Cobalt ( Co ), 27 - 코발트

 

많은 사람들이 코발트라 하면 맑고 푸른 하늘의 코발트 색을 떠올리는 반면, 독일인들은 도깨비나 악귀를 떠올릴 것이다. 왜냐면 코발트란 원소 이름이 도깨비를 뜻하는 독일어 kobold를 따서 지어졌기 때문이다. 코발트는 옛날부터 유리와 도자기의 푸른색을 내는 데 사용되어 왔으며, 지금은 슈퍼합금, 내마모성 합금, 자석 합금, 안료, 리튬-이온 전지 등의 제조에 쓰일 뿐 아니라 화학공업의 여러 촉매에도 들어가는 등 다양한 산업에서 아주 유용하게 쓰이는 금속 원소이다. 또한 코발트는 비타민 B12의 핵심 구성 원소이며, 인공 방사성 동위원소 코발트-60(60Co)는 방사선 추적자와 방사선 치료, 식품과 의약품의 멸균, 식물 품종 개량 등에 중요하게 이용된다. 그러나 전체 코발트 생산량의 약 반이 정치가 불안한 콩고 공화국에서 생산되고 있어 항상 안정된 공급이 우려되는 전략 금속 중의 하나이기도 하다. 코발트의 역사, 성질, 생산과 이용에 대해 구체적으로 알아보자.     원자번호 27번, 코발트 코발트(cobalt)는 원자번호 27번의 원소로, 원소기호는 Co이며, 주기율표에서는 9족(8B족)에 속한다. 단단하고 금속 광택이 나며 엷은 푸른색을 띠는 은회색 금속으로 강자성이다. 코발트 광석은 수 천년 동안 도자기나 유리의 푸른색을 내는 데, 그리고 푸른색 물감 재료로 널리 사용되어왔다. 1735년에 금속상태의 원소가 처음으로 분리되었다. 화학 반응성은 철보다는 상당히 작으며, 실온에서는 산소나 물과 반응하지 않는다. 묽은 산에는 천천히 녹으며, 가열하면 할로겐이나 다른 비금속 원소들과 반응한다. 화합물에서 흔한 산화 상태는 +2와 +3이다.

 

원자번호 27번, 코발트.

코발트의 원소 정보.

 

 

코발트의 지각에서의 존재 비는 29ppm(0.0029%)로, 30번째로 풍부한 원소이다. 첫 주기 전이금속 원소(21Sc에서 30Zn까지의 금속원소) 중에서는 Sc(존재 비 0.0025%)다음으로 희소하다. 천연 상태에서는 금속 코발트로는 존재하지 않고 단지 화합물로만 있다. 코발트가 들어있는 광물은 200 종 이상이 알려져 있으나 상업적 가치가 있는 것은 몇 종류 되지 않으며, 주로 비소(As) 또는 황 화합물로 있다. 대표적인 광물은 비(砒)코발트광(smaltite, CoAs2), 휘코발트광(cobaltite, CoAsS), 린내아이트(linnaeite, Co3S4), 방코발트광(skutterudite, CoAs3)이다. 이들 광물에는 보통 니켈(Ni)이나 구리(Cu), 납(Pb)이 함께 들어있어, 코발트는 이들 금속을 생산할 때 부산물로 주로 얻는다. 코발트 광석의 주된 매장지는 콩고 공화국이며, 캐나다, 러시아, 호주 등에도 어느 정도 매장되어 있다.   코발트는 자석 합금, 내마모성 합금, 고강도 고온용 합금(슈퍼합금 또는 초합금)을 만드는 데 많이 사용된다. 화학 공업에서 쓰이는 각종 촉매에도 코발트가 들어 있으며, 리튬 이온 전지의 양극 재료를 만드는 데도 사용된다. 또한 코발트 블루(cobalt blue)로 불리는 알루미늄산 코발트(CoAl2O4)는 푸른색 물감과 페인트의 안료로 쓰이며, 산화 코발트(CoO)는 화감청(花紺靑, smalt)을 만들어 유리나 도자기의 짙은 푸른색을 내는 데 사용된다.   코발트는 사람을 비롯한 여러 동물들에게 필수적인 무기물 영양소이다. 여러 효소의 보조인자에 코발트가 들어 있는데, 비타민 B12가 대표적인 예이다. 인공 방사성 동위원소 코발트-60은 감마선원(原)으로 방사성 치료, 식물 품종 개량, 식품 보존 등 여러 분야에서 중요하게 이용된다.

