Molybdenum(Mo), 42-몰리브데넘

 

원자번호 42번 원소인 몰리브데넘은 독일어 명칭 ‘molybdän’을 우리말로 표기한 몰리브덴으로 흔히 불려져 왔다. 이 원소는 1778년에 휘수연석이라 불리는 황화물 광석에서 처음 발견되었다. 이 광석은 고대부터 ‘검은 납’을 일컫는 흑연과 헷갈려 왔으며, 흑연과 구분이 된 이후에도 가끔 납의 광석인 방연광(PbS)과 혼동되었다. 몰리브데넘이란 원소 이름은 그리스어로 납을 뜻하는 몰리브도스(molybdos)에서 나왔다. 우리말에서는 ‘액체 납’을 뜻하는 수연(水鉛)이라 부르기도 하였는데, 이 때문에 여러 몰리브데넘 광석 이름에 ‘수연(水鉛)’이란 말이 들어가 있다. 몰리브데넘은 14세기에 제작된 일본도에도 합금제로 들어있으며, 몰리브데넘이 들어간 강철은 제1차 세계대전시 가볍고 튼튼한 전차의 장갑판을 만드는 데 필수적으로 사용되었다. 오늘날에도 몰리브데넘은 고온에서도 물러지지 않고 부식되지 않는 강철의 합금제로 주로 사용되며, 석유화학공업에서 원유에 포함되어 있는 황을 제거하는 탈황 촉매 등으로 중요하게 사용된다. 한편, 몰리브데넘은 생명체의 필수원소인데, 대기 중의 질소를 고정하는 박테리아에 있는 질소고정효소나 동물의 대사에서 여러 산화 과정들에 관여하는 효소들의 활성 자리에 들어있다. 질소고정 박테리아가 몰리브데넘 효소를 사용하여 고정시키는 질소의 양은 하버(Haber) 공정을 써서 공업적으로 고정되는 양과 비슷하다. 이처럼 몰리브데넘은 고온에서도 단단하고 부식되지 않는 강철을 제공할 뿐 아니라, 질소고정으로 먹거리를 풍성하게 하는 중대한 역할을 하는 귀중한 원소로 볼 수 있다.     원자번호 42번, 몰리브데넘 몰리브데넘(Molybdenum)은 원자번호 42번의 원소로, 원소기호는 Mo이다. 주기율표에서는 크로뮴(Cr), 텅스텐(W)과 함께 6족(6B족)에 속하며, 은백색의 광택을 내는 단단한 전이금속이다. 녹는점이 2617oC로 전체 원소 중에서 6번째로 높다. 화학적으로 크로뮴 보다는 텅스텐과 더욱 비슷하다. 화합물에서 가장 높은 산화상태는 +6이며, +6과 +4의 산화상태가 흔하나 산화수가 -2에서 +6 사이에 있는 다른 산화상태의 화합물들도 알려져 있다. 실온에서는 산소나 물과 반응하지 않으나, 300oC이상에서는 산소에 의해 산화되기 시작하고, 600oC 이상에서는 삼산화 몰리브데넘(MoO3)이 된다. 대부분의 산과 알칼리에 잘 녹지 않으나, 뜨거운 진한 황산(H2SO4)과 질산(HNO3)에는 녹는다.

 

원자번호 42번, 몰리브데넘.

몰리브데넘의 원소 정보.

 

 

