<과학교사가 알려주는 원소이야기 32.

 비상()의 원소, 비소>

 

 

안녕하세요. 과학교사 정은희입니다.

그리스의 철학자 소크라테스는 신의 존재를 부정하고 젊은이들을 타락하게 만든 죄로 사상을 포기할 것인지

독약을 마실 것인지 선택의 기로에 놓이자 그는 독약이 든 잔을 받고 죽음을 선택합니다.

여기서 소크라테스가 받아마신 잔은 서양의 사약으로 독당근이 든 액체였습니다.

그렇다면 사약에 사용되었다고 알려진 이 원소는 대체 어떤 성질을 가지고 있는지 알아볼까요?

 

 

 

 

비소(As)의 발견

 

비소(As)는 '과학의 박사'라고 불리웠던 알베르투스 마그누스가 처음 분리해서 발견했던 것으로 알려져있습니다.  하지만 이 때는 순수한 비소의 형태가 아니었으며 순수한 비소 원소를 얻는 방법을 찾은 사람은 독일의 쉬뢰더였습니다. 그는 비소 산화물과 숯을 가열하여 비소를 얻었습니다

비소(As)의 명명은 꽤 오래전으로 거슬러가는데, 고대 때부터 안료로 사용한 비소는 기록이 전해지고 있으며 그 당시 노란색 안료를 일컬었던 ‘arsenikon’에서, 라틴어로는 'arsenicum', 불어로는 'arsenic'으로 불리게 되었으며 영어로는 'arsenic'이 되었다고 합니다.

 

 

 

비소(As)의 화학적 성질

 

비소는 금속과 비금속의 중간 성질을 띄는데요. 비소는 회색, 노란색, 검정색 3가지가 있는데 회색 비소가 가장 많이 사용됩니다. 회색 비소는 쉽게 부서지고 승화되는 성질이 있는데  수분이 있는 대기에서는 황동색을 띄다가 검게 변한다는 특징이 있습니다. 또한 승화된 비소 증기는 청백색 불꽃색을 지니며 특이한 냄새를 지니고 있습니다.

 

 

 

 

파리스 그린(Paris Green)과 나폴레옹

 

파리스 그린(Paris Green)은 이름 그대로 파리에서 만들어진 색깔이고, 화학식은  (CH3CO2)2ㆍ3Cu(AsO2)2 학이며, 아세트산아비스구리로 불립니다. 이 아름다운 색상을 좋아하는 사람이 있었으니 바로 "내 사전에 불가능은 없다"라고 외친 나폴레옹입니다. 나폴레옹은 세인트 헬레나 섬에 유배가게 되고 1821년 그가 사망할 때까지 섬 안에 있는 롱우드 하우스에서 머물렀습니다. 나폴레옹이 사망하고 난 뒤 독살설 등 각종 소문이 난무했고 바로 부검을 실시한 결과 사인은 위암으로 결론나는듯 했습니다. 그로부터 한참이 지난 뒤 나폴레옹의 머리카락을 분석한 결과 정상 수준보다 훨씬 큰 비소가 포함되어있다는 것이 밝혀집니다. 그는 왜 비소에 중독되었던 것일까요? 나폴레옹이 비소에 많이 노출된 이유는 바로 집에 원인이었습니다.  창문, 문, 벽 등에 비소를 함유한 파리스 그린 안료가 상당 부분 쓰였고, 결국 그는 비소중독증상에 시달렸다는 것이 알려졌습니다.

 

비상과 사약

삼산화비소(As2O3) 는 비소화합물 중 가장 많이 알려진 물질로, 우리말로 비상이라고 합니다. 비소가 연소되거나, 높은 온도에서 반응하였을때 발생하는 물질로 사극 드라마에서 쓰인 사약의 성분이라고 들어보셨을 것 같습니다. 사약은 주로 왕족이나 사대부들이 죄를 지었을 때의 내려진 형벌로 몸 속에서 들어가면 세포의 호흡을 방해해서 세포를 죽게 만듭니다. 예전에는 사약을 많이 쓰였다면 지금은 살충제, 제초제 등에도 사용하기도하고 순기능을 살려 면역질환을 치료하는 치료제로도 사용하기도 합니다.

비소의 독성

비소에 장시간 노출되면 메스꺼움, 구토를 일으킬 수 있고 공기든 액체든 인체 내에 들어올 경우 암을 유발할 수 있다고 합니다.

20세기에 접어들면서 방글라데시나 인도에서 비소 중독 증상이 많이 발견되었는데 지하수 오염에 의한 발병이라고 밝혀졌었습니다. 세계 보건기구에서는 비소 농도 상한선을  0.01mg/L로 정하고 있는데 이는 자연적으로 정화될 경우 가능한 수치이며, 각종 화합물로 오염될 경우는 이 수치를 넘을 수 있어 비소화합물의 사용은 산업적으로 제한하고 있습니다.

 

 

 

 

선생님의 한마디

올해 초 국내 연구진에 의해 금속 제련 시 가장 많이 발생하는 비소의 독성을 낮추는 박테리아가 발견되었다고 하는데요. 아비산염이나 비산염으로 존재하는 비소화합물은  0.1∼0.3g이 치사량으로 알려져있습니다. 이번에 발견한 박테리아는 이 치명적인 아비산염을 산화시키는 능력이 있으며 pH 3.8의 강한 산성조건에서도 살아남는 것으로 확인되어 토양오염을 상당 부분 개선해줄 것으로 기대를 모으고 있습니다. 산업단지 토양에 우선적으로 활용하여 중금속 오염을 예방했으면 좋겠다는 생각이 드는 뉴스였습니다.

 

원소를 알아가다보면 역사도 보이고 전반적인 산업구조의 변천사도 볼 수 있는데요. 매우 작은 원소 하나에 귀를 기울이는 것 만으로도 우리가 몰랐던 많은 사실들을 알 수 있어서 정말 유익하다는 생각이 듭니다.

지난 1년동안 알기 쉬운 원소이야기를 작성하며 저 또한 많이 배웠던 시간이었습니다.

그동안 알기 쉬운 원소이야기를 지켜봐주셔서 감사하다는 말씀 전해드리며, 앞으로도 유쾌발랄한 롯데정밀화학 블로그 많은 관심 부탁드립니다.

