Zinc(Zn), 30- 아연

 

원자번호 30번 원소인 아연은 구리와 함께 볼타 전지를 이루는 금속으로, 그리고 망가니즈 건전지의 음극 물질로 많은 사람에게 친숙한 금속일 것이다. 아연은 철, 알루미늄, 구리 다음으로 많이 생산되어 사용되는 금속이다. 우리 주변에서 사용되는 많은 철 제품은 아연 도금이 되어있어 잘 부식되지 않는다. 철판에 아연을 도금한 것을 함석이라 하는데, 스테인리스 강에 비해 값싸게 생산되므로 널리 사용된다. 아연과 구리의 합금인 황동(놋쇠)은 통신 장비, 악기, 물 밸브, 주화 등에 광범위하게 사용된다. 또한 여러 아연 합금들이 다이캐스팅 합금으로 많이 사용된다. 아연 화합물들은 페인트 안료, 인광체, 자외선 차단제, 의약품, 유기 합성 시약 등으로 요긴하게 사용된다. 아연은 전이 금속 중에서는 철 다음으로 인체에 많이 존재하며, 여러 생체 내 과정에서 중요한 역할을 하는 미량 필수 원소이다. 이렇게 산업적, 생물학적으로 중요한 아연에 대해 좀 더 알아보기로 하자.      원자번호 30번, 아연 아연(zinc)은 원자번호 30번의 원소로, 원소기호는 Zn이다. 주기율표에서 카드뮴(Cd), 수은(Hg)와 함께 12족(2B족)에 속하며, 전이금속 중 하나이다. 청백색의 금속으로, 실온에서는 단단하고 부서지기 쉬우며 전성과 연성이 거의 없으나, 100~150oC에서는 전성을 띠게 되어 가는 선이나 얇은 판으로 가공할 수 있다. 비교적 좋은 전기 전도체이며, 녹는점과 끓는점이 비교적 낮고, 쉽게 승화(고체가 증기로 되는 것)된다. 화학 반응성이 제법 크고 강한 환원제이다. 공기 중에서 물과 이산화탄소(CO2)와 반응하면 염기성 탄산아연(Zn5(OH)6(CO3)2) 보호막이 생겨 내부가 물이나 공기와 반응하는 것을 막는다. 산, 알칼리, 여러 비금속 원소들과 쉽게 반응하며, 공기 중에서 태우면 푸른 불꽃을 내며 타서 산화아연(ZnO)이 된다. 화합물에서는 주로 +2의 산화상태를 가지며, 색을 띠지 않는다.

 

원자번호 30번, 아연.

아연의 원소 정보.

 

 

아연은 천연에서 화합물로만 존재하며, 지각에서의 존재 비는 약 76 ppm(0.0076%)으로 대략 24번째로 풍부한 원소이다. 중요한 광석은 섬아연석(sphalerite, ZnS), 능아연석(smithsonite, ZnCO3), 이극석(hemimorphite, Zn4Si2O7(OH)2·H2O)인데, 이중 섬아연석이 아연 생산에 사용되는 광석의 90% 이상을 차지한다. 아연은 고대부터 합금에 사용되었으나, 금속 아연은 13세기에 인도에서 처음 얻어졌고 유럽에서는 1746년에 처음 분리되었으며, 1800년에 볼타(Alessadro Volta, 1745~1827)가 이를 사용하여 전지를 처음 만들었다.   아연의 가장 큰 용도는 철에 내부식성 도금을 하는 것이다. 그리고 황동(아연과 구리의 합금)에서처럼 다른 금속과 합금을 만드는 데 사용되며, 아연-탄소 건전지(망가니즈 건전지)에서 음극으로 사용된다. 여러 아연 화합물들도 요긴하게 사용되는데 산화아연(ZnO)은 반도체 물질로 복사기와 자외선 차단제, 흰색 페인트 안료 등으로 사용되며, 황화아연(ZnS)은 발광성 페인트, 식품 보존제, 탈취제, 비듬방지 샴푸 첨가제, 목재 보존제, 유기 합성 시약, 항균 농약 등으로 사용된다.   아연은 거의 모든 생명체에 필수적인 미량 원소로, 인체에는 전이 금속 중에서는 철 다음으로 많이 있다. 여러 효소의 구성 원소로, 탄수화물, 단백질, 핵산 등의 생체분자들의 합성과 분해에 관여하며, 성장과 골격 형성, 생식과 면역 기능에도 관여한다. 어린이에게 아연이 결핍되면 성장 지연, 면역력 저하, 만성 또는 급성 설사 등을 일으킬 수 있는 반면, 과량의 아연 섭취는 근육기능의 불규칙, 무기력증, 위장 장애, 구리 결핍 등을 초래할 수 있다. 식물의 경우, 아연이 결핍되면 생육이 저해되고 열매가 잘 맺지 않을 수 있다.

