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바나듐

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목차

1. 개요

바나듐은 은백색의 단단한 금속 원소로, 강철 합금 및 다양한 화학적 용도로 사용된다. 1801년 멕시코에서 처음 발견되었으며, 스칸디나비아 신화의 여신 바나디스의 이름을 따 1830년에 명명되었다. 바나듐은 다른 원소와 결합하기 쉬워 순수한 형태로 분리하기 어려웠으나, 1925년 오산화 바나듐을 칼슘으로 환원하는 방법이 개발되면서 대량 생산이 시작되었다. 바나듐은 강철의 강도와 내열성을 높이는 데 기여하며, 촉매, 초전도체, 배터리 등 다양한 분야에서 활용된다. 자연에서는 다양한 광물 형태로 존재하며, 중국, 남아프리카 공화국, 러시아 등에서 주로 채굴된다. 생물체 내에서는 제한적인 역할을 하며, 과다 노출 시 독성을 나타낼 수 있다.

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바나듐
지도 정보
기본 정보
원소 이름바나듐
영어 이름Vanadium
일본어 이름バナジウム
중국어 이름釩
기호V
원자 번호23
왼쪽 원소티타늄
오른쪽 원소크로뮴
위쪽 원소–
아래쪽 원소나이오븀
족5
주기4
블록d
분류전이 금속
겉모습청회색 금속
바나듐 결정
바나듐 결정
바나듐 결정 막대 및 1cm³ 큐브
바나듐 결정 막대 및 1cm³ 큐브
원자 질량50.9415
전자 배치[Ar] 3d3 4s2
껍질당 전자 수2, 8, 11, 2
상태고체
물리적 성질
밀도6.099 g/cm³ (20°C)
액체 밀도5.5 g/cm³
녹는점2183 K (1910 °C, 3470 °F)
끓는점3680 K (3407 °C, 6165 °F)
승화열21.5 kJ/mol
기화열444 kJ/mol
열용량24.89 J/(mol·K)
증기압1 Pa: 2101 K
10 Pa: 2289 K
100 Pa: 2523 K
1 kPa: 2814 K
10 kPa: 3187 K
100 kPa: 3679 K
결정 구조체심 입방정계
격자 상수a = 302.72 pm (20 °C)
전기 음성도1.63 (폴링 척도)
이온화 에너지1차: 650.9 kJ/mol
2차: 1414 kJ/mol
3차: 2830 kJ/mol
원자 반지름134 pm
공유 반지름153±8 pm
자기 정렬상자성
전기 저항197 nΩ·m (20 °C)
열전도율30.7 W/(m·K)
열팽창 계수8.77×10−6/K (20 °C)
음속4560 m/s (막대, 20 °C)
영률128 GPa
전단 탄성 계수47 GPa
부피 탄성 계수160 GPa
푸아송 비0.37
모스 경도6.7
비커스 경도628–640
브리넬 경도600–742
화학적 성질
산화 상태'5', 4, 3, 2, 1, -1 (양쪽성 산화물)
동위 원소
동위 원소48V: 합성, 15.9735일, ε/β+ 붕괴, 48Ti 생성
49V: 합성, 330일, ε 붕괴, 49Ti 생성
50V: 0.25%, 1.5×1017년, ε 붕괴로 50Ti 생성 및 β- 붕괴로 50Cr 생성
51V: 99.75%, 안정
기타 정보
CAS 등록 번호7440-62-2
발견자안드레스 마누엘 델 리오
발견 연도1801년
최초 분리헨리 엔필드 로스코
최초 분리 연도1867년
명명자닐스 가브리엘 세프스트룀
명명 연도1830년

2. 역사

바나듐은 1801년 멕시코의 광물학자 안드레스 마누엘 델 리오가 처음 발견하였으나, 당시에는 불순물이 섞인 크로뮴으로 오인되어 인정받지 못했다. 1831년 스웨덴의 화학자 닐스 가브리엘 세프스트룀이 철광석에서 새로운 원소의 산화물을 재발견하고, 프리드리히 뵐러가 이 원소가 델 리오가 발견했던 원소와 동일함을 확인하면서 바나듐으로 명명되었다.

포드 모델 T는 섀시에 바나듐강을 사용했다.


순수한 바나듐을 분리하는 것은 매우 어려웠는데, 1867년 헨리 엔필드 로스코가 염화 바나듐(II)을 수소로 환원시켜 고순도의 바나듐을 얻는 데 성공하였다. 이후 1927년에는 오산화 바나듐을 칼슘으로 환원시켜 순수한 바나듐을 얻는 방법이 개발되었다. 바나듐은 포드 모델 T에 합금 형태로 사용되면서 대량으로 생산되기 시작하였으며, 바나듐강은 차체 경량화와 강도 향상에 기여했다.

