원소로 보는 화학사 Vol.052. 원자번호 23번 '바나듐'을 소개합니다.
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        원소로 보는 화학사 Vol.052. 원자번호 23번 ‘바나듐’을 소개합니다.

        2019년 7월 3일

        원소로 보는 화학사 바나듐을 소개합니다.

        지난 시간에는 아름다운 색을 지닌 안전한 중금속 ‘비스무트(Bi, 원자번호 83번)’에 대해 알려 드렸습니다. 오늘은 전이금속 화합물 중 가장 아름다운 색을 띠는 ‘바나듐(V, 원자번호 23번)’에 관한 이야기를 준비했습니다.


        원자번호 23번 ‘바나듐(V)’을 소개합니다.

        바나듐 Vanadium

        바나듐(Vanadium)은 그 자체로 존재하기보다 이온화되어 다른 원소와 화합하는 점화물을 잘 생성하는 전이금속입니다. 순수한 상태에서는 은회색으로 부드럽고 유연한 금속이며, 전이금속으로 존재할 때는 산화 상태에 따라 화려하고 아름다운 색을 띱니다. 독버섯이나 멍게류, 가재 등이 가진 아름다운 빛깔도 바로 바나듐 화합물 때문입니다.

        바나듐은 단단하지만, 연성(잡아 늘이기 쉬운 성질)과 전성(펴서 늘일 수 있는 성질)이 있습니다. 소량의 불순물을 첨가하면 단단하고 깨지지 않는 성질을 지닙니다. 다른 금속을 강하게 만드는 아주 헌신적인 원소라고 할 수 있습니다. 산화물의 보호 피막을 만들기 때문에 공기 중 실온에서는 잘 산화되지 않으나 가열하면 산화됩니다. 부식에 강하게 견디는 내부식성이 좋고 알칼리, 황산, 염산 등 다른 화합물에도 반응하지 않는 안정성이 뛰어납니다. 바나듐은 다양한 장점으로 활용도가 높아 귀한 대접을 받는 원소입니다.

        ‘바나듐’의 발견과 원소명의 유래

        스페인 화학자 안드레스 델리오

        이미지 출처https://en.wikipedia.org/wiki/Andr%C3%A9s_Manuel_del_R%C3%ADo

        바나듐은 1801년 스페인의 화학자 안드레스 델리오(Andrés Manuel del Rio, 1764~1849)가 발견했습니다. 그러나 당시 그의 주장은 인정받지 못했습니다. 다른 화학자가 그가 발견한 것이 크롬(크로뮴)일 것으로 추정했기 때문입니다. 다른 사람의 주장을 인정한 탓에 델리오는 바나듐의 최초 발견자임에도 불구하고 원소 이름을 붙이는 영광을 얻지 못합니다.

        1830년대에 스웨덴의 화학자 닐스 세프스트룀(Nils Gabriel Sefström, 1787~1845)은 크롬(크로뮴)이나 우라늄과 비슷한 성질을 가지고 있는 원소를 발견합니다. 세프스트룀은 바나듐 화합물의 아름다운 색깔을 보고 스칸디나비아의 미의 여신 ‘바나디스(Vanadis)’를 떠올리게 되었고 바나디스의 이름을 따서 ‘바나듐’이라 명명했는데, 이 원소가 1801년 델리오가 발견한 것과 같은 원소로 확인되면서 델리오가 최초 발견자의 영예를 되찾게 되었습니다.

        그러나 19세기 화학자들에게는 순수한 형태의 바나듐을 분리해내는 것이 너무 어려웠습니다. 1865년 이후 영국 화학자 헨리 엔필드 로스코(Henry Enfield Roscoe, 1833~1915)가 처음으로 바나듐을 분리하는 데 성공했지만, 이 또한 4% 정도의 불순물을 함유한 것이었습니다. 순수한 바나듐은 1920년대 이후에야 겨우 얻을 수 있었습니다.

        ‘바나듐’은 어디에 사용될까요?

        바나듐의 쓰임새

        바나듐의 쓰임새는 광범위합니다. 주로 합금재로 사용되지만 열에도 잘 견뎌 미사일 같은 무기와 엔진을 제작하는 데 쓰입니다. 바나듐의 가장 큰 특징은 강철에 소량만 첨가해도 강철의 강도를 눈에 띄게 끌어올리고 높은 온도에도 견딜 수 있게 만든다는 점입니다. 바나듐이 소량 첨가된 강철을 ‘바나듐강’이라 하는데 바나듐의 함량에 따라 크게 두 가지로 분류됩니다. 함량이 0.15~0.25%인 것을 ‘바나듐 고탄소강’, 1~5%인 것을 ‘고속 공구강’이라 합니다. 바나듐강은 자동차의 축, 크랭크 축, 자전거 골격, 기어, 미사일 등에 고속 공구강은 고속 절삭 공구, 수술용 칼 등에 많이 쓰입니다.

        자동차 왕 헨리 포드는 ‘바나듐 없이는 자동차도 없다’고 할 만큼 바나듐의 가치를 높게 평가했습니다. 1908년에 탄생한 포드의 T형 모델은 대량의 바나듐강을 이용해 만들었습니다. 바나듐강은 강도가 높아 강철 사용량을 줄일 수 있었고 비용도 더 낮출 수 있었습니다. 부드러운 성질이라 부품 제작도 쉬워졌습니다. 서스펜션, 샤프트, 기어, 액셀, 스프링 등 심장부를 이루는 중요한 부품들에 바나듐강이 사용되었습니다. 가벼우면서도 강한 신소재는 자동차 산업에 날개를 달아주었습니다.

        바나듐은 강도나 탄성을 높이는 성질이 있어 철과 혼합해 지진에 대비하는 건축용 특수강 재료를 만들 때도 활용됩니다. 타이타늄과의 합금은 강도와 열 안정성, 색이 매우 아름다워 제트엔진의 항공기 동체 등에 쓰이며, 최근에는 높은 안정성과 긴 수명의 특성이 있어 리튬이온전지의 대체재로 주목받고 있습니다.

        오늘은 철을 강하게 만드는 파워풀한 원소 ‘바나듐(V, 원자번호 23번)’에 대한 다양한 이야기를 들려 드렸습니다. 다음 이 시간에는 반응성이 매우 큰 금속 원소로 인체에 해로운 것으로 알려진 ‘세슘(Cs, 원자번호 55번)’에 대한 정보로 돌아오겠습니다.

        <내용 출처> 누구나 쉽게 배우는 원소 (그림으로 배우는 118종 원소 이야기) /원소가 뭐길래 (일상 속 흥미진진한 화학 이야기) / Big Questions 118 원소 (사진으로 공감하는 원소의 모든 것)

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