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아르곤
아르곤(Argon)은 주기율표의 화학 원소로 기호는 Ar이고 원자 번호는 18이다. 18족에 속하는 비활성 기체로 지구 대기의 약 0.93%를 차지하며, 비활성 기체 중 지구에서 가장 흔하다. 1894년 영국의 레일리에 의해 발견되었다. 상온에서는 무색, 무취의 기체이다.
역사[편집]
아르곤은 그리스어로 '비활성'을 뜻하는 αργον에서 이름이 붙여졌다. 1785년 헨리 캐번디시는 공기 중에 전류를 흘려 질산을 생성시키는 실험을 하였는데, 이 과정에서 소량의 기체가 반응하지 않고 남아있는 것을 관찰했다. 1882년 두 과학자가 독자적으로 공기 중에 포함된 원소의 스펙트럼을 분석하던 중 새로운 선 스펙트럼이 존재한다는 사실을 발견하였으나, 어떤 원소에 의한 것인지는 설명하지 못했다. 이후 1894년 레일리와 윌리엄 램지는 순수한 질소 기체와 공기 중의 질소 기체 사이에 약 0.5% 정도의 질량 차이가 존재한다는 사실을 발견하고 다른 원소가 섞여있을 것이라고 예측했다. 그들은 런던대학교 UCL에서 불순물을 제거한 공기를 액화시킨 후 이를 분별 증류하여 아르곤을 순수한 상태로 분리하였다. 1957년까지는 원소 기호가 A 였으나 이후 Ar로 바뀌어 지금에 이르고 있다.
특성[편집]
아르곤은 고체, 액체, 기체 상태 모두 무색, 무취인 불연성의 기체이다. 물에 대한 용해도는 산소와 비슷하며, 질소보다는 약 2.5배가량 더 용해된다. 대부분의 경우 화학적으로 매우 안정하여 화합물을 형성하지 않는다. 그러나 극저온에서는 일부 아르곤 화합물이 관찰된 적이 있다. 2000년 핀란드 헬싱키 대학에서 발견된 아르곤 플루오로하이드라이드(HArF)가 대표적이다. 또한 반응성이 큰 플루오린과 염소와도 결합을 잘 하지 못한다고 알려져 있었으나, 물 분자들 사이에 들어가 결합할 수 있다는 사실이 알려졌다.
지구의 대기에서 질소, 산소에 이어 세 번째로 많은 비중을 차지하고 있다. 공기 중에는 0.93% 가량 들어있어서 비활성기체 가운데는 가장 흔하고 저렴한 편이다. 대기중 농도가 0.04%인 이산화탄소의 23배나 더 많이 들어 있다. 지구 상에 아르곤이 풍부한 이유는 비교적 흔한 40K(칼륨-40)을 비롯한 몇몇 방사성 동위원소의 붕괴 산물이기 때문이다. 제법은 공기를 압축 냉각해서 분별증류로 액체 질소나 액체산소를 생산하면서 덤으로 아르곤을 생산한다. 사실 액화 아르곤은 액체질소와 마찬가지로 액체산소 생산의 부산물이다.
존재[편집]
아르곤은 대기 중에 부피 비율로는 약 0.934%, 질량 비율로 약 1.288%가 포함되어 있다. 지각 속에는 1.2ppm, 해수 속에는 0.45ppm 정도 포함되어 있다.
동위원소[편집]
지구상에 존재하는 아르곤의 대부분은 아르곤-40(존재 비율 99.6%)이며, 이외에 아르곤-36, 아르곤-38 등이 미량 존재한다. 자연 상태에서는 칼륨-40이 베타 붕괴하면서 약 11.2%가 아르곤-40으로 변하는 과정이 일어난다. 이러한 성질을 이용한 칼륨-아르곤 연대 측정법은 암석의 연대를 측정하는데 사용된다.
또, 아르곤은 태양계 내에서도 행성에 따라 동위원소의 존재 비율이 다르다. 이는 지구형 행성의 경우에는 암석 속의 칼륨-40이 베타 붕괴하여 생성된 아르곤-40이 대부분인 반면, 목성형 행성에서는 항성의 핵융합으로 생성된 아르곤-36이 대부분이기 때문이다.
