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

 

<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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<과학교사가 알려주는 원소이야기 11.

 인간과 기술의 동반성장의 주역, 마그네슘>

 

 

 

     안녕하세요! 과학교사 정은희입니다! 여러분 혹시 자동차에 관심 있으신가요? 올해 4월 초 “2015 서울모터쇼가 열렸었는데요. 여기서 단연 돋보인 것은 1리터당 100km의 연비를 구현한 르노의 이오랩입니다. 어떻게 이런 연비가 낮은 대중적인 자동차를 생산해냈을까요? 최고 연비의 일등공신은 차체 경량화 기술입니다. 차 지붕을 마그네슘으로 만들었다고 해요. 차가 가벼워지면 주행에 힘이 덜 들기 때문에 연료가 절약된다고 합니다. 도대체 마그네슘이 어떤 성격을 가지고 있길래 이와 같은 일이 가능한 걸까요?

 

 

 

 

마그네슘의 발견

 

마그네슘, Magmesium 1755년 스코틀랜드의 블랙이라는 과학자가 마그네슘의 존재를 발견하였습니다. 하지만 은백색의 가벼운 금속인 마그네슘은 순수한 상태에서는 반응성이 매우 커 주로 화합물로 존재하기 때문에 순수 분리에 성공한 것은 1808년에 영국의 데이비에 의해서 였습니다. 데이비는 산화마그네슘과 산화수은의 혼합물을 올려놓고 전기분해를 시켜서 금속 마그네슘을 처음으로 분리했다고 합니다. 

 

마그네슘의 이용

마그네슘은 열이나 전기가 잘 통하는 전형적인 금속 원소인데요. 철과 알루미늄 다음으로 많이 쓰입니다. 보통 합금을 만들어서 사용하는데, 강철과 같은 강도를 가지면서 무게는 강철의 1/4이기 때문입니다. 알루미늄, 아연, 망간 등의 합금을 만들면 강도, 내식성, 용접성 등이 향상되어 자동차나 항공기의 몸체, 제트 엔진 부품, 미사일 등에 많이 사용되고 있습니다.

또한 마그네슘 합금은 가볍고 기계적, 전기적, 열적 성질이 우수하고 전자파를 차단하는 성질이 있기 때문에 노트북, 가정용게임기, 휴대폰, 카메라 등의 전자 제품에도 쓰입니다.

 

화합물 속의 마그네슘

위에서도 말씀드렸지만 마그네슘은 반응성이 좋아서 홀로 존재하지 않으려고 하는데요. 화합물일 때는 +2가를 가지는 양이온의 형태로 결합합니다.

화합물 중 하나인 산화마그네슘(MgO)은 녹는 점이 2982℃로 아주 높은데요. 그래서 철을 비롯한 금속의 제련 내부 공간을 이루는 내화물이나 유리와 시멘트 제조와 같은 산업용으로 사용되며  황산마그네슘(MgSO4)은 목욕제, 완하제, 방부제등 의약용으로 사용되고 있습니다. 또한 인산마그네슘[Mg3(PO4)2]은 목재가 불에 잘 타지 않도록 처리하기 위해 코팅하는 데 이용되고 있습니다.

참 다양한 형태로 우리의 생활에서 쓰이고 있죠?

생명의 필수요소, 마그네슘

 

마그네슘은 엽록소를 구성하는 중요 성분입니다. 식물이 초록색인 이유는 마그네슘이 포함된 엽록소 때문이죠. Mg2+은 식물들이 광합성을 할 때 관여하는 모든 효소에 보조인자로 작용합니다. 그래서 마그네슘이 결핍되면 잎이 누렇게 변하고 심한 경우에는 죽게 됩니다. 인간은 필요한 마그네슘을 식물을 통해서 섭취하고 있죠.

인체에서는 11번째로 풍부한 원소인 마그네슘은 성인의 몸에는 약 24g이 들어있습니다. 이 원소는 세포 내에서 효소의 작용, 에너지 대사, 신경 전달, 호르몬 분비, 체온 조절 등에 관여합니다. 칼슘의 흡수를 도와 뼈 건강을 유지하며, 근육에는 칼슘보다 3~4배 높은 농도로 존재해 근육 수축에 도움을 줍니다.

또한 에너지 대사 역할을 하는 ATP와 유전정보를 가지고 있는 DNA인산기를 가지고 있는데요. 인산기는 Mg2+과 반응을 하여 필요한 물질을 만들어내는 작용기입니다. 따라서 ATP DNA와 관련된 효소가 제대로 작용하기 위해서는 마그네슘이 필수적이죠.

우리 몸에서 마그네슘이 부족하게 되면 근력저하, 의식장애, 정서적 문제, 저혈압, 수족냉증 등이 일어나며 마그네슘이 체내 과다 분포하면 혈압저하, 신경기능 등이 유발됩니다. 하루 필수 권장량은 성인 기준 350mg이라고 하니 꼼꼼히 따져서 챙겨드시기 바랍니다.

 

 

 

 

선생님의 한마디

여러분 가끔 눈이 씰룩씰룩 떨릴 때 있나요? 물건을 잡았을 때 놓칠 때가 많나요? 갑자기 피곤함을 느끼기도 하죠? … 피곤해서 그런 것인 줄 알았는데 마그네슘 부족 때문이라고 하네요. 영양제로 마그네슘을 섭취할 수도 있지만, 이왕이면 음식으로 먹는 게 좋죠! 먹는 즐거움을 놓칠 수는 없으니까요 : )

마그네슘이 풍부한 음식은 견과류, 녹색채소, 청어, 다시마입니다. 골고루 섭취해서 우리 몸의 밸런스를 맞춰 보아요!

 

 

 

 

 

 

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