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타이타늄 편집하기
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'''타이타늄'''(Titanium)은 화학 원소로 기호는 '''Ti'''이고 원자 번호는 22이다. '''티탄''' 또는 '''티타늄'''이라고도 불린다. 가볍고 단단하며, 거의 부식되지 않는다. 전이 금속 원소로 은백색의 금속 광택이 있다. 순수한 타이타늄은 낮은 물성치로 인해 강한 내식성이 요구 되는 곳을 제외하곤 대부분 합금으로 많이 쓰인다. 또한 [[이산화 타이타늄]]은 흰색 안료의 재료로, 페인트 등에 쓰인다. | '''타이타늄'''(Titanium)은 화학 원소로 기호는 '''Ti'''이고 원자 번호는 22이다. '''티탄''' 또는 '''티타늄'''이라고도 불린다. 가볍고 단단하며, 거의 부식되지 않는다. 전이 금속 원소로 은백색의 금속 광택이 있다. 순수한 타이타늄은 낮은 물성치로 인해 강한 내식성이 요구 되는 곳을 제외하곤 대부분 합금으로 많이 쓰인다. 또한 [[이산화 타이타늄]]은 흰색 안료의 재료로, 페인트 등에 쓰인다. | ||
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1791년에 영국의 광물학자이자 목사였던 그레고르는 냇가의 모래에서 자석을 사용하여 검은 물질(타이타늄철석)을 모으고 이를 조사하였다. 그는 이 검은 모래를 염산(HCl)으로 처리해서 흰색 산화물을 얻고 이를 분석한 결과, 이 모래에는 철 산화물과 함께 새로운 원소의 흰색 산화물이 45.25% 들어있음을 알아내었다. 그러나 이 산화물이 어떤 것인지는 밝혀내지 못한 채 학회에 보고하였다. | 1791년에 영국의 광물학자이자 목사였던 그레고르는 냇가의 모래에서 자석을 사용하여 검은 물질(타이타늄철석)을 모으고 이를 조사하였다. 그는 이 검은 모래를 염산(HCl)으로 처리해서 흰색 산화물을 얻고 이를 분석한 결과, 이 모래에는 철 산화물과 함께 새로운 원소의 흰색 산화물이 45.25% 들어있음을 알아내었다. 그러나 이 산화물이 어떤 것인지는 밝혀내지 못한 채 학회에 보고하였다. | ||
| − | 우라늄( | + | 우라늄(92U)과 지르코늄(40Zr)을 발견했던 독일 화학자 클라포르트는 1795년에 금홍석에 새로운 원소가 들어있음을 발견하고 이 원소를 그리스 신화에 나오는 신의 종족의 이름인 titan을 따서 타이타늄(titanium)이라 명명하였다. 그는 4년 전에 그레고르가 발견한 원소에 대해 듣고는 타이타늄철석 시료를 얻어 분석하여 그레고르가 발견한 새 원소가 타이타늄임을 확인하였다. |
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| − | + | 금속 타이타늄은 1910년에 미국의 헌터(Matthew A. Hunter, 1878~1961) 교수가 사염화타이타늄(TiCl4)을 고온에서 소듐(Na) 금속으로 환원시켜 얻었다. 금홍석(TiO2)에서 금속 Ti를 얻는 과정은 다음과 같다. | |
| − | + | TiO2(s) + 2Cl2(g) + C(s) → TiCl4(l) + CO2(g) | |
| + | TiCl4(l) + 4Na(l) → 4NaCl(l) + Ti(s) | ||
| − | 1925년에 반아르켈(Anton Eduard van Arkel, 1893~1976)과 드보어(Jan Hendrik de Boer, 1899~1971)는 사아이오드화타이타늄( | + | 1925년에 반아르켈(Anton Eduard van Arkel, 1893~1976)과 드보어(Jan Hendrik de Boer, 1899~1971)는 사아이오드화타이타늄(TiI4) 증기를 뜨거운 텅스텐 필라멘트 위에서 열분해시켜 처음으로 아주 순수한 타이타늄을 얻었다. 그 후 1932년에 크롤(William J. Kroll, 1889~1973)이 TiCl4를 고온에서 칼슘(Ca)으로 환원시키는 방법을 고안하고, 1940년에 다시 이를 개선하여 마그네슘(Mg)으로 환원시키는 방법을 발명한 이후에야 금속 타이타늄이 대량으로 생산되기 시작하였다. |
타이타늄의 본격적인 활용은 냉전시대인 1950년대와 1960년대에 구소련에서 항공기와 잠수함의 엔진, 부품 재료로 사용하면서 시작되었고, 미국도 이를 전략 물자로 간주하고 생산을 장려하고 비축하였다. 현재 금속 타이타늄의 약 60%는 항공 산업에, 나머지 40%는 타이타늄의 독특한 성질을 활용하는 아주 다양한 분야에 사용된다. | 타이타늄의 본격적인 활용은 냉전시대인 1950년대와 1960년대에 구소련에서 항공기와 잠수함의 엔진, 부품 재료로 사용하면서 시작되었고, 미국도 이를 전략 물자로 간주하고 생산을 장려하고 비축하였다. 현재 금속 타이타늄의 약 60%는 항공 산업에, 나머지 40%는 타이타늄의 독특한 성질을 활용하는 아주 다양한 분야에 사용된다. | ||
