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붕소

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목차

1. 개요

붕소는 원자 번호 5번의 원소로, 13족에 속하는 반금속이다. 붕소 화합물은 고대부터 사용되었으며, 붕사는 융제, 유리 제조, 세라믹, 연마제, 반도체, 네오디뮴 자석 등 다양한 용도로 활용된다. 붕소는 여러 동소체를 가지며, 10B와 11B의 안정 동위 원소를 갖는다. 10B는 열중성자 흡수 능력이 커서 원자로 제어봉이나 암 치료에 사용된다. 붕소는 지구상에서 붕산염 형태로 존재하며, 터키, 미국, 러시아 등에서 채굴된다. 붕소는 식물에 필수 영양소이지만 과다 섭취 시 독성을 나타낼 수 있으며, 인간에게는 저농도에서 유익한 효과를 보일 수 있다.

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붕소
기본 정보
붕소, β-rhombohedral(마름모계)
붕소, β-마름모 결정 구조
원소 이름붕소
영어 이름Boron
일본어 이름ホウ素 (호우소)
라틴어 이름Borium (보리움)
원자 기호B
원자 번호5
분류준금속
족13
주기2
블록p
색상검은색/갈색
상태고체
원자 정보
표준 원자 질량10.811(7)
전자 배치[He] 2s2 2p1
껍질 당 전자 수2, 3
산화 상태4, 3, 2, 1, −1, −5
산화 상태 설명(약한 산성 산화물)
전기 음성도2.04
이온화 에너지 (kJ/mol)1차: 800.6
2차: 2427.1
3차: 3659.7
이온화 에너지 개수4
원자 반지름 (pm)90
공유 반지름 (pm)84±3
반데르발스 반지름 (pm)192
물리적 성질
밀도 (녹는점 근처) (g/cm³)2.08
녹는점 (K)2349
녹는점 (°C)2076
녹는점 (°F)3769
끓는점 (K)4200
끓는점 (°C)3927
끓는점 (°F)7101
융해열 (kJ/mol)50.2
기화열 (kJ/mol)508
열용량 (J/(mol·K))11.087
증기압력 (Pa)1 Pa: 2348 K
10 Pa: 2562 K
100 Pa: 2822 K
1 kPa: 3141 K
10 kPa: 3545 K
100 kPa: 4072 K
결정 구조마름모계
전기 저항 (20°C) (Ω·m)~106
열전도율 (W/(m·K))27.4
열팽창률 (25°C)β형: 5–7
막대 음속 (20°C) (m/s)16200
자기 정렬반자성
자기화율−6.7·10−6
부피 탄성 계수320
모스 굳기계~9.5
비커스 굳기49000
동위 원소
동위 원소10B: 19.9%
11B: 80.1%
동위 원소 설명붕소-10의 양은 시료에 따라 19.1%에서 20.3% 사이이다. 붕소-11의 양은 그 나머지에 해당된다.
기타 정보
CAS 등록 번호7440-42-8
발견자조제프 루이 게이뤼삭, 루이 자크 테나르
발견일1808년 6월 30일
분리자험프리 데이비
분리일1808년 7월 9일

2. 역사

붕소는 홑원소 물질로는 자연에 존재하지 않고 붕사나 붕산석 등의 붕산염 광물 형태로 산출된다.

붕소 광석인 붕산석(사솔라이트)
"붕소"라는 명칭은 붕소가 분리된 광물인 "붕사"에서 유래되었으며, 화학적으로 붕소와 유사한 "탄소"와의 유추를 통해 만들어졌다.[8] 원소명은 아랍어로 "붕사"를 의미하는 ""에서 유래한다. 붕소(Boron영어)는 붕사를 의미하는[194] 아랍어 بورقar () 또는 페르시아어 بورهfa ()에 기원을 두는 것으로 여겨진다.[195]

1808년, 험프리 데이비, 조제프 루이 게이뤼삭 및 루이 자크 테나르가 붕산을 이용하여 붕소를 분리했지만, 그 이전까지는 단일 원소로 인정받지 못했다. 1909년, 미국의 화학자 에제키엘 와인트로브가 삼염화붕소를 전기 아크에서 수소 환원시켜 순수한 붕소를 분리했다.[206][207][208][209]

2. 1. 붕소 화합물의 이용

붕소 화합물은 수천 년 전부터 알려져 있었다. 서티베트 사막에서 산출된 붕사는 산스크리트어로 칭칼이라고 불렸다. 기원후 300년경 중국에서는 이미 유약으로 붕사가 이용되었고, 8세기 페르시아의 연금술사인 자비르 이븐 하이얀이 붕사를 언급했다고 여겨진다. 13세기에는 마르코 폴로에 의해 붕사 유약을 사용한 도자기가 이탈리아로 가져와졌다. 1600년경에는 게오르기우스 아그리콜라가 야금술에서 융제로 붕사를 사용한 것을 기록했다. 1758년에 출판된 도시의 「기예의 시녀」에서 유리에 붕사가 사용되기 시작했지만, 당시에는 붕사가 고가여서 아주 일부 유리에만 사용되었다.[196]

1774년, 이탈리아 토스카나주 주도 피렌체 근교 라르데렐로에서 산출되는 지열 증기에 붕산이 포함되어 있다는 것이 밝혀져 붕산 공장이 설립되어 중요한 붕소 자원으로 이용되었지만, 19세기에는 미국에서 대규모 붕산염 광물의 광상이 발견되어 그 지위를 미국에 넘겨졌다. 붕소 생산이 종료된 후, 라르데렐로에서는 고온의 지열 증기를 이용한 지열 발전이 이루어지고 있다.[201][197] 붕소를 포함하는 광석으로는 이탈리아 사쏘에서 발견된 희소 광석인 사솔라이트가 있다. 사솔라이트는 1827년부터 1872년까지 유럽에서 붕사의 주요 자원으로 이용되었지만, 이후 이것도 미국산으로 대체되었다.[198][199] 1800년대 후반, “붕사왕”이라고도 불리는 프랜시스 메리언 스미스의 퍼시픽 코스트 붕사 회사(Pacific Coast Borax Company)가 처음으로 붕소 화합물을 대량 생산하여 저렴하게 제공하면서 붕소 화합물이 널리 보급되었다.[200] 그 후, 광학 유리의 대규모 생산이 시작되면서 붕사는 유리 공업에서 대량으로 소비되게 되었다.[201]

2. 2. 붕소 원소의 발견과 분리

붕소 화합물은 수천 년 전부터 알려져 있었다. 서티베트 사막에서 산출된 붕사는 산스크리트어로 칭칼이라고 불렸다. 서기 300년경 중국에서는 이미 유약으로 붕사가 이용되었고, 8세기 페르시아의 연금술사인 자비르 이븐 하이얀은 붕사에 대해 언급했다고 여겨진다. 13세기에는 마르코 폴로에 의해 붕사 유약을 사용한 도자기가 이탈리아로 가져와졌다. 1600년경에는 게오르기우스 아그리콜라에 의해 야금술에서 융제로서의 용도가 기록되었다.[196]

붕소에 관한 초기 연구는 다음과 같다.

