Aluminum ( Al ), 13- 알루미늄

알루미늄은 알루미늄 박(포일), 창틀, 냄비 등으로 우리와 친숙하다. 귀금속인 은과 비슷한 색을 띠고 부식이 잘되지 않아 은의 대체품으로 사용되기도 한다. 흔히 알루미늄 박을 ‘은박지’라 부르고, 알루미늄 냄비를 ‘양은(洋銀) 냄비’라 부르는 것도 은과 알루미늄의 외관상의 유사성 때문일 것이다. 엄밀하게는 ‘양은’은 독일 은(German silver)인 구리-니켈-아연의 합금을 뜻하나, 일반인들은 ‘양은’과 알루미늄을 혼돈하여 사용한다. 알루미늄은 지각에서 모래나 암석의 주성분인 산소, 규소 다음으로 풍부한 원소이고, 금속 중에서는 가장 많이 존재하는 원소이다. 알루미늄은 우리가 봉숭아 물을 들일 때 흔히 사용하는 백반(alum)의 구성 원소의 하나로, 백반에서 처음 분리되었고 백반의 라틴 이름 알루멘(alumen)을 따서 원소이름이 지어졌다. 지구 상에 아주 많이 존재하지만, 제련이 어려워 1825년에 이르러서야 원소 상태로 처음 분리되었다. 지금은 철 다음으로 많이 생산되는 금속으로 아주 다양한 용도로 널리 사용되고 있다. 알루미늄에 대해 좀더 자세히 알아보기로 하자.     원자번호 13번, 알루미늄 알루미늄(aluminium 또는 aluminum) 은 원자번호 13번의 원소로, 원소기호는 Al이다. 주기율표에서는 13족(3A족)에 있으며, 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In), 탈륨(Tl)과 같은 족에 속한다. 알루미늄은 가볍고(밀도 2.70 g/cm3) 무른 금속(모스 경도 2.75)으로 전성과 연성이 좋아 박(箔)이나 선으로 쉽게 가공될 수 있다. 비교적 산화성이 커서 천연에서 원소 상태로는 거의 존재하지 않으나, 공기 중에서 단단한 산화물 보호피막을 만들기 때문에 내부까지 부식되지는 않는다. 그러나 가열하면 흰 빛을 내면서 산화되어 산화알루미늄(Al2O3)이 된다.

 

원자번호 13번, 알루미늄.

알루미늄의 원소정보.

 

 

