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금속
[편집]金屬 금속은 인간의 역사에 큰 영향을 미쳤고 또 매우 중요한 구실을 하고 있다. 인류의 역사를 청동기시대(靑銅器時代)라느니 철기시대라느니 하여, 그 시대에 주로 쓰인 금속의 이름으로 분류하고 있는 것부터가 그 사실을 증명하는 것이다. 금속은 예로부터 인류의 생활을 지탱하고 문화의 발전에 주역을 담당하여 온 것이다. 만일 금속이 없었더라면? ― 그러한 세계를 상상해 보기조차 어려운 일이다.
그러나 오늘날에도 아프리카나 남태평양의 도서지방에서 원시생활을 하고 있는 미개한 종족(種族)들은 전혀 금속을 사용하지 않는다. 사용하더라도 아주 한정된 범위에 이용하고 있는 데 지나지 않는다.
금속 중에 무기나 농기구로서 그 위력을 보인 것은 청동(구리와 주석의 합금)과 철인데, 이 철이 이용되지 않는 문명이라면 어느 정도 상상해볼 수도 있다. 즉 16세기에 에스파냐인들의 침략을 받은 끝에 멸망한 남미의 고대문명(잉카문명·마야문명)이 그 예로서, 이들은 금이나 은은 풍부했으나 철은 전혀 모르고 있었다. 철을 몰랐다고 해서 그 문명이 원시적 단계에 있었던 것이라고는 볼 수 없다.
그들은 훌륭한 국가조직을 이루고 있었으며 특히 토목기술(土木技術)은 매우 발달되어 있었다. 웅장한 피라미드나 궁전의 유적이 그러한 사실을 잘 말해 주고 있다. 그러나 이 대제국은 소수의 에스파냐인들의 손에 의해서 쉽게 멸망하고 말았다. 그 원인은 주로 철이 없었기 때문이다. 철이 없으면 무기가 약할 수밖에 없고, 그뿐만 아니라 산업 전체가 뒤떨어지게 마련이다. 농업에서도 나무나 석기(石器) 또는 청동제 농기구로 경작하는 것이므로 그 생산력이 여간해서는 증진되지 못함은 뻔한 일이다. 전체 산업이 뒤떨어지면 그 사회 전체의 힘도 약하다. 그러므로 어떤 부분이 아무리 발달했더라도 남미의 고대국가는 실은 힘이 약한 사회였던 것이다.
금속 재료가 우리들의 생활에 없어서는 안 되는 것임은 오늘날에 있어서는 엄연한 사실이지만, 옛날부터 금속이 너무도 인간 생활에 가까이 있어 왔기 때문에 우리는 그런 사실을 잊어버리는 경우가 많다. 금속을 잘 이용하는 일이 고대의 인류에게 있어서 중요했던 그 이상으로 우주시대인 오늘날의 우리에게 중요한 것이다.
활용의 여지가 많은 금속
[편집]活用－餘地－金屬
한마디로 금속이라고 말하기는 쉽지만 금속의 종류를 일일이 들자면 쉬운 일이 아니다. 금속에는 여러 종류가 있다. 원소의 주기율표(週期律表)를 보더라도 이 표의 좌측에 적혀 있는 그 큰 그룹이 모두 금속 원소인 것이다.
자연에 존재하는 103종 원소 중에서 금속이 아닌 비금속원소(非金屬元素)는 18종에 지나지 않는다. 즉 원소의 대부분은 금속 원소이다. 그런데 이 많은 금속 원소 중에서 현재 우리들이 금속재료로 이용하고 있는 금속일지라도 아직 그 능력을 충분히 활용하고 있다고는 볼 수 없는 것이 대부분이다.
금속의 활용이 이처럼 불충분한 것은 무엇 때문일까. 금속 원소는 거의 모두 단체(團體), 즉 단독의 형태로는 자연에서 산출되지 않고 따라서 섞여 있는 원소와 분리할 필요가 따르기 때문이며, 분리한 금속도 역시 순수하지 못한 경우가 많기 때문이다. 단독으로서도 그 성질이 복잡한 금속에 다시 여러 가지의 원소를 화합시켜서 성질이 서로 다른 온갖 종류의 합금을 만들 수가 있다.
인류가 아직 금속의 일면밖에는 모르고 그것을 충분히 이용하지 못하고 있음은 이와 같은 사실이 그 원인인 것이다. 보다 슬기롭게 금속을 분리 적출하고, 보다 효과적으로 금속을 이용하는 방법의 개발 없이는 인류의 미래에 발전을 기대할 만한 근거가 별로 없는 것이다.
