알루미늄 용도 - alluminyum yongdo

알루미늄 성질

비중이 2.71로공업용 금속 중 Mg 다음 가는 가벼운 금속으로대표적 경금속이다.

주조가 용이하고 다른 금속과 혼합 합금이 잘 되는 전성과 연성이 좋아서 박이나 철사로 만들수 있다. 성질은

순도에 따라 다르며, 전기의 양전도체로비저항은 구리의 약 1.6배이다.

대기중내식력이 강하여 공기중에 방치하면 산화물의 박막을 생성하여 광택을 잃지만 오히려

생겨난 산화피막이 산소를 막아 내부까지 침식되는 등의 녹이 슬지 않아 창틀이나 광택용으로 사용한다.

상온/고온 가공 모두 용이하여, 공기중에서 가열하여 녹는점 가까이 가면 흰빛을 내며 연소하여 산화알루미늄이 된다. 이때 온도가 매우 높아져 이를 이용해 분말을 사용해 금속의 야금이나 용접을 한다.

알루미늄의 최대 이용 용도는 송전선이며, 그 외 포장재, 자동차의 무게와 연비를 줄이는 목적으로 많이 사용된다.

알루미늄 성질	용도
산화피막(산화 알루미늄)	창틀이나 광택이 오래 지속되는 소재
가볍고 녹이 슬지 않으며 무독성	알루미늄 캔
열전도성	주방 용기
가볍고 내구성이 좋음	호일, 항공기, 선박, 차량의 주요 재료(연비저감 효과)

알루미늄의 이용

알루미늄은 철 다음으로 많이 생산되는 금속으로, 알루미늄 박(포일) 등 포장에 쓰이는 것을 제외하고는

거의 대부분 합금을 만들어 강도를 높여 사용된다. 가장 많이 사용되는 부분은 승용차와 트럭 등

교통기관으로 약 28%가 사용된다. 이는 차량의 경량화를 가져와 에너지 절감에 기여하고 있으며

전기자동차가 보편화되면 더욱 많은 양이 이 분야에 사용될 것으로 예상된다.

다음으로 많이 사용되는 것은 알루미늄 박(포일)과 각종 용기 등 포장에 사용되는 것으로

전체 사용량의 약 23%를 차지하고, 나머지 14%는 창틀, 지붕 재료 등 건축 자재로 사용되며,

나머지 35%는 전선, 가전제품, 자동차 엔진, 냉·난방기 등 열 교환기, 주방기구, 기계

특수 화학 설비 등에 이용된다.

알루미늄이 가장 많이 사용되는 분야는 승용차와 트럭 등 교통기관으로 전체 사용량의 약 28%가 사용된다. 차체가 가벼워야 하는 전기자동차가 보편화되면 더욱 많은 양이 이 분야에 사용될 것으로 예상된다. <출처: (CC)frankh at Wikipedia.org>

알루미늄 전체 사용량의 약 23%는 알루미늄 박(포일)과 각종 용기 등 포장에 사용된다. <출처: sxc.hu>

알루미늄 합금은 합금에 들어가는 원소의 종류나 양에 따라 1000에서 7000번까지 번호를 매겨 구분한다. 1000번 계열은 다른 원소의 함량이 1% 미만인 거의 순수한 알루미늄으로, 기계적 강도는 약한 반면 다른 성질이 우수하여 화학 장치, 반사체, 열 교환기, 건물과 장식품의 마감재 등에 주로 사용된다. 2000번 계열은 약 5%의 구리(Cu)를 포함하는 합금으로, 기계적 강도와 가공성이 좋고 내부식성도 우수하여 화물차 판넬벽, 항공기 구조 부품과 같이 무게 대비 큰 강도가 필요한 것에 사용된다. 3000번 계열은 약 1.2%의 망가니즈(Mn)를 포함하는 합금으로 중간 정도의 강도를 가지며 가공성이 좋아 조리기구, 저장 용기, 가구, 고속도로 표시 판, 지붕 재료 등으로 주로 사용된다. 4000번 계열은 12% 미만의 규소(Si)를 포함하며, 녹는점이 낮고 열 팽창계수가 작아 주물, 용접, 그리고 알루미늄에 회색을 내는 데 사용된다. 5000번 계열은 0.3~5%의 마그네슘(Mg)을 포함하며, 강도와 용접성이 좋고 바닷물에 대한 내부식성이 뛰어나 장식용 마감재, 선박, 냉동 용기, 크레인 부품 등에 많이 사용된다. 6000번 계열은 Mg/Si과의 합금으로, 성형성과 내부식성이 뛰어나 건축재료, 운반 기구, 다리, 용접 건축물에 많이 사용된다. 마지막으로 7000번 계열은 3~8%의 아연(Zn)/Mg과의 합금으로 열처리를 하면 아주 강해져 주로 항공기 구조물 등 무게 대비 높은 강도가 필요한 기구에 사용된다.