몰리브데넘은 천연 상태에서는 원소 상태로 존재하지 않고 화합물로만 존재한다. 지각에서의 존재 비는 텅스텐과 비슷한 약 1.2ppm(1.2x10-4%)으로, 54번째로 풍부한 원소이다. 바닷물에는 약 10ppb농도로 들어있고, 25번째로 많은 원소이다. 가장 중요한 광석은 우리말로는 휘수연석(輝水鉛石)이라 부르는 몰리브데나이트(molybdenite)로 화학적으로는 이황화 몰리브데넘(MoS2)인데, 미국의 콜로라도, 캐나다, 칠레 등에 많이 매장되어 있다. 이외의 광석으로는, 수연연광(水鉛鉛鑛)이라 불리는 울페나이트(wulfenite, PbMoO4), 그리고 파우엘라이트(powellite, CaMoO4)가 있다. 몰리브데넘 광석은 그 자체가 주된 광석으로 채굴되기도 하지만, 많은 경우는 구리와 텅스텐 광석 생산의 부산물로 얻는다.   몰리브데넘은 강철의 합금제로 주로 사용되는데, 몰리브데넘 강철 합금은 아주 단단하고 녹 슬지 않으며 고온에서도 물러지지 않아 여러 용도로 아주 중요하게 사용된다. 또한 몰리브데넘은 석유화학공업에서 탈황 공정의 촉매로 중요하게 사용된다. 이외에 몰리브데넘 화합물들이 고온 고압에서 사용되는 윤활제와 안료로 사용된다. 또한 합성 방사성 동위원소 99Mo는 방사성 의료 진단에 중요하게 사용되는 테크네튬-99m(99mTc)의 모 방사성동위원소이다.   몰리브데넘은 거의 모든 생명체에서 미량 필수 원소로 작용하는데, 여러 효소들의 활성화 자리에 몰리브데넘이 들어있다. 이들 몰리브데넘을 포함하는 효소들은 일부 박테리아에 의한 생물학적 질소고정에 관여하거나, 식물체 내에서 일어나는 여러 산화환원 반응의 전자 전달체로 작용하며, 동물 대사과정에서도 여러 산화 과정들에 대해 촉매 작용을 한다. 몰리브데넘 효소에 의해 생물학적으로 고정되는 질소의 양이 공업적으로 고정되는 양과 비슷한 것으로 추정된다. 또한 지구의 역사에서 진핵생물의 본격적인 진화는 바다에 녹아있는 몰리브데넘의 양이 많아지면서 이를 이용하는 미생물이 번성하면서 비롯되었다고 여겨진다.

 

 

몰리브데넘의 발견, 역사, 원소의 명명

휘수연석이라 불리는 몰리브데나이트 광석. ‘검은 납’인 흑연과 모양, 촉감, 성질 등이 아주 비슷하여 서로 혼동되었다. 이 때문에 몰리브데넘(molybdenum)이란 원소 이름도 그리스어로 납을 뜻하는 몰리브도스(molybdos)에서 나왔다. <출처: (CC)Rob Lavinsky at wikipedia.org>

몰리브데넘을 포함하는 광석 중 가장 흔한 것이 휘수연석(輝水鉛石)이라 부르는 몰리브데나이트(molybdenite: MoS2)이다. 이 광석은 잘 미끄러지는 연한 검은색의 판상 물질로, 글을 쓰거나 그림을 그리는 데 사용할 수 있으며, 흑연과 겉보기, 촉감, 성질이 비슷하다. 고대인들은 필기에 사용될 수 있는 검은 물질들을 ‘검은 납’ 즉 흑연(graphite)라 불렀다. 몰리브데나이트를 이전에는 몰리브데나(molybdena)로 불렀는데, 이는 그리스어로 납을 뜻하는 몰리브도스(molybdos)에서 따온 것이다. 따라서 자연히 몰리브데나이트는 ‘검은 납’인 흑연(실제는 탄소 동소체의 일종)과 헷갈렸고, 흑연과 구분이 된 뒤에도 납 광석인 방연광(方鉛鑛, PbS)과 혼동되었다. 1754년에 퀴스트(Bengt Andersson Qvist, 1729~1799)가 몰리브데나이트는 방연광과 다르고, 이에는 납이 들어있지 않음을 밝혔다.   몰리브데나이트에 새로운 원소가 들어있음을 분명하게 보인 사람은 스웨덴 화학자 셸레(Carl Wilhelm Scheele, 1742~1786)이다. 그는 1778년에 몰리브데나이트 광석으로부터 새로운 금속 산화물(MoO3)을 얻음으로써 몰리브데나이트는 흑연과는 다르고, 또 이에는 납도 들어있지 않음을 보였다. 1781년에 헬름(Peter Jacob Hjelm, 1746~1813)은 몰리브데넘 산화물을 탄소와 함께 가열하여 불순한 상태이기는 하나 금속 몰리브데넘을 처음으로 분리하였다. 새로 분리한 원소인 몰리브데넘(molybdenum)이 납과는 전혀 다른 원소임이 확인되었음에도 불구하고, 이 원소의 이름을 납을 뜻하는 그리스어를 따서 지은 광석 이름 몰리브데나를 그대로 따서 지었기 때문에 몰리브데넘과 납의 혼동은 이후에도 계속되었다.

