Platinum(Pt), 78-백금

 

원자번호 78번 원소인 백금(platinum)은 18세기 초반에 스페인 사람들에 의해 중남미에서 발견되어 유럽으로 소개된 귀금속이다. 영어 이름 플래티넘(platinum)은 스페인어로 ‘작은 은’이란 뜻의 ‘platina’에서 나왔는데, 이는 은과 아주 비슷하지만 가공이 불가능한 금속으로 여겨져 붙여진 이름이다. 신용카드나 회원의 등급을 매길 때도 플래티넘(백금) 급이 실버(silver, 은), 골드(gold, 금)보다 높은 등급인 데서 볼 수 있듯이, 백금은 귀금속 중에서도 최고의 등급이다. 실제로 백금은 지각에 존재하는 양이 은의 약 1/100, 금의 약 1/4에 불과하며, 아름답고 부식이 잘 되지 않는 최고의 귀금속이다. 연성과 전성이 있으며, 밀도가 높고 은백색을 띤다. 자동차 배기가스 정화장치인 촉매변환기와 화학 촉매, 장신구, 전극, 인공 심장 박동기, 내부식성 금속 제품의 합금제 등의 다양한 용도로 사용된다. 또한 화학 반응성이 적어 여러 화학 실험 장치 제조에 흔히 사용되며, 몇 가지 항암제의 구성 성분이기도 하다. 백금은 금 합금의 일종인 백색금(화이트 골드, white gold)과 이름, 색상, 장신구로서의 용도가 비슷하여 가끔 혼동되므로 주의가 필요하다. 백금의 발견, 물리 및 화학적 성질, 생산, 용도 등에 대해 보다 자세히 알아보자.

 

 

원자번호 78번, 백금 백금(platinum)1)은 원자번호 78번의 원소로, 원소기호는 Pt이다. 니켈(Ni), 팔라듐(Pd)과 함께 주기율표에서 11족(8B족)에 속하는 전이금속으로, 백금족 금속의 대표 원소이다. 백금족 금속들에는 백금 외에 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd)이 포함된다.

 

원자번호 78번 백금. 사진은 미국의 백금 동전.

백금의 원소 정보

 

 

순수 백금은 광택이 나는 은백색을 띠며, 연성과 전성이 있다. 그러나 천연 백금은 불순물이 들어있어 부서지기 쉽다. 녹는점은 1768.3oC로, 금(Au)의 1064.18oC보다 월등히 높으며, 끓는점은 3825oC이다. 밀도는 20oC에서 21.45g/cm3로, 천연 원소 중에서는 오스뮴(Os)과 이리듐(Ir) 다음으로 높다. 화학 반응성은 매우 작아, 공기 중에서는 여하한 온도에서도 산화되지 않는다. 염산(HCl), 질산(HNO3) 등 대부분의 산에 녹지 않으나, 뜨거운 왕수(진한 염산과 질산의 3:1혼합물)에는 녹으며, 아주 뜨거운 알칼리에도 녹는다. 고온에서 많은 양의 수소 기체를 흡수한다. 할로겐, 황(S), 시안화물(CN-를 포함하는 화합물)과는 반응한다. 화합물에서는 -3에서 +6까지의 여러 산화상태를 가질 수 있으나, +2와 +4의 산화상태가 보다 흔하다.   백금은 지각 무게의 약 1ppb(1x10-7%)를 차지하는 희귀 원소로, 존재비는 은(Ag)의 약 1/100, 금의 약 1/4이다. 그러나 백금족 원소 중에서는 팔라듐 다음으로 많이 존재한다. 자연에서 원소 상태의 천연 백금이나 다른 백금족 금속들과의 합금(예로 이리듐과의 합금인 플라틴이리듐, platiniridium) 형태로 존재하기도하나, 금과는 달리 큰 덩어리로는 거의 발견되지 않으며, 대부분의 천연 백금과 합금은 표사광상(placer deposit)이나 충적토(alluvial deposit)에서 발견된다. 그리고 니켈, 구리, 철의 황화물 광석에 황화물(예로 쿠퍼라이트, cooperite: PtS), 비소화물(예로 스페릴라이트, sperrylite: PtAs2) 등의 형태로 들어있기도 한다. 한편, 백금은 운석이나 달에서 채취한 암석에는 지각에서보다 높은 농도로 들어있으며, 지구상에서 유성이 충돌한 자리에도 경제적으로 채광이 가능할 정도로 높은 농도로 있기도 한다. 백금은 1820년까지는 주로 남아메리카에서 산출되었으나, 이후 러시아 우랄(Ural) 산맥에서 백금 표사광상이 발견되어 러시아가 주된 생산국이 되었다가, 근래에는 남아프리카 공화국에서 전세계 생산량의 약 75%가 생산된다. 2011년의 전세계 신규 생산량은 192톤으로 파악된다. 전세계 매장량은 27,000톤으로 추정되는데, 이의 약 3/4이 남아프리카 공화국의 약 250km에 달하는 화성암 층인 메렌스키 리프(Merensky Reef)에 매장되어 있다.   백금은 단단하고 아름다우며, 부식이 되지 않으므로 반지, 팔지, 귀걸이 등의 장신구에 사용된다. 특히 금보다 단단하고 열팽창율이 작아 보석을 세팅하는데 금보다 선호된다. 그래서 많은 사람들은 백금의 가장 중요한 용도가 장신구라 생각하겠지만, 생산된 백금의 약 30%만 이 용도로 사용되고, 실제 가장 중요한 용도는 화학 촉매를 비롯한 산업적 이용이다. 수소화, 탈수소화, 이성질체화 반응 등의 촉매로 사용되는데, 이들 반응은 연료, 비료, 플라스틱, 합성섬유, 의약품, 실리콘 수지 등을 생산하는데 이용된다. 백금은 특히 자동차 배기가스를 정화하는 촉매변환기에 널리 사용된다. 또한, 백금과 백금 합금은 단단하고 부식성이 거의 없어, 치과 보철 재료, 전기 접점, 전극, 화학 실험 장치, 인공 심장박동 조절기(pacemaker) 등에 다양하게 쓰인다. 한편, 몇 가지 백금 화합물들은 항암제로 시판되어 사용되고 있다.

