붕소(硼素 Boron, B)의 성질과 이용

• 원자번호：5
• 족：13족(2주기)
• 원자량：10.81
• 밀도：2.35 g·cm-3
• 각 전자궤도의 전자 수：2, 3
• mp：2,300℃ / bp：2,500℃

붕소(보론)의 성질

붕소는 단단하지만 잘 부서지는 비금속 원소이다. 붕소가 소속된 13족 원소들 중에서 오직 붕소만 비금속이고 알루미늄을 비롯한 다른 원소들은 금속이다. 붕소는 지각(地殼)에 0.0003% 뿐인 귀한 원소로서, 순수한 붕소는 갈색을 띠며, 다이아몬드에 버금가는 강도를 가졌다. 그러나 자연계에서는 순수한 상태로 발견되지 않고, 산소와 물 그리고 나트륨이 결합한 ‘붕사’(硼砂 borax)라 부르는 흰색 고체 화합물로 존재한다.

붕사는 미국 캘리포니아 주의 말라버린 호수 바닥 등에서 산출되다. 지하수 중에 무기염류가 많이 녹아 있는 경수(硬水)에 붕사를 넣으면, 물속의 마그네슘이나 칼슘 같은 염류와 결합하여 찌꺼기 같은 침전물로 되므로, 빨래가 잘 되는 연수(軟水)로 변한다.

붕소의 용도

붕소 화합물로 중요한 것이 ‘붕산’(硼酸, boric acid)이다. 붕사에 염산이나 황산을 반응시키면 붕산(H3BO3)이 된다. 붕산은 아주 약한 산성이며 살균작용이 있으므로 눈(眼) 세정제로 쓰이고, 바퀴벌레 퇴치 약으로도 사용된다.(아래 그림 참조)

붕산을 첨가하여 유리를 만들면 아주 단단해진다. 이름난 내열유리 상품인 파이렉스(Pyrex)는 붕산유리이다. 붕산유리는 온도가 갑자기 높아져도 열팽창률이 작아 잘 깨지지 않으므로, 조리용 유리주전자나 유리냄비 또는 실험실의 플라스크 같은 유리 기구 제조에 이용된다.

붕소는 중성자를 잘 흡수하는 성질이 있어, 원자력발전소의 원자로에서 감속제의 하나로 매우 잘 이용되고 있다. 원자로에서는 핵분열 연료인 우라늄-235에 중성자를 충돌시켜 핵분열반응을 일으키는데, 이때 우라늄 핵이 쪼개지면 더 많은 중성자가 튀어나오므로 순식간에 연쇄적으로 핵분열반응이 일어나게 된다. 그러나 튀어나오는 중성자를 적당히 흡수하면, 연쇄반응 속도를 조절할 수 있다. 원자로에서는 붕소 막대를 우라늄 연료 사이에 집어넣어 핵분열 속도를 조절한다. 만일 원자로의 연료를 교체하기 위해 원자로 가동을 중지해야 할 필요가 있다면, 붕소 막대를 충분히 밀어 넣어 핵반응을 중단시킨다.

붕소는 반도체(트랜지스터) 제조에도 중요하게 쓰인다. 반도체는 컴퓨터와 휴대폰, 비디오, TV, 계산기 등 거의 모든 전자기기에 쓰인다. 많은 반도체는 규소나 게르마늄에 붕소를 교묘하게 섞어 만들고 있다. 이처럼 규소 또는 게르마늄에 불순물로서 붕소를 미량 넣게 되는데, 이 때의 불순물을 화학 용어로 ‘도판트’(dopant, 불순물)라 한다.

규소는 바깥 궤도에 4개의 전자가 있지만 붕소는 3개가 있다. 그러므로 규소 원자들 사이에 들어간 붕소 원자는 전자 1개가 부족한 +전하 상태에 있게 된다. 이러한 규소 결정에 전류를 흘리면, 붕소 원자 이웃에 있던 원자의 전자 1개가 전자가 없는 자리로 이동하게 되고, 그러면 그 자리는 다시 전자가 비게 된다. 전자가 없는 자리를 메우느라 전자의 이동이 계속되면, 규소 결정은 전류가 흐르는 반도체가 되는 것이다. 반도체는 빛을 전류로 바꾸는 태양전지에도 이용된다. 오늘날 화학의 발전에 따라 붕소의 성질과 용도가 계속 개발되고 있다.