아연(亞鉛 Zinc, Zn)의 성질과 이용

• 원자번호：30
• 족：12족(4주기)
• 원자량：65.38
• 밀도：7.14 g·cm-3
• 각 전자궤도의 전자 수：2, 8, 18, 2
• mp：419.53℃ / bp：907℃

주기율표에서 12족의 첫 번째 원소인 아연은 화학적 성질이 같은 족 6주기의 마그네슘과 비슷하다. 순수한 아연은 화학반응성이 좋으며, 단단하지만 부스러지기 쉬운 은빛 금속이다. 이 원소는 공기 중에서 산소를 만나면 피막을 형성하여 부식에 강한 상태가 된다.

아연은 지각 중에 흔하지 못한 매장량이 24번째(지각 성분의 0.007%)인 원소이다. 대표적인 아연광인 섬아연광(閃亞鉛鑛)은 황화아연이 다량 포함된 광석이다.

인류는 아연과 구리의 합금인 청동을 서기전 1,000년경부터 이용하기 시작했다. 독일의 화학자 마르그라프(Andreas Sigismund Marggraf 1709-1782)는 1746년에 처음으로 아연을 순수하게 추출했다. 그는 산화아연(ZnO)과 소량의 산화철(Fe2O3)을 함유한 캘러마인(calamine)이라는 광물과 탄소를 반응시켜 순수 아연을 얻을 수 있었다.

아연도금 갤버니제이션

철의 표면에 아연을 도금하는 것을 ‘아연도금’ 또는 갤버니제이션(galvanization)이라 한다. 갤버니제이션은 이탈리아의 의사이며 물리학자였던 갈바니(Luigi Galvani 1737-1798)의 이름에서 따온 것이다. 갈바니는 개구리의 근육에 전기 자극을 주면 신축하는 것을 발견하고, 생물의 몸에서 전기가 이용된다는 사실을 처음 발견했다.

갈바니는 생물의 전기를 연구한 최초의 과학자이다. 심전도라든지 뇌파검사는 심장이나 뇌에서 발생하는 생물전기를 조사하는 것이며, 화면을 손으로 만져 동작시키는 컴퓨터와 스마트폰의 터치스크린은 바로 손끝의 생물전기를 이용한 것이다 (49번 원소 인듐 참조).

은빛 나는 함석(양철통, 양철지붕)이라든가 철조망, 못, 볼트, 너트 등은 아연을 도금한 것이다. 갤버니제이션은 고열로 녹인 아연에 철을 직접 담그거나, 전기도금하거나, 분사하는 방식으로 하는데, 아연 도금한 철은 수분과의 접촉이 방지되어 오래도록 녹슬지 않게 된다. 만일 아연 도금한 표면이 긁히거나 하면, 아연은 철보다 먼저 산소와 결합하여 보호막 작용을 계속한다.

생산되는 대부분의 아연은 갤버니제이션에 소비되지만, 건전지에서도 중요하게 이용된다. 손전등 등에 쓰는 건전지는 프랑스의 화학자 르클랑세(Georges Leclanche 1839-1882)가 1866년에 발명한 것이다. 아래 그림에서와 같이 아연은 건전지 외벽을 이루어 내부 화학물질을 담는 용기(容器)인 동시에 한 전극(-)을 이룬다. 건전지의 탄소 막대는 양극(+)이며, 이런 종류의 건전지 1개에서 나오는 전압은 1.5V이다.

1981년 이후 미국에서는 1센트 동전을 아연으로 만드는데, 표면에 구리를 얇게 입혀 옛날 동전처럼 보이도록 했다. 구리와 아연은 쉽게 합금(황동 brass)이 된요. 새하얀 페인트는 산화아연(ZnO)의 가루로 만든다. 또 태양빛을 차단하여 피부가 타지 않도록 바르는 선스크린(sunscreen)에는 산화아연 가루가 들어 있다.

복사기에서 토너의 검은 가루를 글씨나 그림 모습대로 복사지에 옮겨주는 역할은 산화아연 판이 한다. 이것은 산화아연에 빛이 닿으면 전자가 떨어져 나와 음전기를 갖게 되는 성질을 이용한 것이다.

아연과 구리, 알루미늄, 마그네슘과의 합금으로 온갖 금속 제품을 만든다. 아연 85~88%, 구리 4~10%, 알루미늄 2~8%를 혼합한 합금은 매우 단단하여 금속 베어링 제조에 적합하다. 아연 78%와 알루미늄 22% 합금은 강철처럼 단단하면서 가공하기 좋은 주물(鑄物)이 된다. 아연의 용도는 참 많다. 심지어 아연 70%에 황 30%를 섞은 것은 모형 로켓의 추진 연료로 사용한다.

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