니켈 원소의 성질과 이용

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니켈(Nickel, Ni) 원소의 성질과 이용

  

 

󰋯  원자번호：28

󰋯  족：10족(4주기)

󰋯  원자량：58.69

󰋯  밀도：8.90 g·cm-3

󰋯  각 전자궤도의 전자 수：2, 8, 16, 2 (또는 2, 8, 17, 1)

󰋯  mp：1455℃ / 󰋯  bp：2913℃

 

니켈은 금빛이 조금 감도는 은백색 광택이 나는 단단하면서 연성과 전성이 좋은 금속이다. 순수한 니켈은 화학반응성이 활발하여 공기 중에서 산소와 화합하여 치밀한 피막을 형성하므로 부식에 강하게 된다.

 

니켈을 함유한 대표적인 니켈광은 황(S) 화합물인 밀러라이트(millerite)이다. 니켈은 지구상의 지표면에서는 귀한 금속(지각 성분의 약 10,000분의 1)에 속하지만, 지구 내부 깊은 곳에는 상당량 존재할 것이라고 생각한다. 왜냐 하면 지구상에 떨어지는 운석 속에 니켈이 다량 포함된 것을 보고서 그렇게 판단하는 것이다(과학자들은 지구가 탄생하던 시기에 운석도 생겨났다고 생각한다).

 

니켈은 수천 년 전부터 알려진 금속이다. 옛 사람들은 니켈 화합물을 유리에 넣어 녹색 유리를 제조했다. 니켈을 처음 순수하게 분리한 과학자는 1751년 스웨덴의 화학자 크론스테트(Axel Fredrik Cronstedt 1722-1765)였다. nickel 이라는 말은 ‘악마의 구리’(Satan’s copper)를 의미하는 독일어 Kupfernickel 에서 유래했다.

 

 

니켈 합금의 중요한 용도

 

니켈은 부식에 아주 강하여 합금을 만들면 산화되지 않는 금속이 된다. 스테인리스 스틸은 철에 18%의 크롬과 8%의 니켈을 혼합한 합금이다. ‘모넬’(monel)이라는 니켈과 구리의 합금은 단단하면서 부식에 강해 선박용 프로펠러의 축을 만드는데 쓴다. 또 ‘니크롬’(nichrome)이라 부르는 니켈과 크롬의 합금은 녹는 온도(mp)가 높아 열에 강하므로 전기오븐이라든가 빵 굽는 토스터 제조에 이용된다.

 

미국에서는 5센트 동전을 흔히 ‘니클’이라 부른다. 이것은 약 25%의 니켈을 구리에 섞은 합금이기 때문이다.

 

 

 

순수한 니켈로 만든 네델란드의 코인(coin)이다. 값비싼 니켈만으로 코인을 만들면 비경제적이므로 일반적으로 구리를 혼합하여 동전(銅錢)으로 만든다. 제2차 세계대전 때는 니켈이 귀하여 코인 속의 니켈을 뽑아내 무기 제조에 이용하기도 했다. 

  

알루미늄, 니켈, 코발트 및 철의 합금(때로 티타늄도 혼합)인 알니코(alnico)로 만든 자석은 자력이 강하면서 자력 감소 현상이 적기 때문에 1970년대까지 산업용 자석으로 쓰였다. 오늘날에는 이 알니코에 네오디뮴(Nd 원자번호 60)이나 사마륨-코발트, 또는 이트륨-코발트를 혼합하여 만든 더 강력한 영구자석을 만들고 있다. 1970~1980년대에 개발된 이런 영구자석은 때로 ‘희유원소 자석’(rare earth magnet)이라 부른다.

 

오늘날 니켈의 특히 중요한 용도는 니켈-카드뮴 전지의 원료이다. 전지의 한 극을 산화니켈로 만든 이 전지는 재충전용으로 컴퓨터, 휴대전화기 등에 쓰고 있다.

 

2011년 11월, 국제 학술지 사이언스에는 니켈(93%)과 인(7%)의 합금으로 만든 스티로폼보다 100배나 가벼운 금속 소재에 대한 논문이 소개되었다. 캘리포니아 대학의 밸디비트(Lorenzo Baldevit) 박사를 중심으로 개발된 이 격자 구조의 금속은 부피가 50% 정도로 압축되어도 원상으로 돌아가는 탄성을 가졌으며, 진동과 충격에 강하다고 했다. 이 신소재 금속은 극히 가벼운 탓으로 공중에서 깃털보다 가볍게 날리면서 천천히 낙하한다고 한다. 이런 가벼운 신소재는 육중한 금속제품의 무게를 줄이는데 중요하게 이용될 수 있을 것이다.

 

 

 

지구는 거대한 자석이다