 

 

 

 

 

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<과학교사가 알려주는 원소이야기 31.

 기적의 원소, 게르마늄>

 

 

안녕하세요. 과학교사 정은희입니다.

혹시 게르마늄 원석에 대해 들어보셨나요?

아마 어르신 분들이 많이 찾으시는 건강팔찌의 주원료로 이용되고 있기도 해서 한번쯤 보셨을 수도 있는데요.

프랑스 루르드 성수에 이 원소가 있다고 하여 한 때 기적의 원소라고 불리기도 했습니다.

어떤 특징을 가지고 있는 원소인지 같이 알아볼까요?

 

 

 

 

 

게르마늄(Ge)의 발견

 

저마늄(영어) 또는 게르마늄(독일어)로 불리는 이 원소는 1869, 드미트리 멘델레예프가 예견한 원소 중 하나인데요. 규소와 주석 사이에 존재할 것이라고 예측하여 에카-규소라고 불렀습니다. 당시 발견되지 않은 원소에 대해 명명하는 것에 대해 부정적인 의견들도 많았지만 1885년 독일 프라이부르크 광산에서 은의 함량이 높은 광석이 발견되고 빙클러가 그 광석에서 새로운 원소를 발견하게 되면서 이 원소는 실제하는 원소임이 밝혀집니다. 빙클러는 본인의 모국인 독일을 나타내는 라틴어  Germania’을 따서 'Germanium'이라고 명명하였습니다.

 

 

게르마늄(Ge)과 트랜지스터

 

게르마늄을 처음 산업에 이용하게 된 것이 바로 트랜지스터인데요. 트랜지스터는 반도체를 이용하여 전기 신호를 발생시키거나 증폭시키는 소자를 말하는데 1940년 쇼클리에 의해 게르마늄이 교류를 직류로 변환시킨다는 성질이 있다는 것이 밝혀져 트랜지스터에 활발히 사용되다가 고순도 규소 반도체가 개발되면서 게르마늄은 대체되었죠.

 

 

이산화게르마늄

 

게르마늄은 회백색의 금속으로 공기 중에서는 안정적이지만, 가열하면 산화가 일어나는 특징이 있습니다. 또한 염산이나 묽은 황산에는 용해되지 않지만 뜨거운 진한 황산이나, 알칼리 용액에는 용해되기도 하는데요. 공기 중에서 산화시키면 가장 산업적으로 많이 이용되는 이산화게르마늄 형태가 됩니다. 이산화게르마늄과 게르마늄이 함께 사용된 유리는 적외선 장치에 많이 이용되는데요. 적외선을 잘 투과시키고 굴절률이 높아서 야간 투시 장치 등에 사용되고 있습니다.

 

 

 

 

또한 이산화게르마늄은 흰 파우더 형태로 여러 고분자 중합에 촉매로 사용되고 있기도 한데요. 투명도가 요구되는 고분자 중합에 많이 사용되고 있으며 주로 PET 중합시에 사용되고 있으나 비용이 높다는 단점이 있습니다. 이 이산화게르마늄은 탄소가 포함되어 있지 않은 무기 게르마늄으로 인체에 사용은 불가합니다.

 

 

 

 

유기 게르마늄

대부분의 상황버섯, 홍삼, 마늘 등 약용식물 등에 게르마늄의 함유되어 있다고 알려져 있는데 음식에 들어있는 게르마늄의 형태는 유기 게르마늄입니다.

이 유기 게르마늄은 게르마늄과 탄소의 결합이 있는 화합물로 독성이 없는 것으로 식용으로도 쓰이는데요. 게르마늄은 인체에 필수 원소라고 알려져 있지는 않으나 면역력 강화에 좋고 암과 같은 질병치료에도 효능이 있다고 하여 건강기능식품 등 다양하게 상품화되어 있습니다.

다만 게르마늄의 효능을 과학적으로 입증하는 것에 대해서는 아직까지 의견이 분분하기도 합니다.

 

 

선생님의 한마디

 

전자산업에서도 게르마늄의 활용도는 계속 증가하고 있는데요, LED 및 반도체 등에도 사용되고 있고 최근에는 리튬이온전지에 이용할 수 있는 게르마늄 소재도 개발되었습니다. 게르마늄을 전극 소재로 이용하게 되면 많은 양의 리튬을 저장할 수 있어 충전과 방전을 1000회 이상해도 성능에 지장을 주지 않고 배터리의 연장을 실현할 것이라고 기대를 모으고 있습니다산업적인 측면이나 건강관리에 있어서도 적은 양으로 기적적인 큰 효과가 있다고 알려진 게르마늄, 앞으로도 또 어떤 새로운 분야에 적용될지 기다려지네요!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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<과학교사가 알려주는 원소이야기 30.

블링블링한 원소, 갈륨>

 

 

 안녕하세요. 과학교사 정은희입니다.

 형형색색의 아름다운 빛을 내뿜는 LED 블링블링하지 않나요?

LED는 조명 뿐만 아니라 TV, 신발, 옷 등에도 쓰이는데요. LED의 수요가 증가하면 바쁜 원소가 하나 있습니다.

그럼 그 원소에 대하여 알아볼까요?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

갈륨의 발견

 

 

갈륨은 1875년에 프랑스의 부아보드랑에 의해 섬아연석에서 발견되었습니다. 갈륨을 발견한 부아보드랑이 태어난 프랑스의 라틴명이 바로 Garllia인데 그 지역명칭을 따서 원소의 이름을 명명하였다고 합니다.

갈륨은 멘델레예프가 주기율표를 만들었던 당시 에카 -알루미늄으로 예언했던 원소 중 가장 먼저 발견한 원소인데요. 여기서 에카는 아래라는 뜻으로 알루미늄 아래 자리에 들어갈 원소라는 뜻을 지니는데 해당원소가 정확히 밝혀지기 전까지는 에카-알루미늄, 에카-규소, 에카-보론이라고 불렀다고 합니다.

 

 

갈륨의 성질

 

갈륨은 아주 무른 은색 금속으로 녹는점이 약 30℃로 손에서도 녹을 정도이며 끓는점은 2204℃로 매우 높아 온도 범위가 매우 넓은 금속입니다. 따라서 극단적으로 높은 온도를 재는 온도계에도 이용합니다. 또한 물과 같이 액체에서 고체로 변할 때 부피가 약 3.1% 늘어나기 때문에 단단한 용기에 보관하지 않습니다. 