이외에도 알루미늄은 자체 또는 합금으로 동전을 만드는 데 쓰이며, 니켈과 코발트의 합금으로 알니코(alnico) 자석을 만드는 데도 사용된다. 알루미늄 분말은 페인트, 고체 로켓 연료에 쓰이며, 금속 산화물과 혼합되어 용접, 금속 야금, 수류탄 등에 이용된다. 금속 분말(특히 알루미늄 분말)과 금속 산화물의 혼합물을 테르밋(thermite)이라 하고 이들 간에 일어나는 발열성 산화-환원 반응을 테르밋 반응이라 하는데, Al과 Fe2O3 혼합물의 테르밋 반응은 반응열이 매우 커서 온도가 2500oC까지 올라갈 수 있다.

Fe2O3+ 2 Al → 2 Fe + Al2O3 ∆Ho = -851.5 kJ (발열)

3000번 계열의 알루미늄 합금은 약 1.2%의 망가니즈(Mn)를 포함하는 합금으로 중간 정도의 강도를 가지며 가공성이 좋아 조리기구, 저장 용기, 가구, 고속도로 표시 판, 지붕 재료 등으로 주로 사용된다. <출처: gettyimages>

7000번 계열의 알루미늄 합금은 3~8%의 아연(Zn)/Mg과의 합금으로 열처리를 하면 아주 강해져 주로 항공기 구조물 등 무게 대비 높은 강도가 필요한 기구에 사용된다. <출처: gettyimages>

화합물과 이들의 이용

생산된 알루미늄의 소량만이 알루미늄 화합물 제조에 사용되기는 하나, 이들 화합물들은 여러 용도로 사용된다. 화합물에서 Al의 주된 산화 수는 +3이며, 이들은 보통 6배위 화합물로 존재하고, 대부분 무색이다. 몇 가지 중요한 알루미늄 화합물들과 이들의 용도를 소개하면 다음과 같다.

‘알루미나’로 불리는 산화 알루미늄(Al2O3)은 알루미늄 부동화 막을 이루는 것으로, 녹는점이 2,072oC로 아주 높고 전기 부도체이나 세라믹 물질로는 비교적 큰 열 전도도(30 W∙m-1∙K-1)를 갖는다. 보통은 베이어 공정으로 보크사이트 광석에서 얻는다. 물에는 녹지 않으나, 산과 알칼리와 모두 반응하는 양쪽성 물질이다.

Al2O3+ 6 H+ → 2 Al3++ 3 H2O
Al2O3 + 6 OH-+ 3 H2O → 2 Al(OH)63-

Al2O3는 플라스틱 충진제, 햇빛 차단제 및 화장품의 구성 성분, 백색 안료, 정유 공장에서 H2S를 원소 S로 변환시키는 반응과 알코올을 알켄(alkene)으로 탈수시키는 반응의 촉매, 기체에서의 수분 제거제, 크로마토그래피 고정상, 인공 고관절, IC 회로의 전기 부도체 기판 등 아주 여러 용도에 사용된다. 또한 여러 촉매의 지지제, 연마제, 내열 재료 등으로도 사용된다. 그리고 Al2O3 생산의 중간 물질인 수산화 알루미늄(Al(OH)3)은 고분자 물질의 방염 및 방수 처리, 의료용 제산제, 매염제, 물의 정제, 유리 및 도자기 생산 등에 사용된다.

알루미나로 불리는 산화 알루미늄은 햇빛 차단제 및 화장품의 구성 성분으로도 사용된다. <출처: gettyimages>

붕수소화 알루미늄은 로켓 연료, 제트 연료의 첨가제, 실험실에서의 환원제로 사용된다. <출처: gettyimages>

알루미늄의 수소화물의 일종인 LiAlH4는 수소화리튬(LiH)과 AlCl3를 반응시켜 얻는데, 화학반응에서 환원제나 수소화 시약으로 널리 사용된다.