연도내용
1702년붕사와 황산을 반응시켜 붕산을 합성[201]
1741년붕소가 녹색의 불꽃 반응을 나타냄[201]
1752년붕산과 나트륨을 반응시켜 붕사를 합성[201]



1808년, 조제프 루이 게이뤼삭과 루이 자크 테나르[202], 험프리 데이비[203]가 각각 붕소를 분리해냈지만, 그 이전까지는 단일 원소로 인정받지 못했다. 데이비는 붕산 용액에 전기를 통과시켜 전기 분해함으로써 한쪽 전극 위에 갈색 침전이 생성된다고 기록했다. 이후 실험에서 데이비는 칼륨으로 붕산을 환원시키는 방법을 사용했다. 데이비는 붕소가 새로운 원소임을 확인하기 위해 충분한 양의 붕소를 분리하고 ''boracium''이라고 명명했다.[203] 게이뤼삭과 테나르는 고온에서 철과 붕산을 반응시키는 방법을 사용했다. 그들은 붕소를 산소로 산화시켜 붕산을 합성하고, 붕산이 붕소의 산화 생성물임을 보였다.[202][204] 1824년, 옌스 야코브 베르셀리우스는 붕소가 원소임을 확인했다.[205]

이후 많은 화학자들이 순수한 붕소를 분리하려 했지만, 대부분 불순물이 많았다. 비교적 순도가 높은 것도 붕소 순도가 85%를 밑돌았다. 1909년, 미국의 화학자 에제키엘 와인트로브가 삼염화붕소를 전기 아크에서 수소 환원시켜 순수한 붕소를 분리했다.[206][207][208][209]

3. 성질

붕소는 홑원소 상태에서 탄소와 비슷한 흑회색을 띤다. 다이아몬드 다음으로 단단하다고 알려져 있지만, 산소나 탄소 등과 반응해 산화 붕소 또는 탄화 붕소를 만들면 다이아몬드보다 물렁물렁해진다.

붕소는 비금속 원소로 간주할 수 있는 13족 원소 중 유일한 원소이다. 붕소의 전자 배치는 [He]2s22p1이다. 1808년에 게이뤼삭과 루이 테나르가 공동으로, 그리고 험프리 데이비가 각각 독립적으로 홑원소 상태의 붕소를 분리하였다.

붕소는 같은 족의 알루미늄보다 14족 원소인 탄소나 규소와 유사한 성질을 나타낸다. 결정성 붕소는 화학적으로 불활성이며 내산성이 높아 불화수소산에도 침식되지 않는다. 붕소 화합물은 일반적으로 +3가의 산화수를 가지며, 루이스 산의 성질을 갖는 할로겐화물이나, 붕산염 광물에서 볼 수 있는 붕산염, 삼중수소결합이라고 불리는 특수한 결합 방식을 취하는 보란 등이 있다.

붕소는 지각에 존재하는 비율이 비교적 낮은 원소이지만, 광상을 형성하기 때문에 채굴이 용이하여 인류가 이용한 역사가 길며, 옛날부터 유약으로 사용되었다. 현대에는 유리 제조에 많이 사용되며, 2011년 붕산염 소비량의 약 60%가 유리용으로 소비되었다. 그 외에도 반도체의 도펀트, 초경도 재료, 음향 재료, 살충제 등에 사용된다.

식물에게 붕소는 세포벽을 유지하는 데 필요한 필수 원소이며, 붕소 결핍으로 인해 성장 장애가 발생한다. 동물에게도 필수 원소로 생각되지만, 그 생물학적 역할은 잘 알려져 있지 않다. 사람이나 동물에게는 식염과 거의 같은 정도로 무독성 물질이지만, 식물에서는 고농도의 붕소를 포함하는 토양에서 잎의 괴사와 같은 장애가 발생하며, 곤충에게는 강한 독성을 나타낸다.

3. 1. 물리적 및 화학적 성질

붕소는 여러 가지 동소체가 있으며, 물리적 성질은 동소체에 따라 다르지만, 전반적으로 높은 융점 및 비등점을 가지는 단단하고 부서지기 쉬운 고체이다.[210] 예를 들어, 비정질 붕소[211]와 β-사방정계 붕소[212]는 융점이 다르며, β-사방정계 붕소[212]의 비등점도 다르다. 비정질 붕소는 특정 온도에서 승화한다.[211] β-사방정계 붕소의 모스 경도는 9.3이다.[213] α-사방정계 붕소와 β-사방정계 붕소의 비중은 각각 2.46, 2.35이다.[211]

홑원소 붕소는 금속 원소와 비금속 원소의 중간 성질을 나타내는 준금속 원소이며, 안정적인 공유 결합을 형성한다는 점에서는 같은 13족 원소인 알루미늄이나 갈륨과 같은 금속 원소보다 오히려 탄소나 규소와 유사한 성질을 나타낸다.[214] 붕소의 첫 번째 이온화 에너지가 8.296 eV로 매우 높아 이온화하기 어렵고, 2s22p1의 최외각 전자가 sp2혼성 궤도를 형성하는 것이 에너지적으로 유리하기 때문이다.[215] 홑원소 붕소에서 붕소 원자 간의 결합 또한 공유 결합성이 강하기 때문에, 자유 전자로서 전도성에 기여할 수 있는 전자가 적어 전도성을 나타내지만 전도성이 낮다는 반금속 고유의 성질이 나타나는 원인이 된다.[216] 이러한 전기적 특성 때문에 홑원소 붕소는 반도체적 성질을 나타낸다.

결정성 붕소는 화학적으로 불활성이며, 플루오르화수소산이나 염산으로 가열해도 내성을 나타낸다. 미세 분말은 고온의 진한 과산화수소, 질산, 황산 또는 중크롬산 혼합액에 서서히 침식된다.[207] 붕소의 산화율은 결정화도, 입자 크기, 순도 및 온도에 따라 달라진다. 붕소는 상온에서 공기와 반응하지 않지만, 고온에서는 연소하여 산화붕소를 형성한다.[218]

: 4B + 3O2 -> 2B2O3

붕소는 할로겐화에 의해 삼할로겐화물을 형성한다.

: 2B + 3Br2 -> 2 BBr3

삼염화붕소는 일반적으로 산화붕소로부터 합성된다.[218]

비정질 붕소


붕소에는 7가지 동소체가 존재하며, 결정 및 비정질 구조를 갖는다. 잘 알려진 것으로는 α-삼방정계, β-삼방정계, β-정방정계가 있으며, 특수한 조건에서는 α-정방정계나 γ-사방정계와 같은 형태도 취한다. 비정질 동소체로는 미세한 분말상과 유리상의 두 가지가 알려져 있다. 표준 상태에서 가장 안정적인 것은 β-삼방정계 결정이며, 다른 동소체는 모두 준안정 상태이다.[238] 최소 14가지 이상의 동소체가 보고되었지만, 앞서 언급한 7가지 이외의 동소체는 약한 근거에 기반하거나 실험적으로 증명되지 않았기 때문에, 단일 동소체가 아닌 여러 동소체의 혼합물이나 불순물에 의해 안정화된 구조로 여겨진다.