흙속의 금속
[편집]지각 중의 금속
[편집]地殼中－金屬
철에 습기 있는 공기가 닿으면 부슬부슬한 녹으로 변한다. 녹은
철과는 그 성질이 아주 다른 것이다. 그러나 이 녹은 철이 자연의 모습으로 돌아간
것에 지나지 않는다. 본래 철은 자연상태로는 산화물(酸化物)의 형태로 존재하고
있다. 철의 원료는 적철광(赤鐵鑛：Fe2O3)이나 자철광(磁鐵鑛：Fe3O4)으로, 다같이 철이 산소와 결합된 것이다. 이것은 철의
경우에만 한하는 현상은 아니다. 다른 금속도 대부분은 산화물 또는 다른 원소와의
화합물로서 자연에 존재하고 있다. 그것이 지구를 둘러싸고 있는 지각 중의 암석(岩石)인
것이다. 지각의 암석을 형성하고 있는 원소는 산소와 규소(硅素)가 그 70% 이상을
차지하고 있으며 금속 원소는 그렇게 많은 것은 아니다. 가령 금속 원소가 어디나
균일(均一)한 비율로 지각 속에 분포되어 있다고 하면 암석 중의 금속 함유량(金屬含有量)은
매우 적은 것일 수밖에 없다.실제로 지각의 평균 화학조성을 중량의 백분율로 나타낸
클라크수(Clark 數)에 의하여 계산해 보면, 야구공 정도의 크기의 납덩어리(부피
약 180㎤, 무게 약 2㎏)를 얻기 위해서는 100t의 암석을 채집해야 한다는 결론이
나온다. 그만한 암석을 채집한다는 것은 운반비만으로도 엄청난 비용이 들게 된다.
그런데 다행하게도 지각 중의 금속 원소는 어디나 균일하게 분포되어 있는 것은 아니다.
지구가 형성되는 과정에서 금속원소는 각각 농도(濃度) 높은 광석으로 되어, 이른바
광상(鑛床)을 이루고 있는 것이다. 이 광상을 파냄으로써 우리는 경제적으로 광석에서
금속을 얻을 수가 있는 것이다. 납을 예로 들면 지각 중의 평균 함유량은 0.002%에
지나지 않지만, 광석 중에는 약 5%의 납이 들어 있는 것이다.
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알루미늄[편집]철
구리[편집] |
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금속 도구의 기원
[편집]金屬道具－起源
맨처음 인류는 어떻게 해서 암석으로부터 금속을 분리해 내는 방법을 알았을까, 언제 그것을 발견했을까 하는 문제를 놓고 고고학자(考古學者)들이 연구를 계속하여 왔으나 아직 확실한 것은 알려지지 않고 있다. 그러나 자연적으로 산출된 금속을 우연히 발견하여 이를 이용하기 시작했을 것이라는 추측은 가능하다. 금이나 은, 때로는 구리 따위도 금속의 상태로 자연 산출되는 경우가 있다. 한편, 하늘에서 내려온 유성(流星) 즉 운석(隕石)이 인류가 맨처음으로 발견한 금속이라고 주장하는 학자도 있다. 그러나 자연에 금속상태로 존재하는 금속은 몇 가지 안 되며, 그것마저도 매우 적은 분량밖에는 발견되지 않았다. 역시 암석, 즉 금속의 산화물로부터 금속 원소를 분리하는 방법을 알지 못했더라면 인류의 금속시대는 오지 않을 것이다.
그렇다면 어떤 길로 인류가 금속을 분리하는 방법을 발견하였을까. 어떤 학자는 산불이 붙은 속에서 가열된 암석의 일부가 녹아, 그 자리에 분리된 금속이 남아져 있었던 것이라고 주장하고 있다.
또 다른 학자는 원시인들이 모닥불을 피웠던 자리에서 분리된 금속을 발견했고, 그것을 두드려펴든가 굽히든가 하여 가공할 수 있어, 칼이나 쟁기 따위로 이용할 수 있음을 알게 된 것이라고 믿고 있다. 어느 쪽의 견해가 옳든간에 나무와 함께 광석을 불사르면 금속이 얻어진다는 사실을 어떤 기회에 우연히 발견하고, 이에 경험을 보탬으로써 금속을 제련하는 방법을 터득했으리라는 것은 거의 확실하다.
금속의 분리
[편집]金屬－分離
금속의 원자에 산소 원자가 결합되는 것을 산화(酸化)라 하며, 반대로 산화물로부터 산소를 분리시키는 것을 환원(還元)이라 부른다. 따라서 금속의 산화물인 광석에서 금속을 분리하려면 환원반응을 일으키게 하여야 하는 것이다. 환원 반응을 일으키는 데는 우선 환원제(還元劑)가 필요하다. 이 환원제는 금속에 비해서 그 이상으로 산소와 결합하는 성질이 강한 것이면 된다. 철을 환원하는 경우라면 탄소(C)나 일산화탄소(CO)가 환원제로 쓰이고 있다.
