하프늄 원소의 성질과 이용

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하프늄(Hafnium, Hf) 원소의 성질과 이용

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󰋯  원자번호：72

󰋯  족：6주기(4족), 전이원소

󰋯  원자량：178.49

󰋯  밀도：13.31 g/cm^-3

󰋯  각 전자궤도의 전자 수：2, 8, 18, 32, 10, 2

󰋯  mp：2,233℃ / 󰋯  bp：4,603℃

 

밝은 은백색을 가진 하프늄은 연성이 지극히 좋다. 이 원소는 같은 4족에 속하는 지르코늄(Zr, 원소번호 40)과 성질이 비슷하고 역사적인 면도 연관되어 있다. 이 두 원소는 너무 닮아 분리하기조차 어렵다.

 

하프늄은 매장량이 다소 많은 편이지만 1923년에야 발견되었다. 멘델레예프를 비롯하여 여러 화학자들이 원자번호 72번의 존재를 믿고 있었으나, 이 원소가 ‘화학적 형제’라고 할 지르코늄과 함께 있었기 때문에 찾지 못했던 것이다.

 

네덜란드의 물리학자 코스터(Dirk Coster)와 헝가리의 물리학자 헤베시(George Karl von Hevesy)는 덴마크의 물리화학자 닐스보어(Niels Bohr 1885-1962)가 당시 새롭게 밝혀낸 원자구조와 양자이론(quantum theory)에 따라 ‘X-선 분광분석법’으로 지르코늄을 조사하여 드디어 하프늄을 찾아냈다.

 

하프늄이라는 이름은 ‘하프늄이 지르코늄과 함께 있을 것이라고 예견한’ 보어의 명예를 높여 그의 고국 덴마크의 수도 코펜하겐의 옛 라틴어 명칭 (Hafnia) 을 따서 짓게 되었다.

 

 

하프늄이 포함된 광물은 지르코늄을 함유한 지르콘(zircon)과 배딜라이트(baddeleyite) 등이다. 지르콘의 중요 광산은 브라질과 서부 오스트레일리아에 있다. 순수한 하프늄은 공기 중에서 산소와 화합하여 피막(皮膜)을 만들어 내부를 보호하므로, 더 이상 부식이 진행되지 않게 된다.

 

하프늄이 지르코늄과 크게 다른 점은 중성자를 매우 잘 흡수한다는 것이다. 하프늄은 값이 비싸지만 어떤 원자력잠수함의 원자로에서는 하프늄을 넣은 제어봉을 사용한다.

 

산화하프늄(HfO₃)의 녹는 온도는 2,812℃이고, 끓는 온도는 5,100℃인데, 이는 산화지르코늄과 매우 비슷하다. 하프늄의 합금은 로켓 추진기관인 노즐 제조에 쓰이는데, 아폴로 달착륙선의 경우, 니오븀 89%, 하프늄 10%, 티타늄 1%의 합금으로 노즐을 만들었다. 그 외에 반도체로도 이용되며, 전구 속에 미량 남은 산소나 질소를 제거하는 게터(getter：get rid of)로 사용되기도 한다.

 

 

희토류 토금속 원소