층αβγβ
결정 형태삼방정계삼방정계사방정계정방정계
단위격자 당 원자 수[248]12105‒10828192
밀도 (g/cm3)[249][250][251][252]2.462.352.522.36
비커스 경도 (GPa)[253][254]424550–58
Bulk modulus영어 (GPa)[254][255]224185227
밴드갭 (eV)[254][256]21.62.1～2.6[257]


3. 2. 동소체

붕소는 최소 7가지 이상의 동소체가 존재하며, 결정 및 비정질 구조를 갖는다. 표준 상태에서 가장 안정한 것은 β-삼방정계 결정이며, 다른 동소체는 모두 준안정 상태이다. 잘 알려진 동소체로는 α-삼방정계, β-삼방정계, β-정방정계가 있으며, 특수한 조건 하에서는 α-정방정계나 γ-사방정계와 같은 형태도 취한다.[19][20][21][22][23]

붕소 덩어리


붕소의 네 가지 주요 동소체는 α-삼방정(α-R), β-삼방정(β-R), γ-사방정(γ), β-정방정(β-T)이다. 네 가지 상 모두 상온에서 안정적이며, β-삼방정이 가장 흔하고 안정적인 상이다. α-정방정 상(α-T)도 존재하지만, 상당한 불순물 없이 생성하기가 매우 어렵다. 대부분의 상은 B12 정이십면체를 기반으로 하지만, γ 상은 정이십면체와 B2 원자 쌍의 염화나트륨형 배열로 설명할 수 있다.[23]

γ 상은 다른 붕소 상을 12~20 GPa로 압축하고 1500°C~1800°C로 가열하여 생성할 수 있으며, 온도와 압력을 해제한 후에도 안정적으로 유지된다. β-T 상은 유사한 압력에서 생성되지만, 1800°C~2200°C의 더 높은 온도에서 생성된다. α-T 상과 β-T 상은 상온에서 공존할 수 있으며, β-T 상이 더 안정적이다.[23][24][25] 붕소를 160 GPa 이상으로 압축하면 아직 알려지지 않은 구조의 붕소 상이 생성되며, 이 상은 6,000 미만의 온도에서 초전도체이다.[26][27]

붕소 상α-Rβ-Rγβ-T
대칭성삼방정계삼방정계사방정계정방정계
단위세포당 원자 수[23]12~10528
밀도 (g/cm3)[28][29][30][31]2.462.352.522.36
비커스 경도 (GPa)[32][33]424550–58
체적 탄성률 (GPa)[33][34]185224227
밴드갭 (eV)[33][35]21.62.1


3. 3. 동위 원소

천연에 존재하는 붕소는 두 종류의 안정 동위원소로 구성되어 있으며, 80.1%가 11B(붕소-11), 19.9%가 10B(붕소-10)이다. 붕소에는 13종의 알려진 동위원소가 있으며, 반감기가 가장 짧은 7B는 양성자 방출 및 알파 붕괴에 의해 3.5 × 10-22초의 반감기로 붕괴한다. 10B는 열중성자를 잘 포획하는 성질을 가지고 있어 원자력 산업에서 중요하게 사용된다.[258]

4. 화합물

붕소 화합물은 일반적으로 +3가의 산화수를 가지며, 루이스 산의 성질을 갖는 할로겐화물, 붕산염 광물에서 볼 수 있는 붕산염, 삼중심 두 전자 결합이라는 특수한 결합 방식을 취하는 보란 등이 있다. 주요 화합물로는 산화물, 황화물, 질화물, 할로겐화물, 보란, 유기 유도체[42] 등이 있다.

어떤 면에서 붕소는 안정적인 공유 결합 분자 네트워크를 형성하는 능력에서 탄소와 비슷하며,[43][44] 화학적 거동 측면에서는 규소와 대각선 관계를 보인다. 하지만, 붕소보다 무거운 13족 원소인 알루미늄은 붕소와 다르게 훨씬 더 전기 양성이고 크기가 크며, Al-Al 결합을 형성하는 경향이 없다.

붕소 화합물은 종종 옥텟 규칙을 위반한다.[45][46] 산화물과 관련된 것으로는 B(OR)3 및 R2BOH의 화학식을 갖는 알콕사이드와 보론산이 있다. 붕소는 다양한 금속-유기 화합물을 형성하며, 그중 일부는 의약품 합성에 사용된다. 특히 스즈키 반응과 같은 붕소 화합물을 이용한 발전은 노벨상으로 인정받았다.[51]

4. 1. 산화물 및 붕산염

붕소는 지구상에서 다양한 종류의 +3가 산화물로 존재하며, 종종 다른 원소와 결합되어 있다. 100가지가 넘는 붕산염 광물이 +3가의 붕소를 포함하고 있다. 이러한 붕산염 광물은 몇몇 점에서 규산염 광물과 유사하지만, SiO₄의 사면체 구조가 구조의 기본 단위가 되는 규산염과는 달리, 붕산염은 BO₄의 사면체 구조뿐만 아니라 BO₃의 평면 삼각형 구조의 기본 단위도 많이 볼 수 있다.[220] 전형적인 예로 일반적인 붕산염 광물 중 하나인 붕사의 사붕산 음이온이 있다.

사붕산 음이온 ([B₄O₅(OH)₄]²⁻)의 구슬막대모형. 결정질 붕사 (Na₂[B₄O₅(OH)₄]·8H₂O) 등에서 볼 수 있다. 분홍색 붕소 원자가 붉은색 산소 원자에 가교되어 있으며, 끝에는 흰색 수소 원자를 포함하는 4개의 수산기가 있다. 4개의 붕소 중 오른쪽 위와 왼쪽 아래의 2개는 sp² 혼성 궤도에 의한 평면 삼각형 구조를 형성하여 전기적으로 중성이지만, 나머지 2개의 붕소는 sp³ 혼성 궤도에 의한 사면체 구조를 형성하여 각각 -1가의 전하를 갖는다. 모든 붕소의 산화수는 +3가이다. 이와 같이 배위수와 전하가 다른 붕소의 혼합은 천연 붕소의 특징이다.


사붕산 음이온 중의 붕소는 평면 삼각형 구조와 사면체 구조의 두 가지 구조를 취하며, 사면체 구조를 취하고 있는 붕소는 음전하를 띠고 있다. 이 음전하는 예를 들어 붕사의 나트륨(Na⁺)과 같은 금속 양이온과의 사이에서 균형을 이루고 있다.[218]

4. 2. 할로겐화물

붕소는 삼할로겐화물(BX₃, X = F, Cl, Br, I)을 형성한다.[47][42] 삼할로겐화물은 평면 삼각형 구조를 가지는데, 이는 알루미늄 삼할로겐화물과는 대조적이다. 붕소 원자는 6개의 전자만을 가지므로 옥텟 규칙을 만족하지 않아 루이스 산으로 작용한다.[45][46] 예를 들어, 삼불화붕소(BF₃)는 플루오르화물 이온(F⁻)과 반응하여 테트라플루오로붕산염 음이온(BF₄⁻)을 생성한다. 삼불화붕소는 석유화학 산업에서 촉매로 사용된다.[218] 삼할로겐화붕소는 물과 반응하여 붕산을 형성한다.[218][219]

삼불화붕소의 구조. π주개 배위결합에서 붕소의 비어있는 p궤도를 보여준다

4. 3. 보란 (Borane)

보란은 붕소와 수소의 화합물이며, BH의 화학식으로 나타낼 수 있다. 보란의 구조에는 B-H-B와 같은 수소에 의한 가교 구조가 포함되어 있으며, 일반적인 화학 결합에서의 원자가 개념으로는 그 결합을 설명할 수 없고, 삼중심 두 전자 결합과 같은 특수한 결합 방식을 취하고 있다.[221][222] 보란의 구조는 정이십면체 구조의 붕소 클러스터를 기본 단위로 생각할 수 있으며, 붕소 원자 수가 적은 보란도 정이십면체 구조에서 몇몇 붕소 원자가 빠진 구조로 볼 수 있다.[224] 보란 중 일부는 이성질체가 존재하며, 예를 들어 디히드로데카보란 (BH)은 붕소 5개가 모인 클러스터 2개로 이루어져 있으며, 두 클러스터의 결합 방식에 따라 3가지의 구조 이성질체가 존재한다.[223]