1911년에는 혈액 속에 바나듐이 포함되어 있다는 사실이 알려졌다.

2. 1. 발견과 명명

바나듐은 1801년 멕시코의 광물학자 안드레스 마누엘 델 리오가 갈연광을 분석하는 과정에서 발견하였다.[4] 델 리오는 새로운 원소가 화합물에 따라 다양한 색을 가지는 것을 보고 처음에는 '판크로뮴(panchromium)'(그리스어: παγχρώμιο "모든 색깔")이라고 명명하였으나, 대부분의 염이 가열하면 붉은색으로 변하는 것을 보고 '에리트로늄'(erythronium)(그리스어: ερυθρός "붉은색")으로 바꾸었다.[4] 1805년 프랑스의 화학자 이폴리트 빅토르 콜레-데스코틸은 델 리오의 새로운 원소는 불순물이 첨가된 크로뮴이라고 잘못 판단했고, 델 리오는 이 주장을 받아들여 자신의 주장을 철회했다.[4]

1831년 스웨덴의 화학자 닐스 가브리엘 세프스트룀은 철광석을 연구하던 중 새로운 원소의 산화물을 재발견하였고, 같은 해 독일의 화학자 프리드리히 뵐러는 이 원소가 이전에 델 리오가 발견했던 원소임을 확인하였다.[5] 세프스트룀은 스칸디나비아 신화에 나오는 미의 여신인 프레이야(고대 노르드어: Vanadís)에서 이름을 따 '바나듐'이라는 이름을 붙였다.[5] 1831년 조지 윌리엄 페더스톤호는 델 리오의 이름을 따 '리오늄(rionium)'이라는 이름을 붙이자고 제안하였지만 받아들여지지 않았다.[7]

바나듐의 발견에는 여러 별칭이 있었는데, 역사 속에 묻힐 뻔했다.

연도명명자이름어원비고
1801년안드레스 마누엘 델 리오판크로뮴(panchromium)다양한 색을 띠는 특성
1801년안드레스 마누엘 델 리오에리트로늄(erythronium)가열 시 붉은색으로 변하는 특성
1830년닐스 가브리엘 세프스트룀바나듐(vanadium)스칸디나비아 신화의 미의 여신 바나디스(Vanadís)
1831년프리드리히 뵐러(에리트로늄과 바나듐이 동일함을 확인)
1831년조지 윌리엄 페더스톤호리오늄(rionium)델 리오의 이름을 기리기 위해 제안 (받아들여지지 않음)
1880년알칸젤로 스카키|Arcangelo Scacchiit베스븀(vesbium)베수비오 산 (신원소가 아닌 것으로 밝혀짐)


2. 2. 분리와 초기 활용

바나듐은 다른 원소와 결합하기 쉬운 성질 때문에 순수한 형태로 분리하기가 매우 어려웠다.[129] 1831년 옌스 야코브 베르셀리우스가 금속 분리에 성공했다고 발표했으나, 1867년 헨리 엔필드 로스코는 이것이 질화 바나듐(VN)임을 밝혔다. 1867년 로스코는 염화 바나듐(II) (VCl₂)를 수소로 환원시켜 분말 형태의 금속 바나듐을 얻는 데 성공했다.[130] 1925년 J.W. 마든과 M.N. 리치가 오산화 바나듐(V₂O₅)을 칼슘으로 환원시켜 고순도 금속 바나듐을 정제하는 방법을 개발했다.[131] 20세기 초, 포드 모델 T에 바나듐강이 사용되면서 대량 생산이 시작되었다. 바나듐강은 차체 경량화와 강도 향상에 기여했다.

3. 성질

바나듐은 단단하고 연성과 전성이 뛰어난 회백색 금속이다. 연성과 전성이 매우 뛰어나지만 잘 부러지지 않아 무른 금속으로 보기도 한다. 대부분의 금속과 강철보다 단단하며, 염기, 황산, 염산 등에 대한 부식 저항성이 강하다. 933K(660°C)에서 쉽게 산화되지만, 상온에서도 산화 피막이 형성된다. 구조적으로 강하며, 분열 중성자 단면적이 작아 핵 시설 등에 이용된다. 금속이긴 하나 크로뮴이나 망가니즈처럼 산화물이 산성을 띠는 성질이 있다. 크로뮴이나 철과 섞어서 단단한 합금을 만들 수 있다.

+2에서 +5까지의 산화수를 가질 수 있으며, 산화 상태에 따라 보라색, 녹색, 푸른색, 노란색 등 다양한 색을 나타낸다.

