지난 시간에는 주화 금속의 마지막 원소로 구리, 은, 금과 비슷한 특성을 보일 것으로 추측되는 원소 ‘뢴트게늄(Rg, 원자번호 111번)’에 대해 들려드렸습니다. 오늘 이 시간에는 중성자를 흡수하는 능력이 매우 뛰어난 금속 원소 ‘하프늄(Hf, 원자번호 72번)’에 대한 이야기를 준비했습니다.

원자번호 72번 ‘하프늄(Hf)’을 소개합니다.

원자번호 72번 ‘하프늄(Hf, 원자번호 72번)’은 다른 4족 원소인 티타늄, 지르코늄과 성질, 합금, 용도가 비슷한 은회색 전이금속입니다. 연성이 크고 회색 광택이 나는 무거운 금속으로 지르코늄 광석에 1~4% 비율로 들어 있습니다. 하프늄은 화학적 성질이 지르코늄과 비슷해 분리하는 데 많은 시간과 노력이 필요합니다.  하프늄은 중성자를 통과시키는 지르코늄과 달리 중성자를 매우 잘 흡수합니다. 따라서 하프늄이 분리되지 않은 지르코늄으로 원자로를 만들면 중성자를 흡수해 핵분열 효율이 낮아집니다. 이런 이유로 하프늄은 오랫동안 천덕꾸러기 취급을 받았는데요. 완벽한 분리가 가능해진 뒤로는 원자로 제어봉, 집적 회로 절연체, DVD 레이저, 고집적 반도체 칩 등에 쓰이며 귀하게 다뤄지고 있습니다.

‘하프늄’의 발견과 원소명의 유래

하프늄(hafnium)은 발견되기 전부터 여러 화학자들이 존재를 예측한 원소입니다. 1869년 멘델레예프는 주기율표를 제안하면서 타이타늄, 지르코늄과 같은 족에 있으며 질량이 더 큰 새로운 원소의 존재를 예측했습니다.

1911년에는 프랑스의 우르뱅(G. Urbain)이 이에 해당하는 원소를 발견했다고 주장하며 ‘셀튬(celtium)’이라고 불렀지만, 이후 영국의 모즐리(H. Mosley)와의 공동 연구 결과 이는 새로운 원소가 아닌 자신이 발견한 ‘루테튬(Lutetium)’으로 오인했음을 알게 되었습니다. 이후에도 많은 화학자들이 72번 원소를 희토류 원소의 하나일 것으로 예측하고, 희토류 광석에서 발견하고자 많은 연구를 진행했습니다.

1913년 덴마크의 닐스 보어(N. Bohr)는 57번 원소부터 시작되는 란탄족 원소가 71번으로 끝나고, 72번 원소는 주기율표의 지르코늄 밑에 위치할 것이라는 원자론을 주장했고 이로부터 10년 뒤인 1923년, 네덜란드의 코스테르(D. Coster)와 헝가리의 헤베시(G. K. von Hevesy)는 노르웨이산 지르콘에서 새로운 원소에 해당되는 X-선 스펙트럼을 발견하였습니다. 이처럼 여러 화학자들의 연구를 이어 하프늄의 이름은 닐스 보어가 태어나고 원소를 발견한 곳인 코펜하겐의 라틴어 이름 ‘하프니아(Hafnia)’에서 유래하게 되었습니다.

‘하프늄’은 어디에 사용될까요?

하프늄은 금속 합금, 플라즈마 절단 장비 등에 주로 사용됩니다. 중요한 용도는 원자로 제어봉입니다. 원자력 발전은 중성자를 이용해 핵분열을 일으키는 방식으로 작동하는데, 중성자가 너무 많이 발생하면 ‘제어봉’이라는 기다란 막대 형태의 기구를 이용해 핵분열 속도를 조절합니다. 제어봉은 중성자를 효과적으로 제거할 수 있는 물질로 만드는데, 이때 쓰이는 것이 하프늄입니다. 고온, 고압에도 물과 잘 반응하지 않아서 안정성 면에서도 우수합니다. 그러나 매장량이 적고 값이 매우 비싸 극한의 환경에서 작동하는 원자로에만 이용하고 있습니다. 대표적인 예가 핵잠수함 원자로입니다.

하프늄 화합물은 소형 전자기기, 고성능 전자기기의 전기 절연체로 이용되어, 전자 기술 향상에 크게 기여하고 있습니다. 하프늄 화합물은 이 DVD 재생레이저 광원을 제조하는 데도 사용됩니다.

소설이나 영화에 핵잠수함에서 하프늄 폭탄을 발사하는 이야기가 간혹 나오는데요. 실제로 미국은 국제적으로 개발이 엄격하게 규제되는 핵폭탄을 대신할 무기로 하프늄 폭탄을 연구했습니다. 탄탈럼에 양성자를 쪼여 하프늄을 만든 뒤 감마선을 이용하는 살상무기를 만들려던 것입니다. 그러나 비용이 굉장히 많이 들고 위력이 낮아 효용성이 없다는 결론을 내리고 폐기하였습니다. 핵폭탄 이후 차세대 무기로 하프늄 폭탄이 언급되는 경우가 가끔 있는데 이는 사실이 아닙니다. 다음 이 시간에는 독일의 도시이름을 딴 초우라늄 원소 ‘다름슈타튬(Ds,원자번호110번)’에 대한 이야기로 돌아오겠습니다.

출처> 누구나 쉽게 배우는 원소 (그림으로 배우는 118종 원소 이야기) /원소가 뭐길래 (일상 속 흥미진진한 화학 이야기) / Big Questions 118 원소 (사진으로 공감하는 원소의 모든 것)