 

다이아몬드가 세팅된 백금 반지 <출처: gettyimage>

 

 

백금의 발견과 역사 백금으로 제작된 가장 오래된 유물은 고대 이집트의 수도 테베(Thebes, 현재의 룩소)에서 출토된 기원전 7세기의 장식함이다. 이집트 이외에 고대 그리스나 로마, 중국에서는 백금 제품을 사용한 흔적이 발견되지 않았으나, 중남미의 컬럼비아와 에콰도르 부근 원주민들이 약 2000년 전에 백금 제품을 사용한 흔적이 있다. 한편, 1500년대에 중남미를 정복한 스페인 정복자들은 처음에는 금에만 관심을 갖고 그곳에서 새롭게 발견된 백금에 대해서는 큰 관심을 기울이지 않았다.   백금에 대한 최초의 기록을 남긴 사람은 프랑스에서 활약한 이탈리아 인문학자 스칼리제르(Julius Caesar Scaliger, 1484~1558)인데, 그는 1557년의 글에서 백금을『중미 스페인 정복지에서 발견된 ‘여하한 불로도, 어떤 스페인 공예가도 녹일 수 없는’ 미지의 귀금속』이라 적고 있다. 유럽인들이 ‘은처럼 광택을 낼 수 있으나 은과는 달리 변색되지 않는 기이한 금속’인 백금에 대해 본격적인 관심을 기울이기 시작한 것은 1700년대에 이르러서였다. 백금은 금과 은의 채광 과정에서 얻어지는데, 아메리카 원주민들은 은과 비슷하면서도 가공하기가 어려운 이 금속을 ‘작은 은’이라 불렀는데, 이 말이 스페인어로 번역되어 플라티나(platina)로 불리게 되었다.

 

백금에 대한 자세한 기록을 처음으로 남겨 백금의 발견자로 간주되는 사람은 스페인의 장군이자 천문학자인 데울로아(Antonio de Ulloa, 1716~1795)이다. 그는 1735년에 파나마(Panama)로 파견되어 1746년까지 남미에 근무하게 되었는데, 이때 처음 접한 백금 시료들을 모으고, 채광과 사용에 대한 기록을 하였으며, 이 기록을 정리하여 1748년에 출판하였다. 한편, 영국의 광물학자 우드(Charles Wood, 1702~1774)는 1741년에 자마이카(Jamaica)에서 여러 컬럼비아 산 백금 시료들을 발견하고는 이들을 가져와 자신의 친척이자 의사이고 과학자였던 브라운리그(William Brownrigg, 1711~1800)에게 조사해 보도록 하였다. 브라운리그는 우드의 시료가 새로운 금속 원소이고, 녹는점이 아주 높다는 사실을 알아내고는 이 원소가 아주 중요하게 사용될 가능성이 있어 계속 연구가 필요하다는 점을 강조하면서 이 결과를 1750년에 영국왕립학회(Royal Society)에 보고하였다. 이후 유럽의 여러 과학자들이 백금에 대한 연구를 시작하였는데, 1752년에 스웨덴 화학자 세퍼(Hendrik Teofilus Scheffer, 1710~1789)는 이 금속이 비소를 사용하여 용융될 수 있으며 금보다 단단하면서 금과 비슷하게 내부식성이 있다는 연구 결과를 발표하고, 이 금속을 ‘백색금(white gold)’이라 지칭하였다. 이후 ‘플래티넘’인 백금은 영국과 스웨덴에서는 ‘백색금(white gold)’으로 알려지게 되었는데, 우리 말 ‘백금(白金)’도 이에서 나온 듯하다. 현재의 용어로 ‘백색금(white gold)’은 금을 은, 니켈, 팔라듐 등과 합금시킨 백색의 금 합금을 일컫는 말인데, 흔히 로듐(Rh)으로 코팅되어 있어 백금과 아주 비슷하게 보인다. 지금은 백금과의 혼동을 피하기 위해 백색금을 보통 ‘화이트 골드’라 부른다.