전자빔 용융법으로 재용융 및 거시 에칭 처리된 다결정 고순도(99.95%) 바나듐 직육면체


볼과막대모형의 VO(O2C5H7)2


12가지의 이원 할로겐화물(VXn, n=2~5)이 알려져 있다.[36] VI4, VCl5, VBr5, VI5는 존재하지 않거나 매우 불안정하다. 다른 시약과 함께, VCl4는 디엔의 중합 반응 촉매로 사용된다. 모든 이원 할로겐화물과 마찬가지로, 바나듐의 할로겐화물 또한 특히 V(IV)와 V(V)의 경우 루이스 산성을 띤다.[36] 많은 할로겐화물이 VX''n''L6−''n'' (X= 할로겐화물; L= 다른 리간드)의 공식을 가진 팔면체 착물을 형성한다.

많은 바나듐 옥시할로겐화물(화학식 VOmXn)이 알려져 있다.[37] 옥시트리클로라이드와 옥시트리플루오라이드(VOCl3 및 VOF3)가 가장 광범위하게 연구되었다. POCl3와 유사하게, 이들은 휘발성이며,[38] 기체 상태에서는 사면체 구조를 가지며, 루이스 산성을 띤다.[39]

회색빛이 도는 은백색의 금속으로, 전이원소이다. 금속으로서는 무르며, 전성이 있어 쉽게 압연 가공할 수 있다. 보통의 산, 알칼리, 물과는 반응하지 않지만, 진한 질산, 진한 황산, 플루오르화 수소산에는 녹는다.

3. 1. 물리적 성질

바나듐은 단단하고 연성과 전성이 뛰어난 회백색 금속이다. 연성과 전성이 매우 뛰어나지만 잘 부러지지 않아 무른 금속으로 보기도 한다. 대부분의 금속과 강철보다 단단하며, 염기, 황산, 염산 등에 대한 부식 저항성이 강하다.[16][17][18] 933K(660°C)에서 쉽게 산화되지만, 상온에서도 산화 피막이 형성된다.[19]

결정 구조는 온도 조건에 따라 세 가지가 있으며, 상온·상압에서 안정된 결정 구조는 체심입방격자이다. 비중은 6.11, 융점은 1910°C, 비점은 3407°C이다.

3. 2. 화학적 성질

바나듐은 +2에서 +5까지의 산화수를 가질 수 있으며, 산화 상태에 따라 보라색, 녹색, 푸른색, 노란색 등 다양한 색을 나타낸다. 바나듐(II) 화합물은 환원제로 작용하고, 바나듐(V) 화합물은 산화제로 작용한다.[40][41][42] 바나듐 이온은 크기가 커서 [V(CN)7]4−와 같이 배위수가 6보다 큰 착물을 형성하기도 한다. 산화바나듐(V)은 사좌배위 리간드 및 과산화물과 7배위 착물을 형성하며, 이러한 착물은 산화적 브롬화 및 티오에테르 산화에 사용된다.

V4+의 배위화학은 아세틸아세토네이트바나딜(V(O)(O2C5H7)2)과 같이 바나딜 중심(VO2+)에 의해 지배된다. 이 착물에서 바나듐은 5배위이며, 뒤틀린 사각뿔 모양이다. 피리딘과 같은 여섯 번째 리간드가 부착될 수 있지만, 이 과정의 결합 상수는 작다. 많은 5배위 바나딜 착물은 VOCl2(NMe3)2와 같이 삼각쌍뿔 모양의 기하구조를 갖는다. V5+의 배위화학은 상대적으로 안정적인 디옥소바나듐 착물에 의해 지배되는데, 이는 종종 바나듐(IV) 전구체의 공기 산화에 의해 형성되며, +5 산화 상태의 안정성과 +4 및 +5 상태 간의 상호 변환의 용이성을 나타낸다.

바나듐은 보통의 산, 알칼리, 물과는 반응하지 않지만, 진한 질산, 진한 황산, 플루오르화 수소산에는 녹는다.

3. 3. 동위 원소

자연에는 안정한 동위 원소인 51V (존재 비율 99.75%)와 반감기가 1.5×1017년인 방사성 동위 원소 50V (존재 비율 0.25%)가 존재한다. 51V는 핵 스핀이 7/2로, 51V NMR 분광법에 유용하다. 원자량 40에서 65 사이에 24종류의 동위 원소가 발견되었으며, 이들 중 가장 안정한 것은 49V와 48V로 반감기가 각각 330일과 16일이다. 나머지 동위 원소들은 모두 반감기가 1시간 미만이다. 준안정 상태의 동위 원소도 4가지가 발견되었다.

