금속
금속은 회백색 광택(구리는 빨간색이고 금은 노란색이다)을 가진 결정고체(수은은 액체)이며 전기 및 열을 잘 전달하며, 전성 및 연성을 가지고 있으므로 얇은 판이나 가는 실을 만들 수 있다(알루미늄 포일, 구리 선 등). 금속의 결정에서는 각 원자의 최외각전자가 자유롭게 움직일 수 있는 상태이며, 이 최외각전자를 제 외한 나머지 원자는 규칙적으로 배열되어 있다. 이 자유로이 움직이는 전자를 자유전자라고 하며, 음전하를 띠고 있으므로 외부로부터 전압을 걸어 주면 일정 방향으로 이동할 뿐 아니라, 금속의 양끝에 온도 차이가 생 기면 전자는 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 열을 전달한다. 따라서 금속은 전기와 열을 잘 전달한다. 그러 나 이러한 자유전자는 규칙적으로 배열된 원자 사이를 움직이게 되므로, 온도가 높아져서 원자의 열진동이 심할수록 자유전자의 흐름은 방해를 받게 된다. 그러므로 금속의 전기저항은 온도가 높을수록 증가하게 된 다.
금속의 결정은 주로 면심입방(body centered cubic), 체심입방(face centered cubic), 및 최밀 육방(hexagonal closest packed)으로 되어 있다. 면심입방에는 금, 은, 구리. 납, 알루미늄 등이 속하며 전성 및 연성이 뛰어나다. 특히 금은 1g를 약 3,000m의 금실로 뽑을 수 있고, 두께 100만분의 1cm인 얇은 박으로 펼 수도 있다. 철은 상온에서는 체심입방이지만 온도를 높여 900∼1,400℃가 되면 면심입방 으로 변하고, 1,400℃에서 다시 다른 형태의 체심입방으로 변하여 액체가 될 때까지 이 형태로 머물게 된 다. 이와 같이 금속이 온도에 따라 결정형태를 바꾸는 것을 전이라 한다. 또한 체심입방에는 텅스텐, 몰리브 덴, 니켈, 탄탈륨, 바나듐 등도 속하지만, 전이가 일어나지 않는다. 체심입방인 금속에는 탄소, 수소, 질소, 산소와 같은 작은 원소가 그 결정 속의 틈새에 잘 들어가서 틈새 형 합금을 만들며 합금에서 전성 및 연성은 크게 떨어지므로 이런 현상이 일어나지 않도록 진공 속에서 녹이거나 가열해야 한다. 최밀 육방에 아연, 카드 뮴, 마그네슘, 티타늄, 지르코늄, 베릴륨 등이 속한다. 이 중에서 티타늄, 지르코늄, 베릴륨은 특정온도 이상 에서 체심입방으로 변한다. 최밀 육방의 전성 및 연성에 관해서는 크게 2개의 형태로 나눌 수 있다. 즉, 티타 늄, 지르코늄은 면심입방과 비슷하지만, 아연, 카드뮴, 마그네슘, 베릴륨은 그 전성 및 연성이 저온에서는 작 으나 어떤 온도 이상에서는 증가하게 된다.
금속에 다른 원소가 혼합되어 있는 물질을 합금이라 하며 혼합된 원소의 상대적 크기에 따라 치환 형과 틈새 형으로 구분한다. 치환 형은 원소들의 크기가 비슷한 경우에 만들어 진다. 치환 형 합금의 예를 들면 구 리와 아연의 합금. 금과 은의 합금 등이 있다. 금속 철의 틈새에 작은 탄소가 들어가 있는 강철, 연철, 선철 등 은 틈새 형 합금이다. 합금을 만들면 강도, 녹는점. 내부 구조 및 성질 등이 변할 수도 있다. 강철의 탄소함량 을 조절하면 성질을 크게 변화시킬 수 있다. 고 탄소강은 단단하고 강하며 저 탄소강은 연성과 전성이 있다.
철에 텅스텐을 가하면 고온 강도가 높아지며 크롬과 니켈을 혼합하면 내부 구조 및 성질이 향상된 스테인리 스강이 된다. 구리에 주석, 아연이 혼합된 황동, 청동 등도 많이 사용되고 있다.
광석은 주로 산화물이나 황화물, 탄산염 등으로 존재한다. 금과 백금은 원소 상태로 존재하기도 한다.
