백금족 원소

3. 성질

회백색의 광택이 있으며 화학적으로 안정하다. 특히 로듐, 팔라듐, 백금은 전연성(展延性)이 좋다. 모두 녹는점이 높고 비중이 크며 부식이 잘 되지 않는 귀금속이다. 화학적 성질은 비활성이며 산·알칼리에 잘 침식되지 않는다. 루테늄과 오스뮴, 로듐과 이리듐, 팔라듐과 백금의 성질이 특히 비슷하다. 각종 무기·유기화학 반응, 특히 산화 환원반응의 뛰어난 촉매(觸媒)로 사용된다.

4. 분포

일반적으로, 초염기성암 및 고철질암 화성암은 비교적 높은 백금족 원소(PGE) 미량 함량을 가지며, 화강암은 낮은 PGE 미량 함량을 가진다. 지구화학적으로 특이한 미량 성분은 주로 크롬 함유 스피넬과 황화물에 나타난다. 고철질 및 초염기성 화성암은 전 세계의 거의 모든 1차 백금족 광물(PGM) 광석을 포함한다. 부시펠트 복합체를 포함한 고철질 층상 관입이 다른 모든 백금 매장지의 지질학적 환경보다 훨씬 중요하다.^{[11][12][13][14]} 다른 경제적으로 중요한 PGE 매장지로는 홍수 현무암과 관련된 고철질 관입, 알래스카, 우랄 유형의 초염기성 복합체가 있다.^[12]

5. 광물

일반적으로 초염기성암 및 고철질암 화성암은 비교적 높은 백금족 원소(PGE) 미량 함량을 가지는 반면, 화강암은 낮은 함량을 보인다. 지구화학적으로 특이한 미량 성분은 주로 크롬 함유 스피넬과 황화물에서 나타난다. 고철질 및 초염기성 화성암은 전 세계 거의 모든 1차 백금족 광물(PGM) 광상을 포함하며, 특히 남아프리카 공화국의 부시펠트 복합체를 포함한 고철질 층상 관입은 다른 모든 백금 매장지보다 훨씬 중요하다.^{[11][12][13][14]} 그 외 경제적으로 중요한 PGE 매장지로는 홍수 현무암과 관련된 고철질 관입, 알래스카 및 우랄 유형의 초염기성 복합체가 있다.^[12]

PGM의 일반적인 광석은 톤당 약 10g의 PGM을 함유하고 있어, 특정 광물의 정체는 알려지지 않은 경우가 많다.^[15]

각 백금족 원소는 다음과 같은 광물 형태로 주로 발견된다.

• 백금(Pt): 자연 상태의 금속으로 존재하기도 하지만, 다양한 광물 및 합금 형태로도 발견된다.^[16][17] 가장 중요한 광석은 스페리라이트(백금 비소, PtAs₂)이다.^[18] 자연적으로 발생하는 백금-이리듐 합금인 백금-이리듐은 광물 쿠퍼라이트(백금 황화물, PtS)에서 발견된다. 자연 상태의 백금은 종종 소량의 다른 백금족 금속과 함께 충적 및 사광 퇴적물에서 발견되며, 이는 콜롬비아, 온타리오, 우랄 산맥, 그리고 일부 서부 미국 주에서 확인된다. 또한, 니켈 광석 처리 과정의 부산물로 상업적으로 생산되기도 한다. 니켈 광석의 대량 처리는 백금이 광석의 백만 분의 2 정도만 차지함에도 불구하고 경제성을 확보하게 해준다. 남아프리카 공화국은 부시펠트 화성 복합체의 메렌스키 암초에 막대한 백금 광석 매장량을 보유하고 있으며, 세계 최대의 백금 생산국이다. 그 뒤를 러시아가 잇고 있다.^[19][20] 백금과 팔라듐은 미국 몬태나 주의 스틸워터 화성 복합체에서도 상업적으로 채굴된다. 주요 백금 생산국은 남아프리카 공화국과 러시아이며, 캐나다, 짐바브웨, 미국이 그 뒤를 따른다.^[21]

• 오스뮴(Os) 및 이리듐(Ir): 오스미리듐은 우랄 산맥과 북아메리카, 남아메리카의 백금 함유 하천 모래에서 발견되는 이리듐과 오스뮴의 자연 발생 합금이다. 오스뮴은 다른 백금족 금속과 함께 캐나다 온타리오 서드베리 지역의 니켈 함유 광석에서도 미량 존재한다. 이 광석들에서 발견되는 백금족 금속의 양은 적지만, 대량의 니켈 광석 처리 덕분에 상업적 회수가 가능하다.^[20][22] 금속 이리듐 자체는 백금 및 다른 백금족 원소와 함께 충적 퇴적물에서 발견된다.^[23] 자연 발생 이리듐 합금으로는 오스미리듐과 이리도스민이 있으며, 둘 다 이리듐과 오스뮴의 혼합물이다. 상업적으로는 니켈 채굴 및 처리 과정의 부산물로 회수된다.^[20]

