Tungsten(W),74-텅스텐

원자번호 74번인 텅스텐(tungsten, W)의 원소 이름은 스웨덴어로 ‘무거운(tung) 돌(sten)’이라는 뜻으로, 우리나라에서도 이 뜻의 한자어인 중석(重石)이라고 불렀다. 텅스텐의 다른 이름은 볼프람(wolfram)인데, 원소 기호 W는 이에서 나온 것이다. 텅스텐은 무겁고 단단하며, 금속 원소 중에서 녹는점이 가장 높고 증기압은 가장 낮다. 이 때문에 백열등 필라멘트와 각종 전기·전자 부품 재료로 사용되어 왔으며, 합금과 탄화물은 절삭공구, 무기 등에 널리 사용된다. 우리나라에도 많이 매장되어 있는데, 강원도의 상동광산은 단일규모 광산으로는 세계 최대의 매장량을 가진 것으로 여겨진다. 1950~70년대에는 텅스텐이 우리나라 전체 수출의 70% 이상을 차지하였고, 상동광산에서 생산된 텅스텐이 전세계 생산량의 약 15%를 차지하기도 하였다. 그러나 국제경쟁력을 이기지 못해 상동광산은 1994년에 폐쇄되었는데, 지난해에 미국의 워런 버핏(Warren Buffett)이 이에 거금을 투자하기로 해서 다시 큰 기대를 모으고 있다. 텅스텐의 발견, 물리 및 화학적 성질, 그리고 용도 등에 대해 알아보기로 하자.

원자번호 74번, 텅스텐 텅스텐(tungsten)1)은 볼프람(wolfram)으로도 불리며, 원자번호 74번의 원소로 원소기호는 W이다. 주기율표에서는 크로뮴(Cr), 몰리브데넘(Mo)과 함께 6족(6B족)에 속하는 6주기 전이금속이다. 굳고 단단한 회백색 내지 백색 금속으로, 아주 순수한 것은 연성과 전성이 있고 강철 톱으로 자를 수 있으며 가공할 수 있다. 불순물이 들어가면 더욱 단단해지나 부서지기 쉽게 된다. 녹는점은 3422oC로 금속 원소 중에서는 가장 높으며, 끓는점은 5550oC이다. 밀도는 20oC에서 19.25g/cm3로 납(Pb)의 거의 2배이고 금과 거의 같다. α와 β의 두 가지 결정형으로 존재하는데, α형이 보다 안정하며 β형은 준안정하고 자연 발화할 수 있다. 텅스텐은 반응성이 작은 금속으로, 실온에서는 산소, 산, 알칼리와 잘 반응하지 않는다. 그러나, 400oC이상에서는 공기 중에서 산화되며, 고온에서는 다른 여러 비금속 원소들과도 반응한다. 질산과 왕수에는 녹으며, 가열하면 묽은 황산이나 염산에도 녹는다. 화합물에서 가장 흔한 산화 상태는 +6이나, -2에서 +5까지 다양한 산화 상태의 화합물들도 알려져 있다.

원자번호 74번 텅스텐 <출처: (cc) Arnoldius at wikimedia.org>

텅스텐의 원소정보

텅스텐은 지각에서의 존재비가 약 1ppm(0.0001%)으로, 존재량 순서가 대략 58번째인 비교적 희귀한 원소이다. 흙에 1~2.5ppm 농도로 들어있고. 바닷물 1L에는 대략 0.09mg이 포함되어 있다. 텅스텐 광석으로는 회중석(scheelite, CaWO4), 철망가니즈중석(wolframite, (Fe,Mn)WO4), 철중석(ferberite, FeWO4), 망가니즈중석(hubnerite, MnWO4) 등이 있다. 전세계 광석 매장량은 텅스텐으로 환산해서 약 310만 톤으로 추정되는데, 이중 약 60%가 중국에 있다. 2011년 전세계(미국 제외) 생산량은 72,000톤이며, 중국이 이의 약 83%를 생산하였다. 텅스텐은 50%이상이 탄화텅스텐(WC)로 전환되어 절삭 공구를 비롯한 금속 가공용 공구, 건설 장비, 천연 가스 시추 장비, 장신구 등에 사용되는 경질물질(hard material)의 제조에 쓰인다. 나머지는 고강도 합금 생산에 주로 사용되는데, 대표적인 것이 금속재료를 빠른 속도로 절삭하는 공구를 만드는데 주로 사용되는 고속도강(high speed steel)으로 이에는 텅스텐이 18%까지 포함되어 있다. 텅스텐과 텅스텐 합금은 전극, 필라멘트, 전선, 기타 여러 전기·전자 재료, 우주선 부품 재료, 착암기 드릴, 장신구 등에 사용된다, 또 총, 대포, 장갑판 재료로 쓰이고, 침투기와 유산탄(shrapnel) 성분으로 사용되기도 하며, 이외에 밀도가 큰 물질이 필요한 여러 곳에 쓰이기도 한다. 그리고 텅스텐 화합물은 도자기 유약, 형광체, 화학 촉매 등으로 사용된다.