광석을 채굴하여 선광하면 금속화합물들을 얻을 수 있다. 이 금속화합물을 탄소 , 수소 등의 환원제와 함께 가열하여 순수한 금속을 만든다(철, 구리, 텅스텐 등). 텅스텐광석은 CaWO4가 함유된 실라이트인데 이것 을 부유선광법으로 처리하면 순도가
60～70% 정도인 CaWO4가 얻어지며 진환황산과 함께 고온에서 반응시키면 WO3이 만들어진다. 그 다음
단계에서 수소로 환원하여 순수한 금속 텅스텐을 얻는다. 나트륨이나, 알루미늄 등의 반응성이 큰 금속들은 용융된 광석을 전기분해하여 얻는다.
구리
주기율표 11족의 구리족 원소에 속하는 금속. 원소기호 Cu 원자번호 29 원자량 63.546 녹는점 1084.5℃ 끓는점 2595℃ 비중 8.92(20℃) 동이라고도 하며, 금, 은 등과 함께 메달, 화폐를 만드는 데 쓰인다.
적색 광택을 가진 금속으로, 전성(얇게 펴지는 성질), 연성(가늘고 길게 늘어나는 성질)이 뛰어나 비교 적 가공하기가 쉽고 적당한 강도도 가지고 있다. 열 및 전기전도율은 은 다음으로 금속 중에서 두 번째로 커 서 전선이나 열선의 주재료로 쓰인다. 산화력이 없는 산에는 녹지 않으나 산화력이 강한 가열된 진한 황산이 나 질산에는 녹는다.
그 자체로도 널리 이용되지만 아연을 첨가한 황동, 주석을 첨가한 청동, 주석과 알루미늄을 첨가한 알 루미늄청동 등 합금으로도 많이 쓰인다. 특히 구리선은 전선에 많이 쓰이고 구리판은 구리의 우수한 열전도 성과 내식성을 이용하여 냄비와 일반 용기를 만드는 데도 사용되며, 청동은 동전을 만들 때 사용된다.
구리는 자연적으로도 산출되고 광석에서 추출하는 방법도 비교적 간단한 편이어서 여러 금속 중 가장 먼저 이용되었다. 이것은 고대 유적에서 구리가 발굴되고 석기시대 다음으로 청동기시대를 이룬 것에서 알 수 있다. 중세에는 전쟁에 필요한 무기 등을 제작하는 데 이용하였고 산업혁명 시기에는 각종 기계의 발달로 기계용 재료로 널리 사용되었다. 그리고 19세기 말 전기가 산업적으로 이용되면서 주로 전선을 비롯한 전기 재료로 쓰였고 20세기에 들어와서 채광, 제련, 가공기술이 발달함에 따라 산업계에서 더욱 중요한 위치를 차지하고 있다.
구리는 천연으로는 드물게 단체(자연구리)로서 산출되기도 한다. 예를 들어 경상북도 영양 지구의 현 무암 구멍 속에 자연구리가 채워져 있다. 하지만 대부분 산화물, 황화물 또는 탄산염으로 산출되며 이것을 제 련하여 사용한다. 우리나라에서는 황동석이 주요광물로 산출되며 경상남도 마산, 고성, 함안 지역이 구리광 지대로 알려져 있다.
철
주기율표 제8족 원소에 속하는 철족원소이며 원소기호 Fe 원자번호 26 원자량 55.847 녹는점 1535℃ 끓는점 2750℃ 비중 7.86(20℃)이다. 오랜 옛날부터 알려져 있는 원소로, 이집트, 아시리아 등 의 유적 등에서도 발견되고 있다. 주철의 제조는 16세기경에 시작되었고, 순철의 제조는 근대에 와서 시작 되었으며, 전해철(은 20세기에 들어와서 실용화되었다. 원자기호의 Fe는 라틴어 'ferrum'에서 온 것인데, 명칭의 유래는 알 수 없다. 영어의 'iron'은 광석을 뜻하는 라틴어 'aes'로부터, 독일어의 'Eisen'은 철의 광 택이 얼음과 유사하여 얼음 뜻하는 'Eis'에서 유래된 것이라 알려져 있으나 명확하지 않다.
철기로 무기를 만드는 기술은 소아시아에 존재하였던 히타이트제국에서 처음으로 개발되었다고 하는 데 이 기술은 요즈음의 원자폭탄 제조 기술에 비교할 수 있는 정도의 힘을 가졌으며 극비로 취급되어 절대 외 국에 유출되게 하지 않도록 엄중히 다루어졌다고한다. 그러나 역시 철제 무기를 가지고 침입해 온 바다의 민 족에 의하여 히타이트제국이 무너진 후 오리엔트 지방에 철제 무기를 만드는 기술이 보급되었고 이 기술을 적절히 이용한 아시리아가 최강국이 되는 주 원동력이 되었다.
