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개성 강한 형제들 - 티탄(Ti), 바나듐(V), 크로뮴(Cr), 망가니즈(Mn), 아연(Zn) - 목록

조회 : 6577 | 2012-01-10

티탄, 꿈의 신소재
1794년, 클라프로트(1743~1817)는 금속의 다이아몬드라 불리는 꿈의 신소재, 티탄을 발견하였다. 티탄은 철과 알루미늄의 중간의 성질을 가지면서 둘의 장점을 갖는다. 티탄의 강도는 철보다는 약하지만 철보다 가벼운 장점을 갖는다. 또한 알루미늄보다 무겁지만 알루미늄보다 강한 것이다. 이처럼 티탄은 무게에 비해 매우 단단하다. 또한 녹이 잘 슬지 않으며 고온에도 잘 견디는 특성을 갖는다. 그럼에도 티탄이 많이 사용되지 않았던 이유는 무엇일까? 티탄은 알루미늄, 철, 마그네슘 다음으로 풍부하지만 높은 온도에서 산소 등과 쉽게 반응했기 때문에 순수하게 분리해 내기가 어려웠다. 이후 1940년에 크롤법으로 티탄의 분리가 용이해지면서 널리 사용하게 되었던 것이다. 티탄은 용접할 때 산소가 닿지 않도록 진공 혹은 아크 용접을 해야 한다. 이러한 티탄은 가볍고도 부식에 강하며, 고온에 잘 견디기 때문에 항공기 재료로 많이 사용된다. 항공기가 음속으로 비행할 때 공기와의 마찰로 기체의 온도가 1,600도까지 올라가기 때문이다. 특히, 제트엔진의 20~30%는 티탄 합금을 사용한이다.




티탄과 행복
‘사서삼경’의 ‘서경’에서는 인생의 오복은 장수의 복, 물질의 복, 마음이 평안한 복, 선행으로 덕을 쌓는 복, 천수를 누리고 편히 죽는 복이라고 설명하고 있다.










임플란트





마음이 평안하려면 몸이 건강해야 한다. 특히 충치 등으로 인한 치통은 참을 수 없을 정도이기 때문에 치아의 건강을 마음의 평안에 가장 중요하게 생각하기도 한다. 그러나 초콜릿이나 과자처럼 단 음식으로 인해 치아가 손상되어 임플란트를 하는 경우가 많다. 임플란트란 영구치가 상실된 경우 잇몸의 턱뼈에 인공치아를 고정시키는 금속이다. 임플란트는 주로 티탄을 턱뼈에 고정시킨 후 인공 치아를 그 위에 부착한다. 티탄은 몸 안에서 부식되지 되지 않고 이질감도 없기 때문에 인공관절에도 사용된다. 또한 안경, 골프 샤프트, 테니스 라켓 프레임, 야구 배트 및 자전거 프레임 등 많은 스포츠 용품에도 널리 사용되고 있다.




바나듐, 여신
1805년, 세프스트룀(1787~1845)은 특정 광산에서 나는 철광석으로 만든 금속이 더 단단한 것을 알았다. 이 철광석에는 바나듐이 섞여 있었다. 바나듐은 스칸디나비아의 사랑과 미의 여신인 ‘바나디스’에서 유래한다. 바나듐 화합물은 갈색, 청색, 오렌지색 등 다양한 색깔을 띤다. 또한 바나듐이 들어간 광물은 붉은색 보석처럼 아름답다. 바나듐은 강철에 단 1% 만 첨가해도, 강철이 단단하고 내구성이 뛰어나며 표면이 매끄럽게 된다. 또한 탄성이 커서 충격을 잘 흡수한다. 그러나 바나듐은 매장량이 적고 순수하게 분리하기 어려운 대표적인 희유금속이다.




헹켈과 드라이작
칼로 유명한 독일의 ‘헹켈’사의 ‘쌍둥이 칼’에는 회사의 상징인 쌍둥이가 그려져 있지만, 요리사들에게는 ‘드라이작’의 칼이 더 유명하다. 드라이작은 삼지창이라는 뜻으로 바다의 신 넵튠이 쓰던 창이다. 드라이작의 뛰어난 절삭력은 고탄소강 스테인레스 스틸에 여러 가지 금속이 첨가되어 있기 때문이다. 최근에는 일본 글로벌 사의 칼이 유명하다. 독일 칼은 주로 철과 탄소의 합금인 탄소강인 반면, 글로벌 사는 여기에 바나듐을 첨가한 바나듐강(탄소 이외에 첨가한 원소의 이름을 앞에 붙여서 니켈강·크로뮴강으로 부른다.)을 사용한다. 또한 녹슬지 않고 음식 재료의 고유한 맛을 해치지 않는다는 세라믹 칼도 있다.