텅스텐의 발견과 역사 1600년대에 중국에서 제작된 도자기에는 독특한 복숭아 색을 내기 위해 텅스텐을 포함하는 안료를 사용한 것이 있다. 그러나 그 때 도공들이 텅스텐 안료의 실체에 대해 알고 있었던 것 같지는 않다. 서양에서는 1700년대 중반부터 텅스텐을 포함하는 광석에 대한 연구가 시작되었다. 1761년에 독일 광물학자이자 지질학자인 레만(Johann Gottlob Lehmann, 1719~1767)이 철망가니즈중석(wolframite)을 분석하여 두 가지 새로운 물질을 얻었는데, 그는 이 물질들이 그때까지 알려지지 않았던 두 가지 원소인 망가니즈와 텅스텐으로 이루어진 화합물들임을 인지하지는 못하였다. 1779년에는 아일랜드 화학자 울프(Peter Woulfe, 1727~1803)가 독일과 스웨덴에서 발견된 ‘무거운 돌’이란 뜻으로 불린 광석 ‘텅스텐(tungsten)’을 분석하고 여기에 새로운 원소가 들어있을 것이라고 주장하였으나, 구체적으로 새로운 원소나 이의 화합물을 분리하여 보여주지는 못했다. 2년 뒤인 1781년에 스웨덴의 약사이자 유명한 화학자인 셀레(Wilhelm Scheele, 1742~1786)는 울프가 조사한 ‘무거운 돌’에서 흰색의 산성 산화물(텅스텐산, WO3의 수화물)을 실제로 분리해 보였다. 그는 이것이 새로운 금속 원소의 산화물이며, 이를 환원시키면 새로운 금속 원소가 얻어질 것이라고 제안하였다. 그러나 자신이 이를 실제로 환원시켜 새로운 원소를 분리해 보이지는 않았다. ‘무거운 돌’은 셀레를 기리기 위해 scheelite로 부르게 되었는데, 우리말로는 회중석(灰重石)이라 부른다. 텅스텐 금속의 분리는 1783년에 스페인의 엘야아르 형제(Juan Jose Elhyuyar와 Fausto Elhuyar)에 의해 이루어졌는데, 그들은 철망가니즈중석에서 산성 산화물을 얻고 이것이 셀레가 회중석에서 얻은 텅스텐산과 동일한 것임을 밝혔으며, 이 텅스텐산을 탄소로 환원시켜 처음으로 금속 텅스텐을 분리하였다.

대표적인 텅스텐 광석인 회중석(scheelite)(왼쪽)과 철망가니즈중석(wolframite)(오른쪽). 텅스텐은 회중석을 일컫는 스웨덴어 무거운(tung) 돌(sten)에서 따왔고, 원소 기호 W는 철망가니즈중석에서 따온 텅스텐의 또 다른 이름 볼프람(wolfram)에서 나왔다. <출처: (cc)Alchemist-hp at de.wikipedia(좌), Didier Descouens (우)>

