티타늄TTi(주)

티타늄(Titanium)

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 3,241회 작성일 21-04-02 13:21

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타이타늄은 티탄 또는 티타늄이라고도 불리는데, 원소 이름은 1795년에 클라프로트가 그리스 신화에 등장하는 거대하고 강력한 신의 종족인 타이탄(titans)에서 따서 지었다. 타이탄은 하늘의 신 우라노스(Uranus)와 땅의 여신 가이아(Gaea)의 후예이므로, 타이타늄은 하늘과 땅의 원소로 볼 수 있는데, 클라프로트가 타이타늄의 성질을 잘 알고 그렇게 이름을 지었다고는 믿기 어려우나, 아주 적절한 작명으로 여겨진다. 왜냐하면 타이타늄은 지각에 많이 분포되어 있고, 가벼우면서도 아주 단단하고 부식이 잘 되지 않는 금속으로 특히 항공기 제작에 많이 사용되기 때문이다. 이밖에 타이타늄은 금속 자체로 또는 여러 금속들과 합금을 만들어 아주 다양한 용도로 사용된다. 그리고 이산화 타이타늄은 아주 안정한 흰색 안료로 치약에서 페인트까지 아주 광범위하게 사용되며, 또한 태양 빛을 이용하여 물이나 오염 물질을 분해시키는 광 촉매와 햇빛차단제로 사용된다. 타이타늄과 타이타늄 화합물의 성질과 용도를 보다 자세히 알아보기로 하자.

원자번호 22번, 타이타늄

타이타늄(titanium)

은 원자번호 22번의 원소로, 원소기호는 Ti이다. 주기율표에서는 4족(4B족)에 속하는 은색 전이금속이다. 분말은 진한 갈색이다. 아주 단단하며, 가볍고, 녹는점이 높으며, 내부식성이 아주 큰 금속이다. 같은 강도로 강철보다 43%나 가볍고, 합금은 알루미늄 합금에 비해 2배나 강하다.

원자번호 22번, 타이타늄. 블랙버드라는 별명으로 알려진 ‘SR-71’은 대부분 타이타늄으로 제작되었다.

타이타늄의 원소 정보.

타이타늄은 지각 무게의 0.63%를 차지하는 9번째 풍부한 원소로, 금홍석(rutile: 화학성분 TiO₂)과 타이타늄철석(ilmenite: 화학성분 FeTiO₃)이 주요 광석인데, 이들은 지구 암석권과 지각에 널리 분포되어 있다. 타이타늄은 대부분의 화성암에 들어있고, 흙에도 0.5~1.5%로 들어있다. 1791년에 그레고르(William Gregor, 1761~1819)가 타이타늄철석에 새로운 원소(타이타늄)가 들어있음을 처음 발견하였고, 1795년에 클라프로트(Martin H. Klaproth, 1943~1817)는 금홍석에서 발견한 새로운 원소가 타이타늄철석에 있는 것과 같음을 확인하였다. 순수한 금속 타이타늄은 1910년에야 처음 얻어졌으며 상업적 생산은 1940년에야 이루어졌다.

금속 타이타늄과 이의 합금은 주로 항공기 엔진과 동체 제작 등 항공우주 산업에 사용되며, 화학공업에서의 각종 장치, 선박의 추진축 등 선박 부품, 해수의 담수화 장치 등에도 사용된다. 그리고 인공 관절, 치과 임플란트, 인공심장박동 조절기 등에도 사용된다. 이산화타이타늄(TiO₂)은 페인트와 광택제의 흰색 안료로 많이 사용되며, 태양 빛을 이용한 물과 환경오염 물질을 분해시키는 광 촉매

로도 사용된다. 이들 외에도 타이타늄과 이의 화합물의 용도는 아주 다양하다.

순도 99.995%의 타이타늄 수정 바. <출처: (CC)Alchemist-hp at Wikipedia.org>

역사와 분리∙발견

1791년에 영국의 광물학자이자 목사였던 그레고르는 냇가의 모래에서 자석을 사용하여 검은 물질(타이타늄철석)을 모으고 이를 조사하였다. 그는 이 검은 모래를 염산(HCl)으로 처리해서 흰색 산화물을 얻고 이를 분석한 결과, 이 모래에는 철 산화물과 함께 새로운 원소의 흰색 산화물이 45.25% 들어있음을 알아내었다. 그러나 이 산화물이 어떤 것인지는 밝혀내지 못한 채 학회에 보고하였다.

