지르코늄 Zr

발견의 역사

지르콘은 고대부터 보석으로 알려져 있었지만, 그 안에 새로운 원소가 들어 있다는 사실은 18세기 말에야 밝혀졌다. 1789년 독일의 화학자 마르틴 하인리히 클라프로트는 스리랑카산 지르콘을 분석해 새로운 산화물인 지르코니아를 확인했다.

1824년 스웨덴의 베르셀리우스는 포타슘으로 환원하는 방법으로 불순한 금속 지르코늄을 처음 얻었다. 그러나 이 금속은 산소·질소와 쉽게 결합해 순수한 형태로 만들기 어려웠다.

1925년 네덜란드의 안톤 에뒤아르트 판아르컬과 얀 헨드릭 더보어는 아이오딘화 지르코늄 증기를 뜨거운 필라멘트 위에서 분해하는 '결정 막대법'으로 고순도 지르코늄을 얻었다. 이후 20세기 중반 원자력 산업이 커지면서 지르코늄은 전략 소재가 됐다.

이름의 유래

이름은 광물 지르콘에서 왔으며, 지르콘은 '금빛'을 뜻하는 페르시아어 자르군(zargun)에서 유래한 것으로 본다. 원소 기호는 Zr이다. 한국어 이름 '지르코늄'은 표기 변화 없이 쓰인다.

주요 용도

• 원자로: 지르코늄 합금(지르칼로이)은 중성자를 거의 흡수하지 않고 고온수에서도 잘 부식되지 않아 핵연료 피복관으로 쓰인다. 이를 위해 화학적으로 쌍둥이 같은 하프늄을 철저히 제거해야 한다. 하프늄은 반대로 중성자를 강하게 흡수하기 때문이다.
• 세라믹: 지르코니아는 단단하고 인성이 커서 치과용 크라운, 세라믹 칼, 인공 관절 부품에 쓰인다. 입방정 지르코니아(큐빅)는 다이아몬드 모조품으로 유명하다.
• 주물·내화물: 지르콘 모래는 녹는점이 높아 주물용 모래와 내화 벽돌에 쓰이고, 타일과 위생 도기의 유약을 불투명한 흰색으로 만든다.
• 화학 설비: 강산에 견디는 반응기와 배관 재료로 쓰인다.

동위원소

자연계 지르코늄은 다섯 가지 동위원소(지르코늄-90, 91, 92, 94, 96)로 이루어지며, 지르코늄-90이 절반 남짓을 차지한다. 지르코늄-96은 극히 긴 반감기로 이중 베타 붕괴하지만 사실상 안정하다. 지르코늄-89(반감기 약 78시간)는 항체에 붙여 암을 영상화하는 PET 연구에 쓰이고, 지르코늄-93은 반감기가 약 150만 년인 핵분열 생성물이다.

지르콘 광물은 결정이 생길 때 우라늄은 받아들이지만 납은 거의 받아들이지 않아 우라늄-납 연대측정에 이상적이다. 오스트레일리아 잭힐스에서 발견된 지르콘은 약 44억 년 전에 만들어져, 지구에서 알려진 가장 오래된 광물 조각으로 꼽힌다.

생활 속 원소

지르코늄은 주로 해변 광사에서 타이타늄 광물과 함께 채취된다. 금속은 독성이 낮고 인체 친화성이 좋아 의료용 임플란트 소재로 연구된다. 일부 땀 억제제에는 알루미늄-지르코늄 화합물이 들어 있다.

다만 고운 지르코늄 가루는 공기 중에서 쉽게 불이 붙는다. 또 매우 높은 온도에서는 수증기와 반응해 수소를 만드는데, 2011년 후쿠시마 원전 사고에서 수소 폭발이 일어난 원인 가운데 하나가 바로 이 반응이었다.