텅스텐이 처음 발견된 광석인 회중석(scheelite)을 스웨덴어로 ‘무거운(tung)’ ‘돌(sten)’이라 부렀는데, 원소 이름 텅스텐(tungsten)은 이의 복합어로 지어졌으며, 우리말로도 중석(重石)이라 불리었다. 텅스텐이 발견되기 전, 독일 광부들은 어떤 광석이 주석 광석에 섞이면 많은 양의 주석이 슬래그화되어 쓸모없게 되는 것을 발견하고는, 이 광석을 탐욕스러운 늑대(Wolf)를 빗대어 ‘늑대의 흙”이란 뜻의 ‘Wolfram’ 또는 ‘Wolframite’로 불렀는데 이 광석이 바로 철망가니즈광석이다. 이런 연유로 볼프람(wolfram)이 이 광석의 구성 원소를 가리키는 이름이 되었으며, 텅스텐의 원소 기호 W는 이에서 나왔다. 이 원소를 미국, 영국, 프랑스는 텅스텐이라 부른 반면, 독일, 스페인, 이탈리아 등은 볼프람이라고 불러왔는데, 1950년에 국제순수·응용화학연합(IUPAC)은 텅스텐을 공식명으로 채택하였으나 볼프람도 인정하였으며, 일부에서는 볼프람이란 이름을 여전히 사용하고 있다. 텅스텐의 용도는 1864년에 영국인 무세트(Robert Forester Mushet, 1811~1891)에 의해 처음 발견되었는데, 그는 강철에 약 5%의 비율로 텅스텐을 첨가하면 철이 더욱 단단하고 강해지며, 높은 온도에서도 변형되지 않는다는 것을 알아내었다. 텅스텐이 들어간 강철(무세트강 또는 텅스텐강)은 처음에는 공구 제작에 사용되다가, 곧 총과 대포를 만드는데도 사용되었다. 백열등의 텅스텐 필라멘트는 1903년에 개발되기 시작해서 1908년부터 사용되어 왔다. 우리나라의 대표적 텅스텐 광산인 상동광산에 회중석과 철망가니즈중석이 매장되어 있다는 사실은 1916년과 1917년에 각각 발견되었고, 1923년에 일본인에 의해 채광되기 시작하였다. 광복 후인1952년에는 국영기업으로 대한중석광업㈜가 설립되어 활발한 채광이 이루어졌으며, 뒤이어 제련과 금속 가공 공장들이 준공되어 텅스텐이 한때는 우리나라 전체 수출의 약 70%를 차지하였고, 우리나라가 세계 전체 텅스텐 생산의 15%를 점유하기도 하였다. 그러나 1980년대에 중국이 텅스텐을 생산·수출하기 시작함에 따라 국내 텅스텐 산업은 국제 경제력을 이기지 못해 상동광산은 1994년에 폐쇄되었다. 그런데, 최근에 개발 도상국에서 텅스텐 수요가 급격히 늘어나고 중국이 텅스텐 수출 쿼터를 설정함에 따라 텅스텐의 국제 시세가 급등하게 되자 상동광산이 다시 관심을 끌게 되었다. 더욱이, 2012년에 미국의 워런 버핏이 이에 거금을 투자하기로 하여, 우리나라에서 다시금 텅스텐이 생산되고 관련 산업이 번성하리라 기대되고 있다.

텅스텐 금속. 텅스텐은 회백색 또는 백색의 단단하고 무거운 금속으로, 금속 중에서 녹는점이 가장 높고 증기압이 가장 낮다. 사진은 텅스텐 봉과 텅스텐 알갱이임. <출처: (cc) W. Oelen, USGS>

물리적 성질 텅스텐은 굳고 단단한 회백색 내지 백색 금속으로, 분말은 회색이다. 아주 순수한 것은 대부분의 강철보다도 단단하나, 연성과 전성이 있고 강철 톱으로 자를 수 있으며 가는 선으로 뽑을 수도 있고 여러 모양으로 가공할 수 있다. 불순물이 첨가되면 더욱 단단해지나 부서지기 쉽게 된다. 녹는점은 3422oC로 금속 원소 중에서는 가장 높으며, 모든 원소 중에서는 탄소다음으로 높다. 1300oC이상의 온도에서는 인장강도(tensile strength, 막대모양의 재료가 견디는 최대의 하중으로, 단위는 압력(힘/단면적)의 단위로 표현되나 kg/mm2으로 나타내기도 함)가 가장 큰 금속이다. 또 모든 원소 중에서 증발열(806.7kJ/mol)이 가장 크고 증기압이 가장 낮으며, 끓는점(5560oC)은 레늄(Re)다음으로 높다. 밀도는 20oC에서 19.25g/cm3로 납(Pb)의 약 2배이며, 금(Au, 19.30g/cm3)이나 우라늄(U, 19.1g/cm3)과 거의 같다. 결정은 α와 β형의 두 가지가 있는데, α형은 체심입방(bcc) 구조를 하고 보다 안정하며, β형은 A15입방 구조를 하는 준안정한 상태로 자연 발화할 수 있다. 실온에서 α형과 β형이 공존할 수 있다. 텅스텐은 전기를 잘 통하는데, α형이 β형보다 전기 전도도가 약 3배 크다. 아주 낮은 온도에서 초전도체가 되는데, 임계온도는 α형이 0.015K이고 β형은 1~4K이다. 다른 금속과 합금을 만들어 임계온도를 높일 수 있다. 동위원소 텅스텐은 천연상태에서 180W(0.12 %), 182W(26.50 %), 183W(14.31 %), 184W(30.64 %), 186W(28.43 %)의 5가지 동위원소로 존재하는데, 이들은 모두 안정한 것으로 볼 수 있다. 질량수가 158~192사이에 있는 30가지 인공 방사성 동위원소들이 확인되었는데, 반감기가 긴 것들은 181W(반감기 121.1일), 185W(반감기 75.1 일), 188W(반감기 69.4일), 178W(반감기 21.6일)이고, 나머지들은 반감기가 3시간보다 짧다. 질량수가 182보다 작은 동위원소들은 주로 전자포획 또는 β+붕괴를 하고 탄탈럼(Ta) 동위원소가 되는데, 질량수가 170이하인 동위원소들은 α붕괴를 하고 하프늄(Hf) 동위원소가 되기도 하며, 질량수가 작을수록 α붕괴의 비율이 높다. 질량수가 184보다 큰 동위원소들은 주로 β-붕괴를 하고 레늄(Re) 동위원소가 된다. 11 가지의 준안정한 핵 이성체들이 확인되었는데, 반감기가 가장 긴 것이 179m1W(반감기 6.4분) 이다.