스페인의 장군이자 천문학자, 데울로아(Antonio de Ulloa, 1716~1795). 백금의 발견자로 간주되는 인물.

 

 

1772년에 지킹겐(Carl von Sickingen, 1737~1791)은 백금과 금의 합금을 만들고, 이 합금을 뜨거운 왕수에 녹인 후 염화암모늄(NH4Cl)을 가해 얻은 침전을 태워 백금 스폰지를 얻었으며, 이를 뜨거운 상태에서 두들겨 전성이 있는 순수한 백금을 처음으로 얻었다. 1784년에는 처음으로 백금 도가니가 만들어졌다. 그러나 이때까지 얻어진 대부분의 백금은 다른 금속이 불순물로 포함되어 있어 단단하고 쉽게 부서지는 것이었으며, 성질도 얻은 시료마다 크게 달랐는데, 백금을 쉽게 구부릴 수 있고 가는 선으로 뽑을 수 있게 하는 유일한 방법은 금과의 합금을 만드는 것이었다. 스페인의 카를로스 3세(Carlos III: Charles III)는 프랑스 출신 화학자 샤바뉴(Pierre-Francois Chabaneau, 1754~1842)에게 백금 연구를 위한 도서실과 실험실을 마련해주었는데, 샤바뉴는 1786년에 백금에 들어있는 불순물들을 제거하여 전성이 있는 순수한 백금을 얻는 방법을 찾는데 성공하였다. 이로써 백금을 식기 등에 사용하는 ‘백금 시대’가 스페인에서 열리게 되었는데, 그가 사용한 분말 야금법과 강한 가열 방법은 1912년까지 비밀에 부쳐졌다. 1803년에는 천연 백금에 불순물로 들어있던 로듐, 팔라듐, 오스뮴과 이리듐이 분리·발견되었다.

 

순수한 백금 금속 결정 <출처: (cc) Periodictableru at Wikimedia.org>

 

 

물리적 성질 순수 백금은 덩어리 상태에서는 광택이 나는 은백색을 띠며, 분말은 검정색이다. 흔히 고운 백금 분말을 백금 블랙(platinum black)이라 부른다. 백금은 전성과 연성이 있으며, 쉽게 가공할 수 있고 100개 원자 두께 이하로 두들겨 펼 수 있다. 모스 경도(Mohs hardness)는 4.3으로 금(모스 경도 2.5)보다 단단하다. 녹는점은 1768.3oC(금은 1064.18oC)이고 끓는점은 3825oC이다. 밀도는 20oC에서 21.45g/cm3로, 천연 원소 중에서는 오스뮴과 이리듐다음으로 높다. 전기 전도도와 열 전도도는 금이나 은의 약 1/4이다. 열 팽창계수는 금의 약 60% 정도이며, 소다 석회 유리(soda-lime glass: 일반 유리)와 거의 같아 유리에 영구적으로 접합시킬 수 있다. 결정은 면심입방(fcc) 구조를 하며, 상자기성이다.   동위원소 백금은 천연 상태에서 190Pt(0.014%), 192Pt(0.782%), 194Pt(32.96%), 195Pt(33.83%), 196Pt(25.24%), 198Pt(7.16%)의 6가지 동위원소로 존재하는데, 이중 190Pt는 반감기가 6.5x1011년인 방사성 동위원소로 α붕괴를 하고 186Os이 된다. 198Pt도 반감기가 3.2x1014년 이상인 방사성 동위원소로 여겨지나, 실제로 방사선 붕괴가 관찰되지는 않아 안정한 핵으로 간주된다. 질량수가 166~202사이에 있는 31가지 인공 방사성 동위원소들이 알려져 있는데, 반감기가 가장 긴 것은 193Pt(반감기 50년)이고 나머지들은 반감기가 11일 이내이다. 대부분의 방사성 동위원소들은 일부가 α붕괴로 오스뮴 동위원소가 되고 나머지는 β+붕괴로 이리듐 동위원소가 되는데, 188Pt, 191Pt, 193Pt은 주로 전자포획을 하여 이리듐 동위원소가 되며, 질량수가 199이상인 동위원소들은 주로 β-붕괴를 하여 금 동위원소가 된다. 12가지의 준안정한 핵 이성체들이 확인되었는데, 반감기가 긴 것들은 193mPt(반감기 4.3일)와 195mPt(반감기 4일)이고, 나머지들은 반감기가 2시간 이내이다.

