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28Ni 니켈 Nickel* |
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| 분류 | 전이 원소 | 상태 | 고체 |
| 원자량 | 58.6934 | 밀도 | 8.908 g/cm3 |
| 녹는점 | 1455 °C | 끓는점 | 2730 °C |
| 용융열 | 17.48 kJ/mol | 증발열 | 379 kJ/mol |
| 원자가 | 2 | 이온화에너지 | 737.1, 1753.0, 3395 kJ/mol |
| 전기음성도 | 1.91 | 전자친화도 | 112 kJ/mol |
| 발견 | A. F. Cronstedt (1751) | ||
| CAS 등록번호 | 7440-02-0 | ||
| 이전 원소 | 코발트(Co) | 다음 원소 | 구리(Cu) |
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* 미국식 발음은 니클이다.
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1. 개요
주기율표 10족 철족에 속하는 금속 원소이다. 결정구조는 면심입방결정, 공간군은 Fm3m.2. 발견
중세시대 독일의 에르츠산맥(Erzgebirge) 지역에서 구리와 비슷한 광석이 발견되었으나, 구리를 추출해내기 위해 열을 가하자 구리는 안 나오고 유독가스만 발생하여 독일어로 쿠페르니켈(Kupfernickel, 악마구리[1])이라고 불리었다.아마도 열을 가하는 과정에서 자연 연료의 불완전 연소로 인해 일산화탄소가 발생했고, 이것이 구리 광석 내부의 니켈과 고온에서 반응하여 소량의 (휘발된) 니켈 카보닐 기체가 발생했을 가능성이 있다. 카보닐기를 가지는 화합물이 으레 그렇듯이 전자 결합에 굶주린 구조로 인해 무지막지한 반응성을 가지므로 이는 극도로 위험하다. 심지어 방독면을 착용해도 피부와 반응해 체내로 흡수되고 200 ppm 농도에서 30분만 노출되어도 대부분의 생물이 치사량에 도달한다.[2] 이러니 과거 사람들에겐 공포와 황당함을 안겨주었을 것이다.
그러던 1751년, 스웨덴의 야금학자 크론스테드 남작이 구리를 추출하기 위해 쿠페르니켈의 표면을 덮은 결정에서 얻은 산화물을 환원실험을 하던 중, 구리가 아닌 흰 금속을 발견하게 되었다. 그는 이 금속을 Kupfernickel에서 Kupfer를 제거하고 Nickel이라고 명명하였다.[3]
3. 특징
니켈은 단단한 은백색의 연성이 풍부한 금속으로, 철, 코발트와 함께 철족원소라 불린다. 철족원소인 니켈은 전자석에 대면 니켈 자신도 자석이 되는 성질을 나타내는데, 전자석을 떼도 자기가 남는다. 이를 강자성( 強 磁 性)이라 한다.[4] 또, 니켈은 온도가 385°C가 되면 강자성을 잃는다. 이 온도를 퀴리 온도라고 한다.상술한 성질을 이용하여 만든 철 65% 니켈 35%로 이루어진 합금을 Fe65Ni35-Invar라고 하며 이것은 열로 인한 외형변화에 거의 영향을 받지 않아 시계 부품 등의 정밀기계부품 제작에 사용된다.
니켈은 표면이 산화하며 치밀한 막이 생겨 내부를 보호해서 녹이 잘 슬지 않으므로 철 등의 금속 표면에 도금하거나 합금을 만들어 부식 방지로 사용할 수 있다. 니켈은 부착성이 뛰어나 도금하기 쉽고 철제 부품에서 녹스는 걸 방지할 목적으로 하는 도금은 니켈 도금이 많이 쓰인다. 다만 크로뮴에 비해서는 광택이나 내구성이 떨어지므로 광택을 유지하고 마모에 견뎌야 하는 용도 예를 들어 반짝이는 금속 장식물이나 총열의 도금 등에는 니켈도금 위에 크로뮴을 다시 도금하기도 한다.
4. 용도
대부분은 철, 크로뮴에 합금해 스테인리스강을 만드는 데 쓰이며[5] 그외 각종 다른 합금을 만드는 재료로 널리 쓰인다. 그리고 니켈과 크롬 몰리브덴, 코발트 철 의 합금인 하스텔로이 중 2종과 모넬 중 2종은 60% 농도의 불산(불화수소산)에 견디는 몇 안되는 금속재료이기도 하다. 스테인레스나 하스텔로이 합금은 부식에 매우 강할 뿐만 아니라 열전도율도 금속으로는 매우 낮고 내열성도 높은 편이라 보온병이나 고온의 액체나 기체를 전송하는 데도 많이 쓰이고 있다.도금 또한 니켈 생산량의 10% 정도가 쓰이는데, 예를 들어 컴퓨터 부품 중에 하나인 히트싱크가 있는 고가형 공랭식 쿨러는 부식 방지를 위해 니켈 도금된 경우가 많다.