 

 

역사와 분리∙발견

코발트를 푸른 안료로 사용한 중국의 자기(명대). 코발트 화합물은 아주 오래 전부터 유리나 도자기에 푸른 색을 내는 데 사용되어 왔다. <출처: (CC)Hiart at Wikipedia.org>

코발트 화합물들은 광물의 형태로 수 천년 전부터 유리나 도자기에 푸른 색을 내는데 사용되어 왔다. 기원전 2천 년대에 제조된 이집트의 도자기와 이란의 유리구슬에 코발트가 들어있으며, 당나라와 명나라 때 만들어진 도자기의 푸른색도 코발트 광석을 이용하여 얻었다.   코발트라는 이름은 독일어로 도깨비 또는 악귀를 뜻하는 kobold에서 나왔다. 중세 독일의 작센(Saxony) 지역에서는 은이 많이 생산되었는데, 16세기 말에는 은 생산량이 해마다 줄어들었다. 광부들이 은 광석과 비슷하게 생긴 광석을 채굴∙제련했는데 은은 얻어지지 않고 제련로만 손상되고 아주 유독한 증기(코발트와 같이 들어있었던 비소(As)에서 나오는 AsO3)로 사람들만 병들 뿐이었다. 광부들은 이를 은을 숨기고, 쓸모 없고 해로운 돌 덩어리를 남겨놓은 도깨비의 짓이라 여기고, 이 광석을 ‘도깨비 광석’이라 불렀다. 이 즈음 어떤 사람이 ‘도깨비 광석’에서 은을 회수하는 실험을 하다가 은 대신에 진한 푸른색을 내는 물질을 얻었는데 이 새로운 물질이 현재 코발트 블루라 불리는 알루미늄산 코발트로, 이후 푸른색 안료로 요긴하게 사용되었다.

 

1735년경 스웨덴 화학자 브란트(George Brandt, 1694~1768)는 ‘도깨비 광석’에서 아주 불순한 상태지만 어떤 금속을 분리하고, 이를 새로운 원소라 주장하였다. 그러나 당시 화학자들은 브란트의 주장에 쉽게 수긍하지 않았는데, 이는 코발트와 구리 화합물들이 둘 다 푸른색을 띠어 이들이 오랫동안 혼동되어 왔기 때문이다. 계속된 연구를 통해 브란트는 새로 분리한 금속 화합물이 구리 화합물에 비해 더욱 진한 푸른색을 띠며, 푸른 유리의 색이 이 금속 때문임을 보였는데, 그제서야 화학자들은 이 금속이 새로운 원소임을 믿게 되었다. 1780년에 버그만(Torbern Olof Bergman, 1735~1784)이 이것이 새로운 원소임을 재차 확인하였으며, 이 원소의 이름은 독일 광부들이 부른 ‘도깨비 광석’에서 따와 영어로는 ‘cobalt’, 독일어로는 ‘kobalt’로 부르게 되었다.   1842년에는 코발트의 전기도금법이 개발되었으며, 20세기에 들어와서는 코발트를 첨가한 자석 합금과 강도가 매우 좋은 초합금 등이 개발되었다. 20세기 중반에는 석유의 탈황을 비롯한 여러 화학반응의 촉매 등으로 코발트가 광범위하게 사용되기 시작하였다. 또한 인공 방사성 동위원소 코발트-60이 1938년에 발견되어 방사성 치료, 식품과 의약품의 멸균 등에 사용되게 되었다.

 

코발트 조각과 고순도 입방체(왼쪽). <출처: (CC)Alchemist-hp at Wikipedia.org>

 

 

물리적 성질 코발트는 단단하고 엷은 푸른색을 띠는 은회색 금속으로, 철(Fe), 니켈과 겉모양이 비슷하다. 잡아 늘리기 쉬운 성질(연성)을 가지며, 펴 늘리기 쉬운 성질(전성)도 약간 있다. 철, 니켈과 함께 실온에서 강자성인 3가지 원소 중의 하나이다. 가돌리늄(Gd)도 강자성 원소이기는 하나, 퀴리 온도(자석 성질을 띠는 최대 온도)가 약 27oC로 실온에서 자석으로 사용하기는 거의 불가능하다. 강자성 물질은 영구 자석이 될 수 있는데, Co의 퀴리 온도는 1,130oC로, Fe의 770oC, Ni의 380oC보다 월등히 높다. 조밀육방격자(hcp) 구조인 α-형과 면심입방격자(fcc) 구조인 β-형의 두 가지 동소체가 있으며, hcp구조에서 fcc구조로의 전이는 450oC에서 일어나나 이들 구조 사이의 에너지 차이가 적고 구조 전이가 느리기 때문에 코발트는 보통 두 구조가 섞여있는 형태로 얻어진다. β-형은 약간의 Fe을 첨가하면 안정화된다. 이 때문에 코발트에 대해 보고된 물리적 성질이 연구자들마다 약간씩 다르다. 녹는점은 1,495oC이고 끓는점은 2,927oC이며, 20oC에서 밀도는 8.90g/cm3이다.   천연 상태에서 코발트는 안정한 동위원소인 59Co로만 있다. 여러 가지 인공 동위원소들이 합성되었는데, 이중에서 가장 중요한 것이 반감기가 5.27년인 60Co이다. 이 방사성 동위원소는 농축된 감마(γ)-선원으로 여러 분야에 널리 사용된다.