 

일본에서는 14세기에 몰리브데넘 합금 강철을 이용하여 칼을 제조하였으나, 이 비법은 널리 알려지거나 전해지지 않았다. 몰리브데넘은 1781년에 금속으로 분리된 이후 19세기 말까지는 거의 실험실적 호기심의 대상에 지나지 않다가, 20세기가 시작될 무렵에 이르러서야 점차 새로운 용도와 이용 방법이 알려지기 시작하였다. 1891년에 한 프랑스 회사가 몰리브데넘 합금을 장갑용 강철판으로 처음 사용하였으며, 제1차 세계대전시 장갑용 강철의 합금제로 사용되어왔던 텅스텐이 급격하게 늘어난 수요를 따르지 못하게 되자, 텅스텐 대신에 몰리브데넘을 사용하게 되었다. 일부 영국군 장갑차들은 장갑으로 75mm 두께의 망가니즈(Mn)강을 사용하였으나 큰 효과를 보지 못하였는데, 장갑을 25mm 두께의 몰리브데넘 강으로 대체함으로써 속도, 기동성, 폭탄보호 성능을 높일 수 있었다.   1차 대전 후 여러 저(低)몰리브데넘 강철 합금이 자동차용으로 개발되었고, 1930년대에는 몰리브데넘이 들어간 내열성 고속도강이 개발되어 절삭 공구의 제조에 사용되었다. 이후 몰리브데넘은 여러 종류의 초합금, 윤활제, 촉매 등의 화공약품, 전자 공업 등에 필수적으로 이용되고 있다.

 

몰리브데넘 결정과 고순도 입방체. <출처: (CC)Alchemist-hp at Wikipedia.org>

 

 

물리적 성질

몰리브데넘은 순수한 상태에서는 은백색을 띠고 모스 경도가 5.5인 단단한 금속이다. 그러나 보통은 검정 또는 검은 갈색의 분말로 얻어진다. 상자기성을 띠며, 결정은 체심입방(bcc) 구조를 한다. 상업적으로 사용되는 금속 중에서는 열팽창계수가 가장 작은 것에 속한다. 녹는점은 2617oC로, 천연 원소 중에서 탄탈럼(Ta), 오스뮴(Os), 레늄(Re), 텅스텐(W), 탄소(C)를 제외하면 가장 높다. 참고로 녹는점이 가장 높은 원소는 탄소(1기압에서는 녹지 않으며, 흑연의 삼중점은 100기압, 4230oC)이고, 다음은 텅스텐(녹는점 3422oC)이다. 끓는점은 4,650oC이고, 밀도는 20oC에서 10.28g/cm3이다. 녹는점이 높기 때문에, 금속 몰리브데넘 제품은 보통 분말야금법(powder metallurgy: 금속 가루를 가압∙성형하고 다시 고온에서 가열하여 원하는 금속제품을 제조하는 기술)으로 제조된다. 따라서 금속 덩어리의 물리적 성질은 그 물질을 만든 기계적 과정에 따라 차이가 난다.   동위원소 몰리브데넘은 무려 7가지나 되는 천연 동위원소를 갖는데, 이들은 92Mo(14.84%), 94Mo(9.25%), 95Mo(15.92%), 96Mo(16.68%), 97Mo(9.55%), 98Mo(24.13%), 100Mo(9.63%)이다. 이중에서 100Mo만 방사성 동위원소로, 두 번의 베타(β-) 붕괴를 하고 100Ru이 된다. 그러나 반감기가 7.8x1018년으로 아주 길기 때문에 천연 몰리브데넘은 방사선을 내지 않는다고 보아도 무방하다. 천연 동위원소의 종류가 많으므로 원자량을 정확하게 구하는 것이 어렵다.

몰리브데넘 분말. 몰리브데넘은 녹는점이 높기 때문에 분말 야금법으로 금속 제품을 만든다. <출처: Korvan>

 

질량수가 83에서 115에 이르는 여러 인공 방사성 동위원소들이 합성되었는데, 반감기가 비교적 긴 것으로 93Mo(반감기 4,000년)과 99Mo(반감기 65.94시간)이 있다. 93Mo는 전자포획을 하고 93Nb가 된다. 99Mo은 높은 순도의 235U에 중성자를 충돌시킨 후 빠른 추출 과정을 거쳐 상업적으로 생산되며, 98Mo의 중성자 활성화(neutron activation: 열중성자를 충돌∙포획시켜 방사성이 큰 동위원소를 얻는 것)로도 만들기도 한다.  99Mo는 핵의학에서 의료 진단에 널리 사용되는 준안정한 테크네튬-99(99mTc)을 생성하는 모동위원소로 아주 중요하게 사용된다. 99Mo는 β- 붕괴를 하고 반감기가 6.01시간인 99mTc가 되며, 99mTc는 감마선을 내고 반감기가 21,11만년인 99Tc이 된다.