 

 

화학적 성질

백금의 바닥상태 전자배치 <출처: (cc) Pumbaa at Wikimedia.org>

백금은 비교적 반응성이 없는 금속이다. 공기 중에서는 높은 온도에서도 산소와 반응하지 않으며, 물과도 반응하지 않는다. 대부분의 산에 녹지 않으나, 뜨거운 왕수에는 녹아 염화백금산(chloroplatinic acid, H2PtCl6: 헥사클로로백금(IV)산으로도 불림) 수용액이 된다.   Pt + 4 HNO3 + 6 HCl → H2PtCl6 + 4 NO2 + 4 H2O   아주 뜨거운 알칼리에도 녹으며, 용융시킨 알칼리 금속 산화물(M2O)이나 과산화물(M2O2)에도 녹고, 플루오린(F2), 염소(Cl2), 황(S), 셀레늄(Se) 등과도 가열하면 반응한다. 붕소(B), 규소(Si), 비소(As), 납(Pb), 인(P), 안티모니(Sb), 비스뮤트(Bi) 등과는 환원 조건(예로 푸른색 불꽃)에서 녹는점이 낮은 공융혼합물(eutectic mixture)을 만들므로, 이들 원소의 화합물을 백금 도가니에서 가열하는 것은 피해야 한다. 고온에서는 수소를 잘 흡수하는데, 고운 분말은 자체 부피의 약 100배까지 흡수한다. 산화상태가 -3~+6인 화합물을 만들 수 있으나, +2와 +4 산화상태의 화합물들이 보다 흔하다. 산성 수용액에서 백금 산화물과 백금 이온의 표준 전위(Eo)는 아래와 같다. 전기화학에서의 기준 전위는 백금 전극을 사용한 수소의 산화환원 전위, 즉 H+(aq)│H2(g)│Pt 반쪽전지의 전위를 0.000V로 한다.

 

 

PtO2 + 2H+ + 2e- PtO + H2O Eo = 1.045 V PtO + 2H+ + 2e- Pt + H2O Eo = 0.98 V Pt2+ + 2e- Pt Eo = 1.188 V

 

 

백금의 생산과 가격 백금은 충적토에서 미량의 다른 백금족 금속과의 합금 형태로 발견되며, 니켈과 구리 광상에도 황화물이나 비소화물 형태 등으로 미량 들어있다.

 

천연 백금 덩어리 <출처: (cc) Alchemist-hp at wikimedia.org>

 

 

상업적으로는 니켈와 구리 제련의 부산물로 주로 얻는데, 그 과정은 대략 다음과 같다. 니켈와 구리 광석을 제련할 때 광석에서 1차로 얻는 물질인 마트(matte)에는 여러 백금족 금속, 은(Ag), 금(Au), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te) 등이 포함되어 들어가는데, 이들 금속들은 마트를 전기분해시켜 순수한 구리나 니켈을 얻는 과정에서 전해조 바닥에 진흙처럼 쌓이는 양극 전물(anodic slime)에 남아있게 된다. 양극 전물에서 백금을 다른 금속들로부터 분리하는 방법은 아주 복잡하다. 전형적인 방법은 양극 전물을 태우거나 녹여 일부 불순물들을 우선 제거하고 남은 물질을 염산과 황산으로 처리하면 이들에 녹는 불순물이 녹아서 제거되고 금과 여러 백금족 금속들이 포함된 불순한 상태의 백금이 남는다. 이를 왕수에 녹이면 금, 백금, 팔라듐이 녹게 되는데, 여기에 염화철(III)(FeCl3)를 첨가하여 금을 침전시켜 제거한 후, 침전을 걸려낸 용액에 염화암모늄(NH4Cl)을 첨가하면 백금이 염화백금산암모늄((NH4)2PtCl6)으로 침전된다. (NH4)2PtCl6침전을 회수하여 700~800oC로 가열하면 스폰지 상태의 백금으로 전환되며, 일부 침전되지 않고 녹아있는 (NH4)2PtCl6는 아연(Zn)으로 환원시켜 백금을 얻는다. 충적토나 다른 백금 광석에 포함된 백금도 이들을 선광·농축시킨 후, 양극 전물에서와 비슷한 방법으로 처리하여 금속 백금으로 전환시킨다. 폐백금도 유사한 방법으로 회수·재생된다.   미국 지질조사국(USGS) 자료에 따르면 2011년의 전세계 백금 생산량은 192톤이다. 전체 백금족 금속 중에서는 207톤이 생산된 팔라듐 다음으로 많으며, 다른 4가지 백금족 금속들의 생산량은 이들보다 월등히 작다. 남아프리카 공화국이 139톤(72%), 러시아가 26톤(14%), 캐나다가 10톤(5.2%), 짐바브웨가 9.9톤(5.2%)을 생산하였다. 경제성이 있는 전세계 백금족 금속 광석 매장량은 10만 톤이 약간 넘는 것으로 추정되는데, 약 95%가 남아프리카 공화국에 있다. 2013년 3월 11일 현재의 국제 백금 시세는 트로이 온스(31.1g)당 미화 $1606.30로, 금의 시세인 $1580.10보다 약간 높다. 백금은 금에 비해 산업용 수요가 더 많아, 그 값이 국제 경기에 보다 민감하다. 예로, 2008년에 백금 값은 $2252에서 $774로 66% 하락한 반면, 금 값은 $1000에서 $700으로 30%만 하락하였다. 경제가 활황이면 백금 값은 금 값의 2배까지 되는 반면, 경제 전망이 불확실하면 금 값 이하로 하락하기도 한다.