 

 

 

 

비소화 갈륨(GaAs)의 이용

 

갈륨은 처음 발견 되었을 당시에는 특별한 용도가 없었습니다. 그러나 갈륨과 비소의 화합물인 비소화갈륨(GaAs)이 발견되면서부터는 엄청난 변화를 가져다주었습니다. 갈륨의 95% 이상은 이 비소화갈륨(GaAs)을 만드는데 사용하는데요. 비소화갈륨(GaAs)은 반도체에 주재료로 규소를 이용한 반도체보다 전자이동속도가 더 빠르게 만들어주며 열에 덜 민감하다는 장점이 있습니다. 이밖에도 초고속 논리칩이나 마이크로파 집적회로, 인공위성 등에 주로 이용되고 있습니다. 

 

반도체 이외에 비소화갈륨(GaAs)은 전기를 빛으로 직접 바꾸는 성질이 있어 LED 제작에도 많이 이용되고 있습니다. 전기를 빛으로 전환하는 효율이 높아 최고 90%까지 에너지를 절감할 수 있기 때문에 차세대 광원으로 주목받고 있는 발광 다이오드입니다. 갈륨을 이용한 TV, 조명기구, 전자기기 등 다양한 곳의 부품으로 쓰이고 있답니다.

 

 

갈륨은 다른 원소들과 같이 생물학적 역할은 없는 것으로 알려져 있습니다. 인체 내에서 하는 역할은 없지만, 장시간에 노출되면 피부염이 생길 수 있고, 혈액 세포의 생성이 감소하는 등 부작용이 있을 수 있다고 합니다. 실생활에서 노출될 일은 거의 없겠지만, 실험실 등에서 갈륨을 다루시는 분들은 주의하셔야 해요

 

 

 

 

 

 

 

선생님의 한마디

청색 LED의 아버지라고 불리우는 나카무라 교수는 2014년 노벨물리학상을 수상하였는데요. 그가 만든 청색 LED에 가장 큰 공헌을 한 것이 바로 갈륨나이트라이드(GaN)입니다. 나카무라 교수가 이 물질을 사용했을 때 많은 사람들은 그를 비난하며 손가락질 했지만, 그는 도전하였고 결국 노벨물리학상을 받을 만큼 혁신적인 공을 세우게 됩니다.

스웨덴 왕립과학 아카데미에서는 인류에 큰 공헌을 한 발명품으로 인정하였고, 청색 LED 개발방식이 백색광을 만드는데까지 영향을 주었습니다. 완전한 백색 LED 구현을 가능하게 만들어준 것이죠. 백색 LED는 빛의 혜택을 못받는 지역의 사람들에게까지 큰 도움을 줄 수 있어 큰 의미가 있다고 생각되네요.

인류에게 최대의 효율을 주는 LED, 갈륨이 없었다면 이런 혁신은 없었겠죠?

 

 

 

 

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<과학교사가 알려주는 원소이야기 29.

자기 희생이 뛰어난 원소, 아연>

 

 

 안녕하세요. 과학교사 정은희입니다.

여러분은 '아연'하면 뭐가 떠오르시나요? 아연은 몸에 좋다! 몸에 필수적이다!라고 생각하는 분들이 많을 것 같은데요.

아연 영양제가 따로 있을 정도니까요. 그렇다면 아연이 우리 몸에서 어떤 기능을 하는지, 어떤 특성을 가지고 있는지 알아보도록 합시다~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

아연(Zn)의 발견

 

 

아연, Zinc는 오래 전부터 사용된 금속이지만 1746년 독일의 마르그라프가 처음으로 금속의 아연을 추출해냈습니다. 아연의 결정 형태가 포크의 끝처럼 뾰족하기 때문에 '포크의 끝'이라는 뜻을 지닌 독일어 Zinke따라 원소명을 지었습니다.

 

아연은 은백색의 단단한 금속인데요. 부서지기 쉬운 성질을 지녔지만 100~150℃에서는 전성과 연성이 증가하여 가는 선이나 판으로 가공할 수 있습니다. 습한 공기에서는 금속 광택을 잃고 탄산아연이라는 막을 만드는데, 이 막은 부식이 지속되는 것을 막아주는 역할을 합니다.

물과 공기 뿐만 아니라 여러 비금속 원소들과도 쉽게 반응하는데요. 아연은 이처럼 반응성이 커서 자연계에서는 대부분 섬아연석, 능아연석의 화합물 형태로 존재합니다.

 

 

 

 

아연(Zn)의 활용

 

아연 생산량의 약 50%는 철의 부식 방지를 위한 도금에 사용됩니다. 철에 아연을 도금한 것을 함석이라고 하는데요. 아연이 철보다 반응성이 크다는 이온화경향을 이용한 것이랍니다. 아연이 다 산화되기 전 까지는 철이 녹슬지 않기 때문에 철의 부식을 예방할 수 있죠.

 

지난 블로그 컨텐츠에 이온화경향에 대한 이야기를 다루었으니, 궁금하신 분들은 클릭!해보세요~

 

 

 

 

아연의 30%는 합금 제조에 쓰이는데요. 가장 많이 이용되는 것이 아연과 구리 합금인 황동인데요. 주로 금관악기, 오르간, 부품, 선박 등에 많이 사용됩니다. '자막(Zamak)'이라는 아연-알루미늄-구리-마그네슘 합금은 조성 비율에 따라 여러 종류로 나뉘는데요. 주로 자동차 부품, 지퍼, 수도꼭지 등 다양하게 이용되고 있습니다. 아연합금은 동전에도 사용되는데 우리나라의 50원 주화에 사용되고 있습니다.

 

 

 

 

아연 화합물 중 가장 많이 알려진 산화아연(ZnO)은 고무 생산할 때 시간을 단축하는 데도 사용되며, 독성이 없고 변색되지 않는 특성이 있어서 흰색 페인트 제조에도 사용됩니다. 또한 유리의 내구성을 향상시키는 특성을 가지고 있어서 유리, 도자기 등에 사용합니다.

