붕소

붕소

붕소의 준위별 전자 수(2, 3)

붕소(硼素, Boron)은 원자번호 5의 원소로서 기호는 B이며 보론(boron)이라고도 부른다. 붕소는 붕사에서 얻어진 붕산을 분리해 생긴 원소로 금속과 비금속의 성질을 모두 가지고 있는 반금속이다. 붕소의 홑원소 물질은 검은색 고체로 아주 단단하며 단일원소 중에서는 다이아몬드 다음으로 단단하다. 붕소는 실온에서 고체 형태로 존재하며 여러 광물에서 발견되는 원소이다. 자연에서 천연 상태의 붕소는 거의 찾아볼 수 없으나 붕소의 화합물은 다양한 용도로 이용되고 있다. 오래전부터 특수유리 및 에나멜 도료의 원료로 잘 알려져 있다. 철과 붕소의 합금인 페로붕소는 제철공장 등에서 용해된 금속이나 합금에서 산소를 제거하기 위하여 첨가한 첨가제인 탈산제로 사용된다. 또, 유리의 원료를 비롯하여 붕산염으로서도 다양한 역할을 담당한다.

천연의 붕소에는 질량수 10과 11의 붕소가 함유되어 있으며, 질량수 10의 붕소(B-10)가 약 20% 존재한다. B-10의 열중성자 흡수단면적이 4,017 barn으로써 크기 때문에 카드뮴(Cd)나 하프늄(Hf)과 함께 봉형태로 가공하여 원자로에 장착하여 원자로의 반응도 제어에 사용된다. 가압경수로에서는 잉여반응도 제어 목적으로 수용성 붕산(H₃BO₃)으로 만들어 냉각재에 용해시켜 사용한다. 또 B-10(n, α) 반응에 의해 생기는 α선을 이용하여 중성자를 계측하는데 사용되기도 하다. 핵의료에서는 붕소의 화합물을 뇌종양 등의 병소(病巢) 내에 주입하여 원자로로부터 방출하는 열중성자선을 조사하여 병소 내에서 B-10(n, α) 핵반응에 의해 발생한 α선을 병소부에 조사함으로써 종양을 파괴하여 치료하는 방법(BNCT)이 있다.

붕소는 하이니켈 배터리의 양극재 코팅물질로 쓰이고 있다. UNIST 에너지화학공학과 조재필 특훈교수 연구팀은 미 MIT 대학 쥐 리(Ju Li) 교수 연구팀과 공동으로 배터리의 수명을 저해하는 양극재 입자의 미세균열과 화학적 불안정성을 보호제인 코발트-붕소 화합물(CoxB, 코발트 보라이드)로 코팅하는 기술을 개발했다. 특히 상온에서, 입자 표면뿐만 아니라 입자 내부까지 골고루 침투시켜 코팅할 수 있어 양극재의 수명을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다. 새로 개발한 코팅물질을 쓴 배터리 셀은 수백회의 충·방전 이후에도 재료 구조가 안정적으로 유지됐으며, 상용 양극재 대비 약 20%나 향상된 수명을 보였다고 밝혔다.

개요

주기율표 13족에 속하는 준금속 원소로서 1807년 영국의 험프리 데이비가 붕산을 전기분해하여 홑원소물질로서 처음으로 추출했다.

최외각전자가 단 3개라 모든 오비탈이 공유결합을 형성해도 오비탈이 하나가 남기 때문에 물리화학적으로도 특이한 성질을 갖는다. 대표적으로 결합각이 정확히 120도의 정삼각형인 BH₃ 등이다.

더욱 놀라운 점은, 붕소의 동소체 중 표준상태에서 가장 안정한 상태는 α-rhombohedral 상인데, 이는 구조가 심히 아스트랄하다는 점이다. 이 때 붕소는 총 열두개의 붕소 원자가 꼭지점마다 위치한 정이십면체 모양의 '붕소 분자' B₁₂가 규칙적으로 배열되어있는데, 이는 각 붕소 원자가 이웃한 다섯개의 붕소 원자와 공유결합을 하고있는 셈이다. 원자 크기가 작은 2주기 원소에서는 이 자체로도 놀라운 일인데, 상기했다시피 각 붕소 원자의 최외각전자는 세 개뿐이므로, 각 결합은 단순 산수로 계산해 볼 경우 0.6중결합이 된다. 이는 옥텟 규칙에 정면으로 도전하는 셈이니, 공유결합에 대한 고전적인 관점으로는 붕소의 이러한 행태를 해석하기가 매우 곤란하다. 이렇듯 홑원소 상태의 붕소는 옥텟 규칙을 만족하지 못하는데, 어쨌든 붕소도 옥텟 규칙을 만족시키면 조금 더 좋아하므로 이를 다른 원소와 결합하여 해결하려는 경향이 강하다. 이는 붕소화합물에서 홑원소 상태의 순도 높은 붕소를 분리해내는 것을 어렵게 만드는 주요한 원인이라 할 수 있다.

존재

지구의 표층 즉, 지각(Crust)의 평균조성은 존재량의 크기 순서로 다음의 표와 같다. 지각에 있어서는 원소의 편재가 있는데 산소와 규소의 두 원소만으로 지각의 74.32%, 산소에서 수소까지 10개의 원소로서 99.17%를 점유한다. 지각에서 붕소의 함량은 ppm 정도로 지각에서 납(13ppm)보다 약간 적은 37번째이며, 우리 주변에서 흔히 보는 주석(2ppm), 텅스텐(1.5ppm), 몰리브덴(1.5ppm) 등 보다 5배 이상 많은 것이다. 그러나 보론은 자연계에서는 순수한 고체로서는 발견되지 않는다.