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타이타늄은 흰색 금속 광택을 띠며, 가볍고(밀도, 4.506g/cm3) 강한 금속이면서 연성(잡아 늘일 수 있는 성질)이 있다. 기계적 성질은 미량 불순물에 의해 크게 영향을 받는다. 인장강도(재료가 감당할 수 있는 최대 응력)는 보통 강철 합금과 비슷하나 43% 가볍고, 흔히 사용되는 알루미늄 합금보다는 2배나 강하나 60% 무겁다. 녹는점이 1,668oC로 높고, 전기 전도율과 열 전도율은 3족 원소(Sc, Y, La 등)보다는 높으나 다른 금속들에 비해서는 낮다. 타이타늄은 전형적인 금속 조밀육방격자(hcp) 구조(α형)를 갖는데, 882oC 이상에서는 β형 체심입방(bcc) 구조로 변한다. | 타이타늄은 흰색 금속 광택을 띠며, 가볍고(밀도, 4.506g/cm3) 강한 금속이면서 연성(잡아 늘일 수 있는 성질)이 있다. 기계적 성질은 미량 불순물에 의해 크게 영향을 받는다. 인장강도(재료가 감당할 수 있는 최대 응력)는 보통 강철 합금과 비슷하나 43% 가볍고, 흔히 사용되는 알루미늄 합금보다는 2배나 강하나 60% 무겁다. 녹는점이 1,668oC로 높고, 전기 전도율과 열 전도율은 3족 원소(Sc, Y, La 등)보다는 높으나 다른 금속들에 비해서는 낮다. 타이타늄은 전형적인 금속 조밀육방격자(hcp) 구조(α형)를 갖는데, 882oC 이상에서는 β형 체심입방(bcc) 구조로 변한다. | ||
| − | 천연 타이타늄은 질량수가 46에서 50까지의 5가지 동위원소가 있는데, | + | 천연 타이타늄은 질량수가 46에서 50까지의 5가지 동위원소가 있는데, 48Ti가 73.8%로 가장 많고 다른 것들은 5.4~8.0%로 적다. 이들 동위원소들은 모두 방사성 붕괴를 하지 않는 안정한 핵을 갖고 있다. 20가지 이상의 방사성 Ti 동위원소들의 특성이 조사되었는데, 반감기가 가장 긴 것이 45Ti (반감기 184.8분)이며, 51Ti와 52Ti의 반감기는 각각 5.76분과 1.7분이고 나머지 것들은 반감기가 아주 짧다. 질량수가 45보다 작은 동위원소들은 주로 전자 포획이나 양전자(β+) 방출로 원자번호 21번인 스칸듐(Sc)이 되는 반면, 질량수가 51보다 큰 동위원소들은 β-붕괴를 하여 원자번호 23인 바나듐(V)이 된다. |
== 화학적 성질 == | == 화학적 성질 == | ||
| − | 타이타늄은 열역학적으로는 아주 반응성이 큰 금속이지만 물이나 공기와 아주 느리게 반응하는데, 이는 산화물 부동화 보호 피막을 만들기 때문이다. 그러나 고온으로 가열하면 산소, 질소, 수소를 포함한 거의 대부분의 비금속 원소들과 반응한다. 공기 중에서는 1200oC에서, 그리고 순수한 산소 기체에서는 610oC에서 | + | 타이타늄은 열역학적으로는 아주 반응성이 큰 금속이지만 물이나 공기와 아주 느리게 반응하는데, 이는 산화물 부동화 보호 피막을 만들기 때문이다. 그러나 고온으로 가열하면 산소, 질소, 수소를 포함한 거의 대부분의 비금속 원소들과 반응한다. 공기 중에서는 1200oC에서, 그리고 순수한 산소 기체에서는 610oC에서 TiO2가 되고, 질소 기체에서는 800oC에서 질화타이타늄이 된다. 잘게 부서진 Ti 조각들은 자연 발화될 수 있기 때문에 금속 Ti를 가공할 때 부스러기들이 생기지 않도록 주의해야 한다. 화합물에서 Ti의 산화상태는 +4가 대부분이나, +3의 상태도 흔히 있고 +2과 +1도 있다. |
| − | 금속 자체의 큰 반응성에도 불구하고 Ti 덩어리는 백금(Pt)에 비길 정도로 내부식성이 아주 큰데, 이는 치밀하고 단단하며 금속에 강하게 부착되는 산화물 피막이 만들어지기 때문이다. 실온에서는 묽은 황산( | + | 금속 자체의 큰 반응성에도 불구하고 Ti 덩어리는 백금(Pt)에 비길 정도로 내부식성이 아주 큰데, 이는 치밀하고 단단하며 금속에 강하게 부착되는 산화물 피막이 만들어지기 때문이다. 실온에서는 묽은 황산(H2SO4), 염산(HCl), 염소(Cl2) 기체, 대부분의 유기산, 알칼리 수용액 등과 반응하지 않으며, 바닷물에서도 부식되지 않는다. 높은 온도에서는 진한 산이나 할로겐과 반응하지만 알칼리 수용액과는 반응하지 않는다. |
== 일반적 특징 == | == 일반적 특징 == | ||