 

1956년 이후의 백금 값(푸른색)과 금 값(붉은색)의 비교. 백금이 금보다 산업에 많이 사용되므로 경제 활황기에는 백금이 금보다 비싸지고, 경제 전망이 불확실하면 금이 더 비싸진다. 2013년 3월 초에는 두 귀금속 가격이 거의 같음을 볼 수 있다. (자료: www.seekingalpha.com/article/662471-for-long-term-investing-buy-platinum)

 

 

백금의 응용 백금의 약 50%는 자동차 배기가스 정화장치인 촉매변환기에, 그리고 약 30%는 장신구에 사용된다. 이외에 화학공업 촉매, 과학 도구 및 장치, 전자 부품, 치과보철 재료, 전극, 센서, 하드 디스크 자성 기록층, 수소 연료전지, 항암제 등, 아주 다양한 용도에 사용된다.   촉매 백금의 미세 분말인 백금 블랙과 여러 백금 화합물들이 촉매로 사용된다. 특히 자동차 배기가스 정화장치인 촉매변환기에서 일산화탄소(CO)를 탄산가스(CO2)로 산화시키고 불완전 연소된 탄화수소를 완전 연소시켜 탄산가스와 물로 전환시키는 반응의 촉매로 백금이 팔라듐과 함께 사용된다. 촉매변환기의 백금 촉매가 일산화탄소(CO)를 탄산가스(CO2)로 산화시키는 과정 등, 고체 표면에서의 화학 반응 과정을 연구한 업적으로 독일의 에르틀(Gerhard Ertl, 1936.10.10~)은 2007년도 노벨화학상을 수상하였다. 촉매변환기는 1990년까지는 대부분 백금만을 사용하였으나, 이후 보다 값이 싼 팔라듐으로 점차 대체되다가 지금은 가솔린 엔진 촉매변환기에서는 대부분이 팔라듐으로 대체되었다. 디젤 엔진 촉매변환기의 경우는 보통 25%가 팔라듐으로 대체되었고, 신기술에서는 약 50%까지 대체율이 높아졌다. 백금은 또한 여러 화학공업 공정에서 촉매로 사용되는데, 예로 암모니아(NH3)를 산화시키고 물에 흡수시켜 질산(HNO3)을 합성하는 오스트발트 공정(Ostwald process, 로듐이 촉매로 사용되기도 함), 석유 제품의 분해, 잔류 나프타를 고옥탄가 가솔린으로 개질시키는 공정 등에서 촉매로 사용된다. 또한 접촉법에 의한 황산(H2SO4) 생산에서도 촉매로 사용되었으나, 비소(As) 불순물이 촉매독을 보여 지금은 오산화바나듐(V2O4)으로 대부분 대체되었다. 그리고 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 수소 연료 전지에서도 백금이 촉매로 사용된다.   한편, 여러 백금 화합물들이 다양한 화학반응에서 촉매로 사용된다. 아담스 촉매(Adams’ catalyst)라고도 불리는 PtO2·H2O는 유기합성에서 수소첨가반응(hydrogenation), 가수소분해반응(hydrogenolysis), 탈수소화반응(dehydrogenation), 산화반응 등의 촉매로 사용되는데, 특히 식물성 기름의 수소첨가반응에 유용하게 이용된다. 또한, 스파이어 촉매(Speier’s catalyst, H2PtCl6), 칼스테트 촉매(Karstedt’s catalyst, Pt(0)와 divinyltetramethyldisiloxane 착물: 아래 구조 참조) 등이 실리콘 수지(silicone) 공업에서 단량체 제조와 고분자의 가교화에 이용되는 수소화규소 첨가반응(hydrosilylation: 불포화 결합에 Si-H 결합을 첨가하는 반응)에서 촉매로 폭 넓게 사용된다.