 

 

 

 

 

생물체에 필수적 원소, 아연(Zn)

 

아연은 생체 내 함량이 전이원소 중 철 다음 중 가장 많다고 해요. 건장한 성인의 경우 약 2g의 아연이 있는데, 대부분 산소와 단백질을 구성하는 성분으로 생체 내에서 다양한 기능들을 수행하고 있습니다. 아연 단백질은 DNA의 유전 정보를 발현, 보존, 조절하며 세포의 자살을 조절하기도 합니다, 또한 항산화성분으로 알려진 아연은 세포들이 산화적인 손상을 입지 않도록 보호하고 근육이 빨리 회복되도록 돕습니다.

 

 

이처럼 아연이 체내에서 관여하고 있는 부분이 많기 때문에 섭취량이 부족하면 건강 상 문제가 발생할 수 밖에 없습니다. 아연 결핍은 영양 흡수 불량, 간질환, 신장질환, 면역기능 저하 등 다양한 증상을 초래할 수 있습니다. 특히 성장기의 아이들이 아연에 결핍되면 왜소증이 나타날 수 있고, 태아의 경우 정신적, 육체적 문제가 유발될 수 있다고 합니다.

 

반대로 중독이 될 경우도 문제가 되는데요. 아연 중독이 되면 입에서 단맛이 나고 복통, 설사, 구토 등의 증상이 이어집니다. 금속 아연으로 된 제품을 삼키면 이런 증상을 겪게 된다고 하니깐 아이들이 삼키지 않도록 주의하셔야 해요!

 

 

 

아연(Zn)이 함유되어 있는 식품

 

아연이 함유되어 있는 식품은 위의 그림처럼 상당히 많은데요. 보시다시피 육류, 곡류, 콩 등에 들어있습니다. 일상생활에서 쉽게 먹을 수 있는 음식재료인데요. 대하나 게에도 많이 들어있다고 합니다. 하지만 아연은 섭취량의 70% 이상이 몸 밖으로 배출된다고 해요. 그래서 더욱 잘 챙겨먹어야한답니다.

 

다른 금속을 보호하고 인체 내에서 효소 속에서 여러 역할을 도우는 아연은 정말 자기 희생이 투철한 원소인 것 같네요!

 

 

선생님의 한마디

일상생활에서 아연은 쉽게 섭취할 수 있지만 배출되는 것이 대부분이고, 인체의 나이가 증가할수록 아연이 결핍되기 쉬운 상태가 된다고 합니다. 그래서 나이를 먹을수록 미네랄은 잘 챙겨드셔야 되는데요. 아연은 남성분들에게 훨씬 중요하다고 합니다.

아연이 남성호르몬인 테스토스테론의 합성과 정자의 생성에 큰 도움을 주고 있기 때문이죠!

영양제로도 섭취할 수 있지만 식품을 통해서 섭취할 때, 비타민C와 함께 먹으면 효율이 극대화 된다고 하니 꼭 기억하시기 바랍니다.

 

 

 

 

 

 

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<과학교사가 알려주는 원소이야기 28.

통하였느냐, 구리(銅>

 

 

 

 

 안녕하세요. 과학교사 정은희입니다.

고대시대에서 금속을 다루는 문명의 문을 연 시대는 바로 청동기 시대였죠! 청동의 동은 무엇일까요? 여기서 '동'은 구리입니다.

동전은 구리로 만든 돈이라는 뜻을 가지고 있습니다. 그럼 얼마나 많은 곳에 구리가 사용되고 있는지 알아볼까요? 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

구리의 발견 및 명명

 

구리, copper는 고대부터 알려져 왔습니다. 가장 오래된 구리 제품은 기원전 8800년경 이라크에서 발굴된 구슬이죠. 정련이 시작된 것은 기원전 3000년경입니다. 역사가 참 오래되었죠? 어원은 구리의 산지로 유명한 키프로스 섬의 라틴어명인 Cuprum에서 유래되었습니다.

 

구리는 적갈색을 띠는 금속으로 자연계에서 모두 원소 상태로 발견됩니다. 연성과 전성이 아주 크고 비교적 무른 편에 속하죠. 순수 금속 중에서는 은 다음으로 열과 전기가 잘 통하는 특성을 가지고 있습니다.

실온에서 물과 공기에 반응하지 않지만, 가열하면 산화되어 주로 산화구리(Cu2O)가 됩니다. 습한 공기에서는 습기와 이산화탄소의 작용으로 푸른색 녹이 스는데, 이 녹이 방어막 역할을 하므로 더 이상의 부식은 진행되지 않는다고 해요. 고대의 구리 제품이 초록색을 띠는 이유랍니다!

 

 

 

 

 

구리의 이용

 

구리가 가장 많이 사용되는 곳은 전선입니다. 전체 사용량의 약 60%를 차지하죠. 두드려 얇게 펼 수 있는 전성이 좋고, 전기가 잘 통해서 전선으로 이용되는 것입니다. 전기제품의 회로, 배선, 케이블 등에 쓰이고 있습니다. 또한 열을 잘 통과시키고 분산시키기 때문에 전자기기의 방열기와 열 교환기로 사용되고 있습니다.

 

 

구리의 약 20%는 송수관과 지붕 재료로 사용되고 있습니다. 내부식성이 좋고 열이 잘 통하기 때문에 수도관과 난방용 배관 등에 많이 쓰이고 있습니다. 예전에 지어진 건물을 보면 지붕이 푸른 초록색을 띠고 있는 것을 볼 수 있을 거에요. 구리로 만들어진 지붕이기 때문에 시간이 흐르면서 습기와 반응하여 녹이 슨 것입니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

인체와 구리

 

구리는 인체에 필수적인 원소입니다. 체내에는 약 80mg의 구리가 주로 단백질에 결합된 채로 존재하고 있습니다. 뇌, 신장, 혈액 등에 많이 들어있죠. 산소운반과 전자 전달의 역할을 맡고 있어요. 산소를 운반하는 헤모글로빈의 필수 성분입니다. 이외에도 ATP합성에도 관여하며, 항산화 기능 촉진, 여러 효소 작용 등에 필수적입니다.


구리가 결핍되면 헤모글로빈과 적혈구 형성이 원활히 되지 않아서 빈혈이 올 수도 있습니다. 또한 뼈의 손상, 백반증, 성장 장애 등의 이상이 수반되죠. 하지만 일반적인 사람에게 구리 결핍증이 일어나는 경우는 드물다고 하네요! 게다가 구리는 독성도 거의 없어요. 너무 걱정하지 않아도 될 것 같네요!