 

 

화학적 성질

코발트의 반응성은 철보다 작으며, 실온에서 대기 중의 산소나 물과 반응하지 않는다. 그러나 가열하면 산소와 반응하여 처음에는 Co3O4가 생성되는데, 이는 900oC 이상에서는 CoO와 산소로 분해된다. 빨갛게 달군 금속 Co와 수증기의 반응에서도 CoO가 생성된다. 묽은 산에 천천히 녹아 Co2+ 이온이 되면서 수소 기체를 발생시킨다. 가열하면 할로겐 원소, 붕소(B), 탄소(C), 인(P), 비소(As), 황(S) 등의 비금속 원소들과 반응하나, H2와 N2와는 반응하지 않는다.   코발트는 27개의 전자를 갖고 있어, 바닥 상태 전자배치는 [Ar]3d74s2이다. 산화수가 -3에서 +4에 이르는 여러 가지 산화 상태의 화합물들이 알려져 있는데, 이중에서 +2와 +3의 산화 상태가 가장 흔하다. 수용액에서는 [Co(H2O)6]2+ 또는 [Co(H2O)6]3+로 존재할 수 있으며,  [Co(H2O)6]3+는 표준 환원전위가 1.83V로, 1.36V인 염소(Cl2)보다도 산화력이 크다.

코발트의 전자배치. <출처: (CC)Pumbaa at Wikipedia.org>

 

[Co(H2O)6]3+ + e-  [Co(H2O)6]2+   Eo = 1.83 V   따라서 Co(III)는 Cl-에 의해 Co(II)로 환원되며, Br-와 I-에 의해서도 환원된다. 또한 +3가 상태의 Co는 중성이나 알칼리성 수용액에서 물을 산화시켜 산소를 발생시킨다.     코발트의 생산 코발트는 주로 구리와 니켈 생산의 부산물로 얻어진다. 따라서 코발트의 생산 방법은 주 생산 금속의 종류와 광석에서의 코발트 함량에 따라 크게 달라진다. 구리 광석인 경우의 한 가지 방법은 구리를 전기 분해로 회수하고 남은 용액에 석회(CaO)를 첨가하여 철을 Fe(OH)3로 침전시켜 제거한 후, 남은 용액을 다시 높은 전압으로 전기분해시켜 코발트를 회수하는 것이다. 니켈 광석의 경우는 여러 단계의 과정을 거친 후 음이온 교환 방법을 써서 코발트를 [CoCl4]2- 형태로 분리한다.   전기분해 방법을 쓰지 않는 경우, 코발트는 보통 최종적으로는 Co3O4 형태로 얻어지는데, 이 산화물을 용광로에서 알루미늄이나 탄소로 환원시키면 금속 코발트가 얻어진다.   3Co3O4 + 8Al (또는 12C) → 9Co + 4Al2O3 (또는 12CO)   2009년의 전 세계 코발트 생산량은 약 72,300톤이었다. 콩고공화국이 이의 약 50%인 35,500톤을 생산하였으며, 이외에 러시아(6,000톤), 중국(6,000톤), 호주(4,630톤), 캐나다(4,072톤), 쿠바(3,500톤) 등에서도 상당량을 생산하였다. 전 세계 매장량은 1300만 톤으로 추정되는데, 콩고 공화국에 이의 35%인 470만 톤이 매장되어 있는 것으로 파악되며, 쿠바(180만 톤)와 호주(170만 톤)에도 상당량이 매장되어 있다. 콩고 공화국의 정치적 상황이 국제 코발트 시세를 좌우하는 주요 요인이 되고 있다.     코발트의 이용 코발트는 초합금, 내마모성 합금, 자석 합금, 안료와 물감 재료, 전지의 양극 재료, 화학 산업의 촉매 등으로 중요하게 사용된다. 사용 분야별로 구분하여 간단하게 소개하면 다음과 같다.   초합금, 내마모성 합금, 자석 합금 생산된 코발트의 약 반이 다른 금속과 합금을 만드는 데 사용된다. 2006년도에 사용된 코발트의 분야별 사용 비중은 초합금이 약 22%, 내마모성 합금이 17%, 그리고 자석 합금이 7%로 집계되었다. 초합금은 부식이 잘되지 않고 고온에서도 단단하며 외부의 큰 힘에도 잘 변형되지 않는 합금을 말하는데, 주로 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 그리고 소량의 크로뮴(Cr), 텅스텐(W), 타이타늄(Ti)으로 이루어져 있다. 이들은 발전용 가스터빈, 제트 항공기 엔진 등 고온에서 작동하는 장치에 주로 이용된다. 내마모성 합금은 단단하고 마찰에 의해서도 마모가 잘되지 않는 합금으로 베어링이나 각종 공구를 만드는 데, 그리고 인공 관절과 치과 보철 재료 등에 사용된다. 대표적인 내마모성 합금은 바이탈륨(Vitallium)으로 주성분은 Co와 Cr이다. 코발트는 또한 아주 단단한 금속 탄화물(carbide)인 탄화텅스텐(WC)이나 탄화타이타늄(TiC) 분말을 성형한 후 고온에서 소결시키는 방법으로 아주 단단한 합금을 제조할 때 접착제로도 사용된다. 이런 과정으로 얻은 합금을 초경합금이라 부르나, 엄밀하게는 접착 탄화물(cemented carbide)이다. 접착 탄화물은 어떤 금속의 표면에 단단하고 엷은 표면을 입히는 과정으로 주로 제조되며, 천공 기구와 금형(die)에 많이 사용된다.   자석 합금은 영구자석으로 강한 자기장을 얻는 데 사용하는 합금으로, 전기 모터나 발전기 등에 사용된다. 코발트가 들어간 자석 합금 중 가장 대표적인 것이 1931년에 개발된 알니코(Alnico)인데, 말 그대로 알루미늄(Al, 8~12%), 니켈(Ni, 15~26%), 코발트(Co, 5~24%)가 들어있으며, 약간의 구리가 들어가고 나머지는 철로 구성되어 있다. 알니코 자석은 일반적인 강철 자석에 비해 25배까지나 강한 자석으로, 1970년대에 희토류 금속을 주성분으로 하는 자석이 개발되기 전까지는 가장 강한 영구자석이었다. 지금까지 개발된 영구자석 중 가장 강한 자석은 네오디뮴(Nd) 자석이며, 그 다음으로 강한 자석이 사마륨(Sm)-코발트 자석인데, 이 자석은 알니코 자석보다 3~6배 강하다.