 

 

아연의 역사

아연이 들어있는 고대 금속 유물들이 세계 곳곳에서 발견되었다. 선사시대의 것으로 짐작되는, 87.5%의 아연을 함유한 작은 조각상이 현 루마니아의 다시안(Dacian) 유적지에서 발견되었으며, 80~90%의 아연을 함유하는 합금으로 만들어진 기원전 5세기경의 여러 장신구들도 발견되었다. 고대 이집트의 구리 제품에는 약간의 아연이 들어 있으며, 기원전 1400~1000년경에 만들어진 팔레스타인 황동에는 아연이 23% 들어있다. 로마에는 기원전 약 30년경에 황동의 제조 방법이 알려졌는데, 로마는 이를 사용하여 주화와 무기를 만들기도 하였다. 이들은 황동을 보통 능아연석(ZnCO3)과 이극석(Zn4Si2O7(OH)2·H2O)의 혼합 광석인 칼라민(calamine) 가루를 숯, 구리와 함께 섞고 가열하여 얻었는데, 이런 방법으로 얻은 황동을 칼라민 황동(calamine brass)이라 한다. 또한 아연이 포함된 혼합 금속 광석을 야금하여 아연이 들어있는 금속을 얻기도 하였을 것으로 짐작된다.

로마에는 구리-아연의 합금인 황동의 제조 방법이 알려졌는데, 칼라민 황동을 사용하여 주화와 무기를 만들기도 하였다. <출처: (CC)Juppopo at Wikipedia.org>

 

아연은 끓는점이 907oC(녹는점은 419.53oC)이고, 고체 상태에서도 쉽게 승화된다. 아연 광석을 구워서 얻은 산화아연(ZnO)을 숯으로 환원시켜 아연 금속을 얻기 위해서는 1000oC 이상의 온도가 필요한데, 이 온도에서는 환원된 금속 아연은 증기가 되고, 증기 상태의 아연은 쉽게 재산화된다. 공기와 접촉시키지 않고 아연 증기를 응축시켜 금속 아연을 대량으로 얻는 방법이 13세기에 인도에서 처음 터득되었으며, 이것이 중국으로 전해졌고, 중국 명 나라에서는 아연 주화를 만들어 사용하였다.   중세 유럽에서는 금속 아연을 의도적으로 생산하지는 않았으나, 납, 은, 황동 등의 제조 과정에서 소량 얻을 수 있었으며, 1605년 이후에는 동인도 회사를 통해 중국에서 수입하였다. 연금술사들은 아연을 공기 중에서 태워 생긴 물질을 응축시켜 산화아연(ZnO)을 얻었는데, ZnO 분말을 ‘철학자의 양털(Philosopher’s wool)’, ‘백설(white snow)’, ‘아연의 꽃(flowers of zinc)’ 등 여러 이름으로 불렀으며, 우리 나라에서도 최근까지 산화아연을 아연화(亞鉛華)라고 불렀다. 원소 이름 ‘zinc’는 금속 아연이 바늘 모양을 하는 것에서, 독일어로 톱니 또는 포크의 끝을 뜻하는 ‘Zinke’에서 따왔거나, 또는 주석과 비슷하다는 것에서 주석을 뜻하는 독일어 ‘Zinn’에서 따온 것으로 여겨진다. 우리 말 아연(亞鉛)은 색깔과 모양이 납(Pb, 鉛)과 비슷한 데서 붙여진 이름이다.   아연은 서양에서도 17세기 후반부터 분리되기 시작했는데, 순수한 금속 아연은 1746년에 독일 화학자 마르그라프(Andreas Sigmund Marggraf, 1709~1782)가 처음 얻었다고 여겨진다. 그는 칼라민과 숯의 혼합물을 밀폐된 용기에서 가열하여 아연을 얻었는데, 1752년에는 이 방법을 써서 아연이 상업적으로 생산되기 시작하였다. 1758년에는 밀폐된 용기에서 섬아연석(ZnS)을 구워 산화아연을 만든 후, 이를 밀폐된 용기에서 숯과 반응시켜 아연을 얻는 방법이 개발됨으로써 가장 흔한 아연 광석인 섬아연석에서 아연을 얻을 수 있게 되었다. 1800년에는 볼타가 구리판과 아연판으로 구성된 전지를 만듦으로써 아연의 유용성이 더욱 확대되었다. 아연의 생물학적 중요성은 비교적 최근에 알려졌는데, 1940년에 혈액에서 이산화탄소를 배출시키는 데 관여하는 효소에 아연이 들어있음이 밝혀졌으며, 1955년에는 단백질 분해에 관여하는 효소에도 아연이 들어있음이 발견되었다.