 

 

몰리브데넘의 바닥 상태 전자 배치. <출처: (CC)Pumbaa at Wikipedia.org>

화학적 성질 몰리브데넘 원자의 바닥상태 전자배치는 [Kr]4d55s1이다. 따라서 6개의 전자를 잃고 비활성 기체인 크립톤(Kr)과 같은 전자배치를 갖는 +6의 산화상태가 가장 높고 흔하다. 그러나 +4의 산화상태를 갖는 화합물들도 흔히 발견되며, 산화상태가 -2, 0, +1, +2, +3, +5인 화합물들도 알려져 있다.   실온에서는 산소(O2)나 물과 거의 반응하지 않는다. 300oC 이상에서 산소에 의해 산화되기 시작하고, 600oC 이상에서는 공기 중의 산소와 반응하여 삼산화 몰리브데넘(MoO3)이 된다. 대부분의 산이나 염기에는 녹지 않으나, 뜨거운 진한 황산과 질산에는 녹는다.

 

 

몰리브데넘의 생산 몰리브데넘은 주로 휘수연석(몰리브데나이트, MoS2)에서 추출된다. 이 광석은 그 자체가 주된 광석으로 채굴되기도 하지만, 가끔은 구리와 텅스텐 광석 채굴의 부산물로도 얻어진다. 선광된 광석 가루를 공기 중에서 약 700oC로 가열하면 MoO3로 전환된다.   2 MoS2 + 7 O2 → 2 MoO3 + 4 SO2   여기서 생성된 MoO3를 정제하고 회수하는 방법의 한 가지는 높은 온도로 가열하여 MoO3(녹는점 795oC, 끓는점 1155oC)을 증발시켜 얻는 것이고, 다른 하나는 암모니아수로 처리하여 수용성인 몰리브데넘산 암모늄((NH4)2MoO4)으로 녹여내는 것이다.   MoO3 + 2 NH4OH → (NH4)2MoO4 + H2O   몰리브데넘산 암모늄은 (NH4)2Mo2O7, (NH4)6Mo7O24∙4H2O 등의 형태로 있기도 하는데, 여러 몰리브데넘 화합물 제조의 출발 물질과 분석 시약 등으로 사용된다.   금속 몰리브데넘은 MoO3를 고온에서 수소(H2)로 환원시켜 얻는다.   MoO3 + 3 H2 → Mo + 3 H2O   그러나 몰리브데넘 수요의 80% 이상을 차지하는 스테인리스강과 고속 공구강의 제조에서는 MoO3를 직접 사용하거나, 페로몰리브데넘(Fe-Mo)을 사용한다. 페로몰리브데넘은 MoO3를 Fe2O3와 섞은 후에 알루미늄(Al)으로 환원시키는 테르밋 공정(aluminothermic process)으로 만들어지는데, 몰리브데넘 함량은 대략 60%이다. 여기에 들어있는 불순물이 문제가 될 경우에는 전자빔 용해(electron beam melting) 방법으로 정제시킬 수 있다.   2 MoO3 + Fe2O3 + 6 Al → 2 {Fe-Mo} + 3 Al2O3   미국 지질조사국(USGS) 자료에 의하면, 2011년 전세계 몰리브데넘 생산량(제품에 포함된 금속 기준)은 25만 톤이고 중국(94,000톤, 38%), 미국(64,000톤, 26%), 칠레(38,000톤, 15%), 페루(18,000톤, 7.2%), 멕시코(12,000톤, 4.8%) 등에서 주로 생산되었다. 확인된 전세계 광석 매장량은 약 2000만 톤으로, 중국, 미국, 칠레에 많이 매장되어 있다. 우리나라에서는 과거에 몰리브데넘 광석이 채굴되었으나, 근래에는 광석 생산이 거의 중단되었다. 우리나라의 채굴 가능한 광석 매장량은 약 190만 톤으로 추정된다. 그 동안 수입한 광석에서 연 5000톤 규모의 산화 몰리브데넘(MoO3)을 생산해 왔으나, 2012년에는 국내 광석을 이용한 연 2400 톤 규모의 MoO3 생산 설비를 구축하고 있다.   몰리브데넘 가격은 공업용 MoO3에 포함된 금속 기준으로, 2005년 6월에 1kg당 미화 103$로 최고치에 달했으며, 2011년의 미국 평균 가격은 1kg당 34.9$ 이었다.