가장 단순한 보란은 BH이지만 단독으로 분리할 수 없으며, 디보란 (BH)이 다른 보란 및 보란 유도체를 합성할 때 전구체로 사용된다.[224][225] 붕소 원자 수가 적은 보란은 공기와의 반응성이 높아 자연 발화하지만, 붕소 원자 수가 6개인 헥사보란 이상에서는 공기 중에서 안정적으로 존재한다.[226] 보란 중 중요한 것으로는 펜타보란 BH 및 데카보란 BH이 있으며, 이들은 디보란 BH의 열분해에 의해 생성된다.[221] 많은 보란 음이온이 알려져 있으며, 테트라히드로붕산 이온 (BH) 및 그 유도체([BHCN] 등)는 금속염으로 환원 등의 용도로 널리 사용되고 있다.[227] 또한, 붕소 원자 수가 많은 다면체형 보란 음이온으로는 [BH] 등이 있으며, 반응성 등에 대해 광범위하게 연구되고 있다.[228]

보란의 유도체로는, 보란 중 BH와 등전자적인 CH기가 치환된 카바보란이 있으며, 보란과 아세틸렌의 반응에 의해 합성된다.[229] 그 외 황, 인, 비소 등도 붕소와 치환하여 카바보란과 유사한 헤테로보란 유도체를 형성한다.[230] 카바보란은 강염기와 반응하여 카바보란 음이온이 되며,[231] 예를 들어 BCH는 시클로펜타디에닐 음이온과 유사하며 전이 금속과 페로센과 같은 착물을 형성한다.[232] 또한, 할로겐이나 아민, 알킬기 등은 보란의 수소를 치환하여 보란 유도체를 형성한다.[233]

4. 4. 질화붕소

질화붕소는 탄소의 동소체와 유사한 다양한 구조를 갖는다. 다이아몬드와 같은 구조는 입방정질화붕소(보라존(Borazon))라고 불리며, 붕소 원자가 다이아몬드의 사면체 구조에서 탄소 원자 위치에 존재한다. 4개의 B-N 결합 중 하나는 배위 공유 결합으로, 루이스 염기인 질소의 전자가 루이스 산인 붕소의 빈 오비탈에 제공되어 형성된다. 입방정질화붕소는 다이아몬드와 경도가 비슷하여 연마제로 사용된다.[55][56]

흑연과 같은 구조는 육방정질화붕소(h-BN)이며, 양전하를 띤 붕소와 음전하를 띤 질소가 번갈아 배열된 평면 구조가 층층이 쌓여 있다. 육방정질화붕소와 흑연은 층간 미끄러짐으로 윤활성을 갖는 공통점이 있지만, 열전도성 및 전기전도성에서 차이를 보인다. 흑연은 우수한 열전도성 및 전기전도성을 가지지만,[234] h-BN은 평면 방향으로 낮은 열전도성 및 전기전도성을 보인다.[235][236]

4. 5. 금속 붕화물

붕소는 매우 많은 원소와 붕화물을 형성하지만, 특히 금속 원소와 형성하는 붕화물은 금속적인 성질을 나타내는 경우가 많아 붕소 자체는 비금속 원소임에도 종종 붕소 합금으로 취급된다.[237] 금속 붕화물은 일반적으로 고경도, 고융점, 저반응성이라는 특징을 나타낸다.[238] 금속 붕화물의 대부분은 붕소와 금속 원소를 함께 용융 또는 소결시켜 합성할 수 있으며, 철 붕화물이나 크로뮴 붕화물 등의 공업적 제조법에서는 고순도의 것을 얻기 어렵지만, 대량 생산이 가능한 테르밋 반응과 같은 직접 환원법이 이용되고 있다.[239]

금속 붕화물에서는 붕소 원자와 금속 원자 사이에 화학량론적인 관계가 보이지 않는 경우가 많다. 이는 금속 원자가 형성하는 입체 구조의 공극에 유리된 붕소 원자가 포함된 구조를 취하거나, 반대로 붕소가 형성하는 입체 구조의 공극에 유리된 금속 원자가 포함된 구조를 취하는 것이 많이 존재하기 때문이다.[240] 금속 붕화물로 중요한 것에 철 붕화물(페로보론)이 있으며, Fe₂B, FeB, Fe₂B₅ 등이 알려져 있다.[241] 철 붕화물은 제철의 원료로서 담금질이나 용접에 관한 성능 향상에 이용된다.[242] 붕소는 이러한 이원 화합물뿐만 아니라, 여러 금속 원소와 다원 화합물을 형성하는 것도 알려져 있다.[243] 대표적인 것으로, 매우 강력한 자력을 가진 네오디뮴 자석으로 이용되는 네오디뮴-철-붕소의 삼원 화합물인 Nd₂Fe₁₄B가 있다.[244]

4. 6. 유기붕소 화합물

수천 종에 이르는 유기붕소 화합물이 존재하는 것으로 알려져 있다. 대표적인 것으로 트리에틸보란이나 보론산과 같은 알킬붕소 화합물, 보라진 유도체와 같은 복소환식 화합물 등이 있다. 알킬붕소 화합물 및 아릴붕소 화합물은 붕소 할로겐화물과 그리냐르 시약을 사용하여 합성할 수 있다. 트리알킬붕소를 포함한 알킬보란은 히드로붕소화 반응에 의해 보란으로부터 합성된다.[246] 트리에틸보란과 같은 트리알킬붕소 화합물은 공기 중에서 산소와 반응하여 자연 발화하는 자연 발화성 물질이지만, 트리페닐보란과 같은 트리아릴붕소 화합물은 공기 중에서 연소하지 않는다.[245] 붕소 할로겐화물을 4배 몰 당량의 알킬화제 또는 아릴화제와 반응시키면, 트리알킬 또는 트리아릴붕소에서 더 반응이 진행되어 테트라알킬 또는 테트라아릴붕산 이온이 생성된다. 이러한 화합물로는 테트라페닐붕산나트륨이나 테트라메틸붕산리튬 등이 있으며, 테트라페닐붕산나트륨은 칼륨이나 루비듐과 같은 무거운 알칼리 금속 원소를 분리하는 데 사용된다.[246]

5. 분석

붕소의 불꽃반응


붕소를 포함하는 시료를 불꽃으로 가열하면 녹색 불꽃 반응이 관찰되는데, 이를 붕소의 정성 분석에 이용한다. 구리나 바륨 등도 유사한 녹색 불꽃을 나타내므로, 탄산나트륨으로 방해 원소를 분리하는 전처리가 필요하다. Boron trifluoride|불화붕소영어의 200°C에서의 불꽃 반응은 예민하므로, 불화칼슘과 황산을 첨가하여 시료 중의 붕소를 불화붕소로 만들어 미량의 시료에서도 정성이 가능하다.[260] 다른 정성 방법으로는 1,2,5,8-테트라히드록시안트라퀴논(퀴나자린)과 붕소의 반응으로 생성되는 청색 발색을 이용한다.[260]

붕소의 정량 분석에는 만니톨법, 쿠르쿠민법, 아조메틴 H법, 메틸렌블루 흡광광도법, 유도결합플라즈마 방출분광법(ICP-AES) 및 질량분석법(ICP-MS) 등이 사용된다.[261][262] 흡광광도법은 반응 시간이나 방해 성분의 문제가 있고, ICP법은 고가의 장치가 필요하다는 단점이 있어, 전기화학적 정량 분석법 개발도 이루어지고 있다.[264]

만니톨법은 붕산과 D-(-)-만니톨의 반응으로 발생하는 수소 이온을 알칼리 용액으로 중화 적정하는 방법이다.[265] 붕소 함량이 높은 시료에 적합하며, 붕산이나 사붕산나트륨 등의 순도를 분석하는 데 사용된다. 철이나 인 등 공존 원소의 방해를 받기 쉽고, 복잡한 전처리가 필요할 수 있다.[261]

