13. 알루미늄 Al
Aluminum
| 라틴어의 alumen (명반)에서 유래. 명반은 황산알루미늄칼륨 KAl(SO4)2 12H2O |
알루미늄 (Aluminum, 鋁)
알루미늄은 자연계에 널리 분포하는 원소로 클라크수(Clarke number, 克拉克數)는 제3위이다. 규산염(Silicate, 硅酸鹽) 중의 규소(Silicon, 矽)의 일부가 알루미늄으로 치환된 알루미노규산(Aluminosilicate, 鋁硅酸鹽)은 그 밖의 갖가지 원소와 염을 형성하며 암석이나 흙의 주성분이 된다.
가공하기 쉽고, 침식에 강하며, 전기도 잘 통하고 가벼운 알루미늄 금속(Aluminum metal, 鋁金屬)은 단체금속이나 경합금으로서 금속의 스타가 되었다. 콜라의 알루미늄 깡통(Can), 창문의 새시(Window sash), 알루미늄 휠(Wheel) 등 우리 주변에도 알루미늄 제품이 넘쳐난다. 은백색의 금속 광택을 내는 알루미늄은 무척 근대적인 느낌을 준다.
그러나 천연에 풍부한 알루미늄이 금속으로 풍부하게 얻어진 것은 비교적 최근의 일이다. 이는 산화알루미늄(Aluminum oxide, 氧化鋁)의 산소(Oxygen, 氧)와 알루미늄(Aluminum, 鋁)의 결합이 강해 쉽게 환원(Reduction, 還元)되지 않았기 때문이다. 이 난관을 1886년에 에루(Paul Héroult, 프랑스)와 호올(Charles Martin Hall, 미국)이 각각 독립적으로 돌파했다.
이들은 용융전해(Molten electrolysis, 熔融電解)라는 방법을 개발했으며, 이 방법은 현재까지도 사용되고 있다.
알루미늄의 제조 과정
보크사이트(Bauxite, 鋁礬土, Al₂O₃·2H₂O)를 원료로 사용하며, 여기에 빙정석(Cryolite, 氷晶石, Na₃AlF₆)과 소량의 형석(Fluorite, 螢石, CaF₂)을 추가하여 약 1,000°C에서 녹이면 보크사이트도 빙정석 속에 용해된다.
이러한 녹은 상태의 물질을 용융염(Molten salt, 熔融鹽)이라 부르며, 이는 녹기 어려운 물질을 녹이는 화학의 중요한 기술이다. 이를 용융로(Smelting furnace, 熔融爐)에서 전기분해하면, 노 바닥의 음극(Cathode, 陰極)**에서 알루미늄 금속(Aluminum metal, 鋁金屬)이 괴로 형성된다.
이 방법이 바로 알루미늄의 공업적 제조법(Industrial production method, 工業製造法)이다.
전력 소비와 환경 문제
그러나 이 방법은 매우 많은 전력을 소비한다.
- 알루미늄 1g 생산 → 15~20Wh 소비
- 알루미늄 깡통 1개 생산 → 300Wh 소비
(20W 형광등을 15시간 켤 수 있는 양)
이 때문에 알루미늄 생산은 전력 소비가 가장 많은 산업 중 하나이다.
전기는 편리한 에너지원이지만 생산 과정에서 환경 오염(Environmental pollution, 環境汚染) 문제가 발생한다.
- 화력 발전(Thermal power generation, 火力發電) → 대기 오염(Air pollution, 大氣汚染)
- 원자력 발전(Nuclear power generation, 原子力發電) → 방사능 폐기물(Radioactive waste, 放射性廢棄物)
- 모든 발전 방식 → 폐열(Waste heat, 廢熱) 배출로 인한 환경 오염
결론
알루미늄은 근대적이고 편리한 금속이지만,
- 환경 오염(Environmental pollution, 環境汚染)
- 자원 낭비(Resource waste, 資源浪費)
등의 문제를 내포하고 있다.