알루미늄은 지각 무게의 약 8.3%를 차지하며, 산소와 규소 다음으로 풍부한 원소이다. 금속 중에서는 가장 존재 비가 큰 원소로, 철(6.2%)이나 칼슘(4.6%) 보다 풍부하다. 알루미늄은 장석(長石, feldspars)과 운모(mica) 등 여러 화강암 광물들의 주요 구성 성분인데, 장석은 지각의 약 60% 까지를 차지하는 망상 규산염의 조암(造岩) 광물을, 운모는 층상 규산염의 조암 광물을 통틀어 일컫는 말이다. 이들 알루미늄 규산염 광물들이 오랜 기간의 풍화작용을 거치면 여러 점토 광물들이 생겨나는데, 이들은 고령토(kaolinite, Al2(OH)4Si2O5), 몬모릴로나이트(montmorillonite, (Na,Ca)0.33(Al,Mg)2Si4O10(OH)2·4H2O), 질석(vermiculite, (Mg,Fe,Al)3(Al,Si)4O10(OH)2·4H2O) 등이다. 이들보다는 훨씬 덜 흔하나 잘 알려진 여러 알루미늄 광석들이 있는데, 이들에는 빙정석(cryolite, Na3AlF6), 그리고 보석으로 이용되는 녹주석(beryl, Be3Al2Si6O18), 토파즈(topaz, Al2SiO4(F,OH)2), 석류석(garnet, Ca3Al2(SiO4)3), 터키석(turquoise, Al2(OH)3PO4H2O/Cu), 침정석(spinel, MgAl2O4) 등이 있다. 한편, 연마제로 많이 사용되는 커런덤(coruntum)은 알루미나(산화 알루미늄, Al2O3)인데, 보석 루비(ruby)와 사파이어(sapphire)는 커런덤에 각각 크로뮴(Cr)과 철(Fe)이 불순물로 들어있어 붉은색과 푸른색을 띤다.   알루미늄 생산과 관련하여 상업적으로 가장 중요한 광석은 보크사이트(bauxite)이다. 이는 수산화 알루미늄 광물이 모인 집합체로, 일반적 화학식은 AlOx(OH)3-2x(0＜x＜1)이다. 보크사이트는 알루미늄이 들어있는 규산염 기반암이 풍화된 후 여기서 실리카와 다른 여러 금속들이 씻겨나간 결과로 생성된 것으로, 열대와 아열대 지역에 널리 분포되어 있다. 알루미늄 금속은 보크사이트 광석을 알루미나로 전환시키고, 이를 빙정석과 함께 용융시킨 후 전기분해시켜 얻는다.   알루미늄은 가볍고, 잘 부식되지 않는 특성이 있어, 금속 중에서는 철 다음으로 많이 생산되어 여러 용도로 사용된다. 예로, 알루미늄과 이의 합금들은 항공기, 건물, 자동차 등의 구조 재료, 주방 기구, 기계 부품, 특수 화학 설비와 화학물질 저장 탱크, 가구 및 지붕 재료, 여러 전기 및 전자 기기, 전선, 주화(鑄貨), 알루미늄 박을 비롯한 여러 포장 재료, 각종 음료수 용기 등으로 널리 사용된다. 또한 빛, 특히 열선인 적외선에 대한 반사율이 높아 열 반사체로도 사용된다. 그리고 철의 용접에도 사용되며, 크로뮴, 망가니즈, 바나듐 등의 산화물을 환원시켜 이들 금속을 얻는 데도 사용된다. 또한 알루미늄 화합물들도 다양한 용도로 요긴하게 사용된다. 예로, ‘알루미나’로 불리는 산화 알루미늄(Al2O3)은 촉매 및 촉매 지지제, 연마제, 내열 재료, 크로마토그래피 고정상 등으로 사용된다. 그리고 황산 알루미늄(Al2(SO4)3 의 수화물)은 연간 수백만 톤이 생산되어 물 처리, 종이 생산과 가죽 가공, 식품 첨가제, 내화성 처리 등에 사용된다. 염화 알루미늄(AlCl3)은 가장 강한 루이스 산의 하나로 화학 촉매 등으로 사용되고, 수소화 리튬 알루미늄(LiAlH4)과 알루미늄 수소화붕소(Al(BH4)3)는 환원제와 제트 연료 첨가제 등으로 사용된다.   알루미늄 화합물들이 자연계에 널리 분포되어 있으나, 알루미늄의 생물학적 역할은 아직 알려진 것이 없다. 1980년대에 알루미늄이 치매와 관련될 수 있다고 일부 과학자들이 제안하였으나, 아직은 그 연관성이 분명하지 않다.

 

 

역사와 분리∙발견 고대 그리스와 로마인들은 백반(白礬, 명반(明礬)이라고도 하며 화학식은 KAl(SO4)2)을 염색 시 매염제와 상처의 수렴제로 사용하였다. 전기분해법으로 포타슘(K)과 소듐(Na)을 분리∙발견한 영국의 데이비(Humprey Davy, 1778~1829)는 백반에서 새로운 금속을 분리하고자 하였으나 성공하지 못하였다. 그러나 그는 백반에 들어있는 기본 금속 원소 이름을 백반(alum)의 라틴어 이름 alumen을 따서 처음에는 알루뮴(alumium)으로 제안하였다가 뒤에 ‘aluminum’으로 바꾸었다. 이후1990년에 IUPAC은 알루미늄의 이름을 ‘aluminium’(대부분의 금속이름이 ‘–ium’으로 끝남)으로 바꾸기로 하였는데 미국화학회는 1925년에 ‘aluminum’을 채택하기로 한 결정을 그대로 유지하고 있어 두 가지가 모두 통용되고 있다.