4. 존재 및 생산

바나듐 생산 추세


진공 승화된 바나듐 수지상 결정 (99.9%)


페로바나듐 덩어리


바나듐은 자연 상태에서 순수한 형태로 발견되지 않고, 패트로나이트, 바나디나이트(갈연광) 등 다양한 광물과 화석 연료에 포함되어 있다. 주로 중국, 남아프리카 공화국, 러시아 동부에서 채굴되며, 2022년에는 이 세 국가가 전 세계 바나듐 생산량(10만 톤)의 96% 이상을 차지했고, 그중 중국이 70%를 차지했다.[55] 콜리마 화산의 분기공은 바나듐이 풍부한 것으로 알려져 있다.[56][57][58]

바나듐은 보크사이트, 원유, 석탄, 오일 셰일, 타르 모래 매장지에도 존재하며, 원유에는 최대 1200ppm까지 포함되어 있다. 이러한 석유 제품 연소 시 발생하는 미량의 바나듐은 엔진과 보일러에 부식을 일으킬 수 있으며,[59] 매년 약 11만 톤의 바나듐이 화석 연료 연소를 통해 대기 중으로 방출되는 것으로 추산된다.[60]

태양을 비롯한 항성에도 바나듐이 포함되어 있으며,[64] 바나딜 이온은 바닷물과 일부 광천수 온천에도 존재한다. 후지산 근처 온천에는 리터당 최대 54 μg의 바나딜 이온이 포함되어 있다.[62]

4. 1. 자연 존재

바나듐은 순수한 형태로 발견되지 않고, 다양한 광물 속에서 바나듐 화합물 형태로 존재한다.[46] 주로 패트로나이트(VS₄),[52] 바나디나이트(갈연광, Pb₅(VO₄)₃Cl) 등의 광물에서 얻으며, 남아프리카 공화국, 중국 북서부, 러시아 동부 등에서 많이 생산된다.[55]

바나디나이트


20세기 초에는 페루 세로 데 파스코 후닌 근처에서 대규모 바나듐 광석 매장지가 발견되었는데(현재 미나스 라그라 바나듐 광산),[49][50][51] 이 파트로나이트 매장지는 수년 동안 경제적으로 중요한 바나듐 광석 공급원이었다. 1920년에는 전 세계 생산량의 약 3분의 2가 페루 광산에서 공급되었다.[53]

카르노타이트(K₂(UO₂)₂(VO₄)₂·3H₂O)에서 우라늄을 생산하면서 바나듐은 그 부산물로 얻어지게 되었다.[54][51] 현재 전 세계 바나듐 생산량의 상당 부분은 초염기성암 반려암체에서 발견되는 바나듐 함유 자철석에서 얻고 있다.

바나듐은 석유, 석탄, 오일샌드 등 다양한 화석 연료에도 포함되어 있다.[59] 특히 석유에는 최대 1200ppm까지 들어 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 석유 제품이 연소하면서 나오는 미량의 바나듐은 자동차나 보일러 내부에 부식을 일으킬 수 있다.[59] 매년 약 11만 톤의 바나듐이 화석 연료 연소를 통해 대기 중으로 방출되는 것으로 추산된다.[60] 흑색 셰일도 바나듐의 잠재적 공급원이며, 제2차 세계 대전 중에는 스웨덴 남부의 알루미늄 셰일에서 일부 바나듐이 추출되었다.[61]

태양과 항성에도 바나듐이 포함되어 있는 것으로 밝혀졌다.[64] 우주에서 바나듐의 우주 존재비는 0.0001%이며, 이는 바나듐이 구리 또는 아연과 거의 같은 정도로 흔하다는 것을 의미한다.[62] 바나듐은 지각에서 19번째로 풍부한 원소이다.[63] 바나딜 이온은 바닷물에도 풍부하며, 평균 농도는 30 nM(1.5 mg/m³)이다.[62] 일부 광천수 온천에도 이 이온이 고농도로 포함되어 있는데, 후지산 근처 온천에는 리터당 최대 54 μg이 포함되어 있다.[62]

4. 2. 생산

바나듐 금속은 여러 단계의 공정을 거쳐 얻어진다. 먼저, 분쇄된 광석을 NaCl 또는 Na₂CO₃과 약 850 °C에서 로스팅하여 메타바나딘산나트륨(NaVO₃)을 얻는다. 이 고체의 수용액 추출물을 산성화하여 다바나딘산염인 "적색 케이크"를 생성하고, 이를 칼슘 금속으로 환원시킨다. 소규모 생산의 대안으로는 오산화바나듐을 수소 또는 마그네슘으로 환원시키는 방법이 있다. 다른 많은 방법들도 사용되는데, 이 모든 방법에서 바나듐은 다른 공정의 부산물로 생산된다.[65] 1925년 안톤 에두아르트 판 아르켈(Anton Eduard van Arkel)과 얀 헨드릭 더 보어(Jan Hendrik de Boer)가 개발한 결정봉법을 통해 바나듐의 정제가 가능하다. 이 방법은 금속 요오드화물, 이 예에서는 요오드화바나듐(III)의 형성과 그 후 순수한 금속을 얻기 위한 분해를 포함한다.[66]

