플루오린(불소) 원소의 성질과 이용

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플루오린(불소 Fluorine, F) 원소의 성질과 이용

 

 

󰋯  원자번호：9

󰋯  족：17족

󰋯  원자량：18.9984

󰋯  밀도：기체(1.696 g/L). 액체(1.505 g·cm^-3)

󰋯  각 전자궤도의 전자 수：2, 7

󰋯  mp：-223℃ / 󰋯  bp：-118℃

 

플루오린(불소)은 주기율표에서 17족에 속하는 할로젠(할로젠 원소 참조)의 첫 번째 원소이다. 할로젠(영어 발음은 핼러진) 원소는 작은 원소일수록 핵과 전자 사이의 거리가 가까워(전자 친화력이 크므로) 화학결합을 잘 한다. 따라서 할로젠 중에 제일 작고 가벼운 플루오린은 이 그룹에서 화학반응력이 가장 강하다.

 

프랑스의 화학자 무아상(Henri Moissan 1852-1907)은 플루오린 원소를 1886년에 처음 순수 분리하여 1906년에 노벨 화학상을 수상했다. ‘플루오린’은 ‘흐른다’는 뜻을 가진 라틴어에서 따온 말이다. 플루오린의 존재는 그 이전부터 알고 있었으나, 화학반응력이 워낙 강해 순수한 원소로 분리하지 못했던 것이다.

 

플루오린은 연한 황갈색 기체로서 독성이 강하고, 그 분자는 2개의 원자(F2)로 이루어져 있다. 자연계에서 플루오린은 ‘플루오린화칼슘’(CaF2 형석)이나 ‘칼슘플루오라이드’(calcim fluoride：알루미늄, 나트륨, 플루오린의 화합물)로 존재하며, 해수에 소량 용해되어 있고, 이빨과 뼈 및 혈액에도 미량 있다.

 

미국의 일부 주에서는 수돗물에 플루오르화나트륨을 조금 섞어 송수(送水)하고 있다. 이것은 미량의 플루오린이 이빨의 부식을 방지한다는 연구 결과 때문이다. 이빨의 단단한 에나멜 성분은 ‘수산화인화석’이다. 이 물질은 물에 녹지 않으나, 입안의 당분이 분해되어 생긴 약한 산성 물질에 조금씩 부식된다. 그렇지만 이빨은 수산화인회석을 자연적으로 생산하여 부식된 부분을 보충하고 있다. 치약 중에는 플루오린화나트륨을 혼합하여 만든 것(불소치약)도 있다.

 

플루오린을 순수하게 골라내는 방법으로 처음에는 이 원소가 포함된 화합물(fluoride) 속으로 전류를 흘려 분리해왔는데, 이 방법은 막대한 전력이 소비되었다. 그러나 1986년, 미국 공군연구소의 화학자 크리스티(Karl O. Christie)가 화학적인 방법으로 플루오린을 순수 분리하는데 성공하여, 지금은 이 방법으로 매년 수천 톤 생산한다.

 

플루오린 가스는 우라늄과 결합시켜 무색의 고체인 육플루오린화우라늄(UF6, ‘헥스’ hex라 부름)을 만드는데 대량 쓰인다. 핵연료인 우라늄-235는 바로 이 헥스로부터 분리한다.

 

 

플루오린 화합물 테플론, 프레온가스

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맹독한 플루오린과 탄소를 화합시켜 테플론(teflon)이라는 근사한 플라스틱을 만든다. 탄소와 플루오린이 길게 연결된 이 물질은 화학적으로 안정하여 다른 물질과 잘 결합하지 않는다. 고급 프라이팬이나 주방 냄비는 바닥에 음식이 들어붙지 않는다. 그 이유는 냄비 바닥에 테플론을 코팅했기 때문이다. 매끈하기도 하려니와 다른 물질이 들어붙지 않기 때문에 테플론은 화학공장의 반응로(反應爐)라든가 배관(配管) 내부에도 바르고, 인공심장 판막을 만드는 재료로 쓰기도 한다.

 

수도관이나 가스관을 서로 연결할 때 ‘테플론테이프’라 부르는 특수한 접착테이프를 사용하는데, 관을 연결하는 부분에 테이프를 감고 나사 홈을 돌려 끼우면, 나사가 잘 미끄러져 들어갈 뿐 아니라 단단히 밀봉이 된다. ‘테플론’이란 말은 이를 처음 개발한 미국 화학회사 듀퐁사가 정한 상품명이다.

 

플루오린 화합물인 ‘프레온가스’(CF2H2)는 냉장고나 에어컨 같은 냉동장치의 냉매로 대량 사용했다. 프레온 가스는 -128℃도에서 액체로 되는 기체이다. 흔히 CFC(chlorofluoroethylene)라 부르기도 하는 프레온가스는 장기간 냉매로 잘 이용해왔으나, 이 가스가 고공으로 올라가 오존층을 파괴한다는 사실이 알려진 이후 사용이 금지되었다. 이러한 현상을 몰랐던 과거에는 CFC를 살충제와 혼합하여 분무 가스로 대량 사용했다.

 

플루오린을 수소와 혼합하면 점화하지 않아도 순식간에 폭발하듯이 불타면서 플루오린화수소(HF)로 변한다. 플루오린을 물에 녹이면 ‘불화수소산’이 되는데, 이 용액은 매우 맹독한 물질이며, 피부에 묻으면 조직을 부식시켜 대단히 고통스럽다. 불화수소산은 유리를 녹일 수 있으므로 유리에 그림이나 글씨를 새길 때, 우윳빛 유리를 제조할 때 부식제로 사용한다.

 

플루오린의 방사성 동위원소인 F-18은 병원에서 인체 내부를 촬영하는 첨단 진단장치인 ‘양전자방사 단층촬영기’(PET)에 이용된다. F-18은 전자와 반대되는 양전기를 띤 입자(양전자)를 방출하는데, 양전자와 전자가 충돌하면 X-선과 같은 방사선을 내기 때문에, 이 방사선을 이용하여 단층촬영을 한다. 플루오린-18의 반감기는 109.8분이다.

 

 

할로젠 원소란?