 

 

몰리브데넘의 용도 생산된 몰리브데넘(산화 몰리브데넘, 페로 몰리브데넘 포함)의 약 80%는 철과 강철의 합금제로 사용된다. 몰리브데넘은 아주 높은 온도에서도 크게 팽창되거나 물러지지 않는다. 이런 특성 때문에 몰리브데넘 합금은 내열성이 요구되는 항공기와 우주선 부품, 미사일 부품, 전기 접점, 산업용 모터, 필라멘트, 총열, 전차의 장갑 등의 제조에 많이 사용된다. 또한 내부식성과 강도가 강한 합금을 얻는 데도 사용되는데, 스테인리스 강, 고속공구강, 주철, 베어링, 고온 초합금으로 사용되는 대부분의 고강도 강철 합금(예로 41xx계열 강)은 0.25%~8%의 몰리브데넘을 포함하고 있다. 고 크로뮴 스테인리스강의 내부식성을 더욱 향상시키기 위해서도 몰리브데넘이 첨가된다. 또 텅스텐을 포함하는 고속도 강철(T 계열)에서 텅스텐을 대체하여 쓰이기도 하는데, 몰리브데넘이 들어있는 강철을 ‘M 계열 강’이라 한다.

 

제1차 세계대전 시 몰리브데넘 합금으로 제작된 독일의 곡사포 '빅 버사'. 장갑용 강철의 합금제로 사용되어온 텅스텐의 늘어난 수요를 감당하지 못하게 되자, 텅스텐 대신에 몰리브데넘을 사용하게 되었다.

몰리브데넘은 내부식성과 강도가 강한 합금을 얻는 데도 사용되는데, 대부분의 고강도 강철 합금에는 0.25%~8%의 몰리브데넘이 포함되어 있다. <출처: Chida Tungsten & Molybdenum Products Co., Ltd>

 

 

몰리브데넘은 산화물, 황화물, 질소화물 등의 형태로 석유공업화학에서 촉매로 중요하게 사용된다. 양적으로 가장 많이 사용되는 촉매는 수소화탈황(hydrodesulfurization) 촉매인데, 주로 알루미나에 지지된 Co-Mo 황화물 또는 Ni-Mo가 쓰인다. 탈황 과정은 천연가스와 여러 석유화학 제품에서 황(S)을 제거함으로써 이들의 연소시 발생하는 아황산가스(SO2) 배출과 황이 다른 귀금속 촉매의 촉매독으로 작용하는 것을 원천적으로 막는다. 이외에도 여러 몰리브데넘 촉매들이 방향족화, 이성질체화, 알킬화, 수소화, 에폭시화, 중합화, 산화, 수소첨가분해 등 여러 유형의 반응을 촉진하는 데 사용된다. 금속 몰리브데넘은 전극(예로 유방촬영용 X-선 관의 양극), 전구의 필라멘트 지지대, 금속 가공 금형, 노(爐)의 부품, 몰리브데넘 촉매 합성의 출발물질 등으로 사용된다. 한편, 합성 방사성 동위원소 99Mo는 의학적으로 유용하게 사용되는 테크네튬-99m(99mTc)의 모 방사성 동위원소이다.