'행켈'사의 칼 / 위키백과(www.wikipedia.org) (cc)POPOEVER




크로뮴, 따뜻한 겨울
1797년, 보클랭(1763~1829)은 크로뮴을 발견하였다. 크로뮴 화합물은 다양한 색깔을 띠기 때문에 크로뮴은 색을 의미하는 크로마에서 유래한다. 혼합물에서 여러 가지 성분을 분리하는 크로마토그래피도 색깔을 띤 성분을 분리한다는 의미에서 붙여진 이름이다. 날씨가 추워지면 따뜻한 전기난로를 찾는다. 전열기구의 원리는 무엇일까? 전열기의 핵심인 니크롬선은 70%의 니켈과 15%의 크로뮴 그리고 철과 망간으로 구성된 합금이다. 니크롬선은 구리보다 저항이 훨씬 크고 고온에서도 안정하기 때문에 전열선으로 사용된다. 즉, 전류가 흐를 때 발생하는 열은 전류의 제곱과 저항 및 시간에 비례한다. 즉, 같은 전류가 흘러도 저항이 큰 니크롬선이 구리보다 더 많은 열을 내는 것이다.










전열 제품-드라이어 / 플리커(www.flikr.com) (cc)sglpix





광택이 나는 은백색의 크로뮴을 첨가한 스테인레스 강은 녹슬지 않는다. 스테인레스 강은 표면이 아름답고, 열과 외부 충격에 강하기 때문에 수도꼭지 등의 생활용품 등에도 많이 쓰인다. 왜 크로뮴 강은 녹슬지 않을까? 보통의 탄소강과는 달리 크로뮴강은 표면에서 크로뮴이 산화되면서 막을 형성한다. 이것은 알루미늄이나 티타늄과 마찬가지로 안쪽의 철이 녹스는 것을 막는다. 그러나 순철은 산화철이 생길 때 표면이 뜨거나 갈라지기 때문에 이 틈으로 산소가 계속 반응하여 점점 더 녹슬게 된다.




망가니즈, 검은 황금
태평양의 깊은 바다를 탐사하던 중 발견된 흑갈색의 둥근 덩어리 형태의 망가니즈 단괴는 대개 5~10 cm 이며 망가니즈, 구리, 니켈, 코발트 등이 섞여 있다. 망가니즈 단괴는 해저에 침전된 철과 망간 수산화물로부터 층을 이루며 형성된다. 망가니즈 단괴 중심에는 돌 부스러기, 상어 이빨, 고래 뼈, 방산충이나 유공충 껍질 등이 핵을 이루고, 그 둘레를 망간과 철의 산화물이 동심원 모양으로 둘러싸고 있다.










망가니즈 단괴





망간단괴의 단면은 마치 나무처럼 나이테가 있다. 단괴가 1 cm 성장하려면 약 백만 년이 걸린다. 망가니즈가 중요하게 사용되는 곳은 전지이다. 볼타가 전지를 발명한 이후 전지는 두 번에 걸쳐 획기적으로 발전했다. 첫째는 일회용인 전지와는 달리 반복해서 사용할 수 있는 이차전지의 개발이다. 둘째는 기존의 1.5 V보다 전압이 두 배 높은 3 V 급의 리튬 망간 전지의 개발이었다. 이것은 중요한 발견이었다. 전지에서 뽑아 쓸 수 있는 에너지는 전압에 비례하기 때문이다. 1882년, ‘해리필드’는 13%의 망간을 포함한 ‘해리필드강’을 만들었다. 이 합금은 마모에 강하기 때문에 철도의 교차선, 망치, 드릴 등 마찰이 심한 곳에 사용되었다. 특히 수없이 반복해서 작동해야 하는 베어링과 스프링은 기계의 수명을 획기적으로 연장시켰다. 지금은 망가니즈를 함유한 합금을 일일이 열거할 수 없을 정도로 광범위하게 사용된다. 망가니즈는 철의 5대 원소(C, Si, Mn, P, S) 중 하나로 모든 합금 강철 속에 존재하고 있으며 철의 영원한 동반자인 것이다.




코발트, 청화백자
1735년, 브란트(1694~1768)는 새로운 금속을 발견하였다. 이것은 항상 니켈과 같이 산출되기 때문에 ‘기숙자’라는 ‘코발스’에서 코발트로 명명되었다.