 

금속 알루미늄은 덴마크의 외르스테드가 1825년에 AlCl3을 포타슘 아말감과 반응시켜 처음으로 얻었다.

금속 알루미늄은 덴마크의 외르스테드(Hans Christian Ørsted: 1777~1851, 전류가 흐르는 도선 주위에 자기장이 형성된다는 전자기 현상을 처음 발견한 인물이다)가 1825년에 AlCl3을 포타슘 아말감과 반응시켜 순수한 상태는 아니었지만 처음으로 얻었다. 이 방법은 1827년에 뵐러(Friedrich Wöhler, 1800~1882)에 의해 포타슘 아말감 대신 포타슘을 사용하는 것으로 개선되었는데, 뵐러는 무기물에서 요소(urea)를 합성하여 유기화합물은 생명기관을 통해서만 얻어진다는 당시의 통념을 깨뜨린 인물로도 유명하다. 상업적으로 성공적인 알루미늄 생산 공정은 1854년에 드빌(Henri Etienne Sainte-Claire Deville, 1818~1881)이 뵐러의 방법에서 포타슘을 보다 값싼 소듐으로 대체하여 개선함으로써 처음으로 이루어졌으며, 같은 해에 분젠(Robert Wilhelm von Bunsen, 1811~1899)은 용융 NaAlCl4를 전기분해시켜 금속 알루미늄을 얻었다. 알루미늄은 1880년대 후반에 홀-에루(Hall-Heroult) 공정이 개발되기 전까지는 아주 얻기가 어려웠던 금속으로, 금보다도 더 비싼 것이었다. 나폴레옹 3세 황제가 만찬에서 아주 귀한 손님에게는 알루미늄 식기에, 그렇지 않은 손님에게는 금 식기에 음식을 대접하였다는 일화는 당시 알루미늄이 얼마나 귀한 것이었나를 보여주는 이야기로 유명하다.

 

오늘날 알루미늄의 생산 방법으로 사용되는 홀-에루 공정은 1886년에 미국의 홀(Charles Martin Hall, 1863~1913)과 프랑스의 에루(Paul Héroult, 1863~1914)에 의해 독립적으로 개발되었으며, 이 공정의 출현으로 알루미늄을 값싸게 생산할 수 있게 되었다. 이 공정은 알루미나를 빙정석(cryolite)과 함께 용융시키고 그 용융액을 전기분해시켜 알루미늄을 생산하는 것이다.

 

 

물리적 성질

알루미늄은 약한 푸른색을 띠는 은색 금속으로, 연성과 전성이 커서 가는 선이나 얇은 박으로 쉽게 가공될 수 있다. 녹는점은 660.32oC이고 끓는점은 2,519oC이다. 밀도는 2.70g/cm3로 철(밀도 7.874 g/cm3)의 약 1/3에 불과하나 강도는 비슷하며, 자석 성질은 갖고 있지 않다. 전기 전도도와 열 전도도는 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au)보다는 못하지만 꽤 좋은데다가 가격이 월등히 싸기 때문에 많이 이용되는 전기 도체이다. 결정은 대부분의 금속과 마찬가지로, 면심입방구조(fcc) 구조를 갖는다.   알루미늄은 아주 좋은 빛의 반사체이다. 알루미늄 반사체 거울은 자외선과 중간 및 원적외선 영역에서는 어떤 다른 금속을 사용한 것보다 반사율이 좋으며, 가시광선 영역에서는 주석(Sn), Ag가, 그리고 근적외선 영역에서는 Ag, Au, Cu가 알루미늄보다 반사율이 약간 더 좋다. 고운 분말 상태에서도 반사율이 거의 그대로 유지되기 때문에, 은색 페인트 성분으로 사용된다.