 

우리나라 동전과 구리

 

현재 우리나라에서 사용되는 동전에는 모두 구리 합금이 들어있습니다. 1원 동전만 알루미늄으로 제작되었죠.

화폐 금속 중에서는 구리가 제일 싸기 때문에 많이 사용되었습니다. 10원짜리 동전을 신발 안에 보관하면 탈취효과가 있다고 하는데요. 이는 10원짜리 동전 안에 있는 구리성분이 항균작용을 하기 때문인데, 냄새와 세균증식을 억제할 수 있다고 하네요.

 

실제로 이런 구리화합물의 항균 성질을 이용해서 살충제나 곰팡이를 예방하는 항균제로, 또는 항균동의 침대 난간이나 세면대 등에도 이용한다고 합니다. 또한 어선과 선박 바닥에 구리 합금 피막을 입히는데요. 조개류가 붙어서 번식하는 것을 막기위함이라고 합니다.

 

 

구리가 없었다면 전선 보급이 어려워 지금처럼 전기를 쓰지 못했을 것입니다. 지금처럼 난방기구가 잘 구비되어 있지도 않겠죠? 전기와 열이 잘 통하는 동().  구리 같은 이해력으로 제 뜻이 잘 통하였기를 바라면서 포스팅 마치겠습니다 : )

 

 

선생님의 한마디

 

문어나 굴, 달팽이의 피의 색깔 보신적 있으신가요?

파란색인데요. 이 생물들의 혈액에는 헤모시아닌이라는 물질이 있어요. 이 물질은 구리를 대량 함유한 단백질인데 산소를 운반하는 역할을 합니다. 원래는 무색에 가까운데 산소와 결합하면 청색으로 변한다고 해요. 그래서 우리가 눈으로 볼 땐 갑각류나 연체동물의 혈액이 파란색인 것이랍니다!

 

 

 

 

 

 

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<과학교사가 알려주는 원소이야기 27.

합금의 왕, 니켈>

 

 

 

 

 

 안녕하세요. 과학교사 정은희입니다.

미국 5센트 동전이 어떻게 불리는지 아시나요? Nickel, 니클입니다. 동전에 니켈이라는 원소가 들어가기 때문이죠. 또한 니크롬선 (Nichrome wire), 백동(cupro-nickel) 등 이름에 니켈(Ni)이 들어가는 것이 많습니다. 그만큼 니켈이 여러 곳에 유용하게 쓰이고 있다는 거죠! 오늘은 니켈에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

 

니켈의 명명

 

니켈, nickel은 1751년 스웨덴의 크론스가 독일의 홍비니켈석 속에서 발견했습니다. 니켈이라는 원소 이름은 독일어로 홍비니켈석을 악마의 구리(Kupfernickel)라고 부른 것에서 유래했습니다. 이 광석을 정련할 때 발생하는 증기가 유독했기 때문입니다.

 

 

 

 

니켈과 스테인리스강

 

니켈 생산량의 약 2/3는 스테인리스강의 제조에 사용됩니다. 스테인리스강에는 다양한 혼합비가 존재하는데, 18%의 크롬에 8%의 니켈이 함유된 18-8 스테인리스강이 대표적이죠. 또한 철, 크롬, 니켈이 들어간 오스테나이트 스테인리스강은 내부식성이 좋고 가공과 용접이 쉬우며 고온에서도 사용 가능하기에 전체 스테인리스강 사용의 70%를 차지합니다. 이 물질에서의 니켈 함량은 4~22%입니다. 스테인리스강의 특징은 이전 포스팅에서 말씀드렸죠? http://www.finelfc.com/400

단단하고 부식성이 적기 대문에 전자제품, 주방용기, 건축 부품 등 다양하게 쓰이고 있습니다.

 

 

 

 

 

니크롬선

 

 니크롬(nichrome)은 60%의 니켈이 있어 온도에 따른 전기 저항의 변화가 적고 내열성이 좋아 전열기, 전기오븐에 이용됩니다. 인코넬(inconel)은 니켈을 주성분으로 하는 크롬, 철, 티타늄 등의 합금입니다. 내열성이 좋고 900℃에서도 산화되지 않으며 부식성이 적어, 제트기관 재료, 원자로의 연료용 스프링, 전열기 부품 등으로 사용됩니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

니켈-수소배터리[ Ni-MH-]

 

니켈카드뮴 배터리를 대신하여 보편적으로 가장 많이 사용하고 있는 충전지인데요. 니켈-카드뮴보다 무겁지만 많은 용량의 에너지가 저장되고 중금속으로 인한 오염문제를 일으키지 않아 친환경적이기도 합니다. 또한 이 배터리는 수명도 길어서 자동차에도 사용되기도 합니다.  

 

 

선생님의 한마디

가끔 금속에 대한 알러지를 가지고 있으신 분들 보실 수 있을텐데요. 니켈에 대한 알러지도 현대인에게 많이 나타나고 있습니다. 실제로 이때문에 장신구에 0.05%이상 니켈을 함유할 수 없도록 제한이 있는데요. 장신구 뿐만 아니라 스마트폰, 태블릿, PC 등 전자기기에도 니켈이 많이 포함되어 있습니다. 실제로 2014년 아이패드의 표면 코팅에 포함된 니켈 성분 탓에 어린이가 피부 발진을 일으켰다는 사례 보고가 나오기도 했었죠. 이 소년이 금속 알러지가 있었는데. 추적결과 이 소년이 사용한 아이패드의 뒷부분 표면 코팅에 니켈이 포함되었던 것으로 알려졌고, 케이스를 씌워 사용토록 한 결과 그 증상이 재발하지 않았다고 합니다. 니켈 뿐만 아니라 금속 알러지가 있으면 붓기, 가려움증, 수포 등이 나타날 수 있는데요. 긁으면 만성습진으로 발전할 수 있으니 바로 내원하시는게 좋겠습니다.

그리고 피부가 금속에 민감하신 분들은 전자기기는 예쁜 케이스도 많으니 하나 장만하셔서 써보시는게 어떨까요?

