Fluorine ( F ), 9 - 불소

 

플루오린은 많은 사람에게는 불소(弗素)라는 이름으로 더욱 친숙한 원소이다. 가끔은 플루오르라 부르기도 한다. 충치를 예방하는 불소치약, 음식이 눌어 붙지 않도록 만든 주방용구, 통수-통기성 고어-텍스(Gore-tex), 그리고 이제는 오존층 파괴 때문에 사용이 금지되었으나 에어컨이나 냉장고의 냉매로 오랫동안 사용된 프레온 기체 등은 모두 플루오린 때문에 가능하게 된 것들이다. 이외에도 플루오린은 우리의 일상생활과 현대 첨단 산업에서 요긴하게 사용되는 경우가 많다. 플루오린을 말할 때는 ‘가장’ 이라는 수식어가 자주 붙는다. 플루오린이 어떤 점에서 ‘가장’ 으뜸되는 성질을 보이는 원소이며, 물리-화학적 성질은 어떻고, 어디에 어떻게 이용되는가를 살펴보기로 하자.     원자번호 9번, 플루오린 플루오린(fluorine)은 원자번호 9번의 원소로, 원소기호는 F이다. 주기율표에 있는 할로겐 원소 (17족 또는 7A족 원소) 중에서 가장 가벼운 원소이다. 원소 상태의 플루오린은 이원자 분자인 F2로 존재하며, 독성과 부식성이 큰 연한 황록색 기체이다. 플루오린은 원소 중에서 가장 반응성이 크고, 가장 강한 산화제이며, 전기음성도가 가장 큰 원소이다. 헬륨(He)과 네온(Ne)을 제외한 모든 원소와 안정한 화합물을 만든다. 자연계에서는 형석(CaF2), 빙정석(Na3AlF6), 플루오린화인회석(CaF2∙3Ca3(PO4)2) 등의 광물에 주로 존재하며, 지구 껍질의 0.065%를 차지하는, 13번째로 풍부한 원소이다.   이들 광물들은 알루미늄 제련에서 전해질로 이용되며, 철의 야금에서 녹는점을 낮추는 융제로도 많이 사용된다. 충치 예방을 위해 수돗물과 치약에 플루오린 화합물을 첨가하기도 한다. 플루오린의 우라늄 화합물 UF6는 핵연료 생산을 위한 우라늄 동위원소 235U의 농축에 사용되며, 음식이 눌어 붙지 않는 주방기구, 방수-통기성 섬유인 고어-텍스, 냉매로 사용되었던 프레온 등에도 플루오린이 들어있다. 또한 다양한 플루오린 화합물들이 합성되어 의약품, 농약, 산업용 재료 등으로 사용되고 있다.

 

 

원자번호 9번, 플루오린.

플루오린의 원소 정보.

 

 

플루오린의 발견과 명명 플루오린은 자연 상태에서 화합물이 아닌 원소 상태로는 존재하지 않는다. 플루오린이라는 원소 이름은 플루오린의 주된 광석인 형석(CaF2)의 영어 이름에서 나왔다. 이 광물은 금속을 제련할 때 광석과 함께 섞어 녹는점을 낮추는 융제(flux)로 사용된다는 것이 1529년의 기록에 처음으로 언급되었다. 이런 용도 때문에 이 광물을 라틴어로 ‘흐른다’ 뜻의 ‘fluore’를 따서 ‘fluorite(또는 fluorspar)라 불렀다.  형석(螢石)이라는 한자어 이름은 이 광물을 가열하면 튀면서 청색의 인광을 내는데, 그 모양이 반딧불이가 날아다니는 모습과 같다는 것에서 나왔다.   유리 용기에 든 황산에 형석을 넣고 가열하면 ‘플루오린산(fluoric acid)’이 생기며, 이것이 유리를 크게 부식시킨다는 사실이 18세기 중반에 셸레(C. Scheele, 1742~1786)를 비롯한 여러 과학자들에 의해 확인되었다. ‘플루오린산’은 오늘날 플루오르화수소(HF)라고 부르는 것이다. 데이비(H. Davy, 1778~1829)는 플루오린산에 들어있는 새로운 원소의 이름을 플루오린(fluorine)으로 하자고 제안하였다. 원소 상태의 플루오린은 1886년에 이르러서야 무아상(H. Moissan, 1852~1907)에 의해 처음으로 분리되었다.   원소 상태의 플루오린은 반응성이 아주 커 대부분의 물질과 격렬하게 반응하고 또 독성이 매우 강하기 때문에, 아주 엄격하고 특별한 조건에서 전기분해를 통해서만 만들 수 있다. 원소 상태의 플루오린에 대해 초기에 실험하였던 여러 과학자들이 플루오린의 독성 때문에 사망하거나 장님이 되었는데, 이들을 ‘플루오린 순교자’라 부르기도 한다. 무아상은 백금(Pt)-이리듐(Ir) 합금을 전극으로, 그리고 형석을 마게로 한 백금 U-자 관을 사용하여 KHF2를 무수 액체 HF에 녹인 용액을 전기분해하여 처음으로 원소 상태의 플루오린을 얻고 특성을 조사하였다. 그는 이 공적으로 1906년에 노벨화학상을 수상하였다.