 

 

몰리브데넘 화합물과 이의 이용 다양한 몰리브데넘 화합물들이 여러 용도로 중요하게 사용되는데, 이들의 몇 가지를 소개하면 다음과 같다.   삼산화 몰리브데넘(MoO3) MoO3는 주된 몰리브데넘 광석인 휘수연석(몰리브데나이트: MoS2)을 공기 중에서 구우면 얻어진다. 실험실에서는 몰리브덴산 소듐 수용액에 과염소산을 가해 MoO3의 수화물을 쉽게 얻을 수 있다.   Na2MoO4 + H2O + 2 HClO4 → MoO3∙(H2O)2 + 2 NaClO4   MoO3는 노랑 또는 연한 푸른색 고체이며, 녹는점은 795oC이고 끓는점은 1155oC이다. 몰리브데넘 화합물 중에서 가장 많이 생산되는데, 주로 산화 촉매, 금속 몰리브데넘의 생산 원료, 그리고 법랑과 금속 사이의 접착제 등으로 쓰인다. 고체 상태의 MoO3 는 찌그러진 팔면체 층으로 이루어져 있으며, 각 팔면체는 하나의 짧은 Mo-O 결합과 하나의 비가교산소(non-bridging oxygen)를 갖고 있다. 이런 구조적 특성과 Mo(IV)과 Mo(V)이 서로 쉽게 전환되는 특성으로 인해, MoO3를 전기화학 디바이스와 표시기에 사용하는 것에도 관심이 주어졌다. 또한 물이 닿으면 수소 이온을 내어 놓으므로, 섬유 등에 첨가하면 항균작용을 나타낼 수 있다.   몰리브데넘산과 몰리브데넘산염 MoO3는 물에 약간 녹는데, 이의 수화물(보통은 1 또는 2 수화물)을 몰리브데넘산(molybdic acid)이라 한다. 한편 MoO3를 알칼리에 녹이면 몰리브데넘산염(molybdate: MoO42-의 염)이 얻어지는데, 물에 녹지 않는 몰리브덴산염은 색깔이 변하지 않는 내부식성 안료로 사용된다. 예로, 몰리브데넘 오렌지(molybdenum orange)는 크로뮴산 납(PbCrO4), 몰리브덴산 납(PbMoO4), 황산 납(PbSO4)을 함께 침전시켜 얻는데, 밝은 주황색을 띠며 열과 빛에 안정하여 도자기, 플라스틱, 고무 등에 안료로 첨가된다.   MoO42-는 CrO42-보다 약한 산화제이며, 낮은 pH에서는 [Mo7O24]6-나 [Mo8O26]4- 와 같은 폴리몰리브덴산 음이온으로 중합된다. 이들 중합체 음이온에는 다른 이온이 쉽게 끼어들게 되는데, 인(P)이나 규소(Si)와 같은 제3의 원자(헤테로 원자: heteroatom)를 포함하는 환원된 헤테로폴리몰리브데넘산 음이온(heteropolymolybdate)은 푸른색을 띠며, 이의 염을 몰리브데넘 블루(molybdenum blue)라고 부른다. 예로 인(P)이 끼어든 음이온의 화학식은 P[Mo12O40]3-이다. 이러한 몰리브데넘 블루의 생성은 인, 비소(As), 규소(Si), 저마늄(Ge) 등을 분광학적으로 분석하는 수단이 된다. 또한 몰리브데넘산은 생화학과 의약화학에서 여러 유기 화합물을 염색하고 분석하는 데도 사용된다.   이황화 몰리브데넘(MoS2) MoS2는 휘수연석의 성분으로, 흑연과 헷갈릴 정도로 구조, 모양, 촉감, 성질이 흑연과 비슷하다. 검은색으로 반응성이 거의 없으며, 산소나 묽은 산과 반응하지 않는다. 광석에서 비교적 순수한 MoS2를 바로 얻을 수 있으며, 거의 모든 몰리브데넘 화합물이 높은 온도에서 황화수소(H2S)와 반응하면 MoS2를 생성한다.   고체 MoS2는 황으로 이루어진 두 층 사이에 몰리브데넘이 샌드위치된 층들이 쌓여있는 층상 구조를 하고 있으며, 층들 사이에는 약한 반데르발스 힘이 작용한다. 이 때문에 미끄러지기 쉽고 마찰계수가 낮아 윤활제로서의 좋은 성질을 갖는다. MoS2 분말은 고온/고압 내마모성 고체 윤활제로 널리 사용되는데, 350oC의 산화성 기류 하에서도 높은 안정성과 윤활성을 유지한다. MoS2는 또한 금속 표면에 강한 막을 형성하므로, 윤활유에 흔히 첨가되는데, 이런 윤활유는 기름이 완전히 없어진 상태에서도 기계가 계속 작용해야만 하는 항공기 엔진, 자동차의 축이음(joint) 등에 사용된다. 또한 MoS2는 플라스틱에 첨가하여 마찰 저항이 적고 강도가 큰 복합체를 얻거나, 다른 물질의 표면에 진공 증착시켜 고온용 자기윤활 복합 재료를 얻는 데 쓰이기도 한다.   합성 MoS2는 정유공장에서 탈황촉매로 사용되는데, 촉매 특성을 높이기 위해 소량의 코발트(Co) 또는 니켈(Ni)이 첨가된다. 이들 촉매는 알루미나에 주입된 몰리브데넘산염/Co 또는 몰리브데넘산염/Ni을 H2S와 같은 황 화합물과 직접 반응시켜 만든다. MoS2는 또한 질소, 황, 산소를 포함하는 화합물을 수소첨가분해시키는 촉매로도 사용된다.   MoS2는 반자기성(diamagnetic)이며, 반도체 성질을 보인다. 특히 MoS2 단층막은 흑연의 단층막인 그래핀(graphene)과 유사하다. 이런 이유로 MoS2 와 이의 단층막은 앞으로 전자공학과 광전지에 유용하게 쓰일 것으로 기대되고 있다.   기타 화합물 이규화몰리브데넘(molybdenum disilicide, MoSi2)은 녹는점이 2,030oC이고, 전기 도체이다. 고온에서는 SiO2보호 피막이 만들어져 더 이상 산화되지 않으므로 공기 중에서 1,500oC 이상의 온도가 요구되는 전기로, 열처리로 등의 발열체로 사용된다. 공기 중에서 1,800oC까지 사용할 수 있으며, 산소가 적으면 더 높은 온도에서도 사용할 수 있다. 사티오몰리브덴산 암모늄(ammonium tetrathiomolybdate, (NH4)2MoS4)은 진한 붉은색의 화합물로, 몰리브데넘의 생물학적 역할과 연관된 여러 연구에 사용된다.