대부분의 바나듐은 페로바나듐이라는 강철 합금으로 사용된다. 페로바나듐은 전기로에서 바나듐 산화물, 산화철 및 철의 혼합물을 환원시켜 직접 생산된다. 바나듐은 바나듐 함유 자철석에서 생산된 주철에 포함된다. 사용되는 광석에 따라 슬래그에는 최대 25%의 바나듐이 포함될 수 있다.[65]

주요 생산국은 남아프리카, 중국, 러시아, 미국이며, 이 4개국이 90% 이상을 차지한다. 바나딘석 등의 광석이 있지만, 품위가 높지 않아 자원으로는 다른 금속의 부생 회수로 얻는다. 또한 원유나 오일샌드에도 많이 포함되어 있으므로, 이들의 연소재도 이용된다.

바나듐은 물질로서 광범위하게 분포하며 거의 어디에나 존재한다. 하지만 자원으로서는 편재성이 강하며, 매장량의 대부분은 남아프리카, 중국, 러시아에 존재한다. 베네수엘라의 오리노코 타르(초중질유 중)나 캐나다의 오일샌드 비튜멘 등에도 황 등과 함께 포함되어 있다. 또한 그 생산도 위 3개국과 미국에서 9할 이상을 차지한다. 따라서 공급은 불안정해지기 쉽고, 이들 국가나 생산 기업의 동향에 따른 가격 급등이 1988년, 1994년, 1997년, 2003년 및 2004년 이후로 자주 발생하고 있다.

바나듐 광물의 주요한 것으로는, 녹연광(Pb5(PO4)3(OH,F,Cl))과 유사한 광물인 갈연광(Pb5(VO4)3(OH,F,Cl))이 있다.[132][133] 그 외에 카르노석(2(UO2)2(VO4)2・3H2O), 파트론석(V2S5) 등이 알려져 있지만, 자원으로서는 품위가 낮다. 게다가 바나듐의 대부분은 다른 광물과 함께(혹은 오히려 다른 광물의 부산물로서) 산출되고 있으며, 다른 광물의 수급 상황에 바나듐의 생산도 영향을 받는다.

대한민국은 바나듐을 전량 수입에 의존하고 있다. 만일의 국제 정세의 급변에 대한 안보 대책으로 국내 소비량의 최소 60일분을 국가 비축하는 것이 정해져 있다. 또한 재활용 확립도 중요시되고 있으며, 대한민국에서는 폐촉매로부터의 회수나 중유보일러의 재 등으로부터의 회수가 이루어지고 있다.

5. 용도

바나듐은 다양한 용도로 사용되는 중요한 금속이다.

세계 바나듐 생산량의 약 85%는 페로바나듐 또는 강철 첨가제로 사용된다.[65] 바나듐을 소량 첨가하면 강철의 강도가 크게 증가하고 무게는 줄어들며, 잘 마모되지 않는다.[67] 이러한 특성 덕분에 바나듐강은 차축, 자전거 프레임, 크랭크축, 기어 등 중요 부품에 사용된다.

오산화 바나듐(V₂O₅)은 황산 제조 시 접촉법에서 황 산화 촉매로 사용된다.[78] 과거의 백금 촉매를 대체하여 널리 보급되었다. 유기 화학에서 무수말레인산, 무수프탈산 제조 등 산화 촉매로 사용된다.[79][80]

오산화 바나듐(V₂O₅)은 황산 생산을 위한 접촉법의 촉매이다.


그 외에도 다음과 같은 용도로 사용된다.

  • 오산화 바나듐(V2O5)은 세라믹 제조에 사용된다.[142]
  • 이산화 바나듐(VO2)은 특정 온도에서 적외선을 차단하는 특수 유리 제조에 사용된다.
  • 바나듐 화합물은 강철 표면 도금에 사용되어 녹과 부식을 방지한다.
  • 리튬 바나듐 산화물 양극은 고출력 리튬 전지 제조에 사용된다.
  • 바나듐은 프로판과 프로필렌을 아크릴산으로 산화시키는 혼합 금속 산화물 촉매의 중요 구성 요소이다.[143][144][145]
  • 바나듐 이온 배터리 제조에 사용된다.
  • 레독스 흐름 전지는 황산바나듐(III) 및 황산바나듐(IV)의 묽은 황산 용액으로 구성되는 이차전지의 일종이다. 바나듐의 원자가 변화에 따라 충전과 방전이 이루어진다. 전력 저장용 대형 전지로서 나트륨-황 전지를 능가할 가능성이 기대된다.