일산화탄소는 산소와 만나면 그 산소를 더 끌어들여서 이산화탄소(CO2), 즉 탄산가스가 되려고 한다.
rm CO + 1over2 O sub2 ~ rightarrow~ CO sub 2
일산화탄소 자체가 산화하는 것이므로 상대 물질을 환원시키는 능력을 가지게 된다. 그러나 보통의 상태, 즉 상온(常溫) 또는 실내 온도에서는 철광석(철의 산화물)을 일산화탄소 가스에 접촉시켜도 환원반응은 제대로 일어나지 않는다. 그러나 온도를 높이면 환원반응이 활발해져서 산화철로부터 철이 분리되어 나온다. 이것은 무엇 때문일까.
간추려 말하자면, 상온에서 철의 환원반응이 진행되지 않는 것은 철과 이산화탄소(CO2)와의 결합보다도 산화철과 일산화탄소(CO)와의 결합 쪽이 화학적으로 더 안정되어 있기 때문이다. 즉, 양쪽의 자유 에너지를 비교하면 후자의 경우가 낮기 때문이라고 말할 수 있는 것이다. 그런데 온도를 높이면 이러한 관계가 역전된다. 다시 말하면 고온에서는 이산화탄소의 결합 쪽이 산화철과 일산화탄소와의 결합보다도 안정성이 높아지고 따라서 환원반응이 진행되는 것이다. 한편 고온은 일반적으로 반응을 촉진하는 효과를 지니기 때문이기도 하다. 이와 같이 환원제를 넣고 온도를 높임으로써 암석을 환원시켜 금속을 분리할 수가 있다.
고대 사람들은 산불이나 큰 모닥불로 말미암아 부수적으로 고온을 얻었고, 한편으로는 나무가 불타서 생긴 숯(탄소：C), 또는 일산화탄소(CO)와 같은 환원제를 얻고 있었다.
새 기술과 새 금속
[편집]新技術－新金屬
금속 중에는 철보다도 더 강하게 산소와 결합해서 보다 안정된 산화물을 이루고 있는 것도 있다. 그러한 산화물을 분리하여 금속을 빼내려면 보다 높은 온도, 보다 강력한 환원제를 이용하든가 또는 전혀 다른 어떤 방법을 고안하지 않으면 안 된다.
알루미늄은 오늘날 우리들에게 매우 낯익은 일상적 금속이지만, 지금으로부터 100년 전에는 은보다도 훨씬 귀중하고 비싼 금속이었다. 그것은 알루미늄이라는 금속이 아주 안정된 산화물 Al2O3를 이루어, 탄소나 일산화탄소로는 3,000℃ 정도의 고온을 가하지 않으면 환원되지 않기 때문이다. 화학식에서도 나타나듯이 알루미늄 금속은 원래 산화철로부터 철을 분리시킬 정도의 강력한 환원제인 것이다.
Fe2O3＋2Al → Al2O3＋2Fe
즉 이 반응 자체가 매우 강력한 화원제를 사용한 금속분리의 과정이 되는 것이다. 알루미늄과 산소의 결합이 얼마나 강한 것인가는 이런 사실만으로도 알 수 있는 일이다.
그렇기 때문에, 알루미늄의 공업적 분리방법의 개발은 화학자의 오랜 염원으로 되어 왔던 것이다. 1886년 미국의 홀(1863∼1894)과 프랑스의 에루우(1863∼1914)는 거의 동시에 전기분해법(電氣分解法)을 발명해 이 숙제를 해결해 주었다. 전기분해법은 산소 따위의 원자와 강력히 결합되어 있는 금속을 분리하는 데 참으로 훌륭한 방법이다. 하지만 어떤 금속에든 모두 적용되는 것은 아니며, 다음과 같은 조건을 갖춘 경우라야 활용할 수 있다는 단점도 있다.
⑴ 금속 또는 금속화합물이 이온 상태로 되어 있어야 한다.
⑵ 전해(電解)를 하는 물질, 즉 전해질(電解質)이 전해되어 있는 조건 아래에서 안정성을 지녀야 한다. 예컨대 알루미늄을 염(鹽)의 상태로 하여 수용액에서 전해를 하면 알루미늄의 전해에 필요한 전압(電壓)에 이르기 전에 물이 먼저 분해되어 버리므로 이 방법은 이용할 수 없다.
⑶ 전해에 의하여 환원된 금속이 알맞게 전해질로부터 분리되는 것이라야 한다. 동(銅)의 전해를 예로 들자면, 수용액에서 환원된 동은 음극(陰極)에 치밀한 판상(板狀)으로 전착(電著)됨으로써 그 분리가 간단하며, 알루미늄의 용융염(熔融鹽)을 전해(電解)하는 경우에는 용해된 액체 알루미늄이 전해로(電解爐)의 밑바닥에 액체 형태로 괴기 때문에 손쉽게 분리할 수가 있는 것이다. 그러나 티탄은 융점(融點)이 높으므로 용융점 전해를 하더라도 고체의 상태로 환원되어 버리기 때문에 티탄의 공업적 전해는 아직 성공하지 못하고 있다.