색이 있는 금속( 금, 구리 등)에 니켈을 섞으면 색이 없어지는 효과가 있다. 니켈과 구리의 합금( 백동)은 금속색 색깔이 아름답고 마모와 부식에 강해 동전재료로 아주 좋다. 대한민국의 100, 500원화, 일본의 50, 100엔화 등 은색의 동전은 대부분 구리 75%, 니켈 25% 조성이 사용된다. 특히 미국의 5센트 동전은 통칭이 '니켈'이다. 아래 미국 주화 항목을 참조. 한편 니켈생산량이 압도적으로 많은 캐나다의 5센트 동전 혹은 25센트 동전은 99.9%의 순니켈을 사용했다. 단, 이건 2000년 이전의 주화 한정으로, 2000년 이후부터는 채산성이 안맞는지 철에 니켈을 도금해서 사용하고 있다. 금과의 합금은 화이트 골드라고 한다. 백금과는 다르다.
또 제트엔진의 터빈 블레이드 등 섭씨 1천도-1,700도가 넘는 초고온을 견디는 초내열 합금들도 대부분 니켈 (> 50%) 을 기반으로 크로뮴 코발트 레늄 루테늄 알미늄 티탄 등 여러가지 다른 금속과 합금하여 사용한다. 흔히 니켈계 초내열 합금이라고 한다.
그 밖의 합금으로 니켈 티타늄합금(니티놀)이 있다. 이것은 니켈과 티탄의 비율이 1:1인 것으로, 변형시켜도 일정 온도 이상으로 가열하면 원래대로 돌아오는 성질을 가지고 있다. 이 성질을 가진 합금을 형상기억합금이라 한다. 크로뮴과의 합금인 니크롬선은 저항률이 높기 때문에 열선으로 사용된다.
또한, 수산화니켈[6]은 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 합금 전지의 양극으로도 쓰인다. 스마트폰이나 전기자동차 등에 쓰이는 이차 전지인 고성능 3원계 리튬이온전지에는 전극재료로 리튬- 코발트-니켈 합금이 쓰인다. 코발트 값이 비싸서 되도록 코발트 사용량을 줄이기 위해 니켈의 사용이 늘어나고 있디. 전기자동차의 리튬이온전지 생산이 늘어나며 니켈의 수요가 크게 늘어나 가격도 오르고 구하기 어려워 지는 등 갈수록 중요성이 커지고 있다.
니켈의 인공 방사성 동위원소 중에는 반감기가 100년인 니켈 63은 베타붕괴만 하고 수명과 에너지가 적당해서 원자력 전지의 연료로 쓰이는 경우가 있다.
니켈은 유기물에 수소를 첨가하는 촉매로도 쓰이는데 식물성 식용유에 수소를 첨가해 버터의 대용품인 마아가린이나 고체유지인 쇼트닝을 만든다든가 비누나 양초의 원료가 되는 경화유로 만들거나 석유를 분해해 탄화수소 가스화한다거나 고온 연료전지 등에서 쓰이고 있다.
5. 우주에서
운석 중에 일부 금속성 철질운석, 운철은 주성분이 지구의 핵과 마찬가지로 철과 니켈로 되었다. 철-니켈 합금은 자연적으로는 지표면에서 발견되지 않으므로 우주에서 떨어진 운석임을 알 수 있다. 인류가 철의 제련법을 발명하기 전 청동기에는 금속철괴를 얻을 수 있는 유일한 소스여서 고대의 철검유물은 운철을 가공해 만든 것이고 왕이나 가질만한 귀중한 유물이다.우주에서는 철과 함께 항성의 진화에서 발생하는 핵합성 과정의 최종산물이기 때문에 매우 흔한 금속이다. 충분한 질량을 가진 항성이 진화하면 Ia형 초신성이 되어 내부에서 니켈-56이 엄청나게 생성되는데, 이 초신성의 핵이 폭발하는 과정에서 고속 중성자 포획 과정을 거쳐 안정한 니켈-58, 60 등이 생성되고, 핵 폭발을 피한 니켈-56은 방사성 붕괴로 코발트-56를 거쳐 안정한 철-56이 된다.[7]
6. 기타
- 금속 알레르기를 일으키기 때문에 귀걸이나 목걸이를 하거나 안경을 쓰는 몇몇 사람들의 천적이다. 이런 점을 아는지 모르는지 몇몇 판매자들이 신체에 닿는 물건에 니켈도금을 하여 구매자들이 피해를 보는 사례가 발생하기도 했다. 예를 들어 이런 사례 같은 경우. 노르딕 골드가 이러한 금속 알레르기 때문에 만들어진 것이다.
