원소로 보는 화학사 Vol.038. ‘원자번호 18번 아르곤(Ar)을 소개합니다’

지난번 ‘원소로 보는 화학사’에서는 우리나라 경제 발전의 원동력이었던 원소 ‘텅스텐(원자번호 74번)’에 담긴 화학이야기를 소개해드렸습니다.오늘은 18족 비활성 기체이면서 조명, 레이저, 흑연 전기로, 아크 용접, 반도체 성장, 식품 포장의 보호 기체 등 다양한 곳에 사용되는 원소 ‘아르곤(원자번호 18번)’을 소개해드릴게요.

원자번호 18번 ‘아르곤’을 소개합니다!

아르곤은 이전에 소개한 헬륨과 네온보다 많은 양이 존재하는 무색무취의 비활성 기체로 대기 중에는 세 번째로 많습니다. 액체공기를 분별증류하면 쉽게 분리할 수 있으며 압축기체 용기에 저장합니다. 이 원소는 공기보다 무겁고 비교적 저렴해 다양하게 쓰입니다. 또한, 반응성이 낮고 안정한 기체이기 때문에 다른 물질과 반응하지 않습니다.

‘아르곤’이 발견되기까지의 과정, 그리고 원소명의 유래

아르곤은 비활성기체 중에서 처음으로 발견된 원소입니다. 영국의 물리학자 존 윌리엄 스트럿 레일리(John William Strutt Rayleigh)는 대기에서 수증기, 이산화탄소, 산소를 제거하여 얻은 질소와 화학반응으로 생성된 질소의 부피당 질량을 비교했습니다. 그러자 암모니아를 분해하여 만든 후자가 0.5%만큼 가벼웠습니다. 똑같은 질소인 만큼 온도와 압력이 같은 조건에서는 질량도 같아야 할 텐데 말이죠.

고심하던 레일리에게 윌리엄 램지(William Ramsay)는 대기에서 얻은 질소에 미지의 기체가 섞여 있지 않겠느냐는 의견을 내놓았습니다. 그래서 그 두 사람은 대기에서 추출한 질소를 마그네슘에 통과시키고 어떤 물질이 남는지를 실험했습니다. 그러자 매우 적은 양의 기체가 남았고, 분광분석(스펙트럼 분석)을 통해 미지의 원소 아르곤을 발견했습니다.

아르곤(Argon)이라는 원소명은 반응성이 낮고 안정적이라는 이 원소의 특징 때문에 붙여진 이름입니다. 즉, 다른 물질과 반응하지 않는 비활성기체이기 때문에 일을 뜻하는 그리스어 ‘ergon’에 부정접두어 ‘an’을 붙여서 ‘일하지 않는 게으름뱅이’란 뜻에서 원소명을 아르곤(Argon)이라고 명명했습니다.

‘아르곤’은 어디에 사용될까요?

첨단 화학의 핵심

아르곤은 초소형 회로, 고온 플라스마 램프의 안정제, 화학 물질의 보호제로 사용됩니다. 비록 네온보다 반응성은 높지만 액체 산소를 생산하는 과정에서 부산물로 손쉽게 얻을 수 있기에 널리 쓰입니다. 안정한 기체이기 때문에 다른 물질과 반응하지 않는 아르곤은 전구에 주입하기도 하는데요. 이때 아르곤은 필라멘트의 증발을 막는 기능을 합니다. 또 형광등에는 아르곤과 수은기체를 주입하는데, 여기에 전류를 흐르게 하면 전자가 발생하여 수은원자와 충돌하고 자외선을 냅니다.

이것이 형광체에 닿아 형광등 속에서 아르곤은 방전을 일정하게 유지해 빛이 균일하도록 작용합니다. 화학실험에서는 산소 및 습기로 인한 부반응을 막기 위해 아르곤을 사용하기도 합니다. 반도체의 제조 및 금속 용접에서도 아르곤을 불어넣어 반도체 및 용접장소의 산화를 방지합니다.

아르곤 레이저

붉은빛을 내는 헬륨-네온 레이저와 달리 아르곤 레이저는 청록색의 강한 빛을 만들어 냅니다. 의료계에서는 외과 등에서 아르곤 레이저를 사용하는데요. 그중에서도 아르곤 레이저는 에너지가 워낙 강해 지혈, 피부 치료를 위한 레이저 시술, 망막 수술 등으로 쓰입니다.

오늘은 18족 비활성 기체이면서 조명, 레이저, 흑연 전기로, 아크 용접, 반도체 성장, 식품 포장의 보호 기체 등 다양한 곳에 사용되는 원소 ‘아르곤(원자번호 18번)’을 소개해 드렸습니다. 다음 ‘원소로 보는 화학사’에서는 아르곤과 같이 18족 비활성 기체이면서 형광등, 고출력 자외선 레이저, 고속 사진 촬영 섬광등, 네온사인 등으로 사용되는 원소 ‘크립톤(원자번호 36번)’에 담긴 흥미로운 화학이야기로 찾아올게요. 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)