지르코늄 Zirconium

[智月常現]

지르코늄 Zirconium

지르코늄의 생물학적 역할은 알려진 것이 없다.
사람의 몸에는 대략 1mg의 지르코늄이 들어 있으며, 매일 약 0.05mg을 섭취한다.

대부분의 육상 식물에서는 지르코늄이
발견되지 않으나, 수상 식물은 물에 녹아있는 지르코늄을 흡수하여 포함하고 있다.

지르코늄과 이의 화합물은 거의 독성이 없는 것으로 알려져 있다. 그러나 지르코늄 먼지는 공기 중에서
불이 붙을 수 있으므로 주의가 필요하다.

덩굴옻나무 해독제로 사용되었던
탄산 지르코늄과 지르코늄이 들어있는 탈취제가
피부 발진을 유발하는 것이 관찰되었다.

원자로와 유사 다이아몬드에 쓰이는 금속

요약원자번호 40번 원소인 지르코늄은 널리 알려진 유사 다이아몬드인 큐빅 지르코니아의 구성 원소이다. 큐빅 지르코니아는 보통 큐빅이라고도 부르는데, 화학적으로는 지르코니아로도 불리는 이산화 지르코늄이다. 지르코니아는 세라믹 칼과
인공 치아를 만드는 데도 쓰인다. 

또한 지르코늄 광석의 일종인
지르콘(규산 지르코늄)은 예부터 중동 지역에서 보석으로 귀중하게 사용되어 왔으며,

지르코늄이란 원소 이름도 금빛 보석인 지르콘의 페르시아 이름에서 나왔다. 지르코늄은 지각에서 19번째로 풍부한 원소로, 구리나 납보다도
훨씬 많이 존재한다.

지르코늄은 천연 금속 중에서는 중성자를 흡수하는 정도가 가장 낮아 원자로의 구조물 재료로 주로 사용된다. 또한 지르코늄 합금은
내열성과 내부식성이 매우 뛰어나
각종 산업에서 중요하게 사용된다. 

지르코니아와 지르콘은 내화물과
고강도 정밀 세라믹 제품으로 널리 사용되고 있는데, 앞으로 더욱 많은 분야에서 중요하게 사용될 것으로 여겨진다. 지르코늄과 이의 화합물들에 대해 보다 자세히 알아보자.


원자로와 유사 다이아몬드를 만드는 데 쓰이는 원자번호 40번, 지르코늄.

우주 항공 부품, 유사 다이아몬드, 세라믹 칼,
인공 치아 등.

은 원자번호 40번의 원소로, 원소기호는 Zr이다. 주기율표에서는 타이타늄(Ti), 하프늄(Hf)과 함께 타이타늄족이라 부르는 4족(4B족)에 속하는
은회색 전이금속이다.
무정형 상태는 흑색 분말이다.

금속 자체는 반응성이 비교적 크나,
공기 중에서 조밀하고 표면에 잘 부착되는
이산화 지르코늄(ZrO2)
보호피막이 만들어지므로 내부식성이 우수하다. 

그러나 분말이나 작은 조각은 불이 붙을 수 있다.
산, 알칼리, 기타 여러 화학 물질에 의해
잘 부식되지 않는다.

산화제가 있으면 ZrO2 보호피막이 형성되어
반응성이 더욱 낮아지나,
플루오르화 수소산(HF)이나
플루오린화(F-)염의 존재 하에서는 플루오로 착화합물을 만들어 녹을 수 있다.


지르콘은 화강암에 주로 들어있으며,
이의 침식으로 생성된 자갈과 모래에
보통 규사(silica, SiO2), 
금홍석(rutile: TiO2), 
타이타늄철석(ilmenite: FeTiO3)과 함께 섞여 있다.

지르코늄은 주로 지르콘에서 생산되는데,
호주와 남아프리카 공화국이 지르콘의
약 80%를 공급한다.

타이타늄을 발견한 클라프로트
(Martin H. Klaproth, 1743~1817)가 지르코늄을 1789년에 산화물로 처음 발견하였으며,

금속은1824년에 베르셀리우스(Jons Jakob Berzelius, 1779~1848)에 의해 처음 분리되었다. 1925년에 상업적인 생산 방법이 처음 개발되었으며, 1945년에 보다 값싸게 생산하는 방법이 나온 이후 대량으로 생산되어 여러 용도로 사용되고 있다.

지르코늄은 천연 금속 중에서는 중성자를 흡수하는 정도가 가장 낮아서, 1940년대부터 원자로에 쓰이는 핵연료의 피복재와 구조물 재료로 사용되어 왔다.

또한 다른 금속과의 합금은 내열성과 내부식성이
매우 좋아 화학, 항공 우주, 의료, 여러 소비재 산업에 폭넓게 중요하게 사용된다.

그러나 대부분의 지르코늄은 화합물 형태로 생산되어 사용된다. 지르콘은 보석으로, 또 열을 잘 전달하지 않아 내화물과 금속 주물을 만드는
주형(mold) 등에 사용된다.

이산화 지르코늄(ZrO2)인 지르코니아는
굴절률이 높아 유사 다이아몬드
(큐빅 또는 큐빅 지르코니아)로 널리 사용된다. 

또 실험실용 도가니, 야금로, 세라믹 칼과
인공 치아를 만드는 데도 사용되며,
다른 재료의 표면에 내열성 내부식성
세라믹 피막을 입히는 데도 사용된다.

지르콘과 지르코니아는
연마제와 도자기를 희게 보이게 하는 불투명화제(유백제)로도 중요하게 사용된다.

지르코늄의 생물학적 역할은 알려진 것이 거의 없다. 지르코늄과 이의 화합물들은 거의 독성이 없다고 여겨지나, 지르코늄이 들어있는 일부 탈취제와 덩굴옻나무 해독 로션이 피부 발진을 일으킨다는 보고가 있다.

지르코늄의 발견과 역사

지르콘(규산 지르코늄, ZrSiO4)과 이의 변종인 풍신자석 (風信子石, jacinth),
히아신스석(hyacinth), 자곤(jargoon),
리규르(ligure) 광석은 예부터 잘 알려왔으며,

이들은 유태교 승려복의 장식용 보석으로 사용되었고 성경에도 언급되어있다.

1789년 독일 화학자 클라프로트는 지금의 스리랑카에서 채취한 자곤 광석에서 새로운 산화물을 발견하고 이를 페르시아어로
금빛을 뜻하는 ‘zargun’을 따서
지르코니아(zirconia, Zirkonerde)라 불렀다.

원소 이름 지르코늄(zirconium)은 ‘zirconia’에
금속 원소의 접미어 ‘ium’을 붙여져 만들어졌다.

1789년 독일 화학자 클라프로트는 지금의 스리랑카에서 채취한 자곤 광석에서
새로운 산화물을 발견하고 이를 페르시아어로 금빛을 뜻하는 ‘zargun’을 따
지르코니아(zirconia, Zirkonerde)라 불렀다.

1824년 스웨덴의 베르셀리우스는 철관에서 포타슘과 플루오르화 포타슘 지르코늄의 혼합물을 가열하여 금속 지르코늄을 처음으로 분리하였다

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