 

플루오린이 원소임을 발견한 셸레.

무아상은 백금-이리듐 합금을 전극으로, 형석을 마게로 한 백금 U-자 관을 사용하여 KHF2를 무수 액체 HF에 녹인 용액을 전기분해하여 처음으로 원소 상태의 플루오린을 얻었다.

 

 

원자 및 원소의 물리적 성질 플루오린 원자는 9개의 전자를 갖고 있어, 10개의 전자를 갖는 비활성 기체 네온) 보다 전자가 1개 적은 1s22s22p5의 전자배치를 갖는다. 따라서 플루오린은 아주 쉽게 다른 원자에서 전자 1개를 얻어 네온과 같은 안정한 전자배치를 하게 된다. 플루오린은 전기음성도가 4.0으로 모든 원소 중에서 가장 크며, 화합물에서는 -1의 산화상태를 갖는다. 7개의 원자가 전자들이 핵에 비교적 가깝게 있으므로, 모든 원소 중에서, 이온화 에너지는 헬륨과 네온 다음으로 크며, 전자 친화도는 염소 다음으로 크다.   플루오린의 원소 상태는 이분자 분자인 F2이다. F2 분자는 단일 결합을 하고 있으며, 결합 에너지는 159 kJ/mol로 작은 반면, F와 다른 원자와의 결합에너지는 비교적 크다. 따라서 F2는 다른 원자나 분자와 잘 반응하고, 반응 시 많은 열을 내어 놓는다. 화합물에서 F의 산화수는 항상 -1이기 때문에, F2는 이와 반응하는 모든 물질들을 산화시키는 가장 강력한 산화제이다. 1기압에서 F2의 어는점은 53.53K(-219.62oC)이고, 끓는점은 85.03K(-188.12oC)이다

 

플루오린의 안정한 동위원소는 19F 뿐이며, 자연 상태에서 플루오린은 모두 19F으로 존재한다. 질량수가 14~31 범위에 있는 17 가지의 방사성 동위원소들이 합성되었는데, 이중에서 가장 안정한 것이 반감기가 109.77 초인 18F이다.     플루오린 화합물 플루오린은 헬륨과 네온을 제외한 모든 원소와 안정한 화합물을 만든다. 플루오린 화합물들은 대부분 원소 상태인 F2를 사용하여 만들기 보다는 플루오린화수소(HF)와 반응시켜 얻는다. HF는 무색의 독성이 큰 기체이다. 이의 수용액을 플루오르화수소산(‘불산’이라고도 함: 화학식은 HF로 표기)이라 부르는데, 다른 할로겐화수소산들과는 달리 HF는 pKa가 3.18인 약산이다. 따라서 플루오린 음이온(F-)은 다른 할로겐 음이온보다는 강한 염기의 성질을 보인다.

플루오린이라는 원소 이름은 플루오린의 주된 광석인 형석(fluorite)의 영어 이름에서 나왔다. <출처: (CC)Rob Lavinsky at wikipedia.org>

 