 

초합금으로 제작된 제트 엔진 터빈의 날개 부분. 코발트의 약 22%는 초합금 생산에 사용된다.(2006년 기준) <출처: (CC)Stahlkocher at Wikipedia.org>

알니코 자석. 코발트가 들어간 자석 합금 중 대표적인 것으로 1931년에 개발되었다. <출처: (CC)Zureks at Wikipedia.org>

 

 

안료와 물감 여러 가지 코발트 화합물들이 요업과 페인트 산업에서 색을 내는 재료로 널리 사용된다. 이들 코발트 화합물들은 보통 색에 따라 이름이 붙여져 있는데, 이들은 코발트 블루(cobalt blue, 알루미늄산 코발트: CoAl2O4), 코발트 옐로(cobalt yellow, 아질산 코발트포타슘: K3Co(NO2)6), 코발트 바이올렛(cobalt violet, 인산 코발트암모늄: CoNH4PO4), 코발트 블랙(cobalt black, 삼산화이코발트: Co2O3), 코발트 그린(cobalt green: CoO와 ZnO의 혼합물) 등이다. 이들은 유리, 도자기, 화장품, 페인트, 잉크, 고무 등의 색을 내는데 사용된다.   19세기 이전까지는 코발트가 주로 푸른색 안료를 만드는데 사용되었는데, 지금도 코발트의 약 20%가 안료와 물감 제조에 사용된다. 코발트 블루는 오래 전부터 중국에서 도자기와 그림에 사용되었으며, 유럽에서는 중국과 무관하게 1800년대 초에 처음 사용되었다. 코발트 블루는 산화 코발트(II) (CoO)와 알루미나(Al2O3)의 고운 가루 1:1 몰 비 혼합물을 1200oC에서 소결시켜 얻는다. 또한 화감청이 중세 이후 유럽에서 개발되었는데, 투명한 푸른 유리를 만드는 데 많이 사용되며, 코발트 블루와는 달리, 코발트가 잘 산화되지 않아, 아주 오랫동안 색이 변하지 않는 탁월한 장점을 갖고 있어 그림 재료로도 사용된다.