우라늄(₉₂U)과 지르코늄(₄₀Zr)을 발견했던 독일 화학자 클라포르트는 1795년에 금홍석에 새로운 원소가 들어있음을 발견하고 이 원소를 그리스 신화에 나오는 신의 종족의 이름인 titan을 따서 타이타늄(titanium)이라 명명하였다. 그는 4년 전에 그레고르가 발견한 원소에 대해 듣고는 타이타늄철석 시료를 얻어 분석하여 그레고르가 발견한 새 원소가 타이타늄임을 확인하였다.

1791년, 영국의 그레고르는 냇가에서 검은 물질(타이타늄철석)을 모으고 이를 조사하여, 철 산화물 외에 들어 있던 새로운 원소의 흰색 산화물을 발견한다.

1795년, 클라포르트는 그레고르가 발견한 새 원소가 자신이 금홍석에서 발견해 타이타늄이라 명명한 원소였음을 확인한다.

금속 타이타늄은 1910년에 미국의 헌터(Matthew A. Hunter, 1878~1961) 교수가 사염화타이타늄(TiCl₄)을 고온에서 소듐(Na) 금속으로 환원시켜 얻었다. 금홍석(TiO₂)에서 금속 Ti를 얻는 과정은 다음과 같다.

TiO₂(s) + 2Cl₂(g) + C(s) → TiCl₄(l) + CO₂(g)
TiCl₄(l) + 4Na(l) → 4NaCl(l) + Ti(s)

1925년에 반아르켈(Anton Eduard van Arkel, 1893~1976)과 드보어(Jan Hendrik de Boer, 1899~1971)는 사아이오드화타이타늄(TiI₄) 증기를 뜨거운 텅스텐 필라멘트 위에서 열분해시켜 처음으로 아주 순수한 타이타늄을 얻었다. 그 후 1932년에 크롤(William J. Kroll, 1889~1973)이 TiCl₄를 고온에서 칼슘(Ca)으로 환원시키는 방법을 고안하고, 1940년에 다시 이를 개선하여 마그네슘(Mg)으로 환원시키는 방법을 발명한 이후에야 금속 타이타늄이 대량으로 생산되기 시작하였다.

타이타늄의 본격적인 활용은 냉전시대인 1950년대와 1960년대에 구소련에서 항공기와 잠수함의 엔진, 부품 재료로 사용하면서 시작되었고, 미국도 이를 전략 물자로 간주하고 생산을 장려하고 비축하였다. 현재 금속 타이타늄의 약 60%는 항공 산업에, 나머지 40%는 타이타늄의 독특한 성질을 활용하는 아주 다양한 분야에 사용된다.

물리적 성질

타이타늄은 흰색 금속 광택을 띠며, 가볍고(밀도, 4.506g/cm³) 강한 금속이면서 연성(잡아 늘일 수 있는 성질)이 있다. 기계적 성질은 미량 불순물에 의해 크게 영향을 받는다. 인장강도(재료가 감당할 수 있는 최대 응력)는 보통 강철 합금과 비슷하나 43% 가볍고, 흔히 사용되는 알루미늄 합금보다는 2배나 강하나 60% 무겁다. 녹는점이 1,668^oC로 높고, 전기 전도율과 열 전도율은 3족 원소(Sc, Y, La 등)보다는 높으나 다른 금속들에 비해서는 낮다. 타이타늄은 전형적인 금속 조밀육방격자(hcp) 구조(α형)를 갖는데, 882^oC 이상에서는 β형 체심입방(bcc) 구조로 변한다.

천연 타이타늄은 질량수가 46에서 50까지의 5가지 동위원소가 있는데, ⁴⁸Ti가 73.8%로 가장 많고 다른 것들은 5.4~8.0%로 적다. 이들 동위원소들은 모두 방사성 붕괴를 하지 않는 안정한 핵을 갖고 있다. 20가지 이상의 방사성 Ti 동위원소들의 특성이 조사되었는데, 반감기가 가장 긴 것이 ⁴⁵Ti (반감기 184.8분)이며, ⁵¹Ti와 ⁵²Ti의 반감기는 각각 5.76분과 1.7분이고 나머지 것들은 반감기가 아주 짧다. 질량수가 45보다 작은 동위원소들은 주로 전자 포획이나 양전자(β+) 방출로 원자번호 21번인 스칸듐(Sc)이 되는 반면, 질량수가 51보다 큰 동위원소들은 β-붕괴를 하여 원자번호 23인 바나듐(V)이 된다.