화학적 성질

텅스텐은 비교적 반응성이 없는 금속으로, 실온에서는 산소, 산, 알칼리와 잘 반응하지 않으나, 400oC이상에서는 공기 중에서 산화된다. 습한 공기 중에서 산화되고, 고온에서는 물과 반응하여 산화물이 된다. 질산과 왕수(진한 염산과 질산의 3:1 혼합물)에 녹으며, 가열하면 묽은 황산이나 염산에도 녹는다. 고온에서 여러 비금속 원소들과 반응하여 틈새형 비화학양론적 화합물들을 만든다. 화합물에서 가장 흔한 산화 상태는 +6이나, -2에서 +5까지의 다양한 산화 상태의 화합물들도 알려져 있다. 대표적인 산화물은 노란색의 삼산화텅스텐(WO3)인데, 천연상태에서는 1-2개의 물 분자를 가진 수화물 형태로 존재하며, 알칼리에 녹아 텅스텐산 이온 WO42-이 된다. 중성 또는 산성 수용액에서 WO42-은 여러 개가 축합하여[W7O24]6-또는 [W21O41]10-와 같은 폴리옥소메탈레이트(polyoxometalate) 음이온을 만든다.

텅스텐의 바닥 상태 전자 배치 <출처 : (cc)Pumbaa at Wikipedia.org>

텅스텐의 생산 텅스텐은 주로 회중석(scheelite, CaWO4), 철망가니즈중석(wolframite, (Fe,Mn)WO4) 등의 광석에 텅스텐산염 형태로 존재한다. 이들 광석에서 텅스텐을 생산하는 데는 모두 텅스텐산(H2WO4)을 중간체로 얻는 과정을 거치는데, 화학적 과정은 광석에 따라 약간씩 차이가 있다. 회중석의 경우, 염산(HCl)으로 처리하면 다른 금속들은 수용성 염이 되어 물에 녹고, 텅스텐은 물에 녹지않는 텅스텐산이 되어 침전으로 분리된다. CaWO4 + 2 HCl → CaCl2 + H2WO4↓ 철망가니즈중석의 경우에는, 가성소다(NaOH)로 용융시키고 물로 우려내거나 알칼리 수용액과 오래 가열하면 철 등의 다른 금속들은 수산화물로 침전되고 텅스텐은 수용성인 텅스텐산 염으로 전환된다. 침전을 제거한 후 얻은 수용액을 염산으로 산성화하면 텅스텐산이 침전으로 분리된다. MWO4 + 2 NaOH → Na2WO4 + M(OH)2↓ (M = Fe 또는 Mn) Na2WO4 + 2 HCl → 2 NaCl + H2WO4↓ 텅스텐산을 암모니아 용액에서 농축시키면 파라텅스텐산암모늄(ammonium paratungstate, APT: (NH4)10W12O41·5H2O)이 얻어진다. APT, 또는 텅스텐산과 APT의 혼합물을 고온으로 가열하면 열 분해가 일어나서 삼산화텅스텐(WO3)이 된다. 금속 텅스텐은 WO3를 탄소 또는 수소(H2)로 환원시키면 분말 형태로 얻어진다. 2 WO3 + 3 C(또는 6 H2) → 2 W + 3 CO2(또는 6 H2O) 텅스텐 모합금으로 널리 사용되는 페로텅스텐(ferro-tungsten, 철-텅스텐 합금으로 텅스텐 함량이 70~80% 정도임)은 WO3를 철과 혼합한 후 수소 또는 탄소로 환원시켜 만든다. 텅스텐은 녹는점이 높아 그 자체만을 주괴(ingot)로 만들기는 어려우나, 소량의 니켈(Ni) 등과 혼합하여 성형하고 소결하면 합금 형태의 주괴로 얻을 수 있다. 2011년 전세계(미국 제외) 텅스텐 생산량은 약 72,000톤이며, 중국이 이의 83%인 60,000톤을 생산하였고, 러시아(3,100톤), 캐나다(2,000톤), 포르투갈(1,300톤), 볼리비아(1,200톤), 호주(1,100톤) 등에서도 상당 양이 생산되었다. 북한은 2009년에 약 110톤을 생산한 것으로 추정된다. 우리나라는 1960~1980년에 연 평균 약 4,000톤을 생산하였는데, 1990년대부터는 중국산과의 경쟁에 밀려 거의 생산하지 못하고 있다. 전세계 광석 매장량은 텅스텐을 기준으로 약 310만 톤으로 추정되는데, 중국에 190만 톤(61%)이 매장되어있고, 러시아, 우리나라 남북한, 미국, 캐나다, 카자흐스탄 등에도 상당량이 매장되어 있다. 텅스텐은 흔히 삼산화텅스텐 (WO3, W 함량 79.3%) 또는 파라텅스텐산암모늄(APT, W 함량 70.0%) 형태로 판매되며, 거래 단위는 보통 mtu(metric ton unit, 1mtu=1/100톤=10kg)이다. 2011년 미국 시장의 WO3 평균 가격은 미화 250$/mtu(W로 환산할 경우, 31.5$/kg)이었고, 2012년 10월의 중국산 APT 가격은 340~360$/mtu(W로 환산할 경우, 약 48.6~51.4$/kg)이었다. 페로텅스텐은 2013년 1월 현재 약 45$/kg으로 거래되고 있다.