이와 같이 전기분해법은 훌륭한 방법이기는 하지만 모든 금속에 이용할 수 있는 방법은 아닌 것이다.
그 밖에 고온에서의 환원반응과 전해에 의한 환원반응 등의 방법을 개량하고 또 여러 가지로 응용함으로써 우리 인류는 자연의 암석으로부터 금속을 빼내어 온 것이다.
철과 선철의 제련
[편집]선철의 제조
[편집]銑鐵－製造
철의 원료는 산화철과 규산(硅酸：SiO2) 또는 알루미나(Al2O3)와 같은 맥석(脈石)이라고 불리는 광물이 치밀하게 섞여 있는 광석이다. 산화철에서 산소를 빼버리는 환원제로서 쓰여지는 탄소도 역시 중요한 원료이다. 옛날에는 목탄을 사용했으나 오늘날에는 질이 좋은 석탄을 증기로 가열하여서 만든 코크스가 이 탄소원(炭素源)으로서 사용되고 있다. 코크스는 그 순도(純度)가 높아야 하며 단단한 덩어리로 된 것이어야 한다. 용광로에서 만들어진 철에 다시 불순물이 섞여서는 안되며 높이가 높은 용광로에 다져넣을 때에 부서져 가루가 되어도 곤란하기 때문이다.
주석이나 알루미나 따위의 맥석을 처리하는 일도 어려운 공정이다. 일단 만들어진 철에 다시 섞여 들지 않도록 이것을 분리해 버려야 한다. 그러기 위해서 석회를 용제(熔劑)로 사용하여 맥석이 빨리 녹도록 한다. 철보다 먼저 용해된 맥석은 철 위에 슬래그(slag)로 떠올라 분리된다. 이와 같이 환원반응과 맥석 분리를 하는 장치를 용광로(鎔鑛爐)라고 한다. 〔그림〕－1과 같이 높이가 높은 것은 고로(高爐)라 하며, 제련소에 있는 여러 시설 중에서 가장 눈에 띄는 장치이다. 오늘날 고로의 큰 것으로는 높이가 30m, 내부의 용적이 약 3,000㎥, 하루의 선철 생산량이 5,000t에 이르는 것이 있다.
용광로의 구조
[편집]鎔鑛爐－構造 용광로의 구조는 매우 간단하다. 벽돌로 쌓아올린 굴뚝 모양으로 되어 있으며, 안에는 별다른 장치가 없다. 노의 꼭대기로부터 철광석과 코크스와 석회석을 넣은 다음 밑에서 얼마 안되는 옆부분에 있는 20여 개의 구멍으로 약 800℃의 열기(熱氣)를 불어 넣는다. 이 열기를 받으면 노 속의 코크스가 불완전연소하여 2,000℃에 가까운 일산화탄소(CO)로 된다. 일산화탄소는 용광로 내부를 상승하면서 철광석을 가열하고 동시에 산소를 빼앗는 환원반응을 하여 이산화탄소(CO2)로 바뀐다. 일산화탄소는 위로 올라갈수록 온도가 떨어지고 그 농도도 낮아져서 광석을 가열·환원하는 힘이 줄어든 후 외부로 배출된다. 이와 같이 용광로 속에서의 첫 과정은 탄소가 일산화탄소로 바뀌는 일이다. 이 때에 열이 발생하므로 환원반응은 훨씬 촉진되며 일산화탄소는 환원제로서 산화철 속의 산소를 빼앗는다. 이 반응은 낮은 온도에서는 진행되지 않지만, 2,000℃ 가까운 일산화탄소에 의해서 고온에서는 잘 진행된다. 그리고 환원반응을 마친 이산화탄소는 용광로 내부를 상승하면서 원료를 가열하는 작용을 하여 다음 환원반응을 촉진하여 준다. 이처럼 원료를 미리 가열하는 작용을 예열(豫熱)이라고 한다. 제련 과정에서 탄소의 역할은 이와 같이 여러 가지이다. 일산화탄소의 이러한 작용과는 달리 철광석의 입장에서 그 변화를 보면 다음과 같다. 용광로의 윗부분에 있는 철광석은 코크스가 고온의 CO가스에 접촉하여 환원반응을 일으키고, 산화철 속의 산소를 빼앗겨 철로 바뀐다. 온도가 더욱 높아지면 이 철에 탄소가 녹아들어서 1,530℃이던 철의 융점이 1,200℃ 정도로 낮아져서 녹기 쉬워지며, 녹은 것은 노의 밑바닥에 괸다. 이것을 용선(鎔銑)이라고 부른다. 광석 속의 맥석도 1,000℃ 이상의 고온에서는 석회석 속의 CaO와 화합하여 용융점이 낮은 점성(粘性)의 슬래그로 바뀌어서 흘러내린다. 코크스 속의 회분(灰分)도 이 슬래그에 흡수된다. 이리하여 용강로 바닥에는 용선과 슬래그에 모이게 된다. 그런데 용선의 비중은 7 정도이며 슬래그의 비중은 약 3.5이므로, 용선은 밑에 괴고 슬래그는 그 위에 떠오르게 된다. 용광로에 일단 불을 넣으면 수년간은 주야로 끊임없이 제련이 계속된다. 노의 꼭대기로는 원료가 계속 보급되고 밑바닥에 괸 슬레그와 용선은 2∼3시간 간격으로 뽑아낸다.