순수한 황산보다 더욱 강한 산을 초강산(Superacid)이라 하는데, 플루오르슬폰산(FSO3H), 삼플루오르메테인슬폰산(CF3SO3H), 요술산(magic acid: FSO3H∙SbF5), 플루오르안티모니산(HSbF6) 등이 여기에 속한다. 요술산과 플루오르안티모니산은 순수한 황산보다 각각 107 배와 1019 배 강한 산으로, 탄화수소와도 반응하여 탄소양이온(carbocation)과 수소기체를 생성한다. 예로 메테인과의 반응식은 다음과 같다.   4CH4 + H+ (초강산) → (CH3)3C+ + 4H2   플루오린은 일부 비활성 기체 원소를 제외한 나머지 원소들과 이성분 플루오르화물(불화물이라고도 함)을 만든다. 금속 플로오르화물의 경우, 금속 원자 1개당 결합된 플루오린 원자의 수가 3 이하인 화합물은 이온성 고체이고, 5 이상인 화합물은 휘발성 분자의 특성을 보인다. 예로, 육플루오르화우라늄(UF6)은 휘발성 물질로, 핵반응 연료인 235U를 기체 확산 방법으로 농축시키는데 사용된다. 플루오린과 비금속 원소와의 플루오르화물은 모두 휘발성이다.   플루오린은 산화성이 아주 크기 때문에, 이와 반응하는 원소(특히 전이금속 원소)를 보통으로는 얻기 어려운 높은 산화상태로 까지 산화시킬 수 있다. 예로 F2와의 반응을 통해 +6가 상태의 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 수은(Hg), 구리(Cu)의 플루오린 화합물들을 만들 수 있다. 금(Au)은 AuF6-에서 +5의 산화 상태를 갖는다. F는 또한 다른 할로겐 원소(X)와 성분비가 다른 여러가지 할로겐 원소간 화합물을 만드는데, 이들은 XF, XF3, XF5, XF7처럼 분자당 홀수개의 F 원자를 갖는다.   유기화합물에서 수소가 플루오린으로 치환된 유기 플루오린 화합물들은 화학 약품과 열에 대한 안정성이 높고, 표면에 물이 잘 스며들지 않는 성질인 발수성(撥水性)이 있으며, 녹는점과 끓는점이 높다. 메테인(CH4), 에테인(C2H6)과 같은 탄화수소의 수소 원자를 염소와 플루오린으로 치환한 염화플루오르화탄소 화합물(chlorofluorocarbon, CFC)들을 프레온(Freon) 기체라 부른다. 대표적인 프레온 기체는 프레온-12라 불리는 이염화이플루오르화메테인(CCl2F2)이다. 프레온은 안정하며, 불이 붙지 않고 인체에 독성이 없어 에어컨이나 냉장고 등의 냉매, 발포제, 용매, 스프레이나 소화기의 분무제 등으로 사용되었다. 그러나 프레온이 오존층의 파괴에 기여한다는 사실이 알려진 1990년대 중반부터 국제적으로 사용이 금지되었다.  프레온의 대체물질로 탄화수소의 일부 수소가 치환되지 않고 남아있는 수소화염화플루오르화탄소(HCFC)와 수소화플루오르화탄소(HFC)가 개발되어 사용되었다. 그러나 이 물질들은 이산화탄소(CO2) 보다도 월등히 큰 온실효과를 나타내는 것으로 밝혀져 이들의 사용도 규제를 받고 있다.

 

 

플루오린을 포함하는 합성 수지도 많이 사용되는데, 이의 대표적인 것이 테플론(Teflon)이라 불리는 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)이다. 테플론은 화학적으로 반응성이 거의 없는 고분자로, 우수한 내열성과 절연성을 보이며, 마찰계수가 낮은 특성을 보인다. 주방기구의 코팅, 방수-통기성 섬유 고어-텍스의 표면 처리, 각종 산업용 부품의 제조 등 다양한 분야에 사용된다.   충치 예방을 위해 수돗물과 치약에 플루오린 화합물들이 첨가되기도 하는데, 이에 사용되는 화합물로는 플루오르화소듐(NaF), 플루오르화주석(II)(SnF2), 모노플루오르인산소듐(Na2PO3F) 등이 있다.   플루오린 화합물들은 의약품과 농약으로도 많이 개발되어 사용되고 있다. 항암제로 많이 사용되는 5-플루오르우라실(5-fluorouracil), 항 우울제로 알려진 프로작(prozac) 등이 플루오린 화합물이다. 지난 50년 동안 상품화된 신약의 약 10%가 플루오린를 포함하는 화합물인 것으로 파악되고 있으며, 이 비율은 계속 증가하고 있다. 또한 플루오린을 포함하는 여러 화합물들이 제초제, 살충제, 살균제로 사용되고 있다.