금속 알루미늄 조각. 알루미늄은 은색 금속으로, 연성과 전성이 커 선이나 얇은 박으로 쉽게 가공될 수 있다. <출처: (CC)W. Oelen at wikipedia.org>

 

천연 상태에서 알루미늄은 안정한 핵 종인 27Al로 거의 100% 존재하나, 방사성 동위원소인 26Al도 극미량 존재한다. 26Al는 반감기가 7.17x105년으로 비교적 짧아 원시 원자가 아직도 남아있을 가능성은 거의 없으며, 아르곤(Ar) 원자가 우주선 양성자에 의해 파괴되면서 소량 생성되어 존재하는 것으로 여겨진다. 26Al는 양전자(β+) 방출 또는 전자 포획에 의해 26Mg로 변환되며, 이때 감마선과 x-선도 방출하는데 지구 상에 떨어진 운석의 연대를 계산하는 데 사용된다. 또 26Al과 10B의 존재 비는 수십만 년의 기간에 걸쳐 일어난 물질의 수송, 퇴적, 침식 등을 연구하는 데 사용된다. 여러 다른 방사성 알루미늄 동위원소들이 핵 반응에서 합성되었으나, 실용적으로 이용되는 것은 아직 없다.

 

 

화학적 성질

알루미늄의 전자배치. <출처: (CC)Pumbaa at wikipedia.org>

알루미늄 원자는 13개의 전자를 갖고 있어 바닥 상태 전자 배치는 [Ne]3s23p1 이며, 거의 모든 화합물에서 +3의 산화 상태를 갖는다. 폴링의 전기 음성도는 1.61로, 상당히 전기 양성적인 금속이다. 따라서 알루미늄은 비교적 반응성이 큰 금속으로, 가열하면 대부분의 비금속 원소들과 AlN, Al2S3, AlX3 따위의 화합물을 만든다. 산소와도 아주 잘 반응하기 때문에, Cr, Mn, V 등의 산화물에서 산소를 빼어내어 금속을 얻는 테르밋 공정(thermite process)에서 환원제로 사용된다. 이와 같은 큰 반응성에도 불구하고, 알루미늄을 가구나 건축물에 많이 사용하는데 이는 알루미늄이 공기에 노출되면 얇은 산화물 피막이 단단하게 형성되어 더 이상 산화되지 않도록 보호하기 때문이다. 알루미늄 산화물은 흰색으로, 표면이 녹슨 알루미늄에서 쉽게 볼 수 있다. 13족(3A) 중에서는 가장 환원력이 크며, Al3+/Al 반쪽 전지의 표준전위는 -1.676 V이다.

 

Al3+ + 3 e- → Al                           Eo= -1.676 V   순수한 알루미늄은 뜨거운 물과도 반응하며, 가루 상태에서는 물에 노출되면 불이 붙는다. 알루미늄은 양쪽성 금속으로, 산과 반응하면 Al3+이 되면서 수소 기체를 발생시키며, 또한 알칼리와도 반응한다. NaOH 수용액에서의 반응은 다음과 같이 적을 수 있다.   2 Al + 2 NaOH + 6 H2O → 2 Al(OH)4- + 2 Na+ + 3 H2

 

 

보크사이트: 알루미늄 광석

대략 270 종류가 넘는 알루미늄 광물들이 있지만, 알루미늄은 주로 보크사이트(bauxite) 광석에서 생산된다. 이 광석은 1821년에 프랑스 동남부의 레보(Les Baux) 부근에서 처음 발견되었는데, 산업적으로 사용되는 전형적인 보크사이트는 40~60% Al2O3, 12~30% H2O, 7~30% Fe2O3, 1~15% SiO2, 3~4% TiO2, 그리고 소량의 P2O5, V2O5 등으로 이루어져 있다.   보크사이트의 전세계 추정 매장량은 대략 380억 톤이며, 베트남(2010년 정부 발표 110억 톤), 기니(86억 톤), 호주(79억 톤) 등에 주로 매장되어 있다. 연간 생산량은 약 2억5,000만 톤으로, 호주(7,900만 톤), 중국(3,200만 톤), 브라질(2,500만 톤), 인도(2,000만 톤), 기니(1,800만 톤), 자마이카(1,500만 톤) 등에서 주로 생산된다. 보크사이트의 약 80%는 알루미늄 금속을 얻는 데 사용되며, 나머지는 Al2O3나 Al(OH)3로 전환되어 내화물, 고알루미나 시멘트, 알루미늄 화합물의 제조 등에 쓰이거나, 건조제와 석유화학 공업 촉매 등으로 사용된다.