쿠르쿠민법, 아조메틴 H법, 메틸렌블루 흡광광도법은 모두 붕소가 발색 시약과 착체를 형성하여 생기는 발색 정도를 흡광도로 측정하는 분석법이다.[266][261] 쿠르쿠민법은 쿠르쿠민과 붕소의 반응으로 생성되는 로소시아닌의 적색 발색을 이용하며, 분석 감도는 높지만 방해 원소가 많다.[261][267] 아조메틴 H법은 아조메틴 H와 붕소의 착체 형성 반응을 이용하며, 쿠르쿠민법보다 감도는 낮지만 방해 원소가 적고 EDTA로 마스킹할 수 있다.[268][261] 메틸렌블루 흡광광도법은 불화수소산 존재하에서 붕소와 메틸렌블루 반응으로 생성되는 착체를 용매 추출하여 분리하고 흡광도를 측정하며, 크롬산 이온 등이 방해 요인이 된다.[264][269]

ICP-AES법은 저농도 시료에서도 고감도로 붕소 농도를 정량 분석할 수 있지만, 장치 가격이 매우 비싸다.[264] 182.64 nm 또는 249.77 nm의 발광 파장이 사용되는데, 후자는 고감도이지만 철의 방해를 받고, 전자는 철의 방해를 받지 않지만 저감도이다. 시료 분해 중 붕소가 휘발하는 경우도 있어 오차 요인이 된다.[270]10B의 열중성자 흡수능이 크다는 것을 이용하여, 열중성자선을 시료에 조사하여 열중성자선 밀도 변화를 측정하는 방법으로도 붕소 정량 분석이 가능하다. 비파괴적이고 신속하게 연속 분석을 할 수 있어, 폐수 중 붕소 농도 모니터링 등에 응용된다.[271][272]11B영어는 핵스핀이 3/2이므로 핵자기공명 분광법을 이용하여 구조를 분석할 수 있다. 11B영어는 천연 존재 비율이 약 80%로 높아 고감도 측정 결과를 얻을 수 있지만, 분해능은 낮다.[273] 10B영어는 열중성자 흡수능이 커서 붕소의 중성자 회절 분석은 불가능하지만, 동위원소 분리를 통해 11B영어만으로 구성된 시료를 제작하면 중성자 회절을 이용한 구조 분석이 가능하다.[274] 붕소 화합물의 분자 구조는 적외선 분광법이나 라만 분광법으로 분석한다.[275]

5. 1. 정성 분석



붕소를 포함하는 시료를 불꽃으로 가열하면 녹색 불꽃 반응이 관찰되므로, 붕소의 정성 분석에는 불꽃 반응이 이용된다. 이 반응에서는 구리나 바륨 등도 유사한 녹색 불꽃을 나타내어 방해가 되므로, 탄산나트륨으로 방해 원소를 분리하는 등의 전처리가 필요하다. 또한, Boron trifluoride|불화붕소영어의 200°C에서의 불꽃 반응은 예민하므로, 시료에 불화칼슘과 황산을 첨가하여 시료 중의 붕소를 불화붕소로 만듦으로써 미량의 시료에서도 정성이 가능해지며, 약 10 μg 정도의 검출 한계가 얻어지고 있다.[260] 다른 정성 방법으로는 1,2,5,8-테트라히드록시안트라퀴논(퀴나자린)과 붕소의 반응에 의해 생성되는 청색 발색이 이용된다.[260]

5. 2. 정량 분석

붕소의 정량 분석에는 만니톨법, 쿠르쿠민법, 아조메틴 H법, 메틸렌블루 흡광광도법, 유도결합플라즈마 방출분광법(ICP-AES) 및 질량분석법(ICP-MS) 등이 사용된다[261][262]. 일본공업규격에서는 붕산 등 시약의 순도 분석에는 만니톨법이, 공장 폐수 시험 방법 등에는 흡광광도법 및 ICP법이 공정법으로 규정되어 있다[263]. 흡광광도법은 반응 시간이나 방해 성분의 문제가 있으며, ICP법은 고가의 장치가 필요하다는 문제가 있기 때문에, 고가의 장치를 필요로 하지 않고 신속하게 측정이 가능한 방법으로서 전기화학적 정량 분석법의 개발도 이루어지고 있다[264].

만니톨법은 붕산과 D-(-)-만니톨의 반응에 의해 정량적으로 발생하는 수소 이온의 양을 수산화나트륨 용액 등 알칼리 용액을 사용하여 중화 적정하는 방법이다[265]. 붕소 함량이 높은 시료에 적합하며, 붕산이나 사붕산나트륨 등의 순도를 분석하는 데 사용된다. 철이나 인 등 공존 원소의 방해를 받기 쉽고, 중화 적정이므로 산이나 알칼리가 존재하는 경우에는 먼저 중화해야 하므로 복잡한 전처리가 필요한 경우도 있다[261]. 예를 들어 철강 중 붕소 분석에 만니톨법을 사용하는 경우에는, 먼저 시료를 산 용해시킨 후 메탄올과 반응시켜 붕산메틸로 증류하여 다른 성분으로부터 붕소를 분리하고, 얻어진 유출액을 증발 건고하여 생기는 잔류물을 황산으로 용해시켜, 황산 산성이 되어 있는 시료 용액의 pH를 수산화나트륨으로 중화하여 pH를 조정하는 전처리가 이루어진다[265].

쿠르쿠민법, 아조메틴 H법, 메틸렌블루 흡광광도법은 모두 붕소가 발색 시약과 착체를 형성함으로써 생기는 발색 정도를 흡광도로 흡광 광도계를 사용하여 측정하고, 붕소 농도가 알려진 용액을 발색시킨 경우의 흡광도와 비교하여 붕소 농도를 정량하는 분석법이다[266][261]. 쿠르쿠민법은 쿠르쿠민이 붕소와 반응하여 형성되는 로소시아닌의 적색 발색을 이용한 분석법이며, 분석 감도는 높지만 불소 등 방해가 되는 원소가 많다[261][267]. 아조메틴 H법은 아조메틴 H와 붕소의 착체 형성 반응을 이용한 분석법이며, 쿠르쿠민법에 비해 분석 감도는 낮지만 방해가 되는 원소가 적고, 방해가 되는 원소도 EDTA에 의해 마스킹할 수 있다[268][261]. 메틸렌블루 흡광광도법은 불화수소산 존재하에서 붕소와 메틸렌블루가 반응하여 형성되는 메틸렌블루-테트라플루오로붕산 착체를 용매 추출하여 분리하고 흡광도를 측정하는 분석법이며, 크롬산 이온 등이 방해 요인이 된다[264][269].

ICP-AES법은 저농도 시료에서도 고감도로 간편하게 붕소 농도의 정량 분석을 할 수 있지만, 장치 가격이 매우 고가이다[264]. 일반적으로 182.64 nm 또는 249.77 nm의 발광 파장이 사용되지만, 후자는 고감도이지만 철의 방해를 받고, 전자는 철의 방해를 받지 않지만 저감도이다. 또한 시료 분해 중에 붕소가 휘발하는 경우도 있어 오차 요인이 된다[270].

붕소 중에 약 20% 정도 포함되어 있는 10B의 열중성자 흡수능이 매우 크다는 것을 이용하여, 열중성자선을 시료에 조사하여 열중성자선 밀도의 변화를 측정하는 방법으로도 붕소의 정량 분석이 가능하다. 비파괴적이고 신속하게 연속 분석을 할 수 있으므로, 폐수 중 붕소 농도 모니터링 등에 응용되고 있다[271][272].

