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고분자 이야기

5족 전이원소 - 바나듐, 나이오븀, 탄탈럼, 더브늄

by AIMEE22 2023. 12. 28.
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1.  전형 원소와 전이 원소

 

 

 

주기율표의 1-2족, 12-18족 원소를 전형 원소라고 합니다. 같은 족의 전형 원소들은 화학적 성질이 매우 유사합니다. 같은 족의 전형 원소는 아래로 내려 갈수록 금속성이 커져 양이온이 되기 쉽고, 같은 주기에서는 희가스 원소를 제외하고 오른쪽으로 갈수록 비금속성이 강해져 음이온이 되기 쉬운 경향을 가집니다. 3족부터 11족까지 원소는 주기율표 왼쪽의 전형 원소 (1-2족) 에서 오른쪽의 전형 원소로 (12-18족) 이동하는 원소라는 의미로 '전이원소'라고 부릅니다. 전이 원소의 최외각전자수는 1개 또는 2개입니다. 전이 원소는 주기율표의 같은 족 뿐만 아니라 같은 주기의 원소들끼리도 화학적 성질이 비슷하다는 특징이 있습니다. 전형 원소에서는 금속 원소와 비금속 원소가 있지만, 전이 원소는 모두 금속 원소입니다. 

 

 

2. 금속원소와 비금속 원소

현재까지 알려진 118가지의 원소 가운데, 약 80%가 금속 원소이며 나머지는 비금속 원소입니다. 그 경계선에 있는 13족~15족 원소인 붕소, 규소, 저마늄, 비소 등은 금속적인 성질과 비금속적인 성질을 동시에 가지고 있어서 반금속(준금속)이라고 명칭합니다. 금속은 3가지 공통적인 특성을 갖습니다. 첫째, 특유의 금속광택을 가지며 대부분이 은백색을 띠고 있습니다. 둘째, 전기와 열을 잘 전달하는 전도체적 성질을 갖습니다. 셋째, 가늘고 길게 늘일 수 있거나 (연성) 얇은 판으로 넓힐 수 있습니다 (전성). 금속은 대부분 산화물과 황화물의 형태로 산출됩니다. 이들 화합물의 결합이 강할수록 광물로부터 금속을 제련하기가 어려워집니다. 두 종류 이상의 금속 원소에 탄소와 규소를 혼합하여 열을 가하면, 금속 원소들이 균일하게 융합되어 합금이 생성됩니다. 성분의 배합을 잘 조절하면 본래 금속에 없는 우수한 성질을 가진 합금을 만들 수도 있습니다. 금속 이외의 원소를 '비금속 원소'라고 하는데, 비금속 원소는 비금속 원소끼리 또는 금속원소와 결합하면서 다양한 화합물이 됩니다. 

 

3. 바나듐 (V, Vanadium)

바나듐은 부드럽고 어두운 은백색의 금속입니다. 강철의 강도를 높이기 위한 첨가물로 이용됩니다. 바나듐에 타이타늄을 첨가한 합금은 가볍고 강하며, 쉽게 부식되지 않아 항공기의 재료로 사용됩니다. 멍게, 고동, 군소 등의 해양 생물은 바닷물에 있는 미량의 바나듐을 농축하여 몸속에 쌓아 둡니다. 어떤 멍게는 바나듐을 모으는 특별한 기능을 하는 세포를 혈액 속에 가지고 있어 바나듐을 자신의 혈구 안에 고농도로 농축시킵니다. 세포에 저장한 바나듐의 농도는 바닷물 농도의 수천~수만 배에 이릅니다. 체중 70kg의 사람 몸속에는 바나듐이 약 0.11mg 포함되어 있습니다. 바나늄이 많이 포함된 음식은 바지락, 톳, 김, 가리비, 멍게, 정어리, 새우, 게, 버섯, 파슬리, 검은 후추 등을 들 수 있습니다. 최근 바나듐이 함유된 영양제가 시중에 많이 유통되고 있는데, 이는 바나듐과 식염을 혼합한 물질이 혈당치를 내리는 데에 도움을 줄 수 있다는 연구가 있었기 때문입니다. 당뇨병 환자에게 메타바나듐산나트륨을 하루에 125mg 또는 황산바나듐 100mg을 섭취하도록 하면 인슐린 감수성(insulin sensitivity)이 개선되고 혈당치가 낮아진다는 연구 결과가 있습니다. 

 

 

4. 나이오븀 (Nb, Niobium) 

나이오븀은 단단한 은백색의 금속으로 금속 원소 가운데 가장 높은 온도 (약 -264°C)에서 초전도 상태가 됩니다. 타이타늄과의 합금은 암과 뇌출혈 등을 진단하는 MRI(핵자기공명영상장치)의 초전도자석 코일로 사용됩니다. 철강 등 다른 금속에 더하여 내열성과 강도를 높이는 첨가제로도 널리 이용되고 있습니다. 

 

 

5. 탄탈럼 (Ta, Tantalum) 

탄탈럼은 어두운 은색의 금속으로 인체에 거의 무해하고 생체 적합성이 높기 때문에 인공뼈나 치아의 임플란트 치료에 이용됩니다. 산화탄탈럼을 사용한 탄탈럼전해콘덴서는 작은 크기와 가벼운 무게에도 용량이 크다는 특징 덕분에 휴대전화와 컴퓨터 등 전자기기에 넓게 이용되고 있습니다. 탄화탄탈럼은 다이아몬드 다음으로 경도가 높은 재교이며 절삭 공구의 부품으로 널리 이용됩니다. 

 

 

6. 더브늄 (Db, Dubnium)

러시아의 두브나에 위치한 합동원자핵연구소에서 만들어진 것을 기념하여 붙인 이름입니다. 

 

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