알루미늄은 주로 보크사이트 광석에서 생산된다.

 

 

알루미늄의 생산 보크사이트 광석에서 알루미늄을 얻는 과정은 보통 두 단계로 이루어진다. 첫 단계는 광석에서 순수한 알루미나(Al2O3)를 얻어내는 베이어 공정(Bayer process)으로, 보크사이트를 NaOH로 처리하여 알루미늄을 NaAlO2 형태로 녹여낸 후, 이를 Al(OH)3로 침전시키고 여과하여 1,200oC에서 구우면 순수한 Al2O3가 얻어진다. 다음 단계에서는 앞에서 얻은 Al2O3를 빙정석(Na3AlF6)과 함께 용융시키고, 이것을 940~980oC에서 탄소를 입힌 강철을 환원전극(cathode)으로, 탄소를 산화전극(anode)으로 하여 전기분해시켜 알루미늄 금속을 얻는다. 이 공정을 홀-에루(Hall-Héroult) 공정이라 하는데, 처음에는 그린랜드(Greenland)의 광산에서 채굴한 빙정석을 사용하였으나, 이의 양이 적어 지금은 앞의 베이어 공정에서 얻은 NaAlO2를 HF와 반응시켜 생산한 합성 빙정석을 주로 사용한다.   6 HF + 3 NaAlO2 → Na3AlF6 + 3 H2O + Al2O3   전반적인 전기분해 반응은 다음과 같다.   2 Al2O3 + 3 C → 4 Al + 3CO2 1 kg의 금속 알루미늄을 생산하는 데는 1.89 kg의 Al2O3, 약 0.45 kg의 탄소 산화전극, 0.07 kg의 Na3AlF6가 필요하며, 약 15 kWh의 전력이 소모된다. 전체 생산 비용에서 전력 요금이 차지하는 비중이 20~40%로 매우 높은 편이어서, 전력 공급이 부족하거나 요금이 비싼 나라에서는 알루미늄을 생산하기 어렵다.

 

사용된 폐 알루미늄은 이론상 100% 재활용될 수 있는데, 회수된 폐 알루미늄을 재생하는 것이 광석에서 생산하는 것보다 훨씬 유리하다. <출처: sxc.hu>

사용된 폐 알루미늄은 이론상 100% 재활용될 수 있는데, 회수된 폐 알루미늄을 재생하는 것이 광석에서 생산하는 것보다 훨씬 유리하다. 재생하는 데는 에너지가 5%만 필요하고, 찌꺼기도 단지 15% 정도만 나와 광석에서 생산할 때보다 월등히 적다. 따라서 알루미늄 재활용은 에너지를 아낄 뿐 아니라 폐기물 발생을 줄이는 효과도 가져온다. 유럽에서는 음료수 용기로 사용된 알루미늄의 42%, 건축 재료의 경우 85%, 교통 기관의 경우 95%가 회수되어 재생된다. 우리나라에서도 폐 알루미늄이 적극 회수되어 재활용되고 있다. 미국에서는 생산된 알루미늄의 약 1/3을 재생 알루미늄이 차지하며, 재생 알루미늄은 주로 합금에 사용된다.   2009년 전세계 알루미늄 생산량은 약 4,140만 톤이다. 주요 생산국은 중국(1,680만 톤: 41%), 러시아(385만 톤, 9.3%), 캐나다(292만 톤, 7.1%), 호주(192만 톤, 4.6%), 미국(172만 톤, 4.2%), 브라질(155만 톤, 3.7%)이다. 2003년과 비교할 때 다른 나라의 생산량은 크게 변하지 않았으나, 중국의 경우에는 549만 톤에서 무려 3배나 증가하였다.

