화합물과 이들의 이용
바나듐은 산소와 여러 가지 산화물을 만드는데, 이들은 갈색의 V2O, 회색의 VO, 흑색의 V2O3, 암적색의 VO2, 주황색의 V2O5 들이다. 이 중에서 오산화바나듐(V2O5)이 가장 흔하고 응용되는 곳이 많다. V2O5는 금속 바나듐이나 페로바나듐 생산의 중간 물질로, 바나듐 광석이나 슬래그에서 얻는 NaVO3 수용액을 산성화시켜 얻는데, 이렇게 얻은 것에는 불순물이 많이 들어있다. 또 바나듐을 산소와 반응시켜 얻은 V2O5에는 다른 바나듐 산화물이 불순물로 들어 있다. 순수한 V2O5는 메타바나듐산 암모늄(NH4VO3)을 열 분해시켜 얻는다.
2NH4VO3 → V2O5 + 2NH3 + H2O
V2O5는 황산(H2SO4)을 접촉법으로 제조할 때 촉매로 사용되는데, 아황산가스(SO2)를 삼산화황(SO3)으로 산화시키는 반응의 촉매이다. SO3를 물에 녹인 것이 황산이다. 이 촉매 반응은 다음의 2 단계 반응으로 일어난다.
SO2 + V2O5 → SO3 + 2VO2
2VO2 + ½O2 → V2O5 ________________________________ 전체 반응: SO2 + ½O2 → SO3
V2O5는 또한 폴리에스테르의 중요한 원료인 말산 무수물(malic unhydride)을 비롯한 여러 유기화학 물질 생산에도 촉매로 사용되며, 유리와 세라믹에 색을 내는 물질로도 이용된다. 그리고 전기저항이 온도에 민감하게 변하기 때문에, 열 효과를 이용한 광 검출기인 볼로미터(bolometer)에 사용되며, 에탄올 검출기에도 이용된다.
V2O5는 바나듐산(HVO3 또는 H3VO4 또는 H4V2O7)의 무수물로 볼 수 있으며, 산과 염기에 모두 작용하는 양쪽성 물질로 산성 용액에서는 VO2+ 이온을, 알칼리 용액에서는 [VO4]3-이온을 만든다.
산성 용액: V2O5 + 2H+ → 2VO2+ + H2O 알칼리 용액: V2O5 + 6OH- → 2[VO4]3- + 3H2O
그러나 이와 같은 반응은 매우 강한 산성과 매우 강한 알칼리성에서 일어나는 것이며, 중간 pH에서는 여러 산소산 이온들이 만들어져 보다 복잡한 평형 관계를 이룬다. 바나듐산 염, 특히 NH4VO3는 매염제(염료가 천에 잘 부착되도록 하는 물질)로 쓰인다.
바나듐은 칼코겐 원소(S, Se, Te)들과 다양한 조성의 이성분 화합물들을 만든다. 황의 경우, V3S, V5S4, VS, V7S9, V3S4, V2S3, V5S8, VS4 등이 만들어지는데, 이들 대부분은 금속과 같은 전기전도성를 보이나 자기적 성질은 반자성(예로 VS4), 상자성(예로 VS, V2S4), 강자성(예로 V7S8)으로 다양하다.
바나듐은 할로겐 원소들과 반응하여 산화수가 +2에서 +5에 이르는 여러 이성분 화합물들을 만든다. 이중VCl4는 다이엔(diene: 2개의 탄소-탄소 이중 결합을 갖는 화합물)의 중합 촉매로 합성 고무 산업에서 사용되며, 페놀 분자를 서로 연결시키는 시약으로 사용된다. 또한 VOCl2와 같은 여러 옥시할로겐 화합물들도 알려져 있다.
2C6H5OH + 2VCl4 → HOC6H4–C6H4OH + 2VCl3 + 2HCl
대부분의 바나듐 이성분 화합물들은 루이스 산으로, 배위수가 3~8인 배위착화합물들을 만드는데 6배위 화합물들이 가장 흔하다. 여러 바나듐-유기 화합물들도 알려져 있으며 이들은 주로 이염화바나도센(V(Cp)2Cl2: Cp는 시클로펜타다이엔)에서 만드는데 V(Cp)2Cl2는 항암 작용을 보인다고 보고되었다. V(CO)6은 짝짓지 않은 전자를 갖는 금속 카르보닐(CO) 화합물로, 환원되면 V(CO)6-와 V(CO)63-가 된다.
생물학적 역할
멍게류 등 일부 무척추 동물들은 혈액에 바나듐을 엄청나게 많이 농축시키는 능력을 갖고 있다. 예로 멍게류의 일종인 ascidia nigra의 혈액에는 바나듐이 바닷물에 들어있는 농도의 약 1000만 배인 1.45%나 되는 농도로 산성화된 액포에 저장되어 있다. 바나듐산은 인산기를 인식하는 효소의 강력한 저해제로 밝혀져, 이를 인산으로 오인하여 농축시키는 것으로 추측되고 있으나 확실하지는 않다.
여러 가지 독 버섯(예로 광대 버섯)들도 바나듐을 농축시키는데, 어떤 것에는 건조 무게 1kg당 0.5g의 바나듐이 들어있기도 하나, 바나듐의 정확한 생물학적 기능은 알려지지 않았다. 여러 해조류(marine algae)들은 Br-로부터 유기브로민 화합물을 만드는데, 이때 촉매로 작용하는 브로모과산화효소(bromoperoxidase)의 활성에 바나듐이 필요하며, 또한 일부 미생물들의 질소 고정에 관여하는 질소고정효소에도 바나듐이 들어있는 것으로 알려져 있다.
쥐와 병아리의 동물 실험 결과, 이들에게 미량의 바나듐이 필요하며, 바나듐 결핍은 성장과 번식에 장애를 초래하는 것으로 밝혀졌다. 사람의 몸에는 체중의 약 3x10-6%(전체로 0.001g 이하)의 바나듐이 들어 있다. 바나듐은 사람과 포유동물에 필수 미량 영양소로 여겨지나, 어떤 생물학적 기능을 하는지는 알려지지 않았고 보조 영양소로 섭취할 필요성이 있는지에 대해서도 아직 어떤 결론이 내려진 상태는 아니다. 황산바나딜(VO2SO4)이 제2형 당뇨병 환자에 효력이 있는 것으로 알려져 있다. |