 

아연 주괴의 결정 조각(가운데), 나무 가지 모양으로 승화한 결정 조각(오른쪽)과 고순도의 아연 입방체(왼쪽). <출처: (CC)Alchemist-hp at wikipedia.org>

 

 

물리적 성질 아연은 푸른색 광택이 도는 은백색 금속이나, 대부분의 아연 제품과 아연 도금제품은 표면에 산화물 피막이 입혀져 있어 광택이 없다.  아연 금속은 육방밀집구조(hcp)를 하고 있으나, 상당히 비뚤어져 있다. 이 때문에 밀도(7.14g/cm3)가 철(밀도 7.87g/cm3)이나 구리(밀도 8.94g/cm3) 보다 상당히 작다. 녹는점(419.53oC)과 끓는점(907oC)이 비교적 낮은데, 전이금속 중에서는 녹는점이 같은 족의 수은(Hg, 녹는점 -38.9oC)과 카드뮴(Cd, 녹는점 320.8oC) 다음으로 낮다. 융해열과 증발열도 비교적 작고, 고체 상태에서도 상당한 승화 증기압을 갖는다. 대부분의 온도에서는 단단하고 부서지기 쉬우나, 100~150oC에서는 전성과 연성이 증가한다. 그러나 210oC 이상에서는 다시 부서지기 쉬워져, 두드리면 가루가 될 수 있다. 비교적 좋은 전기 전도체이며, 반자기성으로 자석에 끌리지 않는다.   천연 상태에서 5가지 동위원소가 있는데, 이들은 64Zn(48.6%), 66Zn(27.9%), 67Zn(4.1%), 68Zn(18.8%), 70Zn(0.6%)이다. 이중 64Zn와 70Zn이 방사성 동위원소이기는 하나, 반감기가 각각 1018년 과 1016년 이상이어서 이들의 방사능은 무시된다. 여러 인공 방사성 동위원소들이 합성되었는데, 가장 반감기가 긴 것이 65Zn(반감기 243.66 일)이고, 그 다음으로 긴 것이 72Zn(반감기 46.5 시간)이다. 질량수가 66 보다 큰 것은 β- 붕괴를 하고 갈륨(31Ga) 동위원소가 되며, 66보다 작은 것은 전자포획을 하여 구리(29Cu) 동위원소가 된다. 65Zn는 아연 금속이 마모되는 경로를 연구하거나 아연의 생물학적 경로(예로 인체 내에서 아연의 역할)를 연구하는 데 방사성 추적자로 사용된다.

 

 

화학적 성질

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

아연 원자는 30개의 전자를 갖고 있어, 바닥 상태 전자 배치는 [Ar]3d104s2 이다. 2개의 전자를 쉽게 잃어 +2의 산화 상태가 된다. +2의 산화 상태에서는 3d 전자가 모두 채워져 있으므로, Zn(II) 화합물들은 색을 띠지 않고 반자기성(diamagnetic)이다. Zn2+/Zn의 표준 전극전위는 -0.76 V로, Fe2+/Fe의 표준 전극전위 -0.44 V보다 더 음의 값이다. 즉, Zn이 철(Fe) 보다 더 쉽게 산화되고 환원력이 크다.    Zn2+ + 2e- → Zn                  Eo= -0.76 V   아연 표면은 습한 공기에서 빠르게 금속 광택을 잃고 흐려지며, 흐려진 표면은 공기 중의 CO2와 반응하여 염기성 탄산아연(Zn5(OH)6(CO3)2) 막을 만드는데 이 막은 내부의 아연이 더 이상 반응하는 것을 막는 부동화막 역할을 한다. 아연은 공기 중에서 태우면 밝은 청록색 불꽃을 내면서 타서 ZnO가 되며, 황, 인, 할로겐 등과도 가열하면 반응한다. 산과 알칼리에 모두 녹고 수소기체를 내어 놓는다.