타이타늄의 전자배치. <출처: (CC)Pumbaa at Wikipedia.org>

화학적 성질

타이타늄은 열역학적으로는 아주 반응성이 큰 금속이지만 물이나 공기와 아주 느리게 반응하는데, 이는 산화물 부동화 보호 피막을 만들기 때문이다. 그러나 고온으로 가열하면 산소, 질소, 수소를 포함한 거의 대부분의 비금속 원소들과 반응한다. 공기 중에서는 1200^oC에서, 그리고 순수한 산소 기체에서는 610^oC에서 TiO₂가 되고, 질소 기체에서는 800^oC에서 질화타이타늄이 된다. 잘게 부서진 Ti 조각들은 자연 발화될 수 있기 때문에 금속 Ti를 가공할 때 부스러기들이 생기지 않도록 주의해야 한다. 화합물에서 Ti의 산화상태는 +4가 대부분이나, +3의 상태도 흔히 있고 +2과 +1도 있다.

금속 자체의 큰 반응성에도 불구하고 Ti 덩어리는 백금(Pt)에 비길 정도로 내부식성이 아주 큰데, 이는 치밀하고 단단하며 금속에 강하게 부착되는 산화물 피막이 만들어지기 때문이다. 실온에서는 묽은 황산(H₂SO₄), 염산(HCl), 염소(Cl₂) 기체, 대부분의 유기산, 알칼리 수용액 등과 반응하지 않으며, 바닷물에서도 부식되지 않는다. 높은 온도에서는 진한 산이나 할로겐과 반응하지만 알칼리 수용액과는 반응하지 않는다.

타이타늄의 생산

금속 타이타늄은 타이타늄철석(ilmenite)에서 전체 생산량의 약 90%가 얻어지는데 주로 크롤 공법에 의해 생산된다. 이의 첫 번째 화학적 과정은 광석을 염소 및 탄소와 반응시켜 사염화타이타늄(TiCl₄)을 만드는 것이다.

2FeTiO₃+ 7Cl₂+ 6C → 2TiCl₄+ 2FeCl₃+ 6CO (900^oC)

위의 반응생성물에서 TiCl₄(끓는점: 135^oC)를 분별 증류로 분리한 후, 이를 아르곤(Ar) 기체가 든 밀폐된 노에서 용융된 마그네슘(Mg)으로 환원시킨다.

TiCl₄+ 2Mg → Ti + 2MgCl₂ (900^oC)

타이타늄철석. 금속 타이타늄은 타이타늄철석에서 전체 생산량의 90%가 만들어 진다.

노 안에 용융된 상태로 있는 MgCl₂(녹는점: 714^oC)를 주기적으로 뽑아내 제거하고, 그래도 남아있는 MgCl₂는 물이나 묽은 염산으로 씻어내거나 증류하여 제거하면 타이타늄 스폰지(sponge)가 얻어진다. 이를 갈아 가루로 만들고 왕수(진한 질산과 염산의 1:3 혼합물)로 씻어낸 후, 진공이나 Ar 기체 하에서 녹인 Ti 용융액을 주형에 부어 넣어 잉곳(ingot)을 만드는데 잉곳은 다시 압연 과정을 거쳐 여러 형태로 변환된다. Mg 대신 Na를 사용하는 경우도 거의 같은 과정으로 진행되나, 작은 알갱이 형태의 금속이 얻어진다.

2008년 기준으로 타이타늄 스폰지의 전세계 생산량은 약 20만 톤이었는데, 중국이 이의 약 35%를 생산하였다. 타이타늄 광석의 매장량은 TiO₂로 환산했을 때 타이타늄철석이 약 10억 톤, 금홍석이 약 2억 3000만 톤일 것으로 추정된다. 2003년 기준 전세계 타이타늄철석 생산량은 약 591만 톤이며 이중 약 30%가 호주에서 생산되었고, 금홍석은 37만4000천톤이 생산되었는데 미국과 남아프리카 공화국이 주요 생산국이었다. 이들은 주로 이산화타이타늄(TiO₂) 생산에 사용된다.

금속 타이타늄의 이용

금속 타이타늄은 복잡하고 연속 공정이 아닌 간헐적 처리 방법인 배치(batch) 공정으로 생산되며 마그네슘을 사용하므로 다른 금속에 비해 소량으로 비싸게 생산되고, 또 가공도 어려워 상업적 사용이 제한을 받아왔다. 그러나 밀도가 강철의 약 57%로 아주 가볍고, 기계적 강도가 좋으며, 다른 금속에 소량을 넣어 합금을 만들어도 무게당 강도가 매우 좋으면서 잘 녹슬지 않는 금속 재료가 얻어지므로 점차로 사용이 늘고 있다. 1950년대에 가스 터빈의 엔진 제작에 처음 사용된 이후 이제는 항공기 제작을 비롯한 항공우주, 해양, 군수산업, 의료산업 등에서 점차 많이 사용되고 있다.