텅스텐은 백열전구 등의 필라멘트로 사용된다.

텅스텐의 용도 텅스텐은 초경합금(cemented carbide, hard metal), 내열성 및 내마모성 합금 등의 제조에 쓰이며, 텅스텐 금속 자체도 여러 용도로 유용하게 사용된다. 그리고 화합물들은 안료나 촉매 등으로 다양하게 사용된다. 탄화텅스텐과 초경합금 텅스텐의 50%이상은 탄화텅스텐(WC 및 기타 W와 C간의 이성분 화합물)으로 만들어 초경합금(실제는 합금이 아니고 세라믹이다)에 사용된다. 보통 탄화텅스텐으로 불리는 WC는 녹는점이 높고 탄화물 중 가장 단단한 물질로, 소량의 금속을 결합제로 첨가하고 압축 성형한 후 소결하면 초경합금이 얻어지는데, 이 초경합금은 녹는점이 매우 높고 강도가 강철보다 약 3배나 높으며 밀도가 커서 내마모성 연마제, 절단기, 칼, 각종 공작 기계, 석유 시추와 광산 및 토건용 착암기의 비트(bit) 등에 널리 사용된다. 초경합금으로 만든 착암기와 금속 절단기는 강철로 만든 것에 비해 100배나 빠른 속도로 작동할 수 있는 장점이 있다. 또 거부감이 큰 감손 우라늄(depleted uranium: 천연 우라늄보다 235U의 함유량이 작은 우라늄)을 대신해서 장갑 침투탄에 사용되며, 운동 기구, 수술 도구, 장신구 등의 재료로 사용되기도 한다. 한편, 탄화텅스텐을 화학 증착(CVD) 방법으로 다른 물질 표면에 입혀 내열, 내마모성 전도성 막으로 사용하기도 한다. 금속과 합금 텅스텐 금속 그 자체나 텅스텐 합금은 전기·전자, 기계, 공구, 무기 등의 재료로 널리 사용된다. 텅스텐은 녹는점이 높고 증기압이 낮아 백열등, 진공관, 음극관, 할로겐 램프의 필라멘트로 사용되어 왔는데, 백열등은 효율이 낮고 진공관은 반도체로 대체되어 지금은 이 용도로는 거의 사용되지 않는다. 텅스텐은 또한 ‘비활성 기체 텅스텐 아크 용접(inert gas shielded tungsten arc welding, tungsten inert gas arc welding, TIG welding)’, 전자 빔 장치, 전자 현미경 등에서 전극 재료로 사용된다. 또한 전자 회로에서 이산화규소(SiO2) 유전체와 트랜지스터를 연결시키는데 사용되며, 전자 소자에 박막으로 입혀서 전선 대신 이용되기도 한다. X-선 표적으로 흔히 사용되며, 고에너지 방사선을 차폐하는데 사용되기도 한다. 한편, 붕규산 유리와 열팽창계수가 비슷하므로, 유리를 금속에 접합시키는데 사용되기도 한다. 텅스텐 합금은 보통 페로텅스텐을 다른 금속과 혼합시켜 만드는데, 가장 대표적인 합금이 고속도강(high speed steel)으로 이에는 텅스텐이 18%까지 들어있으며 금속 재료를 빠른 속도로 절삭하는 공구를 만드는데 주로 사용된다. 텅스텐 합금은 또한 터빈 날개(blade)와 같은 항공기와 우주선 부품, 전기·전자 장치의 내마모성 부품과 코팅 재료, 절단기, 착암기 드릴 등에 사용된다. 그리고 총과 대포의 재료, 로켓 노즐, 대전차 고속 침투 폭탄을 비롯한 각종 폭탄 및 산탄 재료 등의 군사 무기에도 널리 사용된다. 텅스텐과 이의 합금은 밀도가 높아 저울 추과 균형 추로도 사용되며, 요트 용골, 항공기 꼬리, F1 경주 자동차의 균형을 잡는 중량물 등으로 사용되기도 한다. 텅스텐은 비교적 독성이 없으면서 단단하고 밀도가 커서, 탄환, 산탄, 방사능 차폐제, 중량물 등에서 유독한 납 대신 텅스텐을 사용하도록 권장되고 있다.