 

Zn + 2H+ → Zn2+ + H2           Zn + 2OH- + 2H2O → Zn(OH)42- + H2   Zn2+의 이온 반경은 74 pm로 Mg2+의 이온 반경 72 pm와 거의 같다. 따라서 Zn2+ 염과 Mg2+ 염은 같은 결정 구조를 갖는다. 그러나 착화합물 형성 성질은 크게 다른 데, Zn2+는 Mg2+보다 공유결합을 잘하며, O-주게 리간드 뿐 아니라 N-주게와 S-주게 리간드, 할로겐 이온, CN-과도 착화합물을 잘 형성한다. 아연 착화합물들은 대부분 4 또는 6 배위체이나, 다른 배위수의 착화합물들도 알려져 있다.

 

 

아연의 생산

아연 생산에 쓰이는 광석의 90% 이상을 황화물 광석인 섬아연석(ZnS)이 차지한다. 채굴된 광석을 침강 또는 부유 방법으로 아연 함량이 약 50%가 되도록 농축시킨 후, 구워서(배소하여) 산화물(ZnO)로 만든다. 이 과정에서 함께 생성되는 아황산가스(SO2)는 황산(H2SO4)을 생산하는 데 사용된다.   2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2   ZnO에서 Zn을 얻는 데는 고온건식야금법(pyrometallurgy)이나, 또는 습식야금법인 전해채취(electrowinning) 방법이 사용된다. 고온건식야금법에서는 ZnO를 코크스 또는 일산화탄소(CO)로 환원시킨 후, 생성된 Zn 증기를 응축시켜 금속으로 회수한다.   2ZnO + C → 2Zn + CO2 또는 2ZnO + 2CO → 2Zn + 2CO2

섬아연석은 아연 생산에 쓰이는 광석의 90% 이상을 차지한다. <출처: (CC)Rob Lavinsky at Wikipedia.org>

 

전해채취 방법에서는 ZnO를 묽은 황산에 녹인 후, 이 용액을 전기분해하여 알루미늄 전극 위에 아연을 석출시킨다.                                          ZnO + H2SO4 → ZnSO4 + H2O                                        전기분해 시 전체 반응: 2ZnSO4 + 2H2O → 2Zn + 2H2SO4 + O2   아연 광석에는 보통 카드뮴(Cd), 은(Ag), 납(Pb) 등이 함께 들어있는데, 이들은 아연 야금 과정에서 부산물로 회수되어 요긴하게 사용된다.   아연은 철, 알루미늄, 구리 다음으로 많이 생산되어 사용되는 금속이다. 아연의 약 70%는 광석에서 직접 생산되며, 나머지 30%는 폐 제품에서 회수되어 재활용되는데, 2010년 전세계 아연 생산량은 약 1,200만 톤이고, 이의 29%인 350만 톤이 중국에서 생산되었다. 이외 주요 생산국은 페루(152 만 톤), 호주(145만 톤), 인도(75만 톤), 미국(72만 톤), 캐나다(67만 톤) 등이다. 우리나라는 고려아연㈜에서 약 50만 톤을 생산하였다. 아연 광석은 전세계에 널리 분포되어 있으며, 확인된 광석 매장량은 약 19억 톤이고 이중에서 경제적 가치가 있는 것은 약 2억 톤으로 추정되며, 중국(16.5%), 호주(10.5%), 페루(9.5%), 카자흐스탄(8.5%) 등이 주요 매장국이다.