 

테플론은 화학적으로 반응성이 거의 없는 고분자로, 우수한 내열성과 절연성을 보여 주방기구의 코팅 등의 용도로 사용된다. <출처: sxc.hu>

테플론을 이용해 표면처리를 한 고어 텍스. 통수, 통기성이 높은 방수가공품이다.

 

 

플루오린과 비활성 기체의 화합물 플루오린은 반응성이 아주 크기 때문에, 일반적으로 반응성이 없어 화합물을 만들지 않는다고 여겨져 온 비활성 기체 원소와도 화합물을 만든다. 처음에 분리된 화합물들은 포접 화합물(clathrate)로, 바구니 형 분자 내부에 비활성 기체 분자가 포획되어 있는 것이었다. 비활성 기체의 실질적 화합물은 1962년에 처음으로 얻어졌다. O2를 O2+로 산화시킬 정도의 강력한 산화력을 갖는 육플루오르화백금(VI) (PtF6)과 제논(Xe)과의 반응을 통해 만들어진 결정성 육플루오르화백금(IV)산 제논이 그것이다. 이 화합물의 화학식이 처음에는 Xe+[PtF6]−인 것으로 여겼으나, 후에 [XeF]+[Pt2F11]−, [XeF]+[PtF6]− 등을 포함하는 보다 복잡한 것으로 밝혀졌다. 이후 다른 여러 비활성 기체의 화합물 ArFH, KrF2 와 KrF4, XeF2와 XeF4 및 XeOF4, RnF2 등이 만들어 졌다. He와 Ne의 경우는 아직도 안정한 화합물이 만들어지지 않았으나, HeFH와 NeF가 짧은 시간 동안 존재한다는 것이 분광학적으로 확인되었다.

 

프레온은 오존층 파괴의 주범으로 밝혀져 사용이 금지되었다.

항 우울제로 알려진 프로작은 대표적인 플루오린 화합물이다.

 

 

플루오린의 생산과 이용 플루오린은 광석과 플루오르화수소(HF)의 형태로 주로 사용된다. 채광된 형석의 약 반은 금속 (특히 철) 제련에서 용융 금속의 유동성을 높이는 융제로 사용된다. 그리고 나머지 반은 HF를 만드는데 사용되는데, HF는 순수한 형석을 진한 황산과 반응시켜 얻는다. HF는 유리는 물론 실리카(SiO2)와도 반응하여 SiF4를 만들고, 이는 다시 H2SiF6를 만들기 때문에 HF를 얻기 위해서는 원료인 형석에서 실리카를 제거한 순수한 형석을 사용해야 한다.   CaF2(s) + H2SO4(l) → CaSO4(s) + 2HF(g)   HF는 알루미늄 제련을 위한 합성 빙정석을 만들고 프레온 기체를 합성하는데 많이 사용되었다. 그러나 이제는 프레온 사용이 금지되어, 프레온 합성에는 사용되지 않는다. HF는 또한 석유의 알킬화 촉매, 핵연료 생산에 사용되는 UF6의 중간체인 UF4의 합성 등에 사용된다. 이외에도 유리와 실리콘을 부식시키는 성질 때문에 유리나 실리콘 웨이퍼의 식각(etching)에 사용되며, 테플론을 비롯한 유기 플루오린 화합물 및 플루오르화 염의 제조 등에 사용된다.   대부분의 유기 플루오린 화합물에 들어있는 플루오린은 원소 상태인 F2보다는 HF와의 반응을 통해 도입된다. 예로 테플론의 단량체인 테트라플루오르에틸렌(C2F4)은 클로로포름(CHCl3)과 HF를 이용한 다음의 두 단계 반응으로 얻는다. CHCl3 + 2 HF → CHClF2 + 2 HCl 2 CHClF2 → C2F4 + 2 HCl     (열분해)   C-H 결합을 C-F 결합으로 바꾸는 것은 HF 용매에서 유기화합물(R3C-H로 표기)을 전기분해시켜 얻기도 한다.   R3C-H + HF → R3C-F + H2     (전기분해)    플루오린의 원소 상태인 F2기체는 무수 HF에서 이플루오르화포타슘(KHF2)을 전기분해시켜 만든다. KHF2는 HF에 KF를 넣으면 자발적으로 생성된다. 년간 약 2000톤의 F2기체가 생산되는데, 주된 용도는 UF4와 반응시켜 UF6를 만들어 핵 연료를 생산하는 것이다. 다음으로는 고전압 회로 차단기에 사용되는 비활성 절연 기체인 육플루오르화유황(SF6)을 만드는데 많이 사용되었는데, SF6가 CO2보다 20,000 배나 강한 온실가스여서 이의 생산과 사용도 국제적으로 규제를 받고 있다. 이밖에 F2기체는 전자공업에서 집적 회로의 플라즈마 식각에 소량 사용된다.