금속원소로는 알루미늄 다음으로 다량으로 존재한다. 클라크수는 제4위, 유리금속의 상태로 산출되
는 일은 극히 드물며 운석이나 지구 내부에는 다량으로 존재한다고 알려져 있다. 주요 광석으로는 적철석, 자 철석, 갈철석, 황철석, 능철석 등이 있다.
순수한 철은 백색의 광택을 가진 금속이다. 전성·연성이 풍부하고, 굳기는 4.5, α,β,γ,δ의 동소체가 존재한다. α철은 상온에서 안정하며, 강자성이지만 769℃ 이상에서는 상자성이 되는데 예부터 이것을 β 철이라 부르고 있다. 또한 906℃에서 전이점이 있고 이온도에서 1,401℃까지를 γ철, 1,401℃의 전이점 이상을 δ철이라 한다. 결정격자는 α 및 δ철은 체심입방격자, β철은 면심입방격자이다. 상온에서는 공기 중에서 변화하지 않지만 습기가 있으면 녹이 슨다. 산소 중에서 가열하면 타며, 뜨거울 때에 수증기와 반응해 서 모두 산화철 Fe3O4로 된다. 탄소 및 규소와는 화합하며, 탄소는 강철의 성질을 좌우하기 때문에 매우 중 요하다. 또한 규소철도 여러 가지 용도를 가지고 있다. 묽은 무기산에는 수소를 발생하면서 녹지만, 진한 질 산에는 부동태를 만들며 녹지 않는다.
용광로에서 철광석과 석회석과 코크스를 가하여 가열하면 선철이 만들어 진다. 이와 같이 얻은 선철 을 평로, 전로, 아크로 등으로 적당히 조작하여 연철, 강철 등으로 만든다. 철은 여러 가지 용도에 사용되는 금곡이며 합금을 만들면 특수한 용도에 사용된다.(니켈, 크롬, 철의 합금인 스테인리스강과 텅스텐과 철의 합금인 고속도강 등)
알루미늄
주기율표 3B족에 속하는 금속원소로, 은백색의 가볍고 무른 금속이다. 원소기호 Al원자번호 13 원자 량 26.9815 녹는점 660.4℃ 끓는점 2467℃ 비중 2.70(20℃) 알루미늄은 지구의 지각을 구성하는 주 요원소로써 8%를 차지할 정도로 매우 광범위하게 분포되어 있으며 그 매장량은 철에 이어 두 번째로 많다고 알려져 있다.
알루미늄의 가벼운 특성을 이용해 항공기, 선박, 차량의 주요재료로 사용되고 전기의 양도체인 점을 이용하여 송전선을 만든다. 또 산화물이 치밀하여 내부를 보호하므로 식품공업이나 식기류 등을 만들기도 하 며 그밖에도 페인트, 건축재료 및 원자재 등의 용도로 사용하기도 한다. 또한 잘 늘어나는 성질(연성)이 있어 서 매우 얇게 만들 수 있으므로 주방용 호일이나 인쇄판, 고급포장용지, 통신장비, 반도체 및 컴퓨터의 전기, 전자부품, 레저용품 등을 만드는 등 다양하게 이용하고 있다.
지구상에 다량으로 널리 존재하는데, 각종 금속의 알루미노규산염으로서 암석, 토양의 주성분이 되어 있다. 광석으로는 장석, 운모, 빙정석 등이 있으며, 이들이 풍화한 점토 외에, 산화물로는 루비(홍옥), 사파이 어(청옥), 강옥(코런덤) 등 보석도 많다. 현재 알루미늄의 원료로는 수반토 등을 주성분으로 하는 보크사이 트를 사용하며 이것으로 산화알루미늄(알루미나)을 만들고, 이것을 전기분해하여 알루미늄을 만드는 방법이 흔히 행해진다. 클라크수 7.56이다. 산소, 규소에 이어 제3위이며, 금속원소로는 제1위이다.
은백색의 부드러운 금속으로 전성, 연성이 크므로 포일이나 철사로 만들 수 있다. 시중에서 판매되는 알루미늄은 98.0∼99.85 %의 순도이며, 주요 불순물은 규소와 철이다. 성질은 순도에 따라 다른데, 전기 의 양도체로, 비저항은 구리의 약 1.6배이다. 또 비중으로 보아 전형적인 경금속이다. 공기 중에 방치하면 투명하고 치밀한 산화물의 피막을 생성하여 내부의 산화를 막는다. 산에도 녹고 알칼리에도 녹는 양쪽성 원 소이다.