 

자동차 촉매변환기(catalytic converter). 백금의 약 50%는 자동차(특히 디젤 자동차)의 촉매변환기에서 일산화탄소와 불완전 연소된 탄화수소를 산화시키는 촉매로 사용된다. <출처 : (cc) Stahlkocher on de.wikipedia>

 

 

장신구와 귀금속 백금과 백금 합금은 광택이 나고 변색이 되지 않으므로 반지 등의 장신구에 널리 사용되며, 단단하고 열팽창율이 적어 보석을 세팅하는데 금보다 선호된다. 또한 고가의 시계 제작에 사용되기도 한다. 그러나, 백금은 금보다 녹는점이 높아 가공 비용이 많이 들고 가공시 손실율이 높아 재판매시의 가격과 기준 가격과의 차이가 금보다 크다. 백금도 금처럼 동전, 바(bar), 주괴(ingot) 등으로 만들어져 자산 보존과 투자 목적으로 거래되기도 한다.

 

백금 주괴

 

 

금속과 합금의 기타 이용 백금이나 백금 합금은 녹는점이 높고 고온에서도 부식되지 않아 과학 도구나 장치, 의료 기구, 치과 보철 장치, 전기 접점, 열전대, 고온 저항선 등에 사용된다. 국제 길이 표준 원기(原器)가 1799년에 백금으로 제작되었고 100년 후인1889년에는 90% 백금-10% 이리듐 합금으로 제작되었으며, 이는1960년에 크립톤(Kr)의 605nm 스펙트럼 선으로 1m가 재정의될 때까지 사용되었다. 국제 킬로그램 표준 원기(原器)도 1879년에 같은 합금으로 제작되어 지금도 사용된다. 전기화학에서는 백금을 입힌 백금 전극을 사용한 수소 전극을 전위의 기준으로 삼고 있으며, 백금선은 전극으로 사용된다. 백금이나 백금 합금으로 제작된 실험용 접시와 도가니는 광석을 용융시키거나 여러 화학물질을 태우는 용기로 널리 사용된다. 백금과 코발트(Co)의 합금은 영구자석을 만드는데 사용되며, 코발트-크로뮴-백금 합금의 자성 기록층을 하드 디스크에 입혀 이의 기억 용량을 높이기도 한다.

 

 

 

항암제 평면 사각형 구조를 갖는 +2가 상태의 백금 착화합물들이 항암제로 사용되고 있다. 처음 발견된 백금 항암제는 시스플라틴(cisplatin, cis-PtCl2(NH3)2)으로, 1845년에 처음 소개되었는데 1965년에 대장균에 대한 2분열(binary fission) 억제 작용이 발견되었으며, 1978년에 미국 식품의약국(FDA)로부터 고환암과 난소암 치료제로 허가받았다. 이후 여러 백금 착화합물들의 항암 작용이 발견되어 이제는 카보플라틴(carboplatin, 위 구조 참조), 옥살리플라틴(oxaliplatin, 위 구조 참조) 등도 암 치료제로 사용되고 있다. 이들 화합물들은 DNA를 교차 결합시켜 암세포를 죽이는 역할을 하는데, 내성이 생기고 여러 부작용이 나타나는 등의 단점이 있어 보다 선택적이고 효능이 좋은 항암제의 개발이 요구되고 있다.

 

 

백금 화합물 백금은 주로 산화상태가 +2가나 +4가인 화합물들을 만드나, 산화수가 -3에서 +6에 이르는 다양한 산화상태의 화합물들도 알려져 있다. 화합물의 이름은 백금의 산화상태가 +2인 화합물에는 제1백금(platinous), +4인 화합물에는 제2백금(platinic)을 붙이거나, 이름의 ‘백금’뒤에 (II) 또는 (IV)를 넣어 부른다. 흔한 화합물로는 염화백금산, 산화물, 할로겐화물, 착화물들이 있다.   염화백금산(chloroplatinic acid) 염화백금산(H2PtCl6)은 헥사클로로백금(IV)산(hexachloroplatinic acid)으로도 불리며, 보통 7분자의 물이 수화된 상태로 발견된다. 가장 중요한 백금 화합물 중의 하나로, 백금 스폰지를 왕수에 녹이면 얻어지며, 녹는점이 60oC인 적갈색 고체이다. 물에 잘 녹으며, 가열하면 PtCl4와 PtCl2로 분해한다. 포타슘 이온(K+)과 K2PtCl6의 침전을 형성하므로 K+의 검출에 사용된다. 또한, 암모늄 염으로 처리하면 (NH4)2PtCl6가 침전으로 얻어지고, 이를 태우면 금속 백금이 얻어지므로 백금의 정제와 폐백금의 회수에 이용된다. 수소화규소 첨가 반응 등에 촉매로 사용되며, 백금 화합물들을 합성하는 원료물질로도 요긴하게 쓰인다.

