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18Ar 아르곤 Argon |
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| 분류 | 비활성 기체 | 상태 | 기체 |
| 원자량 | 39.948 | 밀도 | 1.784 g/L |
| 녹는점 | -189.34 °C | 끓는점 | -185.848 °C |
| 용융열 | 1.18 kJ/mol | 증발열 | 6.53 kJ/mol |
| 원자가 | 0 | 이온화에너지 | 1520.6, 2665.8, 3931 kJ/mol |
| 전기음성도 | N/A | 전자친화도 | 0 kJ/mol |
| 발견 | Lord Rayleigh, W. Ramsay (1894) | ||
| CAS 등록번호 | 7440-37-1 | ||
| 이전 원소 | 염소(Cl) | 다음 원소 | 칼륨 / 포타슘(K) |
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| 아르곤 레이저는 지혈, 응혈, 레이저 수술 등 의료적으로 쓰인다. |
1. 개요
비금속 기체 원소로, 3주기 18족의 비활성 기체이다. 반응을 거의 하지 않아, 1족 원소 같이 반응성이 매우 큰 물질을 보관할 때 이를 사용해서 밀봉한다.2. 역사
1894년에 스코틀랜드의 화학자 레일리와 램지[1]에 의해 발견되었다. 이들은 공기중의 질소가 질소화합물에서 추출한 질소보다 약 1.5% 무겁다는 사실에 의문을 품고 연구를 한 끝에 아르곤을 발견했다고 한다.이름의 유래는 그리스어의 'argos(게으름)'으로, 반응성이 거의 없기 때문에 이런 이름이 붙었다.
3. 특징
아르곤은 최초로 발견된 비활성 기체이기도 하다. 그러나 2000년, 아르곤 플루오로하이드리드(HArF)라는 화합물을 만드는데 성공했다. 다만 결합력이 매우 약해서 온도가 -256°C만 넘어가도 분해돼 버린다.지구의 대기에서 질소, 산소에 이어 세 번째로 많은 비중을 차지하고 있다. 공기 중에는 0.93% 가량 들어있어서 비활성기체 가운데는 가장 흔하고 저렴한 편이다. 대기중 농도가 0.04%인 이산화탄소의 23배나 더 많이 들어 있다. 지구상에 아르곤이 풍부한 이유는 비교적 흔한 40K( 칼륨-40)을 비롯한 몇몇 방사성 동위원소의 붕괴 산물이기 때문이다. 제법은 공기를 압축 냉각해서 분별증류로 액체 질소나 액체산소를 생산하면서 덤으로 아르곤을 생산한다. 사실 액화 아르곤은 액체질소와 마찬가지로 액체 산소 생산의 부산물이다.
지구에서는 방사성 붕괴 산물인 아르곤-40이 전체 아르곤의 99.6%를 차지하지만, 우주 전체를 기준으로는 더 가벼운 아르곤-36의 비율이 압도적으로 높다.
4. 용도
고온에서도 반응성이 거의 없고 비활성기체들 중에서는 가장 저렴하다는[2] 점을 이용, 알루미늄이나 티타늄, 철과 같은 반응성이 큰 금속의 특수용접(TIG, MIG, GTAW법 등)에 사용된다. 이를 아르곤 용접이라고 하는데, 용접부위에 아르곤을 불어서 산소와 접촉하지 않게 하여 용접부위의 산화를 막는다.용접 부분이 나와서 덧붙이자면 조선업에서는 특별히 주의해야할 기체로 아르곤을 강조한다. 배관 용접을 할때는 아르곤을 일일이 불기가 힘들어 아르곤가스를 아예 배관 안에 가득 채워넣고 용접을 하게 되는데, 용접이 끝난 후 배관 안쪽을 점검할때 부주의로 인해 배관 안쪽에 고여있는 고농도의 아르곤가스를 대량 흡입해서 순식간에 질식사를 할 수 있기 때문이다.[3] 특히 인체는 아르곤을 감지할 수 없기 때문에 질식한다는 느낌조차 받지 못 하다가 바로 저산소증에 의해 정신을 잃게 되기 때문에 더더욱 위험하다.
제강에서는 녹은 강철을 교반하기 위해 불어넣기도 하며, 스테인레스 스틸 생산에서 크롬의 산화손실을 줄이기 위해 사용(AOD법)한다. 그 외에도 전구 혹은 형광등에 넣는 충전기체 등[4], 물질이 공기와 반응을 해서는 안되는 경우에 보호용으로 사용된다. 다른 비활성기체는 아르곤보다 비싸고, 반응성도 비교적 낮고 더 싼 질소는 고온에서는 반응성이 나쁘지 않아 고온 환경에서의 보호용으로는 쓸 수 없다. 칼륨의 동위원소 중 일부(칼륨-40)가 방사성 동위원소라, 꾸준히 붕괴되며 아르곤으로 변하기 때문에 암석 등의 연대 측정에도 사용된다.