 

유럽에서 중세 이후에 개발된 화감청은 산화코발트를 이용해 만들며, 투명한 푸른 유리를 제작하는 데 사용되었다. <출처: (CC)Wikipedia Loves Art photo pool at Wikipedia.org>

리튬-이온 전지는 양극 물질로 LiCoO2를 사용한다. <출처: (CC)Kristoferb at Wikipedia.org>

 

 

전지 오늘날 컴퓨터 등의 전자기기에 많이 사용되는 2차전지(충∙방전이 가능한 전지)인 리튬-이온 전지는 양극 물질로 LiCoO2을 사용하는데, LiCoO2는 코발트 산화물로 이루어진 층들 사이에 리튬이 끼어있는 형태이다. 이 전지의 방전 과정에서 코발트는 +3의 산화 상태에서 +4의 상태로 부분적으로 산화되고, 리튬은 일부가 빠져 나와 리튬 이온(Li+)이 된다. 이렇게 생성된 Li+와 e-는 흑연(탄소)으로 이루어진 음극으로 들어가 탄소를 환원시킨다.                                  방전 시 양극 반응: n LiCoO2 → n-x LiCoO2 + x CoO2 + x Li+ + x e-                                  방전 시 음극 반응: x Li+ + x e- + y C → LixCy   충전 시는 이들의 역 반응이 일어난다. 여기서 유념해야 할 것은 Li+만 양극에서 음극으로 오갈 뿐, 전자(e-)는 전지에 연결된 도선과 기기를 통해 이동한다는 것이다.   니켈-카드뮴(NiCd) 전지와 니켈 금속 수화물(NiMH) 전지에서도 니켈의 산화 능력을 향상시키기 위해 상당량의 코발트를 첨가하는데, 2006년 기준으로 전체 코발트 사용량의 약 22%가 전지에 사용되었다.   촉매 전체 코발트 생산량의 약 11%가 화학공업에 쓰이는 촉매 물질에 사용된다. 예로, 천연가스나 정유 제품에 들어있는 유황을 수소(H2)와 반응시켜 황화수소(H2S)로 제거하는 수소화 탈황 공정에서는 코발트와 몰리브데넘(Mo)으로 이루어진 촉매가 사용된다. 이외에도 일산화탄소(CO)와 수소 기체를 반응시켜 탄화수소 액체 연료를 만드는 피셔-트로프슈(Fischer-Tropsch) 합성 공정, 자일렌(xylene)을 산화시켜 중요한 고분자 원료인 테레프탈산(terephthalic acid)을 얻는 반응, 알켄(alkene)을 알데하이드(aldehyde)로 전환시키는 하이드로포르밀화(hydroformylation) 반응 등을 비롯한 많은 유기화학 반응에서 코발트가 들어있는 물질을 촉매로 사용한다.                                수소화 탈황:  RSH + H2 → RH + H2S                              피셔-트로피쉬 합성: (2n+1) H2 + n CO → CnH(2n+2) + n H2O                               테레프탈산 생산: CH3-C6H4-CH3 + 3 O2 → HOOC-C6H4-COOH + 2 H2O                              하이드로포르밀화 반응: CH3CH=CH2 + H2 + CO → CH3CH2CH2CHO                                                    코발트를 촉매로 사용하는 반응의 예   방사성 동위원소 코발트-60 (60Co) 방사성 동위원소 코발트-60(60Co)는 가장 널리 사용되는 방사성 동위원소 중의 하나인데, 원자로에서 천연 코발트인 59Co에 중성자를 쪼여 얻는다.   59Co + 1n → 60Co   60Co의 반감기는 5.27년으로 베타(β) 붕괴를 하고 60Ni이 되는데, 이때 생성된 60Ni은 에너지가 매우 높은 불안정한 상태의 원자핵 60Ni이다. 60Ni은 에너지가 1.17 MeV인 감마(γ)선과 1.33 MeV인 감마선을 차례로 내어 놓은 후 안정한 원자핵이 된다. 따라서 60Co에서는 β-선과 두 개의 γ-선이 나온다. 60Co → 60Ni + e- + γ-선 (1.17 MeV, 1.33 MeV)   방출되는 β-선은 에너지가 낮고 쉽게 차단되는 반면, γ-선은 투과력이 좋기 때문에 60Co는 γ-선 발생원으로 흔히 사용된다.

 

소량의 코발트-60을 담은 컨테이너.