5. 3. 구조 분석

11B영어는 핵스핀이 3/2이므로 핵자기공명 분광법을 이용하여 구조를 분석할 수 있다. 11B영어는 천연 존재 비율이 약 80%로 높아 신호대잡음비가 큰 고감도 측정 결과를 얻을 수 있지만, 스핀 수가 1보다 큰 사중극자 핵이기 때문에 넓고 복잡한 스펙트럼이 나타나 분해능은 낮다.[273] 10B영어는 열중성자 흡수능이 커서 일반적으로 붕소의 중성자 회절 분석은 불가능하지만, 동위원소 분리를 통해 11B영어만으로 구성된 시료를 제작하면 중성자 회절을 이용한 구조 분석이 가능하다.[274] 붕소 화합물의 분자 구조는 적외선 분광법이나 라만 분광법으로 분석한다.[275] 예를 들어 적외선 분광법에서는 B-H 결합은 2500 cm-1에서, B-N 결합은 1400 cm-1에서 흡수가 나타난다.[276]

6. 분포

붕소는 원자 번호가 작은 원소임에도 불구하고 우주에서 존재도가 매우 낮은 원소이며, 1982년 Anders와 Ebihara 등의 보고에 따르면 규소 원자 106개에 대해 21개로 추정된다(헬륨은 2.8×109, 철은 9.0×105).[277] 이는 빅뱅 핵합성이나 항성 내 핵합성에서 붕소 원자가 거의 합성되지 않기 때문이다. 태양계에 존재하는 붕소는 우주선에 의한 핵파쇄 및 초신성 폭발 시에 일어나는 중성미자 반응의 두 가지 핵합성 경로에 의해 생성된 것으로 추정된다.[278]

붕소는 지각에서도 그 존재 비율이 낮은데, 삼산화붕소로서 약 0.001% 정도를 차지한다(지각의 원소 존재도 참조). 그러나 붕산염의 형태로 광상을 형성하여 국부적으로 농축되기 때문에 채굴이 용이하다.[279] 이러한 붕소의 농축은 마그마의 냉각에 의한 화성암의 형성 과정이나, 마그마로부터 휘발 방산된 붕소의 퇴적 등에 의해 일어난다. 따라서 화산 분출구 근처나 화산성 온천, 호수 등에서도 종종 붕소의 농축이 관찰된다.[280] 또한, 암석의 풍화 작용에 의해 건조 지대에도 농축된다.[281] 붕소는 지구상에서 단체 형태로는 존재하지 않고, 항상 산소와 결합하여 붕사, 붕산, 붕산염, , , 우렉사이트 등의 형태로 존재한다. 붕소를 주성분으로 포함하는 광물은 100종 이상 존재하며, 붕소는 그 이온 반지름으로부터 규소나 알루미늄, 베릴륨, 인 등에 치환되기 쉬워, 많은 광물 중에 미량 원소로서도 존재한다.[282] 해수 중 붕소 농도는 약 4~5 mg/L이며, 장소와 수심에 따른 차이는 비교적 작다.[283]

미국 지질 조사국의 2015년 발표에 따르면, 기술적·경제적으로 채굴 가능한 붕소 광석의 채굴 가능 매장량은 전 세계적으로 약 2억 1000만 톤으로 추정된다.[292] 붕소는 화산 활동과 건조 기후에 기인하여 농축되므로, 알프스-히말라야 조산대나 안데스 산맥 등의 화산대와 건조 지대에 광상이 편재하고 있지만, 경제적으로 이용 가능한 광상은 한정되어 있다.[292][281] 세계 최대의 붕산염 광상은 에스키셰히르, 퀴타히야, 발라케시르를 포함하는 터키 중서부에 존재하며[284][285][286], 터키는 6000만 톤의 붕소 광석을 매장한 세계 최대의 붕소 매장국이다.[293][292] 미국은 터키에 이어 4000만 톤[292]의 매장량을 보유하고 있으며[292], 캘리포니아주의 모하비 사막에는 세계 최대의 노천 붕사 광산이 존재한다.[287][288] 그 외 붕소 매장국으로는 러시아(4000만 톤), 칠레(3500만 톤), 중국(3200만 톤) 등이 있다.[292]

7. 생산

초기 붕소 합성 방법은 붕산을 마그네슘이나 알루미늄으로 환원하는 것이었으나, 이 방법으로는 순수한 붕소를 얻을 수 없었다. 생성물은 종종 금속 붕화물로 오염되었다.[38] 순수한 붕소는 고온에서 수소로 휘발성 붕소 할로겐화물을 환원시켜 제조한다. 반도체 산업에서 사용되는 초고순도 붕소는 고온에서 디보란을 분해한 후 영역 정련법이나 초크랄스키법으로 추가 정제한다.[39]

울렉사이트 조각


경제적으로 중요한 붕소 광원은 콜레마나이트, 커나이트, 울렉사이트, 틴칼이다. 이들은 채굴되는 붕소 함유 광석의 90%를 차지한다. 세계 최대 붕사 매장지는 터키 중부와 서부, 특히 에스키셰히르, 퀴타히야, 발리케시르 주에 있다.[67][68][69] 전 세계 확인된 붕소 광물 매장량은 10억 톤이 넘지만, 연간 생산량은 약 400만 톤이다.[70]

터키와 미국은 최대 붕소 제품 생산국이다. 터키는 국영 광산 및 화학 회사인 Eti Mine Works를 통해 전 세계 연간 수요의 약 절반을 생산한다. 터키는 세계 붕소 매장량의 72%를 보유하며, 터키 내 붕산염 광물 채굴에 대한 정부 독점권을 가지고 있다.[71] 2012년 기준 터키는 리오 틴토 그룹을 앞서 전 세계 붕산염 광물 생산량의 47%를 차지했다.[72]

전 세계 붕소 생산량의 약 25%는 캘리포니아주 보론 근처 리오 틴토 보랙스 광산(미국 보랙스 보론 광산)에서 생산된다.[73][74]

붕소-10(10B)은 중성자 흡수 단면적이 높아 원자로에서 핵분열 제어용 중성자 포획 물질로 자주 사용된다.[138] 10B 농축 방법으로는 삼불화붕소의 디메틸 에테르 부가물(DME-BF3) 분별 진공 증류와 붕산염 컬럼 크로마토그래피가 주로 사용된다.[139][140] 증류법과 화학 교환법을 조합한 화학 교환 증류법도 개발되었으며,[274] 현대 농축 붕소 생산의 대부분은 이 방법으로 이루어진다.[291]

7. 1. 시장 동향

2014년 세계 붕소 생산량은 광석 기준 372만 톤이었으며, 이 중 177만 톤은 터키에서 생산되었다.[292] 세계 붕산염 수요는 지속적으로 증가할 것으로 예상된다. 붕소의 주요 생산업체는 미국의 리오 틴토 그룹과 터키의 국영 기업인 Eti Mine Works이다. 중국은 붕소 광석 매장량이 있지만, B₂O₃ 함량이 적어 저품질이기 때문에 고품질 붕산염 수입량이 증가하고 있다.[292]

8. 용도

붕소는 단독으로 사용되는 경우는 드물지만, 화합물이나 합금 형태로 다양하게 이용된다.[297] 일상생활에서는 주로 붕사나 붕산 형태로 사용된다. 붕사는 유리 원료, 방부제, 금속 환원제, 용접 용제, 연마제, 화재 억제제 등으로 사용되며, 풀과 섞어 슬라임을 만드는 과학 실험 재료로도 쓰인다.[298] 붕산염과 과붕산염은 눈 세척제[299], 가글이나 코 스프레이 등 구강 위생 의약품[300], 붕산알을 이용한 바퀴벌레 퇴치[301] 등에 사용된다.