 

 

알루미늄의 이용 알루미늄은 철 다음으로 많이 생산되는 금속으로, 알루미늄 박(포일) 등 포장에 쓰이는 것을 제외하고는 거의 대부분 합금을 만들어 강도를 높여 사용된다. 가장 많이 사용되는 부분은 승용차와 트럭 등 교통기관으로 약 28%가 사용된다. 이는 차량의 경량화를 가져와 에너지 절감에 기여하고 있으며, 전기자동차가 보편화되면 더욱 많은 양이 이 분야에 사용될 것으로 예상된다. 다음으로 많이 사용되는 것은 알루미늄 박(포일)과 각종 용기 등 포장에 사용되는 것으로 전체 사용량의 약 23%를 차지한다. 그리고 14%는 창틀, 지붕 재료 등 건축 자재로 사용되며, 나머지 35%는 전선, 가전제품, 자동차 엔진, 냉·난방기 등 열 교환기, 주방기구, 기계, 특수 화학 설비 등에 이용된다.

 

알루미늄이 가장 많이 사용되는 분야는 승용차와 트럭 등 교통기관으로 전체 사용량의 약 28%가 사용된다. 차체가 가벼워야 하는 전기자동차가 보편화되면 더욱 많은 양이 이 분야에 사용될 것으로 예상된다. <출처: (CC)frankh at Wikipedia.org>

알루미늄 전체 사용량의 약 23%는 알루미늄 박(포일)과 각종 용기 등 포장에 사용된다. <출처: sxc.hu>

 

 

알루미늄 합금은 합금에 들어가는 원소의 종류나 양에 따라 1000에서 7000번까지 번호를 매겨 구분한다. 1000번 계열은 다른 원소의 함량이 1% 미만인 거의 순수한 알루미늄으로, 기계적 강도는 약한 반면 다른 성질이 우수하여 화학 장치, 반사체, 열 교환기, 건물과 장식품의 마감재 등에 주로 사용된다. 2000번 계열은 약 5%의 구리(Cu)를 포함하는 합금으로, 기계적 강도와 가공성이 좋고 내부식성도 우수하여 화물차 판넬벽, 항공기 구조 부품과 같이 무게 대비 큰 강도가 필요한 것에 사용된다. 3000번 계열은 약 1.2%의 망가니즈(Mn)를 포함하는 합금으로 중간 정도의 강도를 가지며 가공성이 좋아 조리기구, 저장 용기, 가구, 고속도로 표시 판, 지붕 재료 등으로 주로 사용된다. 4000번 계열은 12% 미만의 규소(Si)를 포함하며, 녹는점이 낮고 열 팽창계수가 작아 주물, 용접, 그리고 알루미늄에 회색을 내는 데 사용된다. 5000번 계열은 0.3~5%의 마그네슘(Mg)을 포함하며, 강도와 용접성이 좋고 바닷물에 대한 내부식성이 뛰어나 장식용 마감재, 선박, 냉동 용기, 크레인 부품 등에 많이 사용된다. 6000번 계열은 Mg/Si과의 합금으로, 성형성과 내부식성이 뛰어나 건축재료, 운반 기구, 다리, 용접 건축물에 많이 사용된다. 마지막으로 7000번 계열은 3~8%의 아연(Zn)/Mg과의 합금으로 열처리를 하면 아주 강해져 주로 항공기 구조물 등 무게 대비 높은 강도가 필요한 기구에 사용된다.   이외에도 알루미늄은 자체 또는 합금으로 동전을 만드는 데 쓰이며, 니켈과 코발트의 합금으로 알니코(alnico) 자석을 만드는 데도 사용된다. 알루미늄 분말은 페인트, 고체 로켓 연료에 쓰이며, 금속 산화물과 혼합되어 용접, 금속 야금, 수류탄 등에 이용된다. 금속 분말(특히 알루미늄 분말)과 금속 산화물의 혼합물을 테르밋(thermite)이라 하고 이들 간에 일어나는 발열성 산화-환원 반응을 테르밋 반응이라 하는데, Al과 Fe2O3 혼합물의 테르밋 반응은 반응열이 매우 커서 온도가 2500oC까지 올라갈 수 있다.   Fe2O3 + 2 Al → 2 Fe + Al2O3         ∆Ho = -851.5 kJ (발열)