 

 

 

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소통이와 화통이가 전하는 화학 이야기. 세상에 빛을 더하는 정밀화학 이야기를 들려 드립니다 :) Leading Fine Change

 

<과학교사가 알려주는 원소이야기 26.

푸른 매력을 지닌 원소, 코발트>

 

 

 

 

 

안녕하세요. 과학교사 정은희입니다.

위의 타일은 코발트 블루의 타일인데요~ 더운 날씨에 바라보고 있으니 시원한 바다색 같은 느낌이 드네요. 시원한 코발트 블루는 예전부터 화가들이 선호해온 색상이며, 패션산업에서도 다양하게 쓰이고 있어요. 코발트블루는 어떤 원소로부터 탄생하게 되었을까요?

 

 

 

 

 

 

코발트의 발견

 

코발트, Cobalt는 1735년 스웨덴의 브란트가 파란 광석에서 코발트를 분리했습니다. 원소명은 독일어로 도깨비를 뜻하는 kobold에서 나왔습니다. 코발트가 들어있었던 광석으로 은을 만들려고 했으나, 같이 들어있었던 비소에서 나오는 증기로 사람들이 병들었기 때문이죠.

푸른색 안료, 코발트


코발트는 고대부터 이집트나 중국에서 푸른색 안료로 유리 및 도기 착색에 이용되어 왔습니다. 19세기 이전까지 주로 푸른 안료로 사용되었었는데요. 코발트 블루는 정확히 말하면 산화 코발트(II) (CoO)와 알루미나(Al2O3)의 산화물입니다. 또한 산화 코발트인 화감청(花紺靑)은 유럽에서 만들어졌는데 코발트 블루와 같이 잘 산화되지 않고 색이 변하지 않는 장점이 있어서 도자기에 많이 이용되었습니다.

 

산업에서의 코발트

 

코발트 생산량의 약 50%는 합금을 만드는데 사용되는데요. 대표적으로는 초합금과 내마모성 합금, 자석 합금이 있습니다. 초합금은 부식이 잘 되지 않고 단단하여, 엔진과 같이 고온에서 작동하는 장치에 주로 쓰입니다. 또한 내마모성 합금은 단단하고 마모가 되지 않아 각종 공구와 인공 관절 등에 사용됩니다. 자석 합금은 강한 자기장을 얻을 수 있는 특징이 있어 전기 모터나 발전기에 사용되는데 1931년에 알니코라는 일반 자석보다 25배 정도 자성을 지닌 자석이 개발되었다고 해요. 

 

 

 

 

비타민 B12와 코발트

코발트는 비타민 B12에 포함되어 있는데요. 비타민 B12는 필수 미네랄원소인 코발트를 함유하는 유일한 비타민입니다. 비타민 B12여러 효소들의 조효소로 작용하며 DNA 형성 대사에 관여합니다. 이 비타민이 결핍되면 악성 빈혈과 신경장애, 팔다리 경련 등의 증상이 나타나게 되죠. 인체 내에 들어있는 비타민 B12 양은 2~5mg 이며, 뼈와 췌장, 간장에 축적됩니다. 사람은 이 비타민을 합성할 수 없기 때문에 음식으로 섭취해야하는데요. 꽁치, 소고기, 돼지고기, 계란, 요거트, 굴 등에 많이 들어있다고 합니다. 꽁치는 소고기보다 더 많은 양을 함유하고 있다니 참고하세요!

 

 

 

 

선생님의 한마디

아름다운 빛깔을 가진 코발트도 엄청난 위력을 가지고 있다는 사실 알고 계셨나요? 수소폭탄을 코발트로 감싼 폭탄을 일명 코발트 폭탄이라고 하는데요. 핵폭발 시 발생하는 중성자가 코발트에 조사되어 감마선을 방출하는 코발트60을 만듭니다. 반감기가 약 5.3년인 코발트는 투과가 강한 감마선을 방출하기 때문에 치명적인 위험이 있죠. 이런 특징을 이용해 방사성요법이나, 음식물의 방사선 처리, 방사선 촬영 등에도 사용되었으나 최근에는 사용이 줄어드는 추세라고 합니다. 최근 지난 4월 핵안보정상회의에서도 코발트 폭탄은 언급되었는데요. 인류의 평화와 발전을 위해서 원소들의 좋은 점만 사용하면 좋겠다는 생각이 드네요!

 

(*반감기란? 반감기는 화학반응에서 물질이나 원소의 농도가 처음의 절반이 되는데까지 걸린 시간을 말합니다. )

 

 

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<과학교사가 알려주는 원소이야기 25.

문명의 문을 열었던 원소, 철>

 

 

 

안녕하세요. 과학교사 정은희입니다.

화학 I 교과서의 첫 장을 펼쳐보면 인류 문명에 영향을 준 여러 가지 사건들에 대해 배우게 되는데, 그 중 하나가 철의 제련입니다. 철은 자연 상태에서 산소와 결합한 형태인 철광석으로 존재하기 때문에 철을 이용하기 위해서는 철광석에서 산소를 제거하여 순수한 철을 얻는 과정을 거쳐야 합니다. 인류가 철광석에서 순수한 철을 만들어 내는 기술을 개발하여 본격적으로 철을 이용하게 됨으로써 철기 시대가 도래하였습니다. 철, 어떤 물질이기에 인류 문명을 활짝 열 수 있었을까요?

 

 

 

철(Fe)의 산화

 

철은 회백색의 금속으로 녹는점은 1,530℃, 비중은 7.86이며, 공기 중에 쉽게 산화되어 적갈색의 녹이 습니다. 산화물 보호피막을 만드는 알루미늄과는 달리, 녹슨 면이 떨어져나가고 새로운 표면이 다시 녹슬기 때문에 계속해서 산화가 일어납니다. 녹스는 것을 방지하려면 산소나 물과의 접촉을 막을 수 있는 피막을 입히면 철의 부식을 방지할 수 있는데요. 페인트 칠을 하거나 아연이나 마그네슘을 도금해주면 됩니다. 아연과 마그네슘이 반응성이 더 커서 철보다 먼저 산화되어 철은 보호되기 때문입니다.