제강
[편집]製鋼
용광로에서 나온 선철에는 4% 가량의 탄소와 규소·인·망간 등의 불순물이 들어 있다. 이 선철은 단단하지만 부서지기 쉬우므로 주조용(鑄造用)으로 쓰일 따름이다. 질기고 강한 강철로 만들기 위해서는 선철 속의 탄소를 줄이고 불순물을 제거해야 한다(〔그림〕－4).
용광로에서는 코크스에 의한 환원이 지나쳐서 철 속에는 탄소가 너무 많이 섞여 들었기 때문에, 이번에는 도리어 산화시킴으로써 탄소를 줄이는 한편, 불순물인 규소나 인 따위도 산화시켜 제거하여야 한다. 이 작업을 제강(製鋼)이라고 부르는데, 대표적인 제강 방법으로는 평로(平爐)를 이용하는 경우와 전로(轉爐)를 쓰는 경우의 두가지가 있다.
평로제강
[편집]平爐製鋼
〔그림〕－2는 평로의 단면을 나타낸 것이다. 평로 속에 고철 부스러기·석회석·선철 등을 넣고, 축열실(蓄熱室)에서 예열(豫熱)된 공기와 가스 또는 중유(重油)를 뿜어 넣어 고온 화염의 방사열로써 노 속의 것을 녹인다. 이 가스의 방향을 보통 10분 간격으로 좌우로 번갈아 바꿈으로써 열이 유효하게 이용되도록 한다.산소는 노 속의 열풍으로부터도 공급되지만 산화를 촉진시키기 위해서 다시 약간의 철광석을 넣는다. 이렇게 하면 탄소는 일산화탄소로서 제거되고 망간(Mn)·인(P)·규소(Si)도 각각 산화물로 되어 슬래그에 흡수된다. 이와 같은 공정으로 4∼5시간 동안 정련(精鍊)한 다음 이번에는 남아 있는 여분의 산소를 없애기 위하여 약간의 철－실리콘의 합금이나 알루미늄을 탈산제(脫酸劑)로서 첨가하여 거푸집에 부으면 응고하여 잉곳(ingot：鑄坤)으로 된다.
전로제강
[편집]轉爐製鋼
전로제강은 1855년에 베서머(H. Bessemer, 1813∼1893)에 의하여 발명된 방법이다. 이것은 〔그림〕－3과 같은 장치로 속에 공기를 뿜어 넣어서 선철 속의 불순물을 10∼15분 동안에 산화 정련하는 방법으로, 평로법에 앞서서 강철을 대량생산하는 길을 열어놓은 유명한 제강방법이다. 이 방법은 1877년에 토머스에 의해서 불순물인 인을 제거할 수 있도록 개량되어, 유럽에서는 한때 널리 이용되었으나, 같은 무렵에 발전하기 시작한 평로에 비해서 강철의 품질이 약간 떨어진다는 결점 때문에 세계적으로는 평로방법이 제강의 주류가되었고 전로는 별로 발전하지 못했다.
그러다가 베서머의 전로 발명 후 90년이 지난 1946년에 노의 형태는 비슷하지만 밑으로부터가 아니라 용선의 위로부터 순수한 산소를 고압·고속으로 분사(噴射)하여 정련하는 산소분사식 전로가 발명되었다. 이 방법을 처음으로 고안하여 사용한 곳이 오스트리아의 린츠(Linz) 공장과 도나비츠(Donawitz) 공장인 데서 유래하여 LD전로라고도 부른다. LD전로는 그림에도 나타나 있듯이 주둥이가 큰 병과 같은 모양으로 되어 있다. 이 노를 수평으로 기울여서 용선을 넣고 석회와 고철 부스러기를 첨가한 다음 바로 세운다.
여기에 산소관(酸素管)을 넣어 고속으로 산소를 분사한다. 그러면 선철 속의 불순물은 급속도로 산화되고 탄소도 줄어들어 40분 정도면 정련이 끝난다. 순수한 산소를 사용하는 이 LD전로는 평로보다도 질이 더 좋은 강철이 생산되고, 평로에 비해서 생산 능률도 훨씬 향상시킬 수가 있으므로 1950년대부터는 세계적으로 제강 방법의 새 주류를 이루게 되었다.
