지난 시간에는 광섬유, 고분자합성촉매, 적외선 광학 등에 널리 사용되고 있는 ‘저마늄(Ge, 원자번호 32번)’에 대해 소개해 드렸습니다. 오늘은 녹는점이 높고 내부식성이 큰 희귀 원소로 항공이 부품과 터빈 날개 등 고온 초합금 제조에 쓰이는 ‘레늄(Re, 원자번호 75번)’에 대한 이야기를 준비했습니다.
레늄은 ‘레어 메탈(Rare Metal·희소금속)’입니다. 레어 메탈이란 지구상에서 천연 상태로는 매장량이 매우 소량이거나 물리·화학적으로 금속 형태로 추출하기 힘든 특성을 가진 금속원소를 통칭합니다. 이 중에서도 레늄은 가장 마지막에 발견된 원소입니다. 몰리브데넘, 구리, 백금 광석과 가돌리나이트와 같은 희토류 광석에 미량 포함되어 있습니다. 레늄은 금속 광택이 나는 은백색 금속으로 공기 중에서는 녹슬지 않고 할로겐, 황 등과 반응합니다. 끓는점이 5590°C로 모든 원소 중 가장 높고, 녹는점은 3185°C로 텅스텐 다음으로 높은 특성을 보이고 있습니다.
레늄은 종이처럼 얇게 펴지는 전성과 실처럼 가늘고 길게 늘어나는 연성의 특징을 갖고 있습니다. 레늄은 아주 희귀한 원소임에도 놀라울 만큼 다양한 용도로 쓰이는데 가장 눈에 띄는 점은 고온에서도 사용이 가능한 고온 초합금이 된다는 점입니다. 고온에서도 강한 내구성을 유지해 우주선, 제트 엔진, 로켓의 분사구 제조에 가장 많이 사용됩니다. 그러나 레늄은 귀금속을 제외한 나머지 원소 중 가장 비싼 금속 원소라는 단점이 있어 대체 물질을 개발 연구가 꾸준히 진행되고 있습니다.
이미지출처 https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Otto_Berg_(cropped).jpg, /wiki/Ida_Noddack#/media/File:Ida_Noddack-Tacke.png, www.uni-bamberg.de/universitaet/profil/geschichte-und-tradition/persoenlichkeiten/bedeutende-persoenlichkeiten/noddack-walter/
1908년 일본의 오가와 마사타카는 토륨 광석인 토리아나이트에서 미지의 원소를 추출해 원자번호 43번의 니폰늄이라 발표했습니다. 그러나 재현실험 결과 확인되지 않아 인정받지 못했습니다. 1925년 독일의 발터 노다크(Walter Noddack), 이다 노다크(Ida Noddack), 오토 베르크(Otto Berg)는 백금광석을 X선 분석해 미지의 스펙트럼선을 발견하고 레늄의 존재를 밝혀냈습니다. 이후 가돌리늄이나 몰리브데넘을 포함한 광물에도 들어 있다는 것을 발견했습니다. 일부의 과학자들이 이 발견에 이의를 제기했지만 1928년 발터 노다크, 이다 노다크, 오토 베르크는 700kg의 몰리브덴 광석에서 1g 이상의 새로운 원소를 추출하는 데 성공했습니다. 이들은 독일 라인강의 라틴어명 ‘Rhenus’에서 이름을 따 ‘레늄(Rhenium)’이라 명명했습니다. 레늄은 자연계에서 존재하는 안정한 원소로서는 가장 마지막으로 발견되었습니다.
앞서 레늄은 모든 원소 중 끓는점이 가장 높다고 소개했는데요. 레늄의 가장 중요한 용도는 고온에서 잘 견디는 고온 초합금(super alloy)의 제조입니다. 레늄을 텅스텐이나 몰리브덴에 첨가한 초내열합금은 고온에서도 강도가 높아 로켓 및 제트기의 엔진, 항공기 부품, 가스터빈에 사용합니다. 질량 분석기의 필라멘트, 오븐의 가열용 필라멘트, 이온 게이지, 사진 플래시, 장신구의 도금 등에도 사용되며, 잘 부식되지 않아 전기 회로를 여닫는 전기 접점이나 고온로의 발열체 등으로도 쓰입니다.
레늄의 또 다른 용도는 석유나 천연가스를 구성하고 있는 커다란 탄화수소 분자의 분쇄 과정 촉진을 위해 사용되는 석유 산업의 촉매입니다. 레늄-백금 합금은 석유화학 산업에서 무연 고옥탄가 가솔린(연소 시 이상폭발을 일으키는 불완전 연소를 억제하는 높은 효율의 가솔린) 생산을 위한 촉매로 사용되며, 여러 레늄 화학물들이 화학 반응 촉매로 요긴하게 사용되고 있습니다. 레늄의 두 방사성 동위원소는 간암, 전립선암, 골수암의 치료와 특정 암으로 인한 고통을 줄이는 방사선 치료에도 이용되고 있습니다.
오늘은 고온 초합금 제조와 석유 산업의 촉매로 활약하고 있는 ‘레늄(Re, 원자번호 75번)’에 대한 정보를 전해 드렸습니다. 다음 이 시간에는 자동차 배기가스 정화장치인 촉매변환기와 화학 공업 촉매로 주로 사용되는 ‘로듐(Rh, 원자번호 45번)’에 대한 재미있는 이야기로 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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