 

 

 

철(Fe)의 이용

 

철은 전 세계의 금속생산량 95%를 차지하고 있습니다. 매장량이 풍부하고 가공하기 쉽기 때문이죠. 탄소와 합금하여 경도와 강도를 높인 채로 건축 구조 재료, 자동차, 선박, 각종 기계 등 산업 전반과 생활 용품에서 널리 사용되고 있죠. 크롬이 함유된 철은 강도가 높아서 스테인리스강이라고 합니다. 이전 포스팅에서 다루었어요! (http://www.finelfc.com/400)

 

철로 만들어진 용품이 아니어도, 철을 이용한 기계로 만들어졌을만큼 철은 매우 중요합니다. ‘산업의 쌀’이라고 불릴 정도니까요!

철 화합물인 염화제2철(FeCl3)은 수질관리나 하수처리의 응집제, 색소나 잉크로 사용되는 프러시안 블루 제조, 동물 사료, 지혈제에 쓰이고 있습니다. 황산제1철(FeSO4)은 다른 철 화합물을 제조, 시멘트의 크롬산염을 환원, 식품 첨가제로 그리고 철 결핍에 따른 빈혈증을 치료하는데 사용됩니다.

 

철은 다른 전이 금속원소들과 마찬가지로 배위화합물을 만드는데요. 배위화합물이란 1개의 원자에 몇 개의 이온이나 분자가 배열하여 결합한 것입니다. 철의 배위화합물 중에서 가장 대표적인 것은 프러시안 블루(Fe7(CN)18(H2O)x)입니다. 프러시안 블루는 청색 안료로 물에 녹지 않고 콜로이드를 만드는 성질이 있기 때문에 검정색과 푸른 잉크 제조, 페인트, 생물 조직 염색, 청사진에도 사용되고 있습니다.

 

 

 

우리 몸 속의 철(Fe)

 

철은 대부분의 생물체의 필수 원소입니다. 철이 인체에 필수적이라는 사실은 기원전 5세기경 그리스 시대부터 알려져 있었다고 해요. 체중 70kg 성인의 몸에는 약 6g의 철이 있는데, 단백질과 효소, 헤모글로빈에 포함되어 있습니다. 각종 신진대사는 물론 세포에 산소공급을 하기 위해서는 철이 필수적이죠! 위의 그림과 같이 헤모글로빈 중심에는 철 원자가 있는데, 폐에서 산소와 결합하여 온몸의 세포에 운반하는 역할을 합니다. 산소와 잘 결합하고 분리되지만 일산화탄소와는 200배 더 잘 결합한다고 하네요. 일산화탄소 기체가 왜 위험한지 아시겠죠?

 

철이 부족하면 체내 산소 공급이 제대로 이뤄지지 않아 빈혈이 생깁니다. 또한 주의력 결핍, 탈모 등이 발생할 수도 있어요. 반대로 과다하게 섭취하면 혈액에 결합되지 않은 철이 증가하고, 잉여 철들이 과산화물(일반적인 산화물에 산소원자가 더해진 화합물)과 반응하여 DNA나 단백질 등을 손상시킬 위험성이 있습니다.

 

 

수 천년 전에 발견되어 인류에게 큰 변화를 안겨준 철. 건축, 무기, 항해 등 인류 발전 전반에 걸쳐있으면서 장족의 문명 발달을 이루게 해주었습니다. 철이 없었다면, 발견하지 못했더라면 우리는 지금 어떤 사회에서 살고 있을까요? 청동기 시대? 아직 중세시대와 같은 환경에 머물러 있을까요? 오늘 하루라도 우리 주위에 얼마나 많은 철이 있는지 인지해보면서 하루를 마무리 해보는 것은 어떨까요 : )

 

 

 

 

선생님의 한마디

 

세포들이 건강히 운동을 하려면, 뇌가 빨리 돌아가려면 세포에 산소가 충분히 공급되어야 합니다. 특히 여성분들은 생리로 인한 피의 배출로 철분이 상대적으로 부족할 수 있어요. 어떤 이유에서건 우리는 철분을 잘 챙겨먹어야 합니다!

해조류와 토마토, 굴, 계란 노른자를 비롯하여 육류, 간, 견과류에도 많이 들어있다고 합니다.

실생활에서 쉽게 먹을 수 있는 것들이니, 인스턴트만 먹지 말고 건강 음식! 잘 챙겨드세요~

 

 

 

 

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소통이와 화통이가 전하는 화학 이야기. 세상에 빛을 더하는 정밀화학 이야기를 들려 드립니다 :) Leading Fine Change

 

<과학교사가 알려주는 원소이야기 24.

철과 시너지를 내는 원소, 망간>

 

 

 

안녕하세요. 과학교사 정은희입니다.

우리 주위에서 시계, 리모콘, 도어락, 장난감 등 건전지가 쓰이는 곳이 많은데요.

일상에서 쓰이는 이 건전지에는 원소가 들어있습니다. 무슨 원소일까요?

 

 

 

망간(Mn)의 성질

 

 

망간은 지각 무게의 약 0.1%를 차지하는 12번째로 풍부한 원소입니다. 자연계에서는 연망간석, 능망간석의 형태로 존재하는데요. 예전에는 벽

화를 그릴 때 안료로 사용했다고 합니다. 망간은 반응성이 매우 큰 금속으로 주기율표에서 이웃하는 원소들보다 전자를 잃는 성질이 강하다고 합니다또한 비금속과는 잘 반응하지 않지만, 가열하면 결합하는 성질을 가지고 있습니다.

 

 

망간(Mn)의 이용

 

망간은 잘 부서서지는 성질때문에 단독으로 사용하긴 어려워요. 망간의 90% 이상은 철강산업에서 합금을 만드는데 사용됩니다. 망간을 철과 합금하는 이유는 크게 두가지인데요. 첫번째는 강철에서 부서짐을 일으키는 FeS(황화철)의 생성을 막아주고, 냉연강(Cold Steel)에서 산소와 산화망간(MnO)를 만들어 기포발생을 막는 역할을 하기 때문입니다. 두번째 이유는 강철의 강도 증가라고 말할 수 있는데요. 망간의 함량에 따라 고망간강(10~14% 함유)과 저망간강(1~2% 함유)로 나뉩니다. 저망간강은 기계적 성질과 전성이 뛰어다는 특성이 있고, 고망간강은 내성이 좋아 철도레일이나 장갑판을 만드는 데 사용됩니다.