5. 1. 합금

바나듐강으로 만든 연장


세계 바나듐 생산량의 약 85%는 페로바나듐 또는 강철 첨가제로 사용된다.[65] 20세기 초, 철에 소량의 바나듐을 섞으면 강도가 상당히 증가하고 무게는 줄어들며, 잘 마모되지 않는다는 사실이 발견되었다. 바나듐은 안정적인 질화물과 탄화물을 형성하여 강철의 강도를 크게 증가시킨다.[67] 이러한 이유로 바나듐강은 차축, 자전거 프레임, 크랭크축, 기어 등 중요 부품에 사용되기 시작했다.

바나듐강 합금에는 두 가지 종류가 있다.

바나듐강 합금의 종류
종류바나듐 함량용도
바나듐 고탄소강 합금0.15~0.25%
고속 공구강(HSS)1~5% (최대 18%)외과용 기구, 공구, 칼



고속 공구강은 HRC 60 이상의 경도를 달성할 수 있다. 분말야금 합금은 바나듐을 최대 18% 함유하며, 바나듐 탄화물 함량이 높아 내마모성이 우수하여 공구와 칼 등에 사용된다.[69]

바나듐은 티타늄의 베타 형태를 안정화시키고 티타늄의 강도와 온도 안정성을 높인다. 알루미늄과 함께 티타늄 합금에 혼합되어 제트 엔진, 고속 항공기 동체 및 치과 임플란트에 사용된다.


  • 티타늄 3/2.5: 바나듐 2.5%를 함유하며, 항공우주, 방위 및 자전거 산업에서 사용된다.[70]
  • 티타늄 6AL-4V: 알루미늄 6%와 바나듐 4%를 함유하며, 주로 시트로 생산된다.[71]


몇몇 바나듐 합금은 초전도 특성을 나타낸다.

  • V3Si: 1952년에 발견된 최초의 A15 상 초전도체[72]
  • 바나듐-갈륨 테이프: 초전도 자석(17.5 테슬라 또는 175,000 가우스)에 사용[73]


우츠강에 소량(40~270ppm)의 바나듐이 포함되면 강도를 크게 향상시키고 독특한 패턴을 부여하는 것으로 밝혀졌다.[74]

바나듐은 장갑강에서 몰리브덴을 대체하는 데 사용될 수 있지만, 생성된 합금은 취성이 높고 비관통 충격 시 박리되기 쉽다.[75] 제3제국은 티거 II 또는 야크트티거와 같은 장갑차량에 이러한 합금을 사용했다.[76]

한국에서는 바나듐을 2~6% 함유하는 합금(Ti6.4, Ti-6Al-4V)이 골프채 헤드용으로 다용되어 사용량의 절반을 차지했다.

바나듐강은 다음과 같이 세분화할 수 있다.

  • 고장력강: 고강도 저합금강이라고도 불리며, 고층빌딩 구조 건축재료, 교량, 화차, 석유파이프라인용 후판 등에 사용된다.
  • 비조질강: 자동차 차축, 볼트 등에 사용된다. 담금질·뜨임과 같은 조질 열처리 없이도 그에 필적하는 강인성이 보장되어 열처리 설비가 필요 없어 비용 면에서 유리하다.
  • 공구강: 스패너·렌치와 같은 기계용 공구, 절삭공구·내충격 공구·금형 공구 등에 사용된다. 표면에 경도와 내마모성이 필요하고, 고온에서 충격에 대한 파손 저항력이 필요한 공구에 크롬바나듐강(바나듐·크롬 첨가 합금)을 사용하며, 고속도 공구강이 대표적이다.
  • 내열강: 자동차 엔진 밸브, 터빈 블레이드용 내열성 스테인리스강에 사용된다.

5. 2. 촉매

오산화 바나듐(V₂O₅)은 황산 제조 시 접촉법에서 황 산화 촉매로 사용된다.[78] 과거의 백금 촉매를 대체하여 널리 보급되었다. 유기 화학에서 무수말레인산, 무수프탈산 제조 등 산화 촉매로 사용된다.[79][80] 그 외에도 루이스산 촉매로서의 용도가 있으며, 사용되는 화학 형태도 다양하여 메타바나딘산염이나 바나듐 산화물의 유기 착물, 그리고 고분자화합물 등도 개발되고 있다. 바나듐 기반 촉매는 프로판과 프로펜의 아크릴산으로의 산화[134][135][136], 부탄의 산화적 탈수소[137], 부탄의 무수말레인산으로의 산화[138]에 사용된다. 배기가스 처리, 탈질용으로, 텅스텐이나 티탄의 산화물과 복합 또는 표면 담지하여 사용한다. 또한 수소화탈황장치에서 발생한 황화수소의 산화 촉매로 사용하는 경우가 있다. 암모니아에 의한 NOx의 선택적 촉매 환원에도 사용된다.[139]

