지르코늄 원소의 성질과 이용

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지르코늄(Zirconium, Zr) 원소의 성질과 이용

 

󰋯  원자번호：40

󰋯  족：4족(5주기) 전이금속원소

󰋯  원자량：91.224

󰋯  밀도：6.52 g·cm^-3

󰋯  각 전자궤도의 전자 수：2, 8, 18, 10, 2

󰋯  mp：1855℃ / 󰋯  bp：4409℃

 

지르코늄은 부식(腐蝕)과 고온에 잘 견디는 강한 전이금속원소이다. 이 원소는 공기 중에서 산소와   빠르게 결합하여 그 표면을 산화지르코늄으로 덮어 보호하기 때문에 더 이상 부식이 진행되지 않는다. 

 

지르코늄이라는 명칭은 그것이 포함된 광석(鑛石) 이름인 지르콘(zircon)에서 나온 것이다. 지르콘(ZrSiO₄)은 성서 기록에 나올 정도로 고대에 알려진 광물이며, 지르콘의 아랍어 ‘자르군’은 ‘황금색’ 이란 의미이다.

 

지르콘으로부터 지르코늄을 순수 분리하기는 매우 까다롭다. 그 이유는 주기율표에서 지르코늄 바로 밑에 있는 하프늄과 전하(電荷)라든가 크기와 성질이 매우 비슷하기 때문이다. 지르코늄은 1787년에 독일의 화학자 클라프로스(Martin Heinrich Klaproth 1743-1817)가 처음 발견했다. 그러나 같은 지르콘 광석 속에 들어있는 하프늄은 1923년까지 발견하지 못하고 있었다.

 

 

지르코늄은 고열(高熱)에 잘 견디기 때문에 우주선 선체를 건조하는데 중요하게 사용된다. 우주선의 외벽은 지구 대기권을 지날 때 공기와의 마찰로 선체 표면이 고온이 되므로 내열성이 강한 소재로 건조해야 한다.

 

지르코늄은 원자로에 대량 사용된다. 지르칼로이(zircaloy)라 부르는 지르코늄의 합금은 물속에서도  부식에 강하다. 그러므로 지르칼로이로 만든 관(이를 ‘연료봉’이라 부름)에 핵연료를 담아 원자로 속의 물에 넣으면, 우라늄이 물과 접촉하지 않고 핵분열 반응을 일으킬 수 있다. 원자로에는 수백 개의 연료봉이 들어 있다. 지르칼로이는 중성자를 흡수하지 않기 때문에 원자로에서 일어나는 연쇄반응에 영향을 주지 않는다. 만일 핵분열 반응 때 나오는 중성자를 흡수하는 성질이 있다면 연쇄반응을 방해할 것이다.

 

 

 

원자로의 우라늄 연료는 지르코늄의 합금인 지르칼로이로 만든 파이프(연료봉)에 넣어 경수(硬水)나 중수(重水) 속에 넣는다. 

 

지르콘은 매우 단단한 결정체이면서 다양한 색을 가지고 있으므로, 표면을 잘 연마하면 보석의 일종이 된다. 또한 지르콘은 빛을 큰 각도로 굴절하므로, 무색투명한 지르콘을 가공하면 다이아몬드처럼 보인다.

 

 

 

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