 

망간 화합물은 그림의 안료와 유리의 색을 없애는 용도 쓰여왔습니다. 고대 로마시대에는 유리의 옅은 초록빛을 없애고 무색/ 투명으로 만들기 위해 이용했었고, 중세시대에는 강력한 산화제로 사용했다고 전해지는데요. 이 모두가 망간이라는 원소를 발견하기 전에 이미 화합물의 특성을 파악하고 사용했던 것이라고 하네요.


망간은 지각보다 해저에 훨씬 많은 양이 있다고 해요. 해저에 있는 망간단괴는 암석의 풍화작용으로 바다에 침체되어 단단하게 굳어진 덩어리를 말하는데요. 단괴가 함유하고 있는 성분은 지역마다 다를 수 있지만 대체적으로 망간, 철, 니켈, 구리, 코발트 등을 포함한 희토류 금속을 포함하고 있습니다. 희토류 금속은 제철산업과 항공우주, 전자산업에 필수 광물자원이기 때문에 망간단괴를 '해저의 노다지', '검은 황금'이라고 부르기도 하죠.

 

 

 

몸 속의 망간(Mn)

 

망간은 생물체에 미량이지만 필수적인 영양소입니다. 사람의 몸에는 약 12mg의 망간이 뼈, 근육, 신장 등에 있습니다. 여기서 망간은 생체 내 반응을 촉매하는 효소들의 보조인자 역할을 합니다. 특히 뼈의 밀도를 높이거나, 항산화 작용을 하는 데도 작용을 한다고 합니다. 인간의 신체를 지탱해주는 데 필수적인 원소, 망간! 인류의 삶과 산업의 뼈대를 이루는 역할을 하는 없어서는 안 될 원소인것 같다는 생각이 드네요!

 

 

 

선생님의 한마디

 

망간이 부족하면 체내의 효소가 작용을 하지 못하여 관절질환이나 골다공증이 생기기 쉽고, 과잉섭취를 할 경우는 신경장애나 면역기능이 약해진다고 해요. 하지만 많은 식품에 망간이 들어있기 때문에 걱정하지 않으셔도 됩니다. 그리고 음식물 섭취 시 일정량만 몸에서 흡수하기 때문에 건강한 사람은 부작용이 크게 나타나지 않습니다.

망간이 풍부한 음식은 홍합, 헤이즐넛, 호밀빵, 두부 등입니다. 편식하지 마시고 꼭 챙겨먹도록 해요.

 

 

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<과학교사가 알려주는 원소이야기 23.

강한 아름다움을 가진 크롬>

 

 

 

 

 

 

 

안녕하세요! 과학교사 정은희입니다.

학창시절 내내 우리와 함께 칠판

저는 요즘에도 학생들 얼굴만큼이나 자주 바라보고 있는데요.

초록색 칠판에도 원소이야기가 숨겨져 있다고 해요.

지금부터 알아볼까요?

 

 

 

 

 

 

크롬의 특성

 

크롬은 1797년 프랑스의 보클랭이 홍연석을 분석하여

                                                              발견한 원소입니다. 루비와 에메랄드 속에 있는 이 원소는

'색'을 뜻하는 그리스어 chroma로부터 유래했습니다.

크로뮴 화합물이 다양한 색을 가지기 때문인데요. 실제로 단단한 은백색 금속이지만

반응성이 커서 홀로 존재하긴 어렵습니다. 따라서 산화 상태의 화합물을 만드는데요.

그 중에서 대표적인 것인 크롬산염과 중크롬산염입니다.

이 화합물은 산화제, 유리 세척액, 목재 처리제 등에 사용되고 있습니다.

 

 

 

 

 

 

색깔과 크롬

 

크롬은 색소와 매우 관련이 높은데요. 산화크롬의 경우에는 녹색 색소로 안정된 안료이기 때문에

주로 칠판에 쓰입니다. 크롬옐로우 라고 불리우는 크롬산납은 크롬화합물 중에 가장 처음으로 안료에 사용되었던 물질이죠.

이 노란색 안료는 미국에서 스쿨버스에, 유럽에서는 우체통에 먼저 사용했다고 해요.

이 밖에도 아름다운 색상의 보석에도 들어있는데요.

루비와 에메랄드의 영롱한 색상도 크롬덕분이라고 해요. 특히 알렉산드라이트라는 보석은 크리소베릴이라는 

광물에 크롬이 함유된 것인데 광원에 따라 다른 색을 나타낸다고 해요.  

 

 

 

 

스테인레스강과 크롬

 

우리 산업 전반에 굉장히 많이쓰이는 금속 스테인레스강에도 크롬이 들어있어요!

철은 단단하지만 산화에 굉장히 취약한 금속인데요. 이를 보완한 것이 바로 스테인레스 강이에요.

 

철과 니켈, 크롬으로 구성된 스테인레스강은 거의 녹슬지 않는다는 장점이 있죠.

Stain+less라고 하잖아요? 스테인레스 강 뿐만이 아니라 은빛 광택을 가지고 산화에 강한 금속에는 크롬이

일부 첨가되었다고 생각하셔도 무방해요. 철강제품에 대부분 조금씩이라도 들어가는데요.

 

내부식성은 물론 내열성까지 높기 때문에 여러 산업에서 사용되고 있어요.

 

 

 

 

 선생님의 한마디

 공연뿐만 아니라 의료, 산업용으로도 많이 사용되고 있는 레이져.

레이져가 어떻게 만들어졌는지 아시나요? 크롬이 바로  레이져 시대를 가져온 원소인데요.

미국의 마이안이 크롬과 루비막대를 이용해서 처음 빛을 만들었는데,

이 빛은 단일파장을 지녀한 곳으로 모아지는 특성이 있었다고 합니다.

이 빛을 '복사의 유도방출 과정에 의한 및의 증폭(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)'이라고 명명했고 약자를 따서 LASER라고 부르기 시작했죠. 

여기서 유도방출 과정이라 함은 전자가 들뜬 에너지를 방출하면서 원래 자리로 되돌아 가려는 성질을 이용한 것인데요.

여기서 방출하는 에너지를 빛의 형태로 내보내도록하여

만들어진 것이 레이저에요.

아름다운 색상과 빛을 생산하는 크롬이라는 원소, 정말 매력적이지 않나요? 

 

 

 

 

 

 

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