 

 

아연의 이용 아연은 철의 부식 방지를 위한 도금에 전체 생산량의 약 50%, 황동을 비롯한 합금 제조에 약 30%, 전지에 약 10%, 그리고 화합물 제조 등의 기타 용도에 약 10%가 사용된다.   철의 내부식성 아연 도금 아연은 철보다 반응성이 크다. 따라서 철에 아연 도금을 하면, 아연이 완전이 부식되기 전까지는 철이 산화되어 녹스는 것을 막을 수 있는데 이와 같은 내부식 작용은 아연이 긁혀 철이 노출된 경우에도 여전이 유지된다. 뿐만 아니라 아연은 표면이 부식되면 염기성 탄산아연(Zn5(OH)6(CO3)2) 보호피막이 형성되어 내부까지 잘 부식되지 않으므로 철의 부식을 더욱 효과적으로 막을 수 있다. 철의 아연 도금은 여러 가지 방법으로 할 수 있는데, 전기화학적인 방법, 철을 용융 아연에 담그는 방법, 용융 아연을 철에 뿌리는 방법, 아연 분말이 들어있는 페인트를 칠하는 방법 등이 그 예이다. 아연을 입힌 철은 철조망, 가드 레일, 현수교, 지붕(함석 지붕), 열 교환기, 자동차 구조물 등에 널리 사용된다.   강철에 아연 도금을 한 것이 함석인데, 지붕, 홈통 등의 건축 재료로 쓰이거나, 양동이 등 생활 용구의 제작에 많이 사용된다. 함석과 비슷한 용도로 양철이 사용되는데, 이는 강철에 주석(Sn) 도금을 한 것이다. 양철은 함석보다 외관이 좋고 산에 강하여 통조림 통으로 많이 사용된다. 내부식성은 함석이 양철보다 우수하고, 또 아연 가격이 주석 가격의 1/10 정도에 불과하여 산업용 철의 내부식 도금은 주로 아연으로 한다. 가끔 함석과 양철을 혼돈하여 사용하거나, 모두 양철이라 부르기도 한다.

 

아연을 입힌 철은 철조망, 가드 레일, 현수교, 지붕, 열 교환기, 자동차 구조물, 생활용품 등에 널리 사용된다. <출처: (CC)Logan King at Wikipedia.org(왼쪽), gettyimages(오른쪽)>  

 

 

아연 합금 전체 아연 생산량 중 두 번째로 많이 쓰이는 곳은 황동을 비롯한 아연합금의 제조이다. 황동(brass, 놋쇠)은 아연(20~50%)과 구리의 합금인데, 아연이 금속으로 분리되기 전부터 동서양 모두에서 많이 사용된 물질이다. 금관 악기, 파이프 오르간, 장식품, 선박과 기계부품, 통신기기, 물 제어 밸브, 약협(총포 탄알의 화약을 넣는 통) 등으로 많이 사용된다. 황동을 신쭈 또는 신주라 부르기도 하는데, 이는 일본식 이름이다.

 

자막 주괴. 아연 합금들이 다이캐스팅 합금으로 사용되는데, 그중 대표적인 것이 자막(Zamak)이다.

여러 아연 합금들이 다이캐스팅 합금(diecasting alloy: 금속 주형에 재료를 가압하여 넣고 식혀서 형상을 만드는 데 사용되는 합금)으로 사용되는데, 대표적인 것이 자막(Zamak)이다. 자막은 아연에 소량의 알루미늄, 구리, 마그네슘 등을 첨가한 합금으로 조성에 따라 여러 종류로 구분되며, 베어링, 자동차 부품, 지퍼, 배관 이음쇠, 수도 꼭지 등 아주 다양한 용도로 널리 사용된다. 아연은 청동에 소량 첨가되기도 하며, 96% Zn-4% Al 합금은 저가의 단조용 금형 제작에 사용된다. 또한 78% Zn-22% Al 합금(상표명 프레스탈, Prestal)은 강철만큼 강하면서도 플라스틱처럼 펴지기 쉽다고 보고되었다. 카드뮴(Cd)-아연(Zn)-텔루륨(Te) 합금(CZT)은 반도체로 소형 감지 장치에 사용된다. 아연 합금은 주화에도 사용되는데, 우리나라의 5원 및 50원 주화도 아연 합금으로 주조되며, 미국의 1 센트 주화는 아연에 구리를 입혀 만든 것이다.