 

염화백금산은 가장 중요한 백금화합물 중의 하나로, 백금의 정제, 여러 백금화합물의 제조 등에 쓰이며 촉매로도 사용된다. <출처 : (cc) W. Oelen>

 

 

산화물 백금의 산화물로는 산화백금(IV)(PtO2)이 가장 흔하나 산화백금(II)(PtO), 산화백금(VI)(PtO3)도 있고, 혼합산화물인 산화백금(II,IV)(Pt3O4)도 알려져 있다. PtO2는 보통 1수화물인 PtO2·H2O로 나타내며 이산화백금으로도 불리는데, 아담스 촉매(Adams’ catalyst)로 쓰인다. 염화백금산(H2PtCl6) 또는 이의 암모늄염인 (NH4)2PtCl6를 질산소듐(NaNO3)과 용융시켜 얻는데, 중간체인 Pt(NO3)4를 거쳐서 만들어진다.   H2PtCl6 + 6 NaNO3 → Pt(NO3)4 + 6 NaCl + 2 HNO3 Pt(NO3)4 → PtO2 + 4 NO2 + O2   PtO2·H2O는 검정색 분말로, 탈수시키기 위해 가열하면 650oC이상에서 원소들로 분해하므로 완전 탈수된 무수 PtO2는 얻을 수 없다. 물과 유기용매에 녹지 않으나, KOH 용액과 진한 산에 녹는다. 아담스 촉매란 이름과는 달리, PtO2 자체는 촉매 활성이 거의 없으나 수소에 노출시키면 백금 분말(platinum black)로 환원되어 촉매 활성을 갖게 된다. 산화백금(II)(PtO)는 PtCl2 용액이나 끓는 K2PtCl4 용액에 가성소다(NaOH)를 첨가하면 PtO·2H2O형태의 침전으로 얻어진다. 검정색 분말로, 갓 만든 것은 진한 산에 녹으나 건조된 것은 녹지 않는다. 강한 산화제와 환원제로 모두 작용하며, 가열하면 금속 백금과 산소로 분해된다. 산화백금(VI)(PtO3)는 H2Pt(OH)6(PtO2·4H2O)의 KOH용액을 전기분해시켜 얻는데, 노란색 고체이며 쉽게 PtO2와 산소로 분해되고, 산화력이 아주 크다.   할로겐화물 백금과 플루오린(F2)을 잘 조절하여 가열하면 진한 붉은색의 +6산화상태의 PtF6(녹는점 61.3oC)와 +5산화상태의 [PtF5]4(녹는점 80oC)를 얻을 수 있다. PtF6는 PtCl2와 F2와의 반응으로도 얻을 수 있는데, 가장 강한 산화제의 하나로, 산소(O2)를 O2+[PtF6]-로, 그리고 비활성 기체의 하나인 제논(Xe)을 XePtF6로 산화시킨다. [PtF5]4도 아주 반응성이 크며, 쉽게 PtF6와 PtF4로 불균등화한다. PtF4(녹는점 600oC)는 200oC에서 PtCl2와 BF3를 반응시켜 얻으며, 황갈색이고 물에 의해 격렬하게 가수분해된다. 다른 할로겐 원소의 사할로겐화물들도 모두 알려져 있는데 해당 원소들을 직접 반응시키면 얻어진다. PtCl4(370oC에서 분해)는 적갈색이며, PtBr4(180oC에서 분해)와 PtI4(130oC에서 분해)는 흑갈색이다. PtCl4는 백금을 왕수에 녹일 때 생성되는 H2PtCl6를 가열해도 얻어지는데, 물에 아주 잘 녹으며, 염기에 의해 [Pt(OH)6]2-가 되고, 가열하면 PtCl2와 Cl2로 분해된다. PtBr4는 물에 약간 녹으며 에탄올과 에테르(ether)에 잘 녹는다. AuCl3용액과 함께 세슘(Cs) 검출에 사용된다. PtI4도 알코올 등의 유기 용매에 잘 녹는다. 백금의 삼할로겐화물(PtX3: X=Cl, Br, I)도 알려져 있는데, PtX2와 PtX4의 혼합 할로겐화물로 볼 수 있다. 백금의 이할로겐화물(PtX2: X=Cl, Br, I)도 알려져 있는데, PtCl2(571oC에서 분해)는 녹색이며, H2PtCl6를 공기 중에서 350oC로 가열하거나 PtCl4를 450oC로 가열하면 얻어진다. 고분자형인 α형태와 육량체(Pt6Cl12)인 β형태의 두 가지 결정형으로 있으나 성질은 서로 비슷하다. 물과 알코올에는 녹지 않으나, 염산과 암모니아 용액에는 녹는다. 다른 배위자 L을 배위시켜 PtCl2L2형의 배위 착화합물을 합성하는 원료물질로 중요하게 사용된다. PtBr2(250oC에서 분해)는 PtBr4를 열 분해시켜 얻는데, 흑적색 고체이며 배위자가 포함된 용액에만 녹는다. PtI2(360oC에서 분해)는 PtI4를 열 분해시켜 얻는데, 검정색의 β-형 고체이며 물과 알칼리에 녹지 않고 염산에 녹는다.