5. 3. 기타 용도


  • 오산화 바나듐(V2O5)은 황산 제조 시 촉매로 사용되거나 세라믹 제조에 사용된다.[142]
  • 이산화 바나듐(VO2)은 특정 온도에서 적외선을 차단하는 특수 유리 제조에 사용된다.
  • 바나듐 화합물은 강철 표면 도금에 사용되어 녹과 부식을 방지한다.
  • 리튬 바나듐 산화물 양극은 고출력 리튬 전지 제조에 사용된다.
  • 바나듐은 프로판과 프로필렌을 아크릴산으로 산화시키는 혼합 금속 산화물 촉매의 중요 구성 요소이다.[143][144][145]
  • 바나듐 이온 배터리 제조에 사용된다.
  • 레독스 흐름 전지는 황산바나듐(III) 및 황산바나듐(IV)의 묽은 황산 용액으로 구성되는 이차전지의 일종이다. 바나듐의 원자가 변화에 따라 충전과 방전이 이루어진다. 전력 저장용 대형 전지로서 나트륨-황 전지를 능가할 가능성이 기대된다.

6. 생체 내 역할

바나듐은 생물학에서 제한적인 역할을 수행하며, 육상 생물보다는 해양 생물에 더 중요하다. 일부 해양 생물은 효소의 주요 구성 성분으로 바나듐을 사용하거나, 체내에 고농도로 축적한다. 인간을 포함한 포유류에게는 필수 미량 원소로 추정되지만, 정확한 역할은 아직 밝혀지지 않았다. 쥐와 닭의 경우 바나듐 결핍 시 성장 저하 및 생식 능력 저하가 관찰되었다.[105]

피낭류는 바나빈으로서 바나듐을 함유하고 있다.


독우산광대버섯은 아마바딘을 함유하고 있다.


여러 종의 해양 조류는 바나듐 브롬퍼옥시다제와 밀접한 관련이 있는 클로로퍼옥시다제(헴 또는 바나듐 보조인자를 사용할 수 있음) 및 요오드퍼옥시다제를 생성한다. 브롬퍼옥시다제는 매년 약 100만~200만 톤의 브로모포름과 56,000톤의 브로모메탄을 생성하는 것으로 추산된다.[93] 대부분의 천연 유기브롬화합물은 이 효소에 의해 생성된다.[94]

바나듐 질소화효소는 ''아조토박터''와 같은 일부 질소고정 미생물에 의해 사용된다. 이 역할에서 바나듐은 더 일반적인 몰리브데넘 또는 철을 대신하며, 질소화효소에 약간 다른 특성을 부여한다.[95]

바나듐은 멍게류에 필수적인 원소이며, 특정 혈구 세포 유형인 바나도사이트의 고도로 산성화된 액포에 저장된다. 이러한 세포의 세포질에서는 바나빈(바나듐 결합 단백질)이 확인되었다. 탈리아과 멍게류의 혈액 내 바나듐 농도는 주변 해수보다 최대 1천만 배나 높다.[96][97] 일반적으로 해수는 1~2 μg/L의 바나듐을 함유하고 있다.[98][99] 이러한 바나듐 농축 시스템과 바나듐 함유 단백질의 기능은 아직 알려지지 않았지만, 바나도사이트는 나중에 외투의 바깥 표면 바로 아래에 침착되어 포식을 억제하는 역할을 할 수 있다.[100]

파리독버섯 및 관련 대형균류 종은 바나듐을 축적하는데 (건조 중량 기준 최대 500 mg/kg) 바나듐은 균류 자실체 내 배위착물 아마바딘[101] 형태로 존재한다. 이러한 축적의 생물학적 중요성은 알려져 있지 않다.[102][103] 독성 또는 퍼옥시다아제 효소 기능이 제시되었다.[104]

미국 의학협회(U.S. Institute of Medicine)는 바나듐이 인간에게 필수 영양소임을 확인하지 않았으므로, 권장 섭취량이나 적정 섭취량은 설정되지 않았다. 섭취량은 하루 6~18 μg으로 추정되며, 흡수율은 5% 미만이다. 바나듐의 섭취 허용량(Tolerable Upper Intake Level, UL)은 하루 1.8 mg으로 설정되어 있다.[106]

식이 보충제로서의 바나딜 황산염은 당뇨병 환자의 인슐린 감수성 증가 또는 혈당 조절 개선 수단으로 연구되어 왔다. 일부 시험에서는 상당한 치료 효과가 있었지만 연구 질이 좋지 않다는 평가를 받았다. 이러한 시험에서 사용된 바나듐의 양(30~150mg)은 안전 상한선을 훨씬 초과했다.[107][108]

우주생물학에서 화성에 있는 불연속적인 바나듐 축적은 라만 분광법과 형태학을 함께 사용할 때 잠재적인 미생물 생체 지표가 될 수 있다고 제안되었다.[109][110]

바나듐을 함유하는 단백질에는 니트로게나제, 헤모바나딘 등이 있다.

