태 때 한국 정부가 일본에 붕소를 지원해 주기도 했다.
붕소 중성자 포획 치료 요법의 도식. 10B를 포함하는 화합물을 암 조직 부근 근육에 주입해 저용량의 열중성자를 쪼이면 붕소에서 고에너지 알파 입자가 나와 암조직을 파괴한다.
붕소 중성자 포획 치료 요법의 도식. 10B를 포함하는 화합물을 암 조직 부근 근육에 주입해 저용량의 열중성자를 쪼이면 붕소에서 고에너지 알파 입자가 나와 암조직을 파괴한다.
원자력 발전과 붕소 동위원소 10B
10B 동위원소는 열중성자를 아주 잘 포획하는데, 중성자의 에너지에 따라 다르지만, 그 능력은 11B의 대략 100만 배 정도이다. 이 때문에 10B 동위원소 화합물들은 원자력 산업에서 핵반응 조절제, 응급 핵반응 중지제, 그리고 핵연료 재충전을 위한 가동 정지제로 사용된다. 따라서 원자력 산업에서는 20%의 10B과 80%의 11B으로 구성된 자연상태의 동위원소 혼합물을 거의 순수한 10B로 농축시키는 과정이 필요하다. 여러 가지 붕소 동위원소 농축 방법이 개발되었으나, 주로 BF3의 다이메틸에테르 복합체를 분별 증류하거나 붕산염을 관크로마토그래피로 분리하는 방법이 사용된다.
농축된 10B는 방사선을 차단하는데도 사용된다. 또한 암 조직의 중성자 포획 치료 요법으로도 사용되는데, 10B를 포함하는 화합물을 암 조직 부근 근육에 주입해 암 세포 부근에 모이게 한 후 저용량의 열중성자를 쪼이면 붕소에서 고에너지 알파 입자가 나와 암 조직을 파괴한다.
붕소 화합물의 가장 큰 용도 중 하나는 세제로, 붕소 화합물은 표백제의 전구 물질 역할을 한다. <출처: gettyimages>
붕소 화합물의 가장 큰 용도 중 하나는 세제로, 붕소 화합물은 표백제의 전구 물질 역할을 한다. <출처: gettyimages>
붕규산 유리는 열팽창계수가 작기 때문에 열충격에 잘 견디어 실험 기구를 만드는데 사용된다.
붕규산 유리는 열팽창계수가 작기 때문에 열충격에 잘 견디어 실험 기구를 만드는데 사용된다.
붕소의 이용
붕소 화합물들은 앞서 언급된 원자력 산업에 이용되는 것 외에도, 다양한 용도로 사용되고 있다. 여기에 사용되는 붕소화합물로는 붕사(Na2B4O7 및 이의 수화물), 과붕소산염(BO3-의 염), 붕소 산화물, 붕산염, 붕산의 에스테르, 다이보레인을 비롯한 붕소 수소화물, 유기붕소화물, 탄(소)화붕소화물 등이 있다.
붕소 화합물의 가장 큰 용도는 붕사를 세제와 청정 재료, 그리고 화장품들의 첨가물로 사용하는 것이다. 이 경우, 붕소 화합물의 주된 역할은 표백제의 전구 물질이다. 붕사를 가성소다와 과산화수소와 반응시켜 얻은 과붕소산염 소듐(NaBO3)은 많이 사용되는 표백제로, 표백 치약에 들어가기도 한다. 다음으로 큰 용도는 파이렉스와 같은 내열성 경질유리(붕규산유리: borosilicate glass), 유리 섬유, 유리 솜을 만드는 것이다. 붕규산유리는 열팽창계수가 작기 때문에(소다 유리의 약 1/25) 열충격에 잘 견디어 주방용 조리 기구와 실험 기구를 만드는데 쓰인다. 붕소가 들어간 유리 섬유와 솜은 강하면서도 가벼워 항공기 구조체, 고급 스포츠 용품을 만드는데도 사용된다. 붕소 화합물은 또한 법랑을 만드는데도 상당량이 사용되며, 작은 양이지만 합성 제초제와 비료로도 사용된다.