상술했든 비활성기체들 중에서 가장 저렴해서 유기화학 실험에서 환류용으로 매우 애용되는 기체이다. 질소도 자주 사용되지만 확실하게 화학 반응을 보호하려 할 때는 아르곤을 쓴다. 예를 들면 팔라듐의 뛰어난 산화촉매의 성질을 이용한 palladium-coupling을 이용한 실험에서는 팔라듐을 최대한 아끼기 위해 아르곤 기체로 팔라듐을 포함한 반응물들을 보호해서 반응을 이끌어낸다. 사실 많은 유기화학 실험들중에 특히 산소가 반응을 방해하는 일이 많아서 웬만한 반응들, 특히 위에서 상술한 팔라듐이나 아연을 이용한 C-C 결합에 자주 쓰이는 coupling 반응에서는 아르곤으로 반응물들을 환류로써 보호하여 산소가 끼어들 틈을 주지 않도록 한다.
반도체 제조에도 많이 쓰이는데 스퍼터링 등 진공관련 공정에서 잔류공기 나 진공용기 벽에 부착된 산소 질소 등 반응성 성분을 몰아내기 위해 반응성이 없는 아르곤 기체를 주입하고 가열해 빼내서 잔류성분을 줄여 진공도를 높이기고 하고 또 포토 리소그래피 공정에 불화아르곤 ArF 기체 레이저를 광원으로 쓰는데 장시간 쓰다 보면 불화아르곤 기체가 오염되어 레이저 광의 질이 떨어지므로 기체 자체를 자주 교체 공급해 주어야한다. 예전에는 1회성으로 소모하고 버렸지만 공급이 달리자 이를 정화해 재활용 하는 경우도 늘고 있다.
의외로 미사일에도 종종 쓰인다. 주로 냉각가스로. 이를테면 적외선 탐색기의 경우 탐색기 자체의 온도가 낮을수록 적외선 탐지성능이 좋아지는데, 이를 위해 압축 아르곤을 가지고 있다가 필요할 때 작은 노즐로 고속으로 분사한다. 그러면 순간적으로 아르곤의 압력이 확 떨어지면서 온도 역시 떨어져 급속 냉각이 가능. 이 방식을 사용하는 대표적인 미사일로는 AIM-9 사이드와인더가 있다. 물론 다른 가스로도 할 수 있지만 비활성기체이니 안전하고, 산화걱정도 없다. 펠티어 소자가 초기에 사용된 적도 있었고, 미국 해군에서는 초기에는 질소를 쓰기도 하였다.
5. 여담
- 주기율표에는 원자량 순서와 원자 번호 순서가 일치하지 않는 원소쌍이 단 세 개뿐인데, 아르곤과 칼륨이 이 중 하나이다. 나머지 두 쌍은 코발트와 니켈, 아이오딘과 텔루륨이다. 이는 원자량을 정할 때 지구에서의 동위원소 비율을 기준으로 하는데, 지구에서 흔한 아르곤-40이 비슷한 질량의 핵종들 중 중성자가 많은 축에 들기 때문이다. 우주적으로 보면 전체 아르곤의 거의 전부가 아르곤-36이기 때문에 칼륨과의 순서가 뒤집히지 않는다.
[1]
참고로
네온과
크립톤,
제논 역시 이 인물이 발견했다. 혼자 18족 원소를 거의 다 섭렵한 위대한 과학자다.
[2]
공기중의 약 0.9% 정도가 아르곤으로, 대기중에서 질소와 산소 다음으로 흔한 기체이다.
[3]
종종 이런 사고가 발생했을 때 언론에서 '아르곤 중독'이라는 표현을 사용하는 경우가 있는데, 아르곤 가스가 화학적인 독성을 가지는 것은 아니기 때문에 독성 물질에 의한 신체의 손상이나 이상 반응을 의미하는 '중독'이라는 말은 엄밀히 말하면 틀린 표현이다. 고농도 아르곤가스를 마시면 생명이 위험한 이유는 인간이 아르곤으로는 호흡을 할 수 없어 질식하기 때문이다. 다시 말하자면 다량의 아르곤이 호흡에 필요한
산소를 막는다는 것이다.
[4]
필라멘트는 비교적 텅스텐 필라멘트로 쓰는데,
텅스텐은 공기와 만나면 필라멘트의 수명이 급격히 줄어들기에 아르곤을 충전기체로 쓰는 것이다.