 

 

몰리브데넘의 생물학적 역할

몰리브데넘은 거의 모든 생명체에서 미량 필수 원소로 작용한다. 몰리브데넘은 생물체 내에서 산화환원 반응에 관여하는 50종 이상의 금속효소의 보조인자(cofactor)에 들어있다. 인체에서 몰리브데넘 보조인자를 필요로 하는 효소로는 알데하이드 산화효소(aldehyde oxidase), 아황산 산화효소(sulfite oxidase), 잔틴 산화효소(xanthine oxidase, 잔틴을 요산(uric acid)으로 산화시키는 반응에 관여하는 효소)가 있다. 몰리브데넘은 몰리브데넘산 음이온(MoO42-)의 형태로 생체 내에서 전달되며, 몰리브데넘 보조인자는 몰리브도프테린(molybdopterin: 몰리브데넘 또는 텅스텐과 결합하여 이들 금속효소의 보조인자가 되는 화합물)과 MoO42-가 반응하여 만들어진다.

몰리브데넘 효소의 보조인자. 몰리브도프테린의 황(또는 셀레늄)에 산화된 몰리브데넘 원자가 결합되어 만들어진다.

 

인체에는 체중 1kg당 약 0.07mg의 몰리브데넘이 들어 있으며, 신장과 간에 주로 있다. 1일 평균 섭취량은 0.12~0.24mg이며, 우유 및 유제품, 콩, 간, 곡류 등이 몰리브데넘의 좋은 공급원이다. 정상적인 식사를 하는 경우는 몰리브데넘의 결핍이 생기지 않는다. 몰리브데넘의 농도가 낮은 토양 지역에 사는 사람들은 식도암 발병률이 높다고 보고되었다. 선천성 몰리브데넘 보조인자 결핍증이 영아에게서 가끔 나타나는데, 이는 혈중 아황산염과 요산염 수치의 증가를 가져오고 신경 손상을 일으키기도 한다. 반면, 혈액 내에 몰리브데넘의 농도가 높으면, 구리 흡수가 방해를 받아 인체에 구리 결핍증이 나타날 수 있다.

 

질소고정효소와 몰리브데넘 공기 중의 질소(N2)를 산화시켜 고정시키는 박테리아에서 발견된 질소고정효소는 보통 활성 자리에 몰리브데넘을 갖고 있다. 질소고정효소는 N2를 NH3로 산화시키는 과정에서 맨 마지막 과정에 관여하며 산소에 대해 불안정하다.