붕소는 유리 및 세라믹 제조, 음향 기기, 반도체, 자석, 초경도 재료, 건축, 원자력, 유기화학, 생물 등 다양한 산업 분야에서 활용된다.

8. 1. 유리 및 세라믹스

붕소는 유리 제조에 있어 주요 용도 중 하나이며, 2011년 붕산염 소비량의 약 60%가 유리섬유를 포함한 유리 용도였다.[302] 붕규산 유리는 일반적으로 5~30%의 붕산을 함유하고 있으며, 열팽창 계수가 낮아 열 충격에 대한 내성이 높다. 붕소를 유리에 첨가하면 용융 상태에서 유리의 유동성이 향상되어 유리 성형 시 생산성이 향상된다.[302] 붕규산 유리의 주요 상표로는 듀란(DURAN)과 파이렉스(PYREX)가 있으며, 열 충격에 대한 저항성을 이용하여 주로 실험용 유리 기구 및 일반 가정용 조리 기구, 내열 용기 등에 사용된다.[303]

붕소 섬유(유리 장섬유)는 가볍고 고강도이기 때문에 섬유 강화 플라스틱과 같은 복합 재료의 강화재로 사용된다. 주로 항공 우주 분야의 구조물에 사용되며, 일반 소비자용으로는 골프채나 낚싯대와 같은 일부 스포츠 용품에도 사용된다.[304][305] 유리 섬유 용도의 붕소 소비량은 전체의 약 45%에 달한다.[302]

붕소 섬유(유리 단섬유)는 유리 섬유로서 냉장고나 건축 자재 등에서 단열재로 사용된다.[242]

8. 2. 음향 기기

밀도가 작고, 영률이 크며, 음속이 로 알루미늄의 약 2.6배 이상이기 때문에, 음향 재료로서는 베릴륨보다 더 이상적인 소재로 알려져 있다.[309] 그러나 고융점이고 전연성이 매우 낮아 가공이 기술적으로 어려운 소재이며, 실용화된 것은 1980년 이후이다.[310]

  • 레코드 바늘의 캔틸레버에서는 품川무선[311]이나 오디오테크니카[312], 데논[313] 등에서 상품화되었다.
  • 다이아톤에서는 붕소화탄소(BC)를 스피커의 고음 및 중음역 유닛의 진동판에 사용하고 있다.[314]
  • 데논은 붕소 장섬유를 사용한 붕소 섬유 진동판을 저음역 유닛에 사용했다. 고음역 유닛의 진동판으로도 α붕소 화합물이 사용되었지만, 티타늄이나 주랄민 베이스에 용사하는 형태를 취했다.[315]

8. 3. 반도체

붕소는 실리콘, 게르마늄, 탄화규소와 같은 반도체에 유용한 도펀트이다. 붕소는 모 원자보다 원자가 전자가 하나 적기 때문에, 정공을 제공하여 p형 전도성을 나타낸다. 전통적인 붕소 도핑 방법은 고온에서 원자 확산을 이용하는 것이다. 이 과정에는 고체(B₂O₃), 액체(BBr₃), 또는 기체 붕소 원료(B₂H₆ 또는 BF₃)를 사용한다. 그러나 1970년대 이후로는 대부분 BF₃를 붕소 원료로 사용하는 이온 주입으로 대체되었다.[102] 삼염화붕소 기체 또한 반도체 산업에서 중요한 화학 물질이지만, 도핑이 아니라 금속 및 금속 산화물의 플라즈마 식각에 사용된다.[103] 트리에틸보란은 붕소원으로 기상 증착 반응기에 주입되어, 붕소를 함유한 경질 탄소막이나 다이아몬드막(다이아몬드 유사 탄소), 질화규소-질화붕소막 등에서 플라즈마 증착법에 이용된다.[104],[105]

8. 4. 자석

붕소는 가장 강력한 영구 자석 중 하나인 네오디뮴 자석(Nd₂Fe₁₄B)의 구성 원소이다. 네오디뮴 자석은 자기 공명 영상(MRI) 의료 영상 시스템과 같이 다양한 전기 기계 및 전자 장치, 소형 모터 및 액추에이터에서 발견된다. 예를 들어, 컴퓨터 하드 디스크 드라이브(HDD), CD 플레이어(CD), DVD 플레이어(DVD)는 작은 크기에도 강력한 회전력을 제공하기 위해 네오디뮴 자석 모터에 의존한다. 휴대전화에서는 '네오'(Neo) 자석이 미세한 스피커에서 상당한 오디오 출력을 낼 수 있는 자기장을 생성한다.[106]

8. 5. 초경도 재료

탄화붕소와 입방정질 질화붕소 분말은 연마제로 널리 사용되며, 금속 붕소화합물은 화학 기상 증착 또는 물리 기상 증착법으로 코팅재로 사용된다. 금속 및 합금에 붕소 이온을 도입하는 방법으로는 이온 주입법 또는 집속 이온빔에 의한 이온빔 증착법, 레이저 합금화법 등이 이용되며, 그 결과 표면 저항과 미세 경도가 현저하게 증가한다. 이와 같이 붕소화합물로 코팅된 재료는 다이아몬드 코팅된 재료를 대체하며, 이들 붕소화합물의 표면은 벌크의 붕소화합물과 유사한 특성을 가지고 있다.[322]

질화붕소는 탄소와 등전자성을 갖는 물질이다. 탄소와 마찬가지로 육방정계(연한 흑연과 유사한 h-BN)와 입방정계(단단한 다이아몬드와 유사한 c-BN) 형태가 모두 존재한다. h-BN은 고온 부품 및 윤활제로 사용된다. 상표명 보라존(borazon)으로도 알려진 c-BN은 우수한 연마제이다. 그 경도는 다이아몬드보다 약간 낮지만 화학적 안정성은 다이아몬드보다 우수하다.[96] 헤테로다이아몬드(BCN)는 또 다른 다이아몬드 유사 붕소 화합물이다.[97]

BCN 고체[94] 및 ReB2[95]의 기계적 특성
재료다이아몬드입방-BC2N입방-BC5입방-BNB4CReB2
비커스 경도 (GPa)1157671623822
파괴 인성 (MPa m1⁄2)5.34.59.56.83.5



레늄 이붕화물(ReB2)은 상온에서 생산할 수 있지만, 레늄 때문에 다소 비싸다. ReB2의 경도는 육각형 층상 구조 때문에 상당한 이방성을 나타낸다. 그 값은 텅스텐 카바이드, 탄화규소, 티타늄 이붕화물 등과 비슷하다.[95] AlMgB14 + TiB2 복합재료는 높은 경도와 내마모성을 가지며, 고온 및 마모 하중에 노출되는 부품의 벌크 형태 또는 코팅으로 사용된다.[99]

8. 6. 건축

붕소계 약품으로 처리한 폐신문지는 "셀룰로오스 파이버"라는 이름으로 단열재로 사용된다. 흡습성을 가진 천연섬유계 단열재로 주목받고 있으며, 붕소계 약품으로 처리하여 발수성, 난연성, 구충 작용을 얻을 수 있다. 일본의 대형 주택 건설 회사에서 채택한 사례는 적지만, 미국에서는 가정용 단열재의 40% 전후의 시장 점유율을 차지한다.[334] 충진 공법으로 시공되기 때문에 전문적인 불어넣기용 기계가 필요하며, 개축 시 벽·천장에 충진된 셀룰로오스 파이버가 장애가 된다는 점, 불어넣은 후 침하될 가능성 등의 문제점이 지적되기도 한다.[335]