바나듐은 다양한 생물에서 검출되며, 건조 중량으로 100ppm을 초과하는 생물도 많이 확인되었다. 또한, 특이적으로 바나듐을 농축하는 생물도 몇 종류 알려져 있다.

  • 멍게 - 혈액 중의 농축 세포(바나도사이트) 내에 pH 3 전후의 황산과 함께, 종에 따라 해수의 수만 배에서 수백만 배의 농도로 축적하며, 가장 현저한 예에서는 1%에 달한다.
  • 독우산광대버섯 - 선택적으로 흡수하여, 4가의 착체(아마바딘)로서 보유하고 있다고 여겨진다.
  • 조류 - 다시마 등의 갈조류와 홍조류에 많다.
  • 지의류, 환형동물의 아가미, 일부 플랑크톤.


그 밖에 바나듐을 많이 포함하는 식품으로 새우, 게, 파슬리, 흑후추, 양송이 버섯 등이 알려져 있다.

7. 주의사항

일정량 이상의 바나듐에 노출되면 호흡기에 자극을 줄 수 있으며, 바나듐을 포함한 광물의 먼지에 노출된 사람에게서 체중 감소가 보고되기도 하였다. 또한 신경 계통에 영향을 주어 시공간 지각력을 떨어뜨리거나 집중력을 감소시킬 수도 있다는 연구도 있다[146].

모든 바나듐 화합물은 독성이 있다고 간주해야 한다[111]. 사산화바나딜(VOSO4)은 삼산화바나듐(V2O3)보다 적어도 5배 이상 독성이 있는 것으로 보고되었다[112]. 미국 직업안전보건청(OSHA)은 작업장 공기 중 오산화바나듐 분진에 대해 8시간 근무, 주 40시간 근무 기준으로 0.05mg/m3, 오산화바나듐 증기에 대해 0.1mg/m3의 노출 한계를 설정했다[113]. 미국 국립 직업안전보건연구소(NIOSH)는 35mg/m3의 바나듐 농도를 생명과 건강에 즉각적으로 위험한 수준으로 간주하고, 영구적인 건강 문제 또는 사망을 유발할 가능성이 있다고 권고했다[113].

바나듐 화합물은 위장관을 통해 흡수되기 어렵다. 바나듐과 바나듐 화합물의 흡입은 주로 호흡기에 부작용을 일으킨다[114][115][116]. 그러나 정량적 데이터는 아급성 또는 만성 흡입 기준 용량을 도출하기에 불충분하다. 쥐를 대상으로 한 경구 또는 흡입 노출 후 혈액 매개변수,[117][118] 간,[119] 신경계 발달,[120] 및 기타 장기[121]에 대한 다른 영향이 보고되었다.

바나듐 또는 바나듐 화합물이 생식 독성 물질 또는 기형 유발 물질이라는 증거는 거의 없다. NTP 연구에서 흡입을 통해 수컷 쥐와 수컷 및 암컷 쥐에서 오산화바나듐이 발암성을 나타내는 것으로 보고되었지만,[115] 보고서 발표 후 몇 년 후 결과 해석에 대한 논쟁이 있었다[122]. 미국 환경보호청(EPA)은 바나듐의 발암성을 밝히지 못했다[123].

경유에 포함된 미량의 바나듐은 고온 부식의 주요 연료 성분이다. 연소 중 바나듐은 산화되어 나트륨과 황과 반응하여 530°C만큼 낮은 녹는점을 가진 바나드산염 화합물을 생성하며, 이는 강철의 수동화층을 공격하여 부식에 취약하게 만든다. 고체 바나듐 화합물은 또한 엔진 부품을 마모시킨다[124][125].

바나듐 이온은 시험관 내에서 세포에 치사 독성을 가진다는 것이 확인되었다.

대상영향
수생 생물급성 LC50 조사 결과, 농도 수준은 0.1mg/L~100mg/L 범위에 있으며, 대부분의 생물은 1mg/L~12mg/L이었다. 특히 민감한 생물은 굴로, 유생의 발생에 대한 영향이 0.05mg/L에서 나타난다.
랫트·마우스경구 투여 - 5가 바나듐 화합물에 대한 반수치사량은 각각 10 mg/kg, 5~23 mg/kg이다.
인체현재 세계보건기구(WHO)는 무기 바나듐의 발암성에 대해 그 유무를 판단할 수 있는 자료가 없다고 하고 있다. 이 때문에 인체에 대해 발암성이 있을지도 모른다고 분류되고 있다.
작업 환경산화 바나듐(V)의 분진에 대해서는, 0.03mg/m3(바나듐으로서)가 정해져 있다.


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