직접제강법
[편집]直接製鋼法
용광로에 의한 선철 제조와 평로·전로에 의한 제강에서는 앞에서 설명하였듯이, 광석의 산화철이 지나치게 환원됨으로 탄소의 함유량이 너무 많아져, 선철을 다시 산화시켜야 강철로 만들 수 있게 되는 이중의 비용이 든다. 여기에서 처음부터 광석을 꼭 알맞을 정도로 환원시킴으로써 직접 강철을 만들 수는 없을까 하는 의문이 생긴다. 오늘날 이 문제를 해결하기 위해 여러 가지 방법이 연구되고 있다.
기타 금속의 제련
[편집]구리
[편집]銅 기원전 5,000년경에 이집트에서는 이미 구리를 사용하고 있었다고 하므로, 구리와 그 합금의 역사는 퍽 오래다. 처음에는 아마도 자연동을 주워 모아서 사용했을 것이며, 공작석(孔雀石：CuCO3·Cu(OH)2)이나 남동석(藍銅石：2CuCO3·Cu (OH)2)과 같은 환원성이 강한 광석이 모닥불 바닥에서 동으로 되기도 하였을 것이다. 원래 구리는 유황과 친화(親和)하는 성질이 강하다. 따라서 천연적으로는 대부분 황동석(黃銅石：CuFeS2)이나 휘동석(輝銅石：Cu2S)과 같은 황화물(黃化物)의 형태로 생산된다. 철광석의 경우는 광석 속에 철분 50∼60% 함유되어 있으므로 그냥 용광로에 넣을 수가 있으나, 동광석의 경우는 암석 성분의 맥석이 많고 구리의 함유량은 보통 1∼2% 정도이다. 그러므로 예비처리로서 광석을 빻아 불필요한 맥석과 필요한 광물을 분리하는 공정을 거쳐야 한다. 이 조작을 선광(選鑛)이라고 하며 선광에 의해서 가려진 유용 광물을 정광(精鑛)이라고 부른다. 선광에는 광석의 분쇄와 유용 광물의 함유율을 높이기 위한 조작이 포함된다. 동과 같은 황화 광물에 많이 쓰이는 방법은 부유선광법(浮游選鑛法)이다. 우선 광석을 0.2㎜ 이하로 빻아 흙탕물 모양으로 만든 다음, 활성제(活性劑)를 넣어서 유용광물의 표면에 내수성(耐水性)이 생기게 한다. 여기에 발포제(發泡劑)를 넣어 섞으면 흙탕물 속의 광물은 발포제 때문에 생긴 거품에 흡착되어 떠오른다. 이 입자(粒子)를 농축(濃縮)하면 정광이 된다. 이렇게 하면 함유율 5%이던 광석도 유용광물 50% 이상을 함유하게 되므로 정련하기 쉽다(〔그림〕－5). 동의 정광은 황화동·황화철과 선광과정에서 미처 분리되지 않고 남은 맥석으로 되어 있다. 이것을 소형 용광로에 넣고 산화 용융하면, 산소와의 결합력이 강한 FeS가 먼저 산화해 FeO가 되고 이것은 맥석의 SiO2 등과 함께 슬래그를 이룬다. 구리는 Cu2S로 그대로 남아서 FeS의 일부와 함께 녹아 슬래그 밑에 괸다. 이것을 전로에 넣고 공기를 분사하면 FeS가 먼저 산화하여 슬래그로 되고 황화구리의 산화가 진행함에 따라, Cu2S＋2Cu2O → 6Cu＋SO2로 되어 구리가 생긴다. 이 때의 구리는 순도가 낮은 조동(租銅)이며, 그 순도를 높이기 위해서 다시 전기분해법에 의한 정련을 하여야 한다(〔그림〕－6).
금·은
[편집]金·銀
금이 녹슬지 않음은 산소나 유황과 결합되기 어려운 성질 때문이며, 따라서 금은 자연금(自然金)으로서 산출된다. 광맥으로 되어 있는 금은 산금(山金)이며, 이것이 부서져서 하상(河床) 같은 데에 모인 것이 사금(砂金)이다. 사금은 오늘날 거의 모두 채굴되어 버렸기 때문에, 광석 속에 조금씩 섞여 있는 금을 청화용액(靑化溶液)으로 녹여서 분리하는 것이 금을 제련하는 방법의 주류가 되고 있다.
먼저 광석을 빻아서 청화용액과 함께 통에 넣고 공기를 불어넣으면서 휘젓는다. 금은 다음과 같은 반응으로 착이온(錯 ion)이 되어 용해한다.
4Au＋8KCN＋2H2O＋O2→ 4KAu(CN)2＋4KOH
금을 녹인 청화용액을 여과하여 여기에 아연 분말을 넣으면 다음과 같은 반응으로 아연이 녹아서 금이 분리되어 나온다.
KAu(CN)2＋2KCN＋2Zn＋H2O
→ 2KZn(CN)2＋Au↓＋KOH＋H
청화용액이란 시안화물(cyanide)의 용액으로서, 시안화물로는 시안화칼륨(KCN), 시안화나트륨(NaCN) 또는 시안화칼슘(Ca(CN)2) 등이 쓰인다. 앞에서의 반응식은 시안화칼륨의 경우를 예로 든 것이다.
