바나듐 (V)

발견 과정

발견: 1801 · Andrés Manuel del Río

바나듐은1801년 멕시코의 광물학자 델 리오가 갈연광을 분석하는 과정에서 발견하였다. 처음에는 새로운 원소가 화합물에 따라 다양한 색을 가지는 것을 보고 '판크로뮴(panchromium)'이라고 명명하였으나 대부분은 가열하면 다시 적색으로 변하는 것을 보고 '에리트로늄'으로 바꾸었다. 1805년에는 델 리오의 친구인 알렉산더 폰 훔볼트의 지원을 받는 프랑스의 화학자가 델 리오의 새 원소는 불순물이 첨가된 크로뮴이라고 잘못 판단했다. 델 리오는 그 주장을 그대로 받아들이고 자신의 주장 또한 철회했다. 1831년 스웨덴의 화학자 세프스트룀은 철광석을 연구하던 중에 새로운 원소의 산화물을 재발견하였고 같은 해 독일의 화학자 프리드리히 뵐러(Friedrich Wöhler)는 이 원소가 이전에 델 리오가 발견한 원소였음을 확인하였다. 세프스트룀은 이전까지 다른 원소에는 들어가지 않은V자를 자신이 발견한 원소의 이름 제일 앞에 붙이고 싶어했고, 스칸디나비아의 미의 여신인 프레이야(Vanadís)에서 이름을 따 '바나듐'이라는 이름을 붙였다. 이후 영국 출신의 (나중에 미국으로 귀화한)조지W. 페더스톤하프(George William Featherstonhaugh)는 델 리오의 이름을 따 '리오늄(rionium)'이라는 이름을 붙이자고 제안하였지만 받아들여지지 않았다. 한편, 순수한 바나듐을 분리해내는 것은 매우 힘든 것으로 밝혀졌다. 1831년 베르셀리우스는 바나듐을 순수한 형태로 분리하였다고 밝혔지만 이는 헨리 엔필드 로스코(Henry Enfield Roscoe)가 질화 바나듐(VN)임을 밝혔다. 이후1867년 로스코는 수소를 이용해 염화 바나듐(VnCl2)을 환원시켜 고순도의 바나듐을 얻는데 성공하였다. 1927년에는 오산화 바나듐을 칼슘으로 환원시켜 순수한 바나듐을 얻는 방법이 개발되었다.

용도와 활용

세계 바나듐 생산량의 약85%는 바나듐강을 만드는데 이용된다. 20세기 초반에 철에 소량의 바나듐을 섞으면 강도가 상당히 증가하고 무게는 줄어드는 사실이 발견되었고 이후로 차축, 자전거 프레임, 크랭크축, 기어 등 다수의 기계요소에 쓰이기 시작했다. 바나듐강에는 두 종류가 있는데 하나는 탄소 함량이 높은 강철로, 바나듐이 약0.15~0.25% 함유되어 있는 것이다. 다른 하나는 바나듐이1~5% 정도 함유된 고속도강(HSS)으로 대개 외과용 기구나 각종 도구에 쓰인다. 일부 분말야금 합금의 경우 바나듐이 최대18%까지 포함되어 있다. 이러한 합금은 잘 마모되지 않으므로 각종 도구나 칼 등에 사용된다. 또, 바나듐은 베타-티타늄을 안정화시켜 그 강도를 상당히 증가시키고 높은 온도에서도 안정하게 한다. 따라서 알루미늄, 바나듐, 티타늄의 합금은 제트 엔진, 고속 항공기의 뼈대, 치과용 합금 등으로 사용된다. 바나듐은 중성자를 잘 흡수하여 반감기가 짧은 방사성 동위 원소가 생성되므로 핵융합로의 내부 구조에 사용된다. 일부 바나듐 합금은 초전도체의 성질을 나타낸다. 오산화 바나듐(V2O5)은 황산을 제조할 때 촉매로 사용되거나 세라믹을 만들 때 사용된다. 이산화 바나듐(VO2)은 특정한 온도에서 적외선을 통과시키지 않는 특수 유리의 제조에 사용된다. 일부 바나듐 화합물을 강철 표면에 도금하면 녹스는 것과 부식을 막는다. 리튬 바나듐 산화물로 만든 양극은 리튬 코발트 산화물 음극과 함께 고출력의 리튬 전지를 만드는데 사용된다. 바나듐은 프로판과 프로필렌을 아크릴산으로 산화시키는 데 사용되는 혼합 금속 산화물 촉매를 구성하는 중요 요소이다. 바나듐 전해액을 주 성분으로 만드는 바나듐 이온 배터리 제조에 사용된다.

동위원소

Naturally occurring vanadium is composed of one stable isotope, 51V, and one radioactive isotope, 50V. The latter has a half-life of 2.71×1017 years and a natural abundance of 0.25%. 51V has a nuclear spin of 7⁄2 and can be used for NMR spectroscopy. Twenty-five artificial radioisotopes have been characterized, ranging in mass number from 42 to 68. The most stable of these isotopes are 49V with a half-life of 330 days, and 48V with a half-life of 15.97 days. The remaining radioactive isotopes have half-lives shorter than an hour, most below 10 seconds. Electron capture is the main decay mode for isotopes lighter than 51V. For the heavier ones, the most common mode is beta decay.