 

 

 

1. 플루오린 명칭

   국제적으로 통용되는 원소 이름과 화합물 이름을 결정하는 IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry, 국제순수ㆍ응용화학연합)에서 우리 나라를 대표하고 있는 대한화학회가, IUPAC의 규정에 따라 결정된 원소 이름과 화합물 이름을 우리말로 표시하는 방법을 규정한 [대한화학회 명명법]을 1998년에 발표하였습니다. 이에 따르면 원소기호 9번 원소(F)의 이름은 국제적으로 Fluorine이며, 우리말로는 플루오린입니다.

2. 수치로 보는 플루오린

   플루오린의 표준원자량은 18.998g/mol이다. 원자의 전자배치는 1s²2s²2p⁵이다. 자연계에서 원소 상태로는 존재하지 않는다. 지구 껍질에서 13번째로 풍부한 원소로 존재비는 0.065%이고, 바닷물에 1.2~1.5ppm의 농도로 들어있다. 원소 상태는 F₂로, 단일결합을 하고 있으며, 이의 해리에너지는 159kJ/mol (비교, Cl₂는 243kJ/mol)로 작다. 반면 HF의 결합에너지는 574kJ/mol (비교, HCl은 428kJ/mol)로 크다. 1기압에서 녹는점은 53.53K(-219.62^oC)이고 끓는점은 85.03K(-188.12^oC)이다. 0^oC, 1기압에서 기체 밀도는 1.696g/L이며, 끓는점에서의 액체 밀도는 1.505g/cm³이다. 자연 상태에서는 모두 ¹⁹F로 존재하며, 이는 방사선 붕괴를 하지 않는 안정한 원소이다. 제1, 2, 3 이온화 에너지는 각각 1681.0, 3374.2, 6050.4kJ/mol이다. 전자친화도는 332.6kJ/mol이다.

3. 할로겐 원소

   주기율표에서 17족(7A족)에 속하는 풀루오린(F), 염소(Cl), 브로민(Br), 아이오딘(요오드, I), 아스타틴(At)의 다섯 원소를 말한다. 할로겐(halogen)이라는 말은 슈바이거(J. Schweigger, 1779~1859)가 1811년에 염소가 금속과 염을 잘 만드는 것에서, 그리스어로 염을 뜻하는 ‘halo’와 만드는 것을 뜻하는 ‘genes”을 합쳐 만들었다. 염소의 성질을 말하기 위해 지은 말이 후에 17족의 다섯 원소 모두로 확대되었다.

4. 이온화 에너지

   기체 상태로 고립되어 있는 바닥 상태의 화학종(원자, 분자, 이온)에서 한 개의 전자를 떼어내는데 필요한 최소한의 에너지. 이 값이 클수록 다른 원자에 전자를 주는 경향이 적어진다.

5. 전자 친화도

   기체 상태의 원자 또는 분자가 전자 한 개를 받아 기체 상태의 음이온이 될 때 방출하는 에너지. 이 값이 클수록 쉽게 음이온이 된다.

 

 

 

글 박준우 / 이화여대 명예교수(화학)

서울대학교 화학과를 졸업하고 템플대학교에서 박사학위를 받았다. 오랫동안 이화여대에서 화학을 연구하고 가르쳤다. 저서로 [인간과 사회와 함께한 과학기술 발전의 발자취]와 [아나스타스가 들려주는 녹색화학 이야기] 등이 있고, 역서로 [젊은 과학도에 드리는 조언] 등이 있다.

이미지 TOPIC/corbis, gettyimages/멀티비츠 

발행일  2011.10.12

Fluorine

Atomic Weight		18.9984032
Density		1.696 g/l[note]
Melting Point		-219.6 °C
Boiling Point		-188.12 °C
Full technical data

 

Fluorine is a pale yellow gas that reacts violently with virtually everything, including glass. There's probably some in this fused quartz bulb (if it hasn't eaten its way out yet).

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