탄화텅스텐으로 만든 드릴 비트

장신구와 위조 금 탄화텅스텐과 텅스텐 금속은 단단하고 내마모성이 좋으며 알레르기 반응이 덜 해 반지 등의 각종 장신구와 고급 시계 등에 금 또는 백금 대신 사용되기도 하는데, 부서지기 쉽고 충격에 의해 금이 갈 수 있는 단점이 있다. 한편, 금속 텅스텐은 금과 밀도가 아주 비슷해서 이에 금 도금을 하면 금과 구별이 어려워 위조 금으로 사용되기도 하는데, 금괴에서 금을 파내고 텅스텐을 채워 전체를 금으로 속이는 일이 일어나기도 하였다. 중국에서는 가끔 금 도금된 텅스텐이 장신구나 바(bar)로 판매되고 있으므로 주의가 필요하다. 안료와 화학 반응 촉매 1600년대 중국에서는 텅스텐이 들어있는 안료를 써서 도자기에서 독특한 복숭아 색을 내기도 하였는데, 오늘날에도 밝은 노란색의 삼산화텅스텐(WO3), 밝은 흰색의 텅스텐산 아연(ZnWO4)과 텅스텐산바륨(BaWO4)이 도자기 유약의 안료로 사용되고 있다. 한편, 여러 텅스텐 화합물들이 화학반응 촉매 등의 다양한 용도로 쓰인다. 황화텅스텐(IV) (WS2)는 MoS2와 유사하게 고온 고체 윤활제와 정유 공정에서의 수소화 탈황(hydrodesulfurization) 촉매로 사용된다. WO3는 석탄 화력 발전에서 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 반응의 촉매로 쓰이며, 석유 수소화 분해, 석유 제품에서의 황 및 질소 화합물 제거 반응 등에서 촉매로 사용되기도 한다. 또 텅스텐산소듐(Na2WO4)은 폴린-시오칼토 시약(Folin-Ciocalteu reagent)의 조제에 쓰이기도 하는데, 이 시약은 포스포몰리브데넘산염(phosphomolybdate)과 포스포텅스텐산염(phosphotungstate)의 혼합물로 단백질의 정량에 사용된다.

