지르코늄 (Zr)

발견 과정

발견: 1789 · Martin Heinrich Klaproth

1789년 독일 화학자 마르틴 하인리히 클라프로트가 지르코늄이 새로운 원소라는 것을 발견하였다. 그는 실론섬(오늘날 스리랑카 지역)에서 채취한 지르콘 광석을 분석하던 중 이러한 사실을 알아내었다. 이후1808년 영국의 험프리 데이비는 전기분해를 통해 순수한 지르코늄을 얻으려 했지만 실패했고, 1824년 베르셀리우스가 불순물이 섞인 형태로 분리하였다. 이듬해에는 두 명의 네덜란드 화학자가 실용적으로 순수한 지르코늄을 분리하는 방법을 개발하였다. 이러한 방법은1945년 사염화 지르코늄을 마그네슘으로 환원시켜 순수한 지르코늄을 얻는 크롤 공정이 개발되기 전까지 널리 사용되었다. 크롤 공정의 화학식은 아래와 같다. ZrCl4 + 2Mg → Zr + 2MgCl2

용도와 활용

산화 지르코늄은 모조 다이아몬드의 일종인 큐빅 등의 각종 보석, 모조 치아, 광커넥터 페룰 등으로 사용된다. 전 세계 지르코늄 생산량의1% 정도는 핵연료를 생산할 때 피복에 사용된다. 지르코늄 합금은 부식에 강하고 중성자 단면적이 작아 이러한 용도로 적합하다. 그러나900도 이상의 고온에서 물과 반응하여 수소 기체를 발생시키는 단점이 있어 수소폭발의 위험이 존재한다. 1979년 미국 스리마일섬 원자력 발전소 사고에서도 이러한 수소폭발로 인해 자칫 대형사고가 발생할 뻔 했으며, 2011년3월11일 동일본 대지진으로 인해 손상된 일본의 후쿠시마 제1원자력 발전소의1,2,3호기에서는 이러한 수소폭발로 인해 세슘-137등이 누출되기도 하였다. 이러한 폭발을 막기 위해서 대부분의 가압수형 경수로에서는 발생한 수소를 실온에서 빠르게 연소시켜 물로 바꾸는 장치를 보유하고 있다. 항공우주공학 분야에서는 지르코늄 합금이나 산화물이 열에 대한 저항성을 이용해 우주선의 부품이나 연마재에 사용하기도 한다. 또, 직접 고온에 노출되는 연소실, 날개, 엔진 등에는 얇은 세라믹 층을 씌워야 하는데 여기에도 지르코늄 또는 이트륨 화합물이 사용된다. 병원이나 가속물리학 실험실 등에서 사용하는 양전자 방출 단층촬영(PET)은 지르코늄의 방사성 동위 원소인89Zr이 양전자를 방출한다는 점을 이용한 것이다.

동위원소

Naturally occurring zirconium is composed of five isotopes. 90Zr, 91Zr, 92Zr, 94Zr, and 96Zr. The first four are stable, while 96Zr is observed to decay with a half-life of 2.34×1019 years by double beta emission; this is theoretically possible also for 94Zr. Of these natural isotopes, 90Zr is the most common, making up 51.45% of all zirconium, and 96Zr is the least common, comprising only 2.80%. The artificial radioisotopes of zirconium known range from 77Zr to 114Zr, and 13 nuclear isomers are also listed. The most stable among them is 93Zr, a long-lived fission product, with a half-life of 1.61 million years. Radioactive isotopes at or above mass number 93 decay by electron emission resulting in niobium isotopes, whereas those at or below 89 decay by positron emission or electron capture, resulting in yttrium isotopes.