60Co은 Co가 관여하는 여러 가지 과정에서 Co의 추적자로 사용된다. 의학적으로는, 60Co-비타민 B12를 사용하여 악성 빈혈 환자가 비타민 B12를 정상적으로 흡수하는지 여부를 판단하는 쉴링(Schilling) 시험에 사용되며, 암의 방사성 치료와 의료 기구의 멸균에도 이용된다. 산업적으로는 화학섬유, 필름 등의 계량과 각종 재료의 특성을 조사하는 데 사용되며, 농식품 분야에서는 식물의 품종 개량, 식품의 보존에 이용된다. 특히 60Co는 여기에서 나오는 방사선을 쪼여 식중독과 부패의 원인이 되는 미생물을 죽임으로써 식품 보존 기간을 늘리는 목적으로 많이 사용되고 있는데, 이에 대해 어떤 사람들은 방사선을 쪼임으로써 유해한 물질들이 생성될 수 있다는 우려를 나타내나, 아직까지는 이에 대한 증거가 발견되지 않았다.   천연 코발트 59Co에 중성자를 쪼여 60Co을 얻는 것에 착안하여 소위 말하는 코발트탄이 한동안 관심을 끌었다. 이는 핵폭탄의 주위를 천연 코발트로 감싸면, 핵 폭발 시 나오는 중성자에 의해 60Co가 만들어지고, 생성된 60Co의 작은 먼지가 아주 먼 곳까지 퍼져서 치명적인 방사성 피해를 줄 수 있다는 것이다. 1957년에 단 한번 시도되었으나 실패하였으며, 현재 알려진 바로는 코발트탄은 단지 이론적으로만 존재하는 폭탄이다.

 

 

기타 코발트 화합물 코발트는 산화상태가 다른 여러 가지 산화물을 만든다. +2가 상태의 녹색 CoO는 600~700oC의 대기 중에서 Co2+와 Co+3이 혼합된 검푸른색의 Co3O4로 산화된다. Co의 산화상태가 +3인 검은색의 Co2O3도 알려져 있다.  또한 CoO는 물과 산소에 의해 갈색의 Co(OH)3로 쉽게 산화되는데, 이 수산화물을 150oC로 건조시키면 CoO(OH)가 된다. Co의 황화물도 여러 가지가 알려져 있는데, 이들은 CoS(Co의 산화상태는 +2), Co3S4, Co2S3, Co9S8 등이다.   코발트의 산소산 음이온 화합물들도 일부 알려져 있다. 코발트 산화물과 알칼리 금속 산화물(M2O)을 산소 기체 하에서 가열하면 M3CoO4가 얻어지는데, 이 화합물은 산화력이 있으며 코발트의 산화상태는 +5이다. 또 CoO와 Na2O를 1:2.2의 비율로 혼합하고 Ar 기체로 채워진 밀폐된 용기에서 550oC로 가열하면 진한 붉은색의 Na4CoO3가 얻어지는데, 이 화합물은 공기 중의 수분에 의해 빠르게 가수분해된다.   Co(II)의 할로겐화물은 4가지가 모두 알려져 있는데, 이들의 색은 할로겐 원소의 종류에 따라 크게 다르다: CoF2는 분홍색, CoCl2는 푸른색, CoBr2는 녹색, CoI2는 검푸른색이다. Co3+의 높은 산화력 때문에, Co3+의 할로겐화물은 CoF3만 있다. 연한 갈색의 CoF3는 물과 격렬하게 반응하며, 불소화 반응에 사용되기도 한다.   코발트는 다른 전이금속들과 마찬가지로 다양한 배위 화합물들을 만든다. 정팔면체 구조를 갖는 6배위 화합물들이 가장 흔하지만, 사각 피라미드 또는 삼각 쌍뿔 구조의 5배위 화합물이나, 사각 평면 또는 정사면체 구조의 4배위 화합물도 흔히 볼 수 있다. 같은 구조에서도 리간드(ligand, 배위자)의 종류에 따라 색이 크게 달라진다. 예로, 모두 정팔면체 구조의 6배위 Co3+ 화합물인데, [Co(H2O)6]3+은 푸른색, [Co(NH3)6]3+는 주황색, [Co(C2O4)3]3-는 진한 녹색, [Co(CN)6]3-는 노란색이다.   물에서는 Co2+ (실제는 [Co(H2O)6)]2+로 존재)가 안정하나, 다른 리간드가 존재하면 코발트의 다른 산화 상태도 안정화 된다. NH3나 아민(-NH2 기를 갖는 화합물)이 리간드인 경우는 +3의 산화 상태도 안정화되며, 인(P)이 리간드가 되면 +1가 상태의 P(C6H5)3CoCl와 같은 화합물도 얻어지고, F-나 O2-가 리간드인 경우는 +5가 상태의 CsCoF6나 K3CoO4도 얻어진다. 그리고 CO가 리간드인 경우에는 -3, -1, 0의 산화상태를 갖는 착이온이나 착화합물도 얻어지는데, 이의 예가 [Co(CO)3]3- (Co 산화상태 -3), [Co(CO)4]- (Co 산화상태 -1), Co2(CO)8 (Co 산화상태 0)이다. Co2(CO)8는 카보닐화 반응(어떤 화합물에 CO를 도입하는 반응)의 촉매로 사용된다.   [Co(en)3]Cl3 (en = ethylenediamine, NH2CH2CH2NH2)은 배위 화학 분야를 개척한 베르너(Afred Werner, 1866~1919)가 1912년에 황금색 바늘 모양 결정으로 처음 얻은 화합물이다. 이 화합물은 Δ형 이성질체와 Λ형 이성질체로 불리는 2개의 거울상 이성질체(enantiomer)가 가능한데, 각각의 광학 이성질체가 실제로 분리된 최초의 배위 화합물이다.