 

뜨거운 왕수에 백금이 녹는 장면. 붉은색 기체는 NO₂이다. <출처 : (cc) Alexander C. Wimmer>

 

 

착화합물 백금은 +4와 +2 산화상태의 여러 배위 착화합물을 만든다. +4산화상태의 착화합물은 H2PtCl6나 PtX4(X는 할로겐 이온)의 할로겐 이온 일부 또는 전부를 배위자로 치환시켜 얻으며, 열역학적으로나 반응속도론적으로 안정하다. +2산화상태의 착화합물은 보통 PtX2에 다른 배위자를 결합시켜 얻는다. 에틸렌(CH2=CH2)을 배위자로 갖는 차이스 염(Zeise’s salt)은 가장 먼저 발견된 유기금속 화합물의 하나로, 화학식은 K[PtCl3(C2H4)]·H2O이며, 1825년에 발견되었다. 이후 올레핀을 배위자로 하는 여러 착화합물들이 만들어졌는데, 실리콘 고분자 제조에 사용되는 칼스테트 촉매(위의 용도 항에 구조가 나와 있음)도 이의 하나이다. +2산화상태를 갖는 평면 사각형 구조의 백금 착화합물들이 항암제로 잘 알려져 있는데, 이들에 대해서는 용도 항에서 소개되었다.

 

 

생물학적 역할과 독성 백금의 생물학적 역할이나 인체에 있는 백금의 양은 알려지지 않았으며, 포유동물의 근육에는 약 0.2ppb비율로 들어있는 것으로 파악되고 있다. 백금이 들어있는 암석 위의 흙에서 자라는 식물에는 백금이 6ppm정도까지 들어있는데, 대부분이 뿌리에 있다. 금속 백금은 독성이 없으며, 생체에 이식된 백금도 부작용이나 독성을 보이지 않는다. 그러나 일부 백금 화합물은 독성이 있다. 미국 질병통제센터(CDC, Center for Disease and Prevention)는 백금 화합물에 대한 단기적 노출은 눈, 코, 목에 자극을 줄 수 있으며, 장기적 노출은 호흡 및 피부 알레르기를 유발할 수 있다고 경고하고 있다. 현재의 미국 연방 직업안전∙보호국(OSHA)이 정한 작업장 대기 중의 농도 기준은 2μg/m3이다.

 

 

 

1. 수치로 보는 백금

   백금의 표준원자량은 195.084g/mol이다. 원자의 바닥 상태 전자배치는1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁶4f¹⁴5d⁹6s¹([Xe]4f¹⁴5d⁹6s¹)이며, 화합물에서의 산화수는 -3과 +6사이의 여러 값을 가질 수 있는데, +4와 +2의 산화상태가 흔하다. 지각 무게의 약 1ppb(1x10^-7%)를 차지하는 희귀한 원소이다. 1기압에서 녹는점은 1768.3^oC(비교: 금, 1064.18^oC)이고, 끓는점은 3825^oC(비교: 금, 2856^oC)이며, 밀도는 20^oC에서 21.45g/cm³(비교: 금, 19.30g/cm³)로 천연 원소 중에서는 세 번째로 높다. 20^oC에서의 전기 비저항은 105nΩ·m이고 열 전도도는 71.8W·m^-1·K^-1이며, 열 팽창율은 8.8μm∙m^-1∙K^-1(비교: 금, 14.2μm∙m^-1∙K^-1; 소다 석회 유리, 9μm∙m^-1∙K^-1)이다. 첫 번째와 두 번째 이온화 에너지는 각각 870과 1791kJ/mol이며, 폴링의 전기 음성도는 2.28이다. 원자 반경은 139pm이고, 6배위된 Pt²⁺의 이온 반경은 80pm이다. 천연 상태에서 ¹⁹⁰Pt(0.014%), ¹⁹²Pt(0.782%), ¹⁹⁴Pt(32.96%), ¹⁹⁵Pt(33.83%), ¹⁹⁶Pt(25.24%), ¹⁹⁸Pt(7.16%)의 6가지 동위원소로 존재하는데, 이 중 ¹⁹⁰Pt 는 반감기 6.5x10¹¹년인 방사성 동위원소이다. 산성 용액에서 PtO₂/PtO와 Pt²⁺/Pt의 표준환원 전위는 각각 1.045와 1.188V이다.

 

 

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 2013.03.20

 

 

Platinum Atomic Weight 195.078 Density 21.09 g/cm3 Melting Point 1768.3 °C Boiling Point 3825 °C Full technical data Pure platinum mesh, like mosquito netting except more expensive, is one example of platinum's use as labware impervious to nearly all chemical attack. It is also used in coins, which are similarly expensive. Scroll down to see examples of Platinum