그러나 이러한 점들을 고려하더라도, 알루미늄은 현대 기술을 상징하는 금속이라고 할 수 있다.
🔎 주석: 과학자 정보
🧑🔬 폴 에루 (Paul Héroult, 1863-1914, 프랑스)
- 업적: 알루미늄을 효율적으로 추출하는 **용융염 전해법(Molten salt electrolysis)**을 개발.
- 기타: 철강 산업에서도 **전기로(Electric arc furnace)**를 개발하는 데 기여함.
🧑🔬 찰스 마틴 홀 (Charles Martin Hall, 1863-1914, 미국, 中文名: 查尔斯·马丁·霍尔)
- 업적: 1886년 독자적으로 용융염 전해법을 개발하여 알루미늄 산업의 혁명을 이끎.
- 기타: 1888년, 알코아(Alcoa, Aluminum Company of America) 창립하여 알루미늄 대량 생산의 초석을 다짐.
알루미늄은 자연계에 널리 분포하는 원소로 클라크수(->P.162)는 제 3 위이다. 규산염(-> P.36) 중의 규소의 일부가 알루미늄으로 치환된 알루미노규산은 그 밖의 갖가지 원소와 염을 만들며 암석이나 흙의 주성분이 된다.
가공하기 쉽고 침식되기 어려우며 전기도 잘 통하고 가벼운 알루미늄 금속은 단체금속이나 경합금으로서 금속의 스타가 되었다. 콜라의 알루미늄 깡통에서부터 최근에 크게 각광을 받고 있는 창문의 새시, 알루미늄 휠 등 우리 주변에도 알루미늄 제품이 넘치고 있다. 은백색의 금속 광택을 내는 알루미늄은 무척이나 근대적인 느낌이 든다.
그러나 천연으로 풍부히 있는 알루미늄이 금속으로서 풍부하게 얻어지게 된 것은 매우 최근의 일이다. 산화알루미늄의 산소와 알루미늄의 결합이 강해서 좀처럼 금속으로는 환원(reduction) 되지 않았기 때문이다. 이 난관을 1886년에 에루와 호올이 각각 독립적으로 돌파했다. 이 용융전해()라는 방법은 현재도 사용되고 있다.
보크사이트(bauxite) Al2O3 2H2O를 원료로 하여 여기에 빙정석( :cryolite) Na3AlF6과 소량의 형석 CaF2를 가하여 1,000
도C 정도에서 녹이면 보크사이트도 빙정석 속에 녹아든다. 이와 같은 것을 용융염()이라 하는데, 이것은 녹기 힘든 것을 녹이는 화학의 중요한 수법이다. 이것을 용융로()로 전기분해를 하면 노 바닥의 음극에 알루미늄의 금속이 괴인다. 이것이 알루미늄의 공업적 제조법이다.
그런데 이 방법은 매우 많은 전기를 소비한다. 무심코 쓰고 버리는 알루미늄 깡통이 전기의 깡통이라 불리는 것은 그 때문이다. 1 g의 알루미늄을 얻기 위해서는 15~20Wh의 전기를 소비한다. 알루미늄 깡통 1 개에서는 300Wh (20W의 형광등을 15 시간이나 켜 둘 수 있는 양)의 전력이 든다. 알루미늄의 생산은 가장 전력 소비가 많은 산업의 하나이다.
전기는 편리한 에너지이지만 만들어 내는데 비용이 들고 화력발전에서는 대기 오염이 따른다. 원자력 발전에서는 더 엄청난 방사능이 타고난 찌꺼기로서 나온다. 그리고 어느 경우도 생산되는 전력보다 다량의 폐열()이 나와 환경을 열로 오염한다.
알루미늄은 무척이나 근대적이고 편리한 금속이라는 느낌은 들지만 실은 그 위에 환경오염과 자원의 낭비라는 문제가 도사리고 있다. 이런점까지를 포함하여도 알루미늄은 어쨌든 현대의 기술을 상징하는 듯한 금속이라 하겠다.