 

 

건전지와 아연 아연의 또 다른 주요 사용처는 건전지이다. 우리가 흔히 사용하는 건전지는 양극물질로 이산화 망가니즈(MnO2)를 사용하고, 음극물질로 아연을 사용한다. 건전지에는 크게 두 가지 유형이 있는데, 하나는 르클랑셰 전지(Leclanche cell, 보통 망가니즈 건전지 또는 탄소-아연 전지라 부름)로, NH4Cl 페이스트(paste)를 전해액으로 사용한다. 다른 하나는 알칼리 전지(또는 알칼리 망가니즈 전지)로, NaOH 페이스트를 전해액으로 사용한다. 이들 전지 내에서 일어나는 전체 전지반응은 다음과 같다.                                   탄소-아연 전지: Zn + 2NH4Cl + 2MnO2 → [ZnCl2(NH3)2] + 2MnOOH                                 알칼리 망가니즈 전지: Zn + 2MnO2 → ZnO + Mn2O3   이외에도 지금은 거의 사용되지 않으나 과거에 많이 사용된 수은 전지는 아말감화된 아연 분말을 음극 물질로 사용하며, 아연-공기 전지나 연료전지에도 아연이 음극물질 또는 연료로 사용된다.   아연은 위에서 열거한 용도 이외에도 적은 양이기는 하나, 화학반응에서 환원제로도 사용된다.

 

볼타전지. 1800년, 볼타는 아연을 사용하여 전지를 처음 만들었다. <출처: (CC)Luigi Chiesa at wikipedia.org>

우리가 흔히 사용하는 건전지는 양극물질로 이산화 망가니즈를 사용하고, 음극물질로 아연을 사용한다. <출처: gettyimages>

 

 

아연 화합물과 이들의 이용

아연 화합물 중에서 가장 중요한 것은 산화아연(ZnO)인데, 과거에는 주로 황동 제조의 부산물로 얻었으나 지금은 아연 증기를 공기 중에서 태워 만든다. ZnO는 원래 흰색이나 가열하면 노란색을 띠는데 이는 산소의 일부가 분해되어 날아가기 때문으로, ZnO에 의도적으로 Zn 금속을 0.02~0.03% 첨가해서 노랑, 초록, 갈색, 붉은색의 ZnO를 만들 수 있다. ZnO는 여러 용도로 요긴하게 사용된다. 고무 생산에서 가황 시간을 단축시키는 데 사용되며, 흰색 페인트 안료로도 사용되는데, 흰납(염기성 탄산납)을 사용한 페인트에 비해 독성이 없고 황 화합물에 의해서도 변색되지 않는 장점이 있다. 또한 ZnO는 유리에 첨가되면 유리의 화학적 내구성이 좋아지기 때문에 유리, 법랑, 도자기 유약 등에 사용되며, 고분자의 열 발산제와 자외선 차단제로도 사용된다. 반도체 성질을 갖고 있어 고전압 보호 소자와 복사기에 사용된다. 이외에도 수렴 작용과 항균 작용이 있어 기저귀 발진 방지 크림에 첨가되기도 한다. ZnO는 양쪽성 물질로 산과 반응하여 Zn2+가 되고, 염기와 반응하여 Zn(OH)3- 또는 Zn(OH)42-가 된다. ZnO는 다른 아연 화합물 합성의 출발 물질로도 사용된다.

철학자의 양털, 아연의 꽃, 아연화 등으로 불리는 산화아연(ZnO)은 고무 가황 촉진제, 흰색 페인트 안료, 유리 첨가제, 자외선 차단제 등 다양한 용도로 사용된다.

 