8. 7. 원자력

10B 동위원소는 열중성자를 매우 잘 흡수하는 성질이 있다. 중성자 흡수 능력은 11B의 약 100만 배에 달한다. 이러한 특성으로 인해 10B 동위원소 화합물은 원자력 산업에서 핵반응 조절, 긴급 핵반응 중지, 핵연료 재충전을 위한 가동 정지 등에 사용된다.[336]

붕소 탄화물은 중성자를 흡수하는 능력이 뛰어나며(특히 10B를 추가로 첨가했을 때), 장수명 방사성 핵종을 형성하지 않아 원자력 발전소에서 발생하는 중성자 방사선을 흡수하는 물질로 사용된다.[92] 붕소 탄화물은 차폐, 제어봉, 정지 펠릿 등의 형태로 사용되며, 제어봉 내에서는 표면적을 늘리기 위해 분말 형태로 사용되기도 한다.[93]

붕소는 높은 중성자 흡수 단면적을 이용하여 원자로 제어에 사용된다.[107] 가압경수로에서는 냉각수 내 붕산 농도를 조절하여 중성자 독으로 사용, 연료의 반응도를 보상한다. 새 연료봉이 장입되면 붕산 농도가 최대가 되고, 수명이 다할 때까지 감소한다.[108]10B는 매우 큰 중성자 흡수 단면적을 가지므로, 원자로 내 중성자 흡수를 위한 제어봉에 사용된다.[336] 붕산과 같은 화합물은 1차 냉각수에 녹여 압력수형 원자로의 과잉 반응도 제어에 사용된다.[337] 미량의 붕소를 첨가한 금속으로 만든 방사성 물질 운반 용기도 사용된다.[338]

8. 8. 유기화학

허버트 C. 브라운은 붕소의 유기화학적 이용을 체계적으로 연구하였으며, 그 업적으로 1979년 노벨 화학상을 수상했다. 브라운이 연구한 환원제로서의 수소화붕소나트륨과 히드로붕소화는 현재에도 유기합성에서 활발히 이용되고 있다. 브라운의 연구실에서 배운 스즈키 아키라 또한 유기붕소 화합물을 이용한 스즈키-미야우라 커플링 연구로 2010년 노벨 화학상을 수상했다. 이 반응을 이용하면 다양한 변환이 가능하기 때문에, 유기붕소 화합물은 복잡한 화합물의 전구체로 이용되고 있다.[339]

트리에틸보란은 발화하기 쉽고 연소 속도도 빨라 제트 연료에 이용된다.[340]

8. 9. 생물

붕소는 식물의 필수 원소 중 하나이며, 98%는 세포벽에 존재한다. 세포벽 합성, 세포막의 완전성 유지, 당의 막 수송, 핵산 합성, 효소의 보조인자 등에 관련되어 있을 것으로 예상되지만, 아직 완전히 밝혀지지는 않았다.[341] 식물에서 붕소를 수송하는 물질은 2002년에 처음으로 확인되었다.[342]

한편, 고농도의 붕소는 식물의 성장을 저해하기 때문에[343] 토양 중 붕소 함량이 높은 오스트레일리아 남부 등에서는 농업이 어려워지고 있다.[344] 이에 식물의 유전자를 변형하여 붕소 내성을 갖도록 하는 연구가 진행되고 있다.[345] 붕소는 동물에게도 필수 원소로 생각되지만, 그 생물학적 역할은 잘 알려져 있지 않다.

9. 생물학적 역할

붕소는 식물에 필수적인 영양소로, 주로 세포벽의 완전성을 유지하는 데 필요하다.[159] 그러나 토양 내 붕소 농도가 을 초과하면 잎 가장자리와 끝이 괴사되고 전반적인 생장이 저하된다. 토양 내 붕소에 특히 민감한 식물의 경우 0.8ppm 정도의 낮은 농도에서도 이러한 증상이 나타난다.[159] 토양 붕소 함량이 1.8ppm을 초과하면 거의 모든 식물, 심지어 토양 붕소에 다소 내성이 있는 식물조차도 붕소 독성 증상을 어느 정도 보인다.[159] 붕소 함량이 을 초과하면 대부분의 식물이 제대로 자라지 못하고 일부는 생존하지 못할 수도 있다.[159][160][161]

붕소는 인간을 포함한 동물에게 여러 필수적인 역할을 하는 것으로 여겨지지만, 정확한 생리적 역할은 아직 명확하게 밝혀지지 않았다.[171][172] 붕소 결핍증은 가축에서만 명확하게 확인되었으며,[173][174] 인간의 경우 붕소 결핍이 골밀도에 영향을 미칠 수 있지만, 골 건강에 대한 추가 연구가 필요하다는 점이 지적되었다.[175]

붕소는 연구를 통해 명확한 생물학적 기능이 확립되지 않았기 때문에 필수 인체 영양소로 분류되지 않는다.[176][177] 그럼에도 불구하고, 연구에 따르면 붕소는 생식 및 발달, 칼슘 대사, 뼈 형성, 뇌 기능, 인슐린 및 에너지 기질 대사, 면역 및 스테로이드 호르몬(에스트로겐 포함)과 비타민 D 기능 등에 유익한 효과를 나타낼 수 있다.[179][177] 1987년에 발표된 소규모 인체 실험에서는 붕소가 결핍된 후 하루 3mg로 보충된 폐경기 여성을 대상으로 하였다. 붕소 보충제는 소변 칼슘 배설을 현저히 감소시키고 17 베타-에스트라디올과 테스토스테론의 혈청 농도를 증가시켰다.[180]

10. 건강 문제 및 독성

원소 상태의 붕소, 붕소 산화물, 붕산, 붕산염, 그리고 많은 유기붕소 화합물은 사람과 동물에게 비교적 무독성이며(탁상용 소금과 유사한 독성을 가짐) 동물에 대한 LD50(50% 치사율을 보이는 용량)은 체중 kg당 약 6g이다.[186] LD50이 2g/kg 이상인 물질은 무독성으로 간주된다. 4g/일의 붕산 섭취는 아무런 문제 없이 보고되었지만, 이보다 많은 양은 여러 번 섭취할 경우 독성을 나타낸다. 50일 동안 하루 0.5g 이상 섭취하면 경미한 소화기 장애 및 기타 독성을 시사하는 문제가 발생한다.[186]

붕산은 포유류보다 곤충에 대해 독성이 더 강하며, 살충제로 널리 사용된다.[187] 그러나 중성자 포획 치료에서 붕소캡테이트나트륨 및 붕소페닐알라닌과 같은 다른 붕소 화합물과 함께 사용되었으며, 낮은 독성 수준이 보고되었다.[188]

보란(붕소 수소 화합물) 및 유사한 기체 화합물은 매우 유독하다. 일반적으로 붕소는 본질적으로 유독한 원소가 아니지만, 이러한 화합물의 독성은 구조에 따라 달라진다.[9][10] 보란은 또한 매우 인화성이 높으므로 취급 시 특별한 주의가 필요하며, 일부 보란과 다른 화합물의 조합은 폭발성이 매우 높다. 붕수소화나트륨은 환원성과 산과 접촉 시 수소 방출로 인해 화재 위험을 초래한다. 붕소 할로겐화물은 부식성이 있다.[189]

장미 잎의 붕소 독성.


붕소는 식물 성장에 필요하지만 과량의 붕소는 식물에 독성을 나타내며, 특히 산성 토양에서 발생한다.[190][191] 가장 오래된 잎의 끝에서 안쪽으로 향하는 황변과 보리 잎의 검은 반점으로 나타나지만, 다른 식물에서는 마그네슘 결핍과 같은 다른 스트레스와 혼동될 수 있다.[192]

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