산화붕소와 탄소의 반응에서 만들어지는 탄화붕소(B4C)는 아주 단단하기 때문에, 장갑차, 방탄 조끼, 여러 구조체의 제조, 그리고 방사선 차폐물질의 제조에 사용된다. 또한 탄화붕소와 질소화붕소(BN)는 연마제로 사용되며, 페로붕소(ferroboron: FeB) 합금은 제철 공업에서 강철의 강도를 높이는데 사용된다. 유기붕소 화합물, 보레인, BF3 등은 각종 유기 화학 반응에서 다양한 용도로 사용된다.
붕소는 반도체인 4족 원소보다 1개의 전자가 적기 때문에, P형 반도체를 만드는 미량 불순물로 사용된다. 붕소를 실리콘이나 저마늄 반도체에 첨가하는 여러 방법들이 개발되었다. 최근에는 붕소의 마그네슘 화합물 MgB2가 39K에서 초전도 전이를 보이는 현상이 발견되어 고온 초전도 자석에 응용될 것이 기대된다.
붕산은 항균 및 항바이러스 성질이 있기 때문에 눈 세정제 등의 약품으로 사용되며 수영장의 물을 정화하는데도 이용된다. 그리고 오래 전부터 개미나 바퀴벌레 등에 대한 살충제로 사용되어 왔다.
단단한 탄화붕소를 이용해 만들어진 방탄 조끼.
단단한 탄화붕소를 이용해 만들어진 방탄 조끼.
붕산은 항균 및 항바이러스 성질이 있기 때문에 수영장의 물을 정화하는데도 이용된다. <출처: getyimages>
붕산은 항균 및 항바이러스 성질이 있기 때문에 수영장의 물을 정화하는데도 이용된다. <출처: getyimages>
붕소의 생물학적 역할
붕소는 식물의 필수 영양소 중의 하나이다. 이 원소의 주된 역할은 식물의 세포벽을 단단하게 유지하는 것으로 여겨진다. 그러나 토양에 붕소가 너무 많으면 식물의 성장이 저해되고, 잎이 마르게 된다. 농도가 2.0ppm 보다 높으면 대부분의 식물은 잘 자라지 못하고, 일부는 죽는다.
동물 실험에서 극미량의 붕소가 동물에게도 필요한 것으로 나타났지만, 자연 상태에서 붕소 결핍 증상이 관찰된 경우는 없다. 이는 식물에서 얻은 대부분의 식품에 붕소가 들어있기 때문이다. 따라서 사람이 붕소를 영양소로 별도로 섭취하여야 하는가에 대해서는 논란이 많다.
수치로 보는 붕소
붕소의 표준원자량은 10.81g/mol이다. 물리적 성질은 결정 형태에 따라 다른데, 가장 안정한 β-마름모계는 녹는점이 2092oC이고 끓는점은 3927oC이다. 밀도는 결정형에 따라 다르나, 실온에서 2.35~2.52g/cm3 범위에 있다. 전자배열은 1s22s22p1이며, 대부분의 화합물에서 산화 수는 +3이나, +4, +2, +1인 경우도 있다. 제1, 제2, 제3 이온화 에너지는 각각 800.8, 2427.1, 3659.7kJ/mol이다. 비열은 25oC에서 1.03J·g-1·K-1(0.245cal·g-1·K-1)이다. 지각의 약 0.001%를 차지하며, 상업적 가치가 있는 전세계 붕산염 매장량은 약 1,000만 톤으로 추정되며, 이중 72%가 터키에 있다.
준금속(metalloid)
금속과 비금속의 중간 성질을 갖는 원소들이다. 양쪽성 원소, 반금속으로도 불린다. 주기율표에서 13족 2주기 (붕소)에서 16족 6주기(폴로늄, Po)까지 비스듬하게 위치하고 있는 원소들로, 실리콘(Si), 저마늄(Ge), 비소(As), 안티모니(Sb), 텔루륨(Te)이 이에 속한다.
글 박준우 / 이화여대 명예교수(화학) 서울대학교 화학과를 졸업하고 템플대학교에서 박사학위를 받았다. 오랫동안 이화여대에서 화학을 연구하고 가르쳤다. 저서로 [인간과 사회와 함께한 과학기술 발전의 발자취]와 [아나스타스가 들려주는 녹색화학 이야기] 등이 있고, 역서로 [젊은 과학도에 드리는 조언] 등이 있다.
발행일 2011.09.21
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