탄화텅스텐 반지. 탄화텅스텐은 잘 마모되지 않아 장신구에 널리 사용되며, 텅스텐은 금과 밀도가 아주 비슷하여 가끔 위조 금으로 사용되기도 한다. <출처: (cc) SolitaryAngel at Wikimedia.org>

주요 텅스텐 화합물 텅스텐은 주로 +6가 상태의 화합물을 만드나, -2~+5가 상태의 화합물들도 알려져 있다. 가장 중요한 화합물은 탄화텅스텐(WC)이며, 흔히 제조되어 판매되는 형태는 삼산화텅스텐(WO3)과 파라텅스텐산암모늄(ammonium paratungstate, APT: (NH4)10W12O41·5H2O)이다. 이외에도 몇 가지 할로겐화물들이 중요하게 사용된다. 탄화물 텅스텐 탄화물에는 보통 탄화텅스텐(tungsten carbide)이라 부르는 WC와 세미탄화텅스텐(tungsten semicarbide)이라 부르는 W2C가 있다. 이들은 고온에서 금속 텅스텐과 탄소 간의 반응, WO3와 흑연의 반응, 텅스텐과 메테인(CH4) 또는 기타 탄화수소와의 반응 등으로 만들어지는데, 이때 W3C, W3C4도 생성된다. WC는 녹는점(2870oC)과 밀도(15.63 g/cm3)가 높고, 전기를 잘 통하며(비저항 약 200nΩ·m), 모스 경도가 약 9인 아주 단단한 물질이다. 물에 녹지 않으며, 실온에서 산(HF/HNO3 혼합물 제외)에도 침식되지 않는다. 초경합금으로 만들어져 경질물질로 사용되며, 전체 텅스텐 용도의 50%이상이 여기에 사용된다(용도 항 참조). WC는 높은 온도에서 W2C와 C로 분해되는데, W2C는 WC보다 전기전도도가 낮다. 산화물과 폴리옥소메탈레이트(polyoxometalate) 음이온 텅스텐의 주된 산화물은 삼산화텅스텐(WO3)과 이산화텅스텐(WO2)이며, 이들의 중간체인 W49O110, W50O148, W20O58, W49O110, W18O59등도 알려져 있다. WO3는 광석에서 텅스텐을 생산할 때 중간체로 얻거나, 파라텅스텐산암모늄의 열 분해로 얻는다. (NH4)10W12O41·5H2O → 12 WO3 + 10 NH3 + 10 H2O WO3는 녹는점이 1473oC이고 끓는점이 1700oC인 노란색 고체로, 물에는 녹지 않고 HF에 약간 녹는다. 수소나 탄소로 환원시켜 금속 텅스텐 분말을 얻는데 사용되며, 도자기와 페인트의 노란색 안료, 섬유의 내화처리, X-선 화면 형광체의 제조에 사용된다. 또한 화학 촉매 성분으로도 사용되며, 최근에는 전기변색(electrochromic: 전압을 걸면 색이 변하는 것) 창의 제조에도 사용된다. WO3를 텅스텐 분말과 섞고 고온에서 장시간 가열하면 WO2가 얻어진다. WO3를 알칼리 수용액에 녹이면 텅스텐산 이온 WO42-가 된다. 여기에 산을 가해 용액의 pH를 낮추면 산도에 따라 여러 행태의 폴리옥소메탈레이트 음이온이 되는데, pH 9-5에서는 [W7O24]6-와 [H2W12O42]10-, pH 4-2에서는 [H2W12O40]6-, pH 2-1에서는 [W10O32]4-가 된다. 강한 산성에서는 WO3∙2H2O로 침전된다. 텅스텐산의 알칼리 금속염(M2WO4)을 환원(예로 금속 텅스텐과 함께 가열)시키면 화학식이 MxWO3 (x<1)인 텅스텐 브론즈(bronze)가 얻어진다. 텅스텐 브론즈는 금속 광택이나, 전도성을 보이며 뜨거운 산과 알칼리에도 안정하다. 텅스텐의 산화수는 +5와 +6 사이이며, 알칼리 금속 대신 알칼리 토금속과 란타넘족 금속으로도 만들어진다. 색은 금속의 종류와 x값에 따라 다른데, 소듐(M=Na)의 경우, x ~ 0.9이면 황금색이고, x ~ 0.3이면 검푸른 색이다.

텅스텐은 흔히 (왼쪽)삼산화텅스텐(WO₃)과 (오른쪽)파라텅스텐산암모늄(APT,(NH₄)₁₀W₁₂O₄₁·5H₂O)으로 제조되어 판매된다. APT는 가열하면 분해되어 WO₃가 되고, WO₃를 수소 또는 탄소 환원시키면 텅스텐 분말이 얻어진다.