• 루테늄(Ru): 일반적으로 우랄 산맥과 북아메리카, 남아메리카에서 다른 백금족 금속과 함께 광석에서 발견된다. 상업적으로 중요한 소량의 루테늄은 온타리오주 서드베리에서 채취한 펜틀란다이트와 남아프리카 공화국의 휘석암 퇴적물에서도 발견된다.^[20]

• 로듐(Rh): 산업적 추출이 복잡한데, 팔라듐, 은, 백금, 금과 같은 다른 금속과 혼합된 광석에서 발생하기 때문이다. 백금 광석에서 발견되며 융해가 매우 어려운 백색 불활성 금속으로 존재한다. 주요 공급원은 남아프리카, 짐바브웨, 우랄 산맥의 강 모래, 북아메리카와 남아메리카, 그리고 서드베리 분지 지역의 구리-니켈 황화물 광산 지역이다. 서드베리에서의 양은 매우 적지만, 처리되는 니켈 광석의 양이 많아 로듐 회수가 경제적이다. 그러나 2003년 기준 연간 세계 생산량은 7ton~8ton에 불과하며 로듐 광물은 극히 드물다.^[24]

• 팔라듐(Pd): 주로 자류철을 비롯한 황화 광물에 존재한다.^[12] 유리 금속 상태로 발견되며, 우랄 산맥, 호주, 에티오피아, 남아메리카, 북아메리카의 사광 퇴적물에서 백금족 금속과 함께 백금 및 금과 합금된 형태로 발견된다. 하지만 상업적으로는 남아프리카 공화국과 캐나다 온타리오에서 발견되는 니켈-구리 광상에서 주로 생산된다. 처리되는 니켈-구리 광석의 막대한 양은 이러한 광석 내의 낮은 농도에도 불구하고 추출을 수익성 있게 만든다.^[24]

6. 용도

백금족 원소는 무기화학 및 유기화학 반응, 특히 산화 환원 반응에서 뛰어난 촉매 능력을 보여 여러 산업 분야에서 중요한 역할을 한다. 대표적으로 자동차 배기 가스 정화 장치에 사용되어 유해한 탄화수소 화합물이 산소와 더 쉽게 반응하여 무해한 이산화탄소와 물로 분해되도록 돕는다.^[10] 이 외에도 오존 농도를 낮추거나 휘발성 유기화합물을 처리하고, 맹독성 다이옥신을 약한 독성 물질로 바꾸는 등 다양한 오염물질 정화 공정에서 촉매로 활용된다.

이들 원소는 화학적 공격에 대한 저항성, 우수한 고온 특성, 높은 기계적 강도, 좋은 연성 및 안정적인 전기적 특성을 지닌다.^[8] 이러한 특성 덕분에 고온 환경이나 화학적으로 반응성이 높은 환경에서 사용되는 장비의 부품 소재로 쓰이며, 특히 백금과 그 합금은 화학 실험실의 도가니나 전극 등으로 활용된다. 또한 고온과 전기 아크에 잘 견디는 특성 때문에 전기 접촉 장치나 내연기관의 점화 장치 부품으로도 사용된다.

산업적, 기술적 용도 외에도 백금족 원소는 마모와 변색에 강한 특성으로 인해 장신구 제작에 널리 사용되며, 생체 적합성과 내구성이 뛰어나 치과용 합금 재료나 외과용 핀 등 의료 분야에서도 활용된다.^[9]

6. 1. 각 원소별 용도

7. 생산

8. 환경 문제

백금족 원소는 독특한 특성과 자동차 배기가스에서 유해 물질 배출을 줄이는 능력 덕분에 긍정적인 측면이 부각되었으나, 환경에 미치는 부정적인 영향 역시 고려해야 한다.^[32] 예를 들어, 백금(Pt)은 화학적으로 반응성이 낮고 알레르기를 일으키지 않는 것으로 여겨져 자동차 배기가스 제어 장치(VEC)에서 금속 및 산화물 형태로 배출될 때 비교적 안전하다고 생각되었다.^[33] 하지만 백금은 도로 먼지에 녹아 수자원이나 토양으로 유입될 수 있으며, 생물 축적 과정을 통해 동물 체내에 축적되어 농도가 높아질 수 있다.^[33] 과거에는 이러한 영향이 크게 고려되지 않았지만,^[34] 시간이 지나면서 환경에 축적된 백금족 금속이 예상보다 더 큰 위험을 초래할 수 있다는 우려가 제기되고 있다.^[34] 특히 내연기관 자동차 운행이 늘어날수록 백금 배출량도 증가하므로, 백금 금속의 잠재적 위협을 완전히 파악하기 위한 추가 연구가 필요하다.

동물 체내에 백금 금속이 생물 축적되는 현상은 인간과 생태계 전반의 건강에 심각한 위협이 될 수 있다. 자동차 배기가스 제어 장치에서 배출된 유해한 백금 금속에 오염된 먹이를 섭취한 동물은 독성이 더 강해지는 경향이 있다. 이는 오염된 물고기나 다른 동물을 섭취하는 인간을 포함한 다른 생물에게도 잠재적인 해를 끼칠 수 있다.^[34]

참조

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