 

뿌리혹 박테리아. 콩과 식물과 공생하는 뿌리혹 박테리아는 질소고정효소를 사용하여 공기 중의 질소를 고정시키는데, 이 효소에 몰리브데넘이 들어있다.

대부분의 몰리브데넘 화합물은 물에 거의 녹지 않는데, 몰리브데넘산 음이온(MoO42-)만 물에 약간 녹는다. MoO42-는 몰리브데넘 광물이 산소 및 물과 접촉하여 생성되며, 질소고정 박테리아는 이를 활용한다. 지구의 역사에서 거의 20억년 동안 진핵 생물체가 더 이상 진화될 수 없었던 요인이 몰리브데넘이었다는 주장이 최근에 제기되었다. 이 이론에 따르면, 초기 지구에는 산소가 결핍되어 있었고 따라서 몰리브데넘 광물도 거의 녹지 않아 바다에는 몰리브데넘이 거의 없었다. 이런 조건에서는 몰리브데넘을 필요로 하는 질소고정 생명체는 번창할 수 없으며, 질소고정을 할 수 없는 진핵 생명체는 질소 화합물을 만들거나 자신을 구성하는 데 필요한 질소 화합물을 원핵 박테리아에서 얻어야만 하였다. 그 후 초기 생명체에 의한 산소 호흡(방출)으로 산소의 양이 증가함에 따라 바다에 녹아있는 몰리브데넘의 농도가 높아지고, 이는 몰리브데넘을 효소 성분으로 하는 질소고정 박테리아의 출현으로 이어지게 되었으며, 이 박테리아의 출현은 바다의 영양을 풍부하게 했고, 이는 보다 복잡한 유기체로 발달할 여건을 제공하여 진핵 생물체의 진화가 시작되었다는 것이다.

 

생물에 의해 고정되는 질소의 양이 연간 약 1억5000만 톤으로 추정되는데, 이는 공업적으로 하버(Haber) 공정에 의해 고정되는 질소의 양과 비슷하다. 따라서 몰리브데넘은 질소고정을 통해 생물에 영양소를 공급하여 진화를 촉진하고 우리의 먹거리를 제공하는 역할을 하는 귀중한 원소로 여겨진다.

 

 

1. 수치로 보는 몰리브데넘
   몰리브데넘의 표준원자량은 95.94g/mol이다. 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d⁵5s¹([Kr]4d⁵5s¹)이며, 화합물에서 주된 산화 수는 +6이다. 지각에서의 존재비는 약 1.2 ppm(1.2x10^-4%)로, 54번째로 풍부한 원소이다. 바닷물에는 약 10ppb농도로 들어있고, 25번째로 많은 원소이다. 전세계 연간 생산량은 약 25만 톤인데, 이의 80% 이상은 합금 제조에 사용된다. 광석 매장량은 약 2,000만 톤으로 추정된다. 1기압에서 녹는점은 2.617^oC이고, 끓는점은 4,650^oC이며, 25^oC에서 밀도는 10.28g/cm³이다. 20^oC에서 전기비저항은 53.4nΩ∙m이며, 25^oC에서 열 전도율은 138W∙m^-1∙K^-1이이다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 684.3, 1560, 2618 kJ/mol이며, 폴링의 전기음성도는 2.16이다. 원자 반경은 139 pm(비교: W, 139pm)이고, 6배위된 Mo⁶⁺ 이온의 반경은 59 pm(비교: W⁶⁺, 60pm)이다. 천연 동위원소는 ⁹²Mo(14.84%), ⁹⁴Mo(9.25%), ⁹⁵Mo(15.92%), ⁹⁶Mo(16.68%), ⁹⁷Mo(9.55%), ⁹⁸Mo(24.13%), ¹⁰⁰Mo(9.63%)의 7가지가 있는데, ¹⁰⁰Mo는 반감기가 7.8x10¹⁸년인 방사성 동위원소로 두 번의 β^- 붕괴를 하고 ¹⁰⁰Ru이 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.

발행일  2012.06.20

Molybdenum Atomic Weight   95.94 Density   10.28 g/cm3 Melting Point   2623 °C Boiling Point   4639 °C Full technical data Pure molybdenum is used in specialized high temperature applications because it maintains its strength better than molybdenum steel, a common high-strength alloy. Large pure bars like this are unusual. Scroll down to see examples of Molybdenum.