- 가격이 제법 비싼 금속인데 대충 구리의 2배 정도이고 주석 보다는 싸서 2/3 정도 이다. 알루미늄의 7-8배 가량. 지구의 핵의 주성분이 철과 니켈이므로 지구 전체로 보면 상당히 풍부한 원소지만 대부분 지구의 핵에 모여있어서 (내핵의 무게비로 니켈이 5.8%) 지구 지각에서는 지각구성비로는 구리나 아연 과 비슷한 정도로 귀한 금속이다. 구리와 함께 니켈을 함유한 광상은 꽤 있지만 함량이 낮고 채산성이 있는 광산은 캐나다, 러시아, 인도네시아, 뉴칼레도니아, 짐바브웨, 오스트레일리아 등에 집중되어 있어 그리 흔하지 않다.
- 니켈구를 달궈서 여기저기에 넣어보는 RHNB 이라는 유튜버가 있다.
- 2016년 6월 코웨이는 일부 자사 정수기의 얼음 냉각 부품에서 니켈이 떨어져 나온다는 사실을 발표하였다. 코웨이는 해당 농도로 하루에 1리터씩 1년을 먹어도 무해하다고 주장하지만, 소비자들은 "본인들이 매일 니켈을 먹어보라"며 황당해하는 상황이다.
- JTBC의 이규연의 스포트라이트 보도에 따르면 코웨이의 위와 같은 주장은 1995년 기준을 잘못 적용한 것이며 강화된 2012년 국제기준과는 상반되는 입장이라고 한다.
- 한국에서는 강원특별자치도 고성군의 남강 일대에 니켈이 산재해 있는 것으로 알려져있다. 일제가 항공기 동체용 합금강 생산을 위해 전국을 뒤지던 중 찾아낸 것이다. 그리하여 현재 통일전망대 인근을 중심으로 국도를 개설하여 고성 남강 일대에서 채굴한 니켈을 흥남제철소로 수송하고 여기에 더해서 철도 부설까지 계획하고 측량까지 마쳤으나 패망하고 말았다. 현재는 분단으로 인해 사실상 채굴은 불가능하고 통일 이후를 기약해야 되는 상황이다.
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[1] 암의 종류에 따라 1군/2A군으로 나뉜다. [2] GMO, 항생제 등 고기 잔류 물질이 문제가 아니다. IARC에서는 확실히 밝히지는 않았지만 고기의 성분 자체가 조리되면서 발암 물질을 필연적으로 함유하기 때문이라고 논평하였다. 청정우 같은 프리미엄육을 사 먹어도 발암성이 있다는 뜻이다. 이에 전세계의 육류업자들이 고기를 발암물질로 만들 셈이냐며 정식으로 항의하기도 하는 등 논란이 있었다. [3] 단, 올바른 조리 과정을 거치면 먹어도 문제는 없다. 문서 참조. [4] 카프로락탐. 2019년 1월 18일 IARC 서문 개정에 따라 불필요하다고 판단되어 삭제되었다. # |
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- WHO에 의해 발암물질로 지정된 바 있다. 사실 초창기에 발견되었을 때 독가스를 내뿜었다는 내용이 있으니 아예 이상한 소리는 아니다.
[1]
kupfer: 구리, nickel: 악마(늙은 닉)
[2]
화재현장 사망 원인 1위인 일산화탄소가 3,200 ppm 농도에서 비슷한 독성을 보인다.
[3]
현재 영어로 Cupronickel은 구리와 니켈의 합금인
백동을 의미한다.
[4]
이와는 반대로 전자석을 떼면 자기가 사라지는 성질은
상자성(
常
磁
性)이라 불린다.
[5]
대표적인 조성인 STS304 (일본 규격 SUS304)는 크로뮴 18~20%, 니켈 8~10%가 들어간다.
[6]
Ni(OH)2
[7]
이때 니켈-56이 붕괴하면서 방출되는 에너지(주로
감마선 형태,
콤프턴 산란의 형태로 주변 물질과 상호작용)는 초신성의 초기 광도 변화에 영향을 주는데, 특히 수소 외피를 거의 완전히 잃은 초거성이 일으키는 Ib형과, Ic형 초신성에서 그 역할이 중요하다.