아연의 또 다른 주요 화합물로 칼코겐(Chalcogen) 화합물(ZnS, ZnSe, ZnTe)들이 있는데, 이들은 전자공업과 광학에서 많이 사용된다. ZnS는 황산아연을 황화바륨과 반응시켜 얻는데, 적절한 활성제가 첨가되면 빛을 내는 인광물질이 되어 음극관, x-선과 레이더 스크린, 발광 페인트 등에 사용되며, 흰색 페인트 안료로 사용되기도 한다. ZnSe와 ZnTe도 인광체로 사용된다.   ZnSO4 + BaS → BaSO4 + ZnS   Zn은 할로겐과 ZnX2형의 화합물을 만든다. 이중 ZnCl2가 가장 많이 생산되어 사용되는 화합물인데, 공업적으로는 주로 아연 또는 ZnO을 염산과 반응시켜 얻는다. ZnCl2는 금속 산화물(MO)과 반응하여 MZnOCl2형 화합물을 만들기 때문에 납땜을 할 때 금속 산화물 피막을 녹여내는 용제로 사용된다. 또한 중간 세기의 루이스 산으로 여러 유기 합성 반응에서 촉매로 사용되며, 섬유의 난연 처리, 목재의 보존, 식품 보존, 소독과 탈취 등 다양한 용도로도 사용된다.   아연-탄소 결합을 갖는 ZnR2 (R은 알킬기, X는 할로겐) 형의 화합물들도 유용한 아연 화합물들이다. 이 화합물은 1800년대에 Zn과 RX를 출발물질로 하여 합성되었다.   Zn + RX → RZnX ;   2 RZnX → ZnR2 + ZnX2   이들 중에서 다이에틸아연(diethyl zinc: Zn(C2H5)2)이 특히 유용한데, 카르보닐(-CO-)기에 에틸기를 도입하는 반응, 알켄을 사이클로프로필기로 변환시키는 반응 등의 유기합성 반응에서 요긴하게 사용된다. 이 화합물은 또한 아연 나노입자를 합성할 때 아연원소 공급원으로 사용되며, 로켓의 자기-발화 액체 연료로도 사용된다.   이들 외에도 여러 아연 화합물들이 요긴하게 사용된다. 아세트산 아연(Zn(CH3CO2)2)은 목재 보존제, 염색 매염제, 아세트산 에틸렌 생산, 동물 사료 첨가제, 도자기 유약 등으로 사용된다. 비소산 아연(Zn3(AsO4)2)은 목재 보존제와 살충제로, 인화 아연(Zn3P2)은 살서제(쥐약)로, 붕산 아연(ZnB4O7)은 섬유의 난연 처리와 곰팡이 성장 억제제로, 플루로화규산 아연(ZnSiF6)은 방충 처리제와 콘크리트 경화제로 사용된다. 그리고 황산 아연(ZnSO4)은 동물 사료 첨가제, 목제 보존제, 매염제로, 디티오카르밤산 아연(zinc dithiocarbamate)은 항균제 농약으로, 피리티온 아연(zinc pyrithione)은 방오 페인트(생물이 들러붙는 것을 방지하는 페인트)와 항비듬용 샴푸에 사용된다.

 

 

생물학적 역할과 결핍증

아연은 여러 식품에 들어 있는데, 육류, 생굴 등의 동물성 식품과 도정하지 않은 곡류, 콩 등의 식물성 식품에 많이 함유되어 있다.

아연은 거의 모든 생물체의 필수적인 미량 원소로, 인체에는 전이 금속 중에서는 철 다음으로 많이 들어있다. 성인에게는 약 2 g의 아연이 뇌, 간, 근육, 뼈, 신장, 간, 전립선 등에 들어있는데, 특히 전립선에 높은 농도로 있다. Zn2+는 거의 모든 유형의 효소에 들어있는데, 근래에 많은 주목을 받은 효소로는 이산화탄소를 물과 반응시켜 탄산으로 빠르게 전환시키는 효소인 탄산무수화효소(carbonic anhydrase), 단백질의 소화 과정에서 C-말단 펩티드 결합의 가수분해 과정에 관여하는 효소인 카르복시펩티데이스(carboxypeptidase) 등이 있다. 아연은 이들 효소 외에도 탄수화물, 지방, 핵산의 합성과 분해에 관여하는 효소의 구성 성분이며, 항산화 효소(SOD)의 안정화에도 기여한다.  아연은 또한 DNA의 염기 서열을 인식하고 DNA의 복제 과정에서 유전 정보를 전달하는 것을 조절하는 단백질에도 결합되어 있으며, RNA와 DNA의 대사와 신호 전달에 관여하고, 세포 자살(apoptosis)을 조절하며, 면역 기능에도 관여한다. 이외에도 아연은 인슐린 작용에 영향을 미치며, 성장 호르몬, 성 호르몬, 갑상선 호르몬, 프로락틴(prolactin) 호르몬 등의 활성과도 연관이 있는 것으로 보고되었다.   아연 결핍은 영양 흡수 불량, 만성 간질환, 만성 신장 질환, 면역 기능 저하, 성장 지연, 설사, 성선 기능 저하, 성 성숙 지연, 피부 변화 등 다양한 증상을 초래할 수 있다. 특히 어린이에게는 왜소증을 유발할 수 있고, 태아는 정신적, 육체적 문제를 갖고 태어날 수 있다. 아연이 부족한 식물은 생육이 저해되고 열매가 잘 맺지 않을 수 있다.