역사

붕소는 고대 중국과 아라비아 등에서 도자기 유약으로 쓰던 희백색 광석 '붕사(borax)'에서 추출한 원소로 그 기원이 아주 오래되었다고 알려졌다.

1808년, 영국 화학자 험프리 데이비(Humphry Davey, 1778~1829), 프랑스 화학자 조제프 루이 게이뤼삭(Joseph Louis Gay-Lussac, 1778~1850)과 루이자크 테나르(Louis-Jacques Thenard, 1777~1857)는 붕사와 황산을 반응시켜 붕산(H₃BO₃)을 얻었고, 이를 포타슘(K)과 반응시켜 원소 상태의 붕소를 얻었다. 하지만 이때 얻은 붕소는 불순한 상태였다. 이후 1824년 베르셀리우스(J.J. Berzelius, 1779~1848)가 붕소는 원소임을 확인했고, 1892년에는 프랑스의 무아상(H. Moissan, 1852~1907)이 산화붕소와 마그네슘(Mg)을 반응시켜 순도 95~98%의 붕소를 얻었다. 최종적으로 순수한 붕소는 1909년에서야 얻을 수 있었다.

붕소 'boron'은 봉사의 아랍어인 'buraq' 에서 따왔다. 험프리 데이비는 붕소를 보라슘(boracium)이라 불렀는데 이후 베르셀리우스가 탄소(carbon)와 성질이 비슷하다는 이유로 'boron'이라 이름 붙였다.

특징

붕소는 홑원소 상태에서 탄소와 비슷한 흑회색이다. 다이아몬드 다음으로 단단하다고 알려져 있다. 하지만 산소나 탄소 등과 반응해, 산화 붕소 또는 탄화 붕소를 만들면 다이아몬드보다 물렁물렁해진다. 붕소는 비금속 원소로 간주할 수 있는 3A족 원소 중 유일한 원소이다. 붕소의 전자 배치는[He]2s²2p¹이다.

주요 화합물

H₃BO₃(붕산) 붕소와 수소로만 구성되어 있는 화합물 집단을 보레인(borane) 화합물이라고 한다. 가장 간단한 보레인은 BH₃이다. 이 분자는 여섯 개의 원자가 전자만 갖는다. 따라서 팔전자 규칙의 예외이다. 결과적으로 BH₃은 자기 스스로 반응하여 다이보레인(diborane, B2H₆)을 생성한다. 이 반응은 Lewis 산-염기 반응으로 간주할 수 있다. 각 BH₃에서 하나의 BH 결합 전자 쌍이 다른 분자에게 전자 주개 역할을 한다. 결과적으로 다이보레인은 수소 원자가 두 개 결합을 생성하는 특이한 분자이다. 다리놓인 수소(bridging hydrogen)라고 하는 이러한 수소는 흥미로운 화학 반응성을 보인다. 두 개의 붕소 원자 간에 수소 원자의 공유는 각 붕소 원자의 원자가 전자의 결핍을 다소 보완한다. 그럼에도 불구하고 다이보레인은 격렬하게 반응하는 큰 분자이고, 공기 중에서 자발적 가연성이다. 산화 붕소나 탄화 붕소는 다이아몬드보다 단단하다고 알려져 있다. 하지만 희귀하다는 이유로, 잘 쓰이지 않는다.

용도

유리

붕소의 색상은 흑회색이지만 유리(주로 이산화규소(SiO2)로 구성됨)에 섞으면 투명해지며, 붕소를 포함한 유리는 열팽창률이 작아 내열유리, 조리용 주전자, 화학실험 플라스크, 비커 등에 사용된다. 붕산을 포함한 붕산수는 고속 중성자를 매우 잘 흡수하기 때문에 고준위 방사성 폐기물을 담구어 보관하거나 원자로의 비상냉각시스템에 쓰인다.

약품

붕산(H₃BO₃)은 살균작용이 있어 바퀴벌레약이나 눈 세정제 등의 약품에 널리 사용된다.

원자력

10B 동위원소는 열중성자를 아주 잘 포획하는데, 중성자의 에너지에 따라 다르지만, 그 능력은 11B의 대략 100만 배 정도이다. 이 때문에 10B 동위원소 화합물들은 원자력 산업에서 핵반응 조절제, 응급 핵반응 중지제, 그리고 핵연료 재충전을 위한 가동 정지제로 사용된다.

초전도체

2001년 일본 아오야마가쿠인(靑山學院) 대학의 아키미츠 준(秋光純) 교수팀이 이붕화 마그네슘(MgB₂)이 39K라는 비교적 고온에서 초전도 현상을 나타내는 것을 발견하였으며, 재미 한국인 과학자인 최형준 박사가 그 초전도성 메커니즘을 최초로 규명하였다.

참고자료

• 〈붕소〉, 《위키백과》
• 〈붕소〉, 《나무위키》
• 〈원소로 보는 화학사 Vol.056, 원자번호 5번 '붕소'를 소개합니다.〉, 《LG케미토피아 블로그》, 2019-09-04
• 〈붕소〉, Atomic Wiki
• 최상국 기자, 〈UNIST, 하이니켈 배터리 수명 20% 늘린 양극재 코팅 기술 개발〉, 《아이뉴스24》, 2021-03-02

같이 보기

• 붕산리튬

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