산화알루미늄과 빙정석을 혼합하여 용융된 혼합물을 전기분해하면 음극에는 알루미늄, 양극에는 산소 가 생기는데, 산소는 양극의 탄소와 반응하여 이산화탄소 및 일산화탄소를 발생시킨다. 전기분해 온도는 약 970℃, 전압은 4.5∼6.5볼트(V)이다. 이때의 제품의 순도는 99.7∼99.9%이다.
전성, 연성이 크고 비중이 작으며, 열과 전기를 잘 통하며 대기 중에서의 내식성이 강하기 때문에, 많 은 용도로 이용된다. 가벼운 점을 이용하여 항공기, 자동차, 선박, 철도에 사용되고, 전기의 양도체인 점을 이용하여 송전선 등에 사용된다. 또, 식품공업, 식기류 등에서 알루미늄이 많이 이용되는 것은 내식성과 인체 에 해가 없는 점 때문이다.
귀금속
금, 은, 백금등과 같이 대기 중에서 안정되어 녹이 잘 슬지 않고, 아름다운 금속광택을 가지고 있는 금 속을 귀금속이라고 하며 산출량이 적어 값이 비싸다. 이들 귀금속은 순금속으로는 너무 물러서 장식품, 고급 기구 등에 사용하기 어렵기 때문에 금에는 은, 구리를 첨가하고, 은에는 구리, 팔라듐을 첨가하는 경우도 있
다. 흔히 사용되는 금, 구리의 합금에서는 순금을 24로 하여 금의 순도를 나타내며, 캐럿이라는 뜻으로 K자 를 붙여 표시하며, 18 K는 금이 75%, 동이 25%라는 뜻이다. 은의 경우도 구리와의 합금이 많은데, 이 경 우에는 순은을 1000으로 하고, 995와 같이 순도를 표시하는 경우가 많다. 은은 산화력이 강한 산(뜨거운 진한 황산이나 질산)에만 녹으며 금과 백금은 왕수(진한 염산1과 진한질산3이 혼합되어 있는 산)에만 녹 는다.
다른 중요한 금속들
많은 금속들은 생물들의 대사에 필요하며 인간의 활동에도 아주 중요하다. 예를 들면 마그네슘은 엽록 소에 포함되어 있으며, 칼슘은 골격을 이룬다. 생활용품에도 금속들이 사용되고 있다 (예, 전지, 통조림 캔 등). 방사능 원소인 우라늄, 플라토늄 등은, 원자폭탄, 원자로 등에 이용된다. 수은, 카드뮴, 납 등의 중금속 은 생명체에 유독하므로 취급 및 폐기할 때 주의해야한다. 금속들의 성질 및 용도 등이 표 3. 2에 수록되어 있다. 산업이 점점 발달하고 인구가 급증하면서 많은 금속이 필요하지만 지표에 매장되어 있는 양질의 광석 매장양이 점점 감소하고 있다. 따라서 저 품질의 광석을 비교적 적은 비용으로 이용할 수 있는 기술 개발이 필요하다. 바다에는 망간, 구리, 니켈, 코발트가 함유된 단괴가 풍부하므로 채굴하여 이용할 수 있는 기술이 개발될 것으로 기대한다. 망간 괴를 개발하기 위해서는 국가 간의 분쟁, 환경오염 등의 난제 또한 해결되어야 한다. 또한 사용한 금속제품들을 재활용하면 부족한 자원문제를 상당 부분 해결할 수 있을 것이다.
표 중요한 금속들
금속 원자기호 주요 광석 특징 용도
크롬 납 마그네슘
수은 니켈 나트륨
주석 텅스텐 우라늄 아연
Cr Pb Mg Hg Ni Na Sn W U Zn
FeCr2O4
PbS MgCl2
HgS NiS NaCl SnO2
CaWO4
U3O8
ZnS
광택, 내부 구조 및 성질 낮은 융해점, 고밀도, 연함
가볍고 강함 고밀도 액체 내부 구조 및 성질
반응성이 큼 내부 구조 및 성질 융해점이 매우 높음
핵분열 보호용 코팅 형성
크롬도금 납축전지 자동차 바퀴 온도계, 기압계
강 환원제, 조미료 강철 캔의 코팅용
전구의 필라멘트 원자로 아연도금코팅
지구에 극소량만 들어있는 희토류 금속 화합물들은 형광을 발하고 또한 인체에 무해하므로 인체 내부 기관의 이상을 진단할 수 있는 조영제에 사용되고 있다.