할로겐화물 텅스텐은 할로겐(X)과 WX6, WX5, WX4, WX3, WX2 형태의 다양한 할로겐화물들을 만드는데, WI6, WI5, WF2는 알려져 있지 않다. 육할로겐화물(WX6)들은 금속과 할로겐 원소와의 직접 반응에서 만들 수 있다. WF6는 녹는점(2.3oC)과 끓는점(17.1oC)이 낮으며, 반도체 산업에서 화학 증착 방법으로 금속 텅스텐을 증착시키는 전구체로 사용된다. WCl6 + H2 + CH4 → WC + 6 HCl WCl6는 녹는점이 275oC이고 끓는점이 346.7oC인 진한 푸른색 고체로, 물에서는 가수분해되나 사염화탄소(CCl4)에는 그대로 녹는다. 텅스텐 화합물을 합성하는 출발물질로 흔히 사용된다. WF5는 WF6 와 W와의 반응에서 얻어지나, 가열하면 WF6 와 WF4로 분해된다. WCl5와 WBr5는 성분 원소들을 잘 조절된 조건에서 반응시키면 얻어질 수 있다. 낮은 산화상태의 할로겐 화합물들은 쉽게 산화된다. 텅스텐의 여러 옥소할로겐화물(WOX4 (X=F, Cl, Br), WO2X2 (X=F, Cl, Br, I), WOCl3, WOBr3, WO2I)들도 알려져 있다.

생물학적 역할과 독성 텅스텐은 생물학적 기능을 가진 원소들 중에서 가장 무거운 원소로 여겨지고 있다. 일부 식물들은 질소 고정 효소에서 몰리브데넘을 대체하여 텅스텐을 사용한다는 주장이 있다. 또한 일부 박테리아들은 유기산(RCOOH)을 알데하이드(RCHO)로 환원시키는 효소의 구성 성분으로 텅스텐을 가지고 있다. 식물들은 흙에서 텅스텐을 흡수하며, 극미량의 텅스텐을 포함하고 있다. 텅스텐은 인체에 대한 독성이 거의 없으나, 텅스텐 먼지는 눈과 피부에 자극을 준다. 1일 텅스텐 섭취량은 약 12μg으로 추정되며, 이의 일부만 체내로 흡수되어 뼈와 지라에 농축된다. 치사량(LD50)은 토끼에 정맥 주사한 경우에 59mg/kg로 보고되었다.

1. 수치로 보는 텅스텐

   텅스텐의 표준원자량은 183.84g/mol이고, 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁶4f¹⁴5d⁴6s²([Xe]4f¹⁴5d⁴6s²)이며, 화합물에서 주된 산화 수는 +6이나, -2~+5가 상태의 여러 화합물들도 있다. 지각에서의 존재 비는 약 1ppm(0.0001%)으로, 대략 58번째로 풍부한 원소이다. 1기압에서 녹는점은 금속 원소 중에서 가장 높은 3422^oC이고 끓는점은 5550^oC이며, 25^oC에서의 밀도는 19.25g/cm³(비교: 금, 19.30g/cm³)이고 녹는점에서의 액체 밀도는 17.62g/cm³이다. 녹음열과 증발열은 각각 35.3 kJ/mol과 806.7 kJ/mol이다, 20^oC에서의 전기비저항은 52.8 nΩ·m(비교: 금, 23.5 nΩ·m)이다. 첫 번째와 두 번째 이온화 에너지는 각각 770과 1700 kJ/mol이며, 폴링의 전기 음성도는 대략 2.36이다. 원자 반경은 139pm(비교: Mo, 139pm)이고, 6배위체의 W⁶⁺ 이온 반경은 60pm(비교: Mo⁶⁺, 59pm)이다. 천연상태 동위원소는 ¹⁸⁰W(0.12%), ¹⁸²W(26.50%), ¹⁸³W(14.31%), ¹⁸⁴W(30.64%), ¹⁸⁶W(28.43%)의 5가지이다. 2011년의 전세계(미국제외) 연간 생산량은 약 72,000톤이고. 이의 83%가 중국에서 생산된다. 전세계 광석 매장량은 약 310만 톤으로 추정된다.

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 2013.02.20

 

 

Tungsten Atomic Weight 183.84 Density 19.25 g/cm3 Melting Point 3422 °C Boiling Point 5555 °C Full technical data Tungsten is extremely hard to melt, so when large pieces are needed it is often sintered into solid form from loose powder, like this cube. The biggest application by far is tungsten wire for incandescent light bulbs. Scroll down to see examples of Tungsten