 

[Co(en)3]Cl3의 두 가지 광학 이성질체

코발아민(비타민 B12)의 구조

 

 

생물학적 역할 19세기 후반에 여러 지역에서 기르던 양과 소에서 소모성 질환(wasting disease: 체력이 소모되는 질환)이 발견되었는데, 처음에는 이를 철의 결핍에 따른 빈혈로 여기고 철 염을 먹였는데, 부분적으로는 치료가 되었으나 일부는 치료되지 않았다. 1930년대에 이르러 철분 공급에 따른 일부 치료 효과가 실제로는 이에 포함된 불순물인 코발트에 의한 것임이 밝혀졌다. 이 후 이들 동물의 간에서 코발트를 함유하는 비타민 B12가 추출되었고, 악성 빈혈의 치료에 비타민 B12가 효과적임이 밝혀졌다.   비타민 B12는 4개의 피롤 고리로 이루어진 코린(corrin) 고리 중심에 코발트 이온이 자리하고 있는 코발아민(cobalamin) 화합물이다. 반추동물의 내장에 있는 박테리아가 코발트 염으로부터 비타민 B12를 만든다. 비반추 초식동물은 대장에 있는 박테리아가 이를 만들지만 대장에서 흡수되지 못하고 배설물에서 섭취한다. 사람을 포함한 다른 동물들은 비타민 B12를 자체 합성할 수 없으므로 음식에서 섭취하여야 한다. 비타민 B12는 생화학적 과정에 관여하는 여러 효소들의 조효소(coenzyme)로 작용하는데, 특히 적혈구 생성에 중요한 역할을 한다. 따라서 비타민 B12가 결핍되면 악성 빈혈과 신경 장애를 초래한다. 인체 내에 들어있는 비타민 B12의 양은 2~5mg이며, 간에 주로 저장되어 있다. 우리나라 성인의 1일 섭취 권장량은 2.4μg이다.   코발트는 또한 몇 가지 금속 단백질의 구성 성분으로, 미량 필수 무기 영양소이기도 한 반면, 지나치면 건강에 해로운 원소이기도 하다. 성인의 수용성 코발트 치사량은 약 20 g이며, 코발트는 니켈과 크롬 다음으로 많은 접촉성 피부염의 원인이기도 하다.

 

 

1. 수치로 보는 코발트

   코발트의 표준원자량은 58.933g/mol이다. 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁷4s² ([Ar]3d⁷4s²)이며, 화합물에서 주된 산화 수는 +2와 +3이다. 지각에서의 존재 비는 약 29ppm(0.0029%)이다. 1기압에서 녹는점은 1,495^oC이고 끓는점은 2,927^oC이다. 에너지가 비슷한 2가지 동소체가 있으며, 20^oC에서 밀도는 8.90g/cm³이다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 760.4, 1648, 3232kJ/mol이며, 폴링의 전기음성도는 1.88이다. 원자 반경은 125pm이고, Co²⁺ 이온(6 배위체)의 반경은 낮은 스핀 상태는 65pm, 높은 스핀 상태는 74.5pm이다. 천연 동위원소는 안정한 ⁵⁹Co뿐이다. 전세계 광석 매장량은 약 1,300만 톤으로 추정되며, 2009년도 전세계 총 생산량은 약 72,300톤이었다. 콩고 공화국이 전세계 매장량의 35%, 생산량의 약 50%를 차지한다.

2. 화감청(花紺靑, smalt)

   유리나 도자기에서 푸른 색을 내는 데 사용되는 것으로, 화학적으로는 산화포타슘(포타쉬, K₂O), 실리카(SiO₂), 산화코발트(CoO)의 혼합물을 녹여 유리로 만든 후 이를 가루로 만든 것이다. 고대부터 사용되었으나 제조법이 분실되었다가, 15세기에 재발견되었다. 레오나르도 다 빈치가 이를 새로운 안료로 처음 사용하였다.