공업적 제조방법[편집]
초저온냉동공학을 이용한 공기분리공장에서 주로 생산된다. 공기분리공장에서는 공기 중에 존재하는 질소와 산소를 액화시켜 끓는점 차를 이용하여 분리하는데 이 중 아르곤은 산소와 끓는점이 유사하여 액체산소의 상위층에 많이 분포하게 되며, 이를 별도의 분별 증류를 이용하여 농축시킨다. 이러한 방식으로 매년 전 세계에서 70만 톤의 아르곤이 생산된다.
용도[편집]
고온에서도 반응성이 거의 없고 비활성기체들 중에서는 가장 저렴하다는 점을 이용, 알루미늄이나 티타늄, 철과 같은 반응성이 큰 금속의 특수 용접(TIG, MIG, GTAW법 등)에 사용된다. 이를 아르곤 용접이라고 하는데, 용접 부위에 아르곤을 불어서 산소와 접촉하지 않게 하여 용접 부위의 산화를 막는다.
용접 부분이 나와서 덧붙이자면 조선업에서는 특별히 주의해야 할 기체로 아르곤을 강조한다. 배관 용접을 할 때는 아르곤을 일일이 불기가 힘들어 아르곤 가스를 아예 배관 안에 가득 채워 넣고 용접을 하게 되는데, 용접이 끝난 후 배관 안쪽을 점검할 때 부주의로 인해 배관 안쪽에 고여있는 고농도의 아르곤 가스를 대량 흡입해서 순식간에 질식사를 할 수 있기 때문이다.
제강에서는 녹은 강철을 교반하기 위해 불어넣기도 하며, 스테인레스 스틸 생산에서 크롬의 산화손실을 줄이기 위해 사용(AOD법)한다. 그 외에도 전구 혹은 형광등에 넣는 충전기체 등, 물질이 공기와 반응을 해서는 안되는 경우에 보호용으로 사용된다. 다른 비활성기체는 아르곤보다 비싸고, 반응성도 비교적 낮고 더 싼 질소는 고온에서는 반응성이 나쁘지 않아 고온 환경에서의 보호용으로는 쓸 수 없다. 칼륨의 동위원소 중 일부(칼륨-40)가 방사성 동위원소라, 꾸준히 붕괴되며 아르곤으로 변하기 때문에 암석 등의 연대 측정에도 사용된다.
상술했든 비활성기체들 중에서 가장 저렴해서 유기화학 실험에서 환류용으로 매우 애용되는 기체이다. 질소도 쓰지만 확실하게 화학 반응을 보호할 때는 아르곤을 쓴다. 예를 들면 팔라듐의 뛰어난 산화촉매의 성질을 이용한 palladium-coupling을 이용한 실험에서는 팔라듐을 최대한 아끼기 위해 아르곤 기체로 팔라듐을 포함한 반응물들을 보호해서 반응을 이끌어낸다. 사실 많은 유기화학 실험들중에 특히 산소가 반응을 방해하는 일이 많아서 웬만한 반응들, 특히 위에서 상술한 팔라듐이나 아연을 이용한 C-C 결합에 자주 쓰이는 coupling 반응에서는 아르곤으로 반응물들을 환류로써 보호하여 산소가 끼어들 틈을 주지 않도록 한다.
의외로 미사일에도 종종 쓰인다. 주로 냉각가스로. 이를테면 적외선 탐색기의 경우 탐색기 자체의 온도가 낮을수록 적외선 탐지성능이 좋아지는데, 이를 위해 압축 아르곤을 가지고 있다가 필요할 때 작은 노즐로 고속으로 분사한다. 그러면 순간적으로 아르곤의 압력이 확 떨어지면서 온도 역시 떨어져 급속 냉각이 가능. 물론 다른 가스로도 할 수 있지만 비활성기체이니 안전하고, 산화걱정도 없다.
위험성[편집]
아르곤 자체의 독성은 없지만, 공기보다 무겁고 바닥에 가라앉는 특성이 있기 때문에 밀폐된 공간에서 아르곤 누출 시 산소 결핍으로 인한 질식을 유발할 수 있다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