 

3000번 계열의 알루미늄 합금은 약 1.2%의 망가니즈(Mn)를 포함하는 합금으로 중간 정도의 강도를 가지며 가공성이 좋아 조리기구, 저장 용기, 가구, 고속도로 표시 판, 지붕 재료 등으로 주로 사용된다. <출처: gettyimages>

7000번 계열의 알루미늄 합금은 3~8%의 아연(Zn)/Mg과의 합금으로 열처리를 하면 아주 강해져 주로 항공기 구조물 등 무게 대비 높은 강도가 필요한 기구에 사용된다. <출처: gettyimages>

 

 

화합물과 이들의 이용 생산된 알루미늄의 소량만이 알루미늄 화합물 제조에 사용되기는 하나, 이들 화합물들은 여러 용도로 사용된다. 화합물에서 Al의 주된 산화 수는 +3이며, 이들은 보통 6배위 화합물로 존재하고, 대부분 무색이다. 몇 가지 중요한 알루미늄 화합물들과 이들의 용도를 소개하면 다음과 같다.   ‘알루미나’로 불리는 산화 알루미늄(Al2O3)은 알루미늄 부동화 막을 이루는 것으로, 녹는점이 2,072oC로 아주 높고 전기 부도체이나 세라믹 물질로는 비교적 큰 열 전도도(30 W∙m-1∙K-1)를 갖는다. 보통은 베이어 공정으로 보크사이트 광석에서 얻는다. 물에는 녹지 않으나, 산과 알칼리와 모두 반응하는 양쪽성 물질이다.   Al2O3 + 6 H+ → 2 Al3+ + 3 H2O Al2O3 + 6 OH- + 3 H2O → 2 Al(OH)63-   Al2O3는 플라스틱 충진제, 햇빛 차단제 및 화장품의 구성 성분, 백색 안료, 정유 공장에서 H2S를 원소 S로 변환시키는 반응과 알코올을 알켄(alkene)으로 탈수시키는 반응의 촉매, 기체에서의 수분 제거제, 크로마토그래피 고정상, 인공 고관절, IC 회로의 전기 부도체 기판 등 아주 여러 용도에 사용된다. 또한 여러 촉매의 지지제, 연마제, 내열 재료 등으로도 사용된다. 그리고 Al2O3 생산의 중간 물질인 수산화 알루미늄(Al(OH)3)은 고분자 물질의 방염 및 방수 처리, 의료용 제산제, 매염제, 물의 정제, 유리 및 도자기 생산 등에 사용된다.

 

알루미나로 불리는 산화 알루미늄은 햇빛 차단제 및 화장품의 구성 성분으로도 사용된다. <출처: gettyimages>

붕수소화 알루미늄은 로켓 연료, 제트 연료의 첨가제, 실험실에서의 환원제로 사용된다. <출처: gettyimages>

 

 