은은 휘은광(Ag2S)의 형태로 된 것이 많은데, 이것도 청화용액에 녹는다. 청화용액에서 은을 분리해 낼 때에도 금의 경우와 마찬가지로 아연 분말을 사용한다.
알루미늄
[편집]aluminium 알루미늄이 발견된 것은 구리나 철에 비해서 훨씬 나중의 일이다. 금속 원소로서는 지각 속에 가장 많이 들어 있지만, 금속으로서 처음 발견된 것은 1825년의 일이며, 당시에는 금이나 은 이상의 귀금속으로 여겨졌다. 알루미늄으로 만든 메달이 나폴레옹 3세에게 헌납된 일이 기록에 남아 있을 정도이다. 그러나 산화알루미늄의 전기분해법이 발명되고부터는 공업재료로서 대량생산되기 시작했고, 오늘날에는 철에 이은 제2의 금속으로 등장할 만큼 급속하게 그 생산이 발전되고 있다. 알루미늄의 광석은 보크사이트라고 하며, 적도 부근의 열대지방에 많이 있는 것으로서, 알루미늄을 산화물인 알루미나(Al2O3)의 형태로 40∼60% 함유하고 있다. 알루미늄 제련은 먼저 보크사이트로부터 알루미나(Al2O3)를 추출(抽出)하는 것이 그 첫단계가 된다. 오늘날 사용되고 있는 제련방법은 바이어법이라고 하여, 온도를 높인 수산화나트륨 용액으로 광석 중의 알루미나를 알루민산나트륨(NaAlO2)의 형태로 뽑아 내고, 이 액을 서서히 냉각시켜 알루미나를 석출하는 과정을 거친다. 이 알루미나를 터널킬른(tunnel kiln)이라는 길쭉한 노에서 구우면 무수(無水)한 순 알루미나가 된다. 알루미나는 산소와 강력히 결합되어 있어서 간단하게 환원되지는 않는다. 또한 알루미나는 용해하기 어려운 물질이다. 그러나 만약 용융상태에서 이온 형태로 되어 있다면, 전기분해법에 의해 알루미늄과 산소와의 결합력을 이길 만큼의 에너지를 준다는 것은 그다지 어려운 일은 아니다. 여기에서 고안된 것이 빙정석(氷晶石)을 이용하는 방법이다. 용융된 빙정석(3NaF·AlF3)을 알루미나에 첨가함으로써 1,000℃ 정도의 비교적 낮은 온도로 녹일 수가 있게 된다. 이에 ＋극과 －극을 넣어 주면, 전기 에너지의 도움으로 환원이 진행되어, －극에 금속 알루미늄이 석출되는 것이다.
티탄의 광석
[편집]titanium－鑛石
티탄이 공업적으로 생산되기 시작한 것은 약 20년 전부터이며, 아직도 새로운 금속에 속한다. 그러나 지각 속의 매장량은 금속재료로서는 비교적 많은 편이며, 알루미늄·철·마그네슘 등보다는 적지만 구리·아연·납 등에 비해 훨씬 많다.
티탄은 산소와의 결합력이 강하므로, 원료 광석은 모두 산화물이다. 티탄 단독으로 된 산화물 광석은 금홍석(金紅石), 즉 루틸(TiO2)이다. 한편, 철의 산화물과 결합되어 있는 일메나이트(티탄철석：FeO·TiO2) 형태의 광석도 많이 생산되고 있다. 티탄의 공업적 생산이 늦어진 최대의 원인은 이 금속의 활성이며 고온에서는 산소·질소·수소 등과 즉시 반응하여 화합물이 되어 버리며, 내화재료(耐火材料)로서 도가니나 용광로의 안벽에 붙은 알루미나나 마그네시아 탄소 등과도 재빨리 반응해 버리기 때문에, 좀체로 산화물을 환원하여 순수한 티탄을 얻기가 기술적으로 매우 어려웠던 것이다.
현재 공업적 생산에 쓰이고 있는 방법은 발명자의 이름을 따서 크롤법이라 부르는 것으로서 티탄의 산화물을 일단 염화물의 형태로 바꾼 다음, 이를 마그네슘을 환원시키고 있는 것이다.
티탄이 들어 있는 사철(砂鐵)을 원료로 하는 경우에는 아크로(arc 爐)에 의하여서 철분을 환원하여 선철로서 분리하고, 남은 산화티탄을 슬래그 속에 농축한다. 산화티탄의 함유물과 탄소분의 코크스·피치를 뒤섞어서 조개탄 모양의 단광(團鑛)을 만들어 염화로(鹽化爐) 속에서 800℃로 가열한다. 그리고 이에 염소를 넣어 염화하면 산화 티탄은 사염화티탄(TiCl4)으로 변하는데, 이것은 고온에서 휘발성을 가지는 액체이므로 증류에 의하여 정제할 수가 있다.