 

 

 

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  2012.02.22

Cobalt

Atomic Weight		58.9332
Density		8.9 g/cm3
Melting Point		1495 °C
Boiling Point		2927 °C
Full technical data

Cobalt is used in pigments, notably cobalt blue, and in high-strength, high-temperature steel alloys. High purity cobalt is obtained by electrolyzing cobalt ions out of solution, resulting in bumpy plate like this.

Technical data for Cobalt Click any property name to see plots of that property for all the elements. Overview Name Cobalt Symbol Co Atomic Number 27 Atomic Weight 58.9332 Density 8.9 g/cm3 Melting Point 1495 °C Boiling Point 2927 °C Thermal properties Phase Solid Melting Point 1495 °C Boiling Point 2927 °C Absolute Melting Point 1768 K Absolute Boiling Point 3.2×103 K Critical Pressure N/A Critical Temperature N/A Heat of Fusion 16.2 kJ/mol Heat of Vaporization 375 kJ/mol Heat of Combustion N/A Specific Heat 421 J/(kg K)[note] Adiabatic Index N/A Neel Point N/A Thermal Conductivity 100 W/(m K) Thermal Expansion 0.000013 K-1 Bulk physical properties Density 8.9 g/cm3 Density (Liquid) 7.75 g/cm3 Molar Volume 6.62×10-6 Brinell Hardness 700 MPa Mohs Hardness 5 MPa Vickers Hardness 1043 MPa Bulk Modulus 180 GPa Shear Modulus 75 GPa Young Modulus 209 GPa Poisson Ratio 0.31 Refractive Index N/A Speed of Sound 4720 m/s Thermal Conductivity 100 W/(m K) Thermal Expansion 0.000013 K-1 Reactivity Valence 4 Electronegativity 1.88 ElectronAffinity 63.7 kJ/mol Ionization Energies 760.4, 1648, 3232, 4950, 7670, 9840, 12440, 15230, 17959, 26570, 2.94×104, 3.24×104, 3.66×104, 3.97×104, 4.28×104, 49396, 52737, 134810, 145170, 1.547×105, 1.674×105 kJ/mol Health and Safety Autoignition Point N/A Flashpoint N/A Heat of Combustion N/A DOT Hazard Class 4.1 DOT Numbers 3089 EU Number N/A NFPA Fire Rating N/A NFPA Hazards N/A NFPA Health Rating N/A NFPA Reactivity Rating N/A RTECS Number RTECSGF8750000 NFPA Label N/A Classifications Alternate Names None Names of Allotropes None Block d Group 9 Period 4 Electron Configuration [Ar]3d74s2 Color Gray Discovery 1735 in Sweden Gas phase N/A CAS Number CAS7440-48-4 CID Number CID104730 Gmelin Number N/A NSC Number N/A RTECS Number RTECSGF8750000 Electrical properties Electrical Type Conductor Electrical Conductivity 1.7×107 S/m Resistivity 6×10-8 m Ω Superconducting Point N/A Magnetic properties Magnetic Type Ferromagnetic Curie Point 1394 K Mass Magnetic Susceptibility N/A Molar Magnetic Susceptibility N/A Volume Magnetic Susceptibility N/A Abundances % in Universe 0.0003% % in Sun 0.0004% % in Meteorites 0.059% % in Earth's Crust 0.003% % in Oceans 8×10-9% % in Humans 2×10-6% Atomic dimensions and structure Atomic Radius 152 pm Covalent Radius 126 pm Van der Waals Radius N/A Crystal Structure Simple Hexagonal Lattice Angles π/2, π/2, 2 π/3 Lattice Constants 250.71, 250.71, 406.95 pm Space Group Name P63/mmc Space Group Number 194 Nuclear Properties Half-Life Stable Lifetime Stable Decay Mode N/A Quantum Numbers 4F9/2 Neutron Cross Section 37.2 Neutron Mass Absorption 0.021 Known Isotopes 47Co, 48Co, 49Co, 50Co, 51Co, 52Co, 53Co, 54Co, 55Co, 56Co, 57Co, 58Co, 59Co, 60Co, 61Co, 62Co, 63Co, 64Co, 65Co, 66Co, 67Co, 68Co, 69Co, 70Co, 71Co, 72Co, 73Co, 74Co, 75Co Stable Isotopes 59Co Isotopic Abundances 59Co 100%

Notes on the properties of Cobalt:

Specific Heat: Value given for solid phase.

Up to date, curated data provided by Mathematica's ElementData function from Wolfram Research, Inc.