알루미늄의 수소화물의 일종인 LiAlH4는 수소화리튬(LiH)과 AlCl3를 반응시켜 얻는데, 화학반응에서 환원제나 수소화 시약으로 널리 사용된다. 4 LiH + AlCl3 → LiAlH4 + 3 LiCl   이와 유사하게 붕수소화 알루미늄(Al(BH4)3)은 NaBH4 또는 Ca(BH4)2와 AlCl3를 반응시켜 얻는데, 로켓 연료, 제트 연료의 첨가제, 실험실에서의 환원제로 사용된다. 인화 알루미늄(AlP)은 Al과 인(P4)을 직접 반응시켜 얻는데, 이 화합물은 물이나 산과 반응하여 포스핀(PH3)을 내어 놓아 곡물 장기 운송과 보관 시 훈증 살서제와 살균제로 사용된다.   황산 알루미늄(Al2(SO4)3) 및 이의 복염(예로, Al(NH4)(SO4)2)은 연간 수백만 톤이 생산되어 물 처리, 종이 생산과 가죽 가공, 식품 첨가제, 내화성 처리 등에 사용된다. 염화 알루미늄(AlCl3)은 Al과 Cl2를 반응시켜 얻는데, 가장 강력한 루이스 산의 하나로, 유기화학 반응의 촉매로 많이 이용된다. 예로, 방향족 화합물을 할로겐화 알킬(alkyl halide) 또는 할로겐화 아실(acyl Halide)과 반응시켜 알킬화 또는 아실화된 생성물을 얻는 프리델크래프츠 반응(Fridel-Crafts reaction)의 촉매로 사용되며, 이 반응은 세제, 에틸벤젠, 합성 고무를 생산하는 데 중요하게 이용된다. 인산 알루미늄(AlPO4)은 유리와 도자기 제조, 화장품, 페인트, 종이 제조, 그리고 치아용 시멘트로 사용된다.

 

 

생물학적 역할과 독성 비록 알루미늄 화합물이 자연계에 널리 분포되어 있으나, 이들의 생물학적 역할은 아직 알려진 것이 없다. 알루미늄은 거의 독성이 없으며, 쥐를 이용한 동물 실험 결과 황산 알루미늄의 치사량(LD50)은 체중 1 kg당 약 6 g인 것으로 밝혀졌다. 1980년대에 일부 과학자들이 알루미늄이 치매와 관련될 수 있다고 제안하였으나, 아직 그 연관성은 분명하지 않으며 계속 연구 중에 있다.

 

 

1. 알루미늄의 국제적 이름
   현재 많이 사용되는 알루미늄의 국제적 이름은 ‘aluminium’이나, 북미에서는 흔히 ‘i’ 가 하나 빠진 ‘aluminum’으로 적는다. IUPAC은 1990년에 ‘aluminium’을 국제표준어로 채택하였으나, 3년 후 ‘aluminum’도 함께 쓰기로 하였다. 이와 유사하게 원자번호 55번인 세슘(Cs)의 경우에도 IUPAC 추천 명칭은 caesium이나 미국에서는 전통적으로 ‘a’를 뺀 cesium으로 불러왔으며 현재 두 이름이 함께 사용되고 있다.

2. 수치로 보는 알루미늄
   알루미늄의 표준원자량은 26.982g/mol이고, 바닥 상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p¹ ([Ne]3s²3p¹) 이다. 화합물에서 주된 산화 상태는 +3이다. 지각에서의 존재 비는 약 8.3%로 산소와 규소 다음으로 많고, 금속 중에서는 가장 많다. 2009년 전세계 생산량은 4,140만 톤으로 철다음으로 많으며, 중국에서의 생산량이 1,680만 톤으로 전체의 41%를 차지한다. 1기압에서 녹는점은 660.32^oC이고 끓는점은 2,519^oC이며, 20 ^oC에서 밀도는 2.70g/cm³이다. 20^oC에서 전기 비저항은 28.2nΩ∙m이며, 열 전도율은 237 W∙m^-1∙K^-1이다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 577.5, 1817, 2,745kJ/mol 이며, 폴링의 전기 음성도는 1.61이다. 원자 반경은 143pm이고, Al³⁺ 이온(6 배위체)의 반경은 53.5pm이다. 천연 상태에서는 거의 모두 ²⁷Al로 있다.

 

 

 

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.

발행일  2012.03.07 

Aluminum

Atomic Weight		26.981538
Density		2.7 g/cm3
Melting Point		660.32 °C
Boiling Point		2519 °C
Full technical data

These nodules were created by pouring molten aluminum into a bucket of water. There was no reason to do this other than my desire to create a sample to photograph for a certain periodic table poster.

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