4 LiH + AlCl3→ LiAlH4+ 3 LiCl

이와 유사하게 붕수소화 알루미늄(Al(BH4)3)은 NaBH4 또는 Ca(BH4)2와 AlCl3를 반응시켜 얻는데, 로켓 연료, 제트 연료의 첨가제, 실험실에서의 환원제로 사용된다. 인화 알루미늄(AlP)은 Al과 인(P4)을 직접 반응시켜 얻는데, 이 화합물은 물이나 산과 반응하여 포스핀(PH3)을 내어 놓아 곡물 장기 운송과 보관 시 훈증 살서제와 살균제로 사용된다.

황산 알루미늄(Al2(SO4)3) 및 이의 복염(예로, Al(NH4)(SO4)2)은 연간 수백만 톤이 생산되어 물 처리, 종이 생산과 가죽 가공, 식품 첨가제, 내화성 처리 등에 사용된다. 염화 알루미늄(AlCl3)은 Al과 Cl2를 반응시켜 얻는데, 가장 강력한 루이스 산의 하나로, 유기화학 반응의 촉매로 많이 이용된다. 예로, 방향족 화합물을 할로겐화 알킬(alkyl halide) 또는 할로겐화 아실(acyl Halide)과 반응시켜 알킬화 또는 아실화된 생성물을 얻는 프리델크래프츠 반응(Fridel-Crafts reaction)의 촉매로 사용되며, 이 반응은 세제, 에틸벤젠, 합성 고무를 생산하는 데 중요하게 이용된다. 인산 알루미늄(AlPO4)은 유리와 도자기 제조, 화장품, 페인트, 종이 제조, 그리고 치아용 시멘트로 사용된다.

생물학적 역할과 독성

비록 알루미늄 화합물이 자연계에 널리 분포되어 있으나, 이들의 생물학적 역할은 아직 알려진 것이 없다. 알루미늄은 거의 독성이 없으며, 쥐를 이용한 동물 실험 결과 황산 알루미늄의 치사량(LD50)은 체중 1 kg당 약 6 g인 것으로 밝혀졌다. 1980년대에 일부 과학자들이 알루미늄이 치매와 관련될 수 있다고 제안하였으나, 아직 그 연관성은 분명하지 않으며 계속 연구 중에 있다.

알루미늄의 국제적 이름
현재 많이 사용되는 알루미늄의 국제적 이름은 ‘aluminium’이나, 북미에서는 흔히 ‘i’ 가 하나 빠진 ‘aluminum’으로 적는다. IUPAC은 1990년에 ‘aluminium’을 국제표준어로 채택하였으나, 3년 후 ‘aluminum’도 함께 쓰기로 하였다. 이와 유사하게 원자번호 55번인 세슘(Cs)의 경우에도 IUPAC 추천 명칭은 caesium이나 미국에서는 전통적으로 ‘a’를 뺀 cesium으로 불러왔으며 현재 두 이름이 함께 사용되고 있다.
수치로 보는 알루미늄
알루미늄의 표준원자량은 26.982g/mol이고, 바닥 상태 전자배치는 1s22s22p63s23p1 ([Ne]3s23p1) 이다. 화합물에서 주된 산화 상태는 +3이다. 지각에서의 존재 비는 약 8.3%로 산소와 규소 다음으로 많고, 금속 중에서는 가장 많다. 2009년 전세계 생산량은 4,140만 톤으로 철다음으로 많으며, 중국에서의 생산량이 1,680만 톤으로 전체의 41%를 차지한다. 1기압에서 녹는점은 660.32oC이고 끓는점은 2,519oC이며, 20 oC에서 밀도는 2.70g/cm3이다. 20oC에서 전기 비저항은 28.2nΩ∙m이며, 열 전도율은 237 W∙m-1∙K-1이다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 577.5, 1817, 2,745kJ/mol 이며, 폴링의 전기 음성도는 1.61이다. 원자 반경은 143pm이고, Al3+ 이온(6 배위체)의 반경은 53.5pm이다. 천연 상태에서는 거의 모두 27Al로 있다.