정제된 사염화티탄이 〔그림〕－10과 같은 반응 용기 속에서 적하(滴下)되어, 마그네슘 액체와 접촉하면 마그네슘에 의해 환원되어 이 염소와 결합하기 때문에) 해면 상태의 티탄이 용기의 주변에 석출되기 시작한다. 이 티탄은 반응이 진행됨에 따라 차츰 중심부로 늘어나서 나중에는 스폰지 티탄이라고 불리는 큰 덩어리를 이룬다(〔그림〕－9).
티탄 주괴
[편집]titanium 鑄塊
경석(輕石) 모양의 단단한 스폰지티탄으로 선이나 판을 만들기가 어렵다. 그러므로 다시 용해하여 치밀한 주괴로 만들어야 한다. 티탄은 고온에서는 여러 종류의 가스나 내화물과 곧 반응하고 만다. 가스와의 반응은 진공 중 또는 불활성 가스 속에서 용해하는 방법에 의하여 막을 수가 있겠으나, 용해된 티탄을 다른 물질과 화합되지 않도록 넣어 둘 용기가 필요하게 되므로, 철·알루미늄을 용해시킬 때와 같은 방법을 사용할 수가 없다.
그런데 이 난점은 다음과 같은 간단한 원리에 의하여 해결되었다. 즉 용접방법의 하나인 아크용접과 비슷한 것으로서, 스폰지티탄을 프레스로 봉상(棒狀)으로 압착한 것을 전극으로 하고, 진공 중에서 아크를 방전시키는 방법이다.
이 열로 녹아 떨어지는 티탄을 수냉(水冷)한 구리도가니에 받아서 굳히면 된다. 이와 같은 방법을 소모전극 아크용해법(消耗電極 arc 溶解法)이라고 하며, 이 형식으로 된 대형 용해로는 2t 정도의 대형 티탄 주괴를 생산할 수 있다.
마그네슘
[편집]magnesium
실용 금속으로서 가장 가벼운 것은 마그네슘이다. 알루미늄·철에 이어 지각 속에 가장 많이 함유되어 있는 금속이다.
돌로마이트(MgCO3·CaCO3) 또는 마그네사이트(MgCO3)의 형태로서 산출되며, 바닷물 속에 염화마그네슘(MgCl2), 황산마그네슘(MgSO4)으로서 마그네슘이 0.13% 들어 있다.
현재 바닷물 속의 마그네슘을 제련하는 생산도 실용화되고 있다. 마그네슘의 제련은 알루미늄(Al)의 경우와 마찬가지로, 염화마그네슘을 전기 분해에 의해 환원시키는 방법과 산화마그네슘을 규소로서 환원·치환(置換)하는 방법이 있다. 〔그림〕－11은 마그네슘의 제조 공정을 설명한 것으로서 탄산마그네슘과 탄산칼슘으로 되어 있는 돌로마이트를, 로터리킬른이라고 하는 큰 파이를 눕힌 모양으로 된 노에 넣어서 소성(燒成)하여 산화물로 만든다. 여기에 규소 약 80%를 함유하는 페로실리콘(Fe－Si)을 혼합하여 단광(團鑛)으로 만들고, 진공에서 1,200℃로 가열하면 단광은 환원되고 마그네슘이 증발한다.
2MgO·CaO＋Si
→ 2Mg↑＋CaO＋SiO2
해수를 원료로 하는 경우는 바닷물에 석회수(생석회를 더운물에 녹인 것)를 부어 해수 속의 마그네슘 화합물과 반응시킨다. 이 반응으로 생긴 수산화마그네슘은 바닥에 가라 앉으므로 이것을 채집하여서 로터리킬른으로 소성하여 산화마그네슘으로 만든다. 그 다음의 환원은 돌로마이트의 경우와 같다. 이러한 반응을 화학식으로 설명하면 먼저 석회수를 만들고,
CaO＋H2O → Ca(OH)2
이 석회수를 바닷물에 넣으면
MgCl2＋Ca(OH)2
→ Mg(OH)2↓＋CaCl2
MgSo4＋Ca(OH)
→ Mg(OH)2↓＋CaSO4
수산화마그네슘의 소성
Mg(OH)2 → MgO＋H2O↑
한편 바닷물 속의 마그네슘 함유물이 약 0.13%라는 것은 해수 약 800t을 처리하면 1t의 마그네슘을 얻을 수 있다는 계산이 된다.
바다는 지구의 표면적의 약 70%를 차지하므로 1년에 1억t씩 100만년 동안 마그네슘을 채집한다고 하여도, 바닷물 속의 마그네슘 함유량은 0.13%로부터 0.12%로 줄어드는 데 지나지 않는다. 현재 전세계의 마그네슘 생산량은 연간 20만t이므로, 마그네슘 자원은 실로 무한하다고 할 수 있다.