 

아연은 여러 식품에 들어 있는데, 육류, 생굴, 게, 새우 등의 동물성 식품과 도정하지 않은 곡류, 해초류, 콩 등의 식물성 식품에 많이 함유되어 있다. 영양 보충제에도 보통 아연이 들어있는데, ZnO, ZnCO3, ZnSO4, Zn(CH3COO)2 등의 형태로 첨가된다. 우리나라 성인의 1일 아연 섭취 권장량은 남자는 8~10mg이고 여자는 7-8mg이다.

 

 

아연 과잉증과 독성 아연은 필수 영양소이기는 하나, 과잉 섭취는 해가 될 수 있다. 아연은 혈액 내에서 주로 알부민(albumin)이나 트랜스페린(transferrin)에 결합되어 운반되는데, 트랜스페린은 철(Fe), 구리(Cu)와도 결합하여 이들을 운반한다. 따라서 아연, 철, 구리는 서로 경쟁 관계에 있게 된다. 혈액에 아연 농도가 높으면 철과 구리의 결핍을 초래하고, 이는 면역 능력 저하, 고밀도(HDL) 콜레스테롤 저하, 무기력 증, 위장 장애 등을 유발할 수 있다.  이런 이유로 세계보건기구(WHO)는 하루 아연 섭취 상한선을 성인 남자는 45mg, 여자는 35mg으로 제한하였다. 식물의 경우도 아연 농도가 500 ppm이 넘는 토양에서는 다른 필수 금속인 Fe나 Mn의 흡수가 방해받을 수 있다.   과량의 아연이 몸 안으로 들어가면 중독을 일으킬 수 있다. 중독 증상은 복통, 설사, 구토 등이고 입안에서 단맛이 난다. 아연 먼지를 마시는 경우는 목이 건조하고, 기침, 고열, 구토, 메스꺼움, 무기력감의 원인이 된다. 금속 아연이나 아연이 함유된 주화를 삼킨 경우는 아연 중독을 일으킬  수 있으니 어린이들이 이런 화를 당하지 않도록 주의를 기울이는 것이 필요하다.

 

 

1. 수치로 보는 아연

   아연의 표준원자량은 65.41g/mol이고, 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²([Ar]3d¹⁰4s²)이다. 화합물에서 주된 산화수는 +2이다. 지각에서의 존재 비는 약 76 ppm(0.0076%)로, 24번째로 풍부하다. 2010년 전세계 생산량은 1,200만 톤이며, 이의 약 29%가 중국에서 생산되었고, 우리 나라에서도 약 50만 톤이 생산되었다. 1기압에서 녹는점은 419.53^oC이고, 끓는점은 907^oC이며, 20^oC에서 밀도는 7.14g/cm³이다. 융해열은 7.32kJ/mol이고, 증발열은 123.6kJ/mol이며, 승화증기압은 397^oC에서는 10Pa이고 579^oC에서는 1000 Pa이다. 20^oC에서 전기 비저항은 59nΩ∙m이며, 열 전도율은 116W∙m^-1∙K^-1 이다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 906.4, 1733, 3831kJ/mol 이며, 폴링의 전기 음성도는 1.65이다. 원자 반경은 134pm이고, Zn²⁺ 이온 반경은 74pm(비교: Mg²⁺, 72pm)이다. 천연 상태에서의 동위원소는 ⁶⁴Zn(48.6%), ⁶⁶Zn(27.9%), ⁶⁷Zn(4.1%), ⁶⁸Zn(18.8%), ⁷⁰Zn(0.6%) 5가지로, 이중 ⁶⁴Zn와 ⁷⁰Zn은 방사성 동위원소이기는 하나, 반감기가 매우 길어 이들의 방사능은 무시된다. 우리 나라 성인 1일 섭취 권장량은 7~10mg이다.

 

 

 

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  2012.03.21

Zinc Atomic Weight   65.409 Density   7.14 g/cm3 Melting Point   419.53 °C Boiling Point   907 °C Full technical data Sacrificial zinc anodes are used to protect steel tanks, rails and ship hulls from rusting. Since zinc oxidizes more easily than iron, it corrodes first. When the anode is mostly consumed, it can simply be replaced. Scroll down to see examples of Zinc.