백자철화대죽문대호(국보 제166호)와 청화백자매죽문항아리(국보 제219호)





고대로부터 코발트는 도자기나 유리를 채색하는 데 이용되었다. 청화백자는 귀한 청화 안료인 코발트로 문양을 그린 백자를 말한다. 청화백자는 13세기 후반 원나라에서 처음 제작되었다. 원래 코발트 안료는 이슬람 문화권에서 사용되었으며 이슬람, 즉 회회국에서 수입했기 때문에 회회청, 혹은 회청이라고 불렀다. 이후 중국에서도 안료를 만들면서 청화 백자는 중국의 대표적인 자기가 되었다. 청화백자는 우리나라에서도 왕실이나 사대부들이 애호하는 자기였으며 고려 말부터 조선 초까지 꾸준히 유입되었다. 반면에 백토로 만든 그릇을 초벌구이를 한 후 표면에 산화철 안료로 무늬를 그리고 백자 유약을 입인 철화백자가 있다. 문양은 다갈색이나 흑갈색으로 나타난다.




알니코 자석
옛날 그리스 시대에 철을 싣고 지중해를 왕복하던 배들은 마그네시아 섬 근처로 가기만 하면 섬으로 끌려갔다. 섬에는 쇠를 끌어당기는 자철석, 즉 자석이 많았기 때문이었다. 자석의 N극과 N극은 밀치고, N극과 S극은 잡아당긴다. 그런데 철은 왜 자석에 끌려갈까? 철 원자들도 자석이기 때문이다. 따라서 무질서하게 있던 이들이 자석에 의해 -SN-SN-SN-SN-으로 배열되면서 자석에 붙는 것이다. 각각의 원자가 자석으로 작용하는 것은 원자 내 전자들이 자전 때문이다. 즉 전자의 자전은 원형 전류이다. 많은 원자들의 자기력은 서로 상쇄되지만, 외부 자기장에 의해 이들이 배열되면 자화된다. 특히 철 원자처럼 외부 자기장을 제거해도 특정 방향으로 배열된 것을 영구자석이라 한다. 페라이트 자석의 주성분은 철이다. 알루미늄과 니켈, 코발트가 주원료인 알니코 자석은 용광로에서 녹인 것을 거푸집에 부어 식힌 후 연마 가공하여 만든다. 희토류계 자석은 사마륨 자석(SmCo)이 있으나 코발트가 비싸기 때문에 네오디뮴 자석(Nd-Fe-B)이 개발되었다. 이것은 공기 중에서 녹슬기 때문에 표면을 코팅한다.










마그네시아 섬




아연, 자외선 차단
아연은 납의 아류라는 뜻이다. 16세기 파라켈수스(1493~1541)는 용융시킨 아연에서 생기는 결정이 끝이 뾰족한 것으로부터 ‘날카로운 부분'을 뜻하는 ‘zinc’라 불렀다. 여름철의 강렬한 자외선의 에너지는 사람의 피부나 작은 생명체에 영향을 미친다. 피부에 자외선을 차단시키지 않으면, 자외선으로 인해 유해 산소가 생성돼 피부 내부에서 화학작용이 일어나 멜라닌이 생성되고 피부탄력을 잃게 되며 피부가 건조해지면서 결국 빨리 늙게 된다. 이러한 자외선을 차단하기 위한 자외선 차단제의 자외선 차단 능력은 자외선차단지수(SPF, Sun Protection Factor)로 나타낸다. 그러나 SPF20, SPF30, SPF40의 자외선 차단 능력은 95%, 96%, 97.5%로 큰 차이가 없다. 자외선 차단제의 주요 성분은 흰 색의 산화아연과 이산화티타늄 분말이다. 이들은 피부에 얇은 막을 형성해 자외선을 반사나 산란시킨다. 이러한 물리적 자외선 차단제는 피부에 자극이 적고, 모든 파장의 자외선을 차단할 수 있다.




봄볕엔 며느리, 가을볕엔 딸
‘봄볕에는 며느리를 보내고 가을볕에는 딸을 보낸다’는 속담이 있다. 이것은 봄볕에서 하는 일은 며느리 시키고 가을볕에 하는 일은 딸에게 시킨다는 뜻이다. 그렇다면 봄볕과 가을볕은 어떤 차이가 있을까? 봄철이 되면 평균일사량과 자외선 지수가 높아진다. 즉 건조한 겨울이 지나고 찾아온 봄철과 습한 여름이 지난 후 가을의 습도는 각각 63%와 69%이다. 습도가 높을수록 대기를 통과하는 햇빛의 양은 감소한다. 따라서 봄볕은 여름볕보다 자외선 지수가 높아지는 것이다. 이와 비슷한 ‘봄볕에 그을리면 보던 임도 못 알아본다'는 속담이 있다. 이처럼 자외선은 살갗의 세포를 태워 검게 만들어 버린다. 자외선 중에서 인체에 영향을 미치는 것은 자외선A와 자외선B이다. 특히 자외선A는 색소침착과 피부노화의 주범이다.




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