지난번 ‘원소로 보는 화학사’에서는 무색, 무취, 무미의 자연방사성 물질이면서 1급 발암물질로, 사회적으로 뜨겁게 논란이 되고 있는 원소 ‘라돈’에 대해 소개해드렸는데요. 오늘 소개해 드릴 원소는 비활성 기체 중 아주 희귀하고 가장 반응성이 큰 화학원소 ‘제논’입니다.
18족에서 가장 무거우면서 안정한 원소인 제논은 색깔과 냄새가 없는 기체로 다른 불활성기체와 비슷한 성질을 갖고 있습니다. 파티장소나 놀이공원에 가면 헬륨을 채운 풍선을 흔히 볼 수 있는데요. 이때 헬륨을 채운 풍선은 위로 떠오릅니다.
하지만 제논 기체는 헬륨과는 조금 다릅니다. 제논 기체는 헬륨 기체보다 30배 이상 무겁기 때문에 제논 기체로 채운 풍선은 공기보다 무겁습니다. 그래서 헬륨을 채운 풍선과는 다르게 제논 기체로 풍선을 채울 경우, 그 풍선은 위로 떠오르지 않고 땅으로 떨어집니다.
또한, 제논은 대기 함유량이 0.000009%인 크립톤보다도 지구 대기에 적게 포함되어 있습니다. 제논은 지구 대기의 0.00001%를 차지하는 극소량의 무거운 기체로, 공기를 냉각시켜 얻습니다. 지구에 존재하는 양이 워낙 적다 보니 그 값이 무려 헬륨의 1,000배 정도로 굉장히 비싼데요. 그래서 제논은 꼭 필요한 곳에만 제한적으로 사용됩니다.
1898년 영국 화학자 윌리엄 램지(William Ramsay, 1852~1916)와 모리스 윌리엄 트래버스(Morris William Travers, 1872~1961)는 새로운 희유기체(공기에 들어 있는 양이 희박한 아르곤, 헬륨, 네온, 크립톤, 제논, 라돈의 여섯가지 기체 원소를 통틀어 이르는 말로 비활성기체라고도 함) 원소를 발견하기 위해 액체공기 제조기를 사용하기로 했습니다. 그들은 액체공기를 조심스럽게 분류해서 최초로 크립톤을 발견했고 이후 네온까지 발견했으며, 마침내 대량의 공기를 처리하여 제논을 분리하는 것까지 성공했습니다.
‘제논(xenon)’의 원소명은 ‘익숙하지 않은, 이방인, 친숙해지기 어려운, 기묘한’이라는 뜻의 그리스어 ‘xenos’에서 유래된 것입니다. 제논은 분별증류가 어렵기 때문에 발견되기까지 화학자들의 엄청난 노고가 있었는데요. 그것을 분리할 때 휘발하기 어려웠던 것을 원소명에 반영한 것입니다.
제논은 램프와 레이저로 사용됩니다. 물론, 앞서 소개해드린 것처럼 제논의 대기 함유량은 매우 희소하기 때문에 그 값이 매우 비싸지만, 그만큼 비활성 기체 원소들을 활용한 램프와 레이저 중 가장 밝은 빛을 냅니다. 제논은 자동차의 전조등, 고속 촬영용 사진기의 플래시, 아이맥스(IMAX) 영사기 램프, 인공 태양광, 내시경용 광원 등 매우 밝은 빛이 필요한 곳에 쓰이고 있습니다.
제논은 마취 효과가 뛰어나고 반응성이 낮아 전신 마취제로 사용되며, 조영제로도 일부 쓰이는데요. 그 효과는 우수하지만 너무 비싸서 널리 사용되지는 않고, 갈수록 사용 범위를 조금씩 넓혀가고 있는 추세입니다.
SF 소설에 이따금 등장하는 비행체 추진 기관인 이온 엔진은 놀랍게도 현실에서 실제로 개발되어 사용 중인 첨단 기술입니다. 이것은 인공위성이 우주 공간에서 궤도를 일정하게 유지하도록 돕고 있습니다. 아르곤, 제논 등의 추진체를 플라스마 상태로 빠르게 분사해 추진력을 얻는 이온 엔진은 반응성이 낮고 폭발성이 없는 비활성 기체를 사용하기 때문에 화재의 위험 없이 높은 출력을 기대할 수 있습니다. 전문가들은 제논 수급이 보다 원활하게 이루어진다면 미래 비행체의 추진체로도 널리 사용될 것이라고 예상하고 있습니다.
오늘은 비활성 기체 중 아주 희귀하고 가장 반응성이 큰 화학원소 ‘제논’에 대해 소개해드렸습니다. 다음 ‘원소로 보는 화학사’에서는 멘델레예프가 예언한 원소 중의 하나로, 원자량이 45이고 성질은 붕소(B)와 비슷할 것이라고 예측했던 에카붕소! 태양처럼 밝은 빛을 내는 화학원소 ‘스칸듐’에 대해 소개해드릴게요. 많이 기대해 주세요~
<내용 출처> 누구나 쉽게 배우는 원소 (그림으로 배우는 118종 원소 이야기)/원소의 세계사 (주기율표에 숨겨진 기상천외하고 유쾌한 비밀들)/원소가 뭐길래 (일상 속 흥미진진한 화학 이야기)/Big Questions 118 원소 (사진으로 공감하는 원소의 모든 것)
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