타이타늄의 약 60%가 항공우주 산업에서 엔진, 동체, 각종 부품을 만드는데 금속 자체 또는 합금으로 사용되며, 보잉 777에는 1대 당 약 59톤, 747에는 45톤, 에어버스 A340에는 32톤이 사용되는 것으로 추정된다. 에어버스 A360은 146톤을 사용할 것으로 짐작되는데, 이중 26톤이 엔진에 사용된다. 또한 미사일, 군용 차량의 장갑, 우주선 제작에도 많은 양의 타이타늄이 사용된다.

타이타늄의 약 60%가 항공우주 산업에서 엔진, 동체, 각종 부품을 만드는데 금속 자체 또는 합금으로 사용된다. <출처: (CC)SempreVolando at wikipedia.org>

타이타늄은 바닷물에서도 부식되지 않기 때문에, 선박의 추진축 등 선박 부품, 해수 담수화 장치의 열교환기, 수족관의 난방 및 냉방기, 낚시 도구, 잠수부 칼, 해양 감시 장치의 부품 등에 사용되며, 잠수함 재료로도 사용된다. 또한 화학 약품에 잘 부식되지 않아 반응기, 화학 물질 이동 파이프와 용기 등 화학공업과 제지공업에서 사용되는 여러 장치와 설비를 만드는데 사용되며, 특히 산이나 염소를 사용하는 산업에 많이 사용된다. 생체 적합성이 탁월한 것으로 여겨져 인공관절, 치과 임플란트, 인공심장박동 조절기, 안경테 등에도 사용된다. 이외에도 휴대폰과 시계의 케이스, 장신구, 골프 클럽 등 운동 기구, 자동차 부품 등에도 타이타늄이 사용된다.

타이타늄 반지. 타이타늄은 생체 적합성이 탁월한 것으로 여겨져 장신구 제작에 사용되기도 한다.

프랭크 게리가 디자인한 것으로 유명한 빌바오의 구겐하임 미술관은 외관을 타이타늄 패널로 둘러쌌다. <출처: sxc.hu>

이산화타이타늄(TiO₂): 흰색 안료와 광 촉매

채굴된 타이타늄 광석의 거의 대부분은 금속 타이타늄보다는 이산화타이타늄(TiO₂)의 생산에 사용된다. TiO₂는 실온에서 루틸(rutile)형, 아나타스(anatas)형, 브루카이트(brookite)형의 3가지가 있는데, 천연에서 얻거나 상업적으로 만든 TiO₂는 보통 루틸형이다. 다른 형들도 가열하면 루틸형으로 변환된다. 아나타스형은 TiCl₄나 Ti(OR)₄(R=알킬)를 써서 화학적 방법으로 만들 수 있다.

TiO₂을 생산하는 한 가지 방법은 염화물 공정으로, TiO₂가 주성분인 금홍석 광석을 탄소 및 염소와 반응시켜 TiCl₄를 얻고 이를 산소와 반응시키는 것이다. 이때 보통 AlCl₃를 루틸제 촉진제로 첨가하는데, AlCl₃를 첨가하지 않으면 주로 아나타스형이 얻어진다.

2TiO₂+ 3C + 4Cl₂→ 2TiCl₄+ CO₂+ 2CO (950^oC)
TiCl₄+ O₂→ TiO₂+ 2Cl₂ (1000~1400^oC)

또 다른 방법은 황산염 공정으로, 타이타늄철석에 황산을 가해 끓인 후, 부산물로 얻어지는 FeSO₄를 제거하고 남은 TiOSO₄를 가수분해시켜 TiO₂를 얻는다. 이때 원하는 씨앗을 넣어 루틸형 또는 아나타스형을 얻을 수 있다. 전세계 TiO₂ 생산량(연간 약 430만 톤)의 약 56%는 황산염 공정으로, 그리고 약 44%는 염화물 공정으로 생산된다. 아나타스형 TiO₂는 수열합성법을 통해 아나타스 무기 나노투브와 타이타늄산 나노리본으로 변환될 수 있는데, 이들은 촉매 지지제와 광 촉매로 유용하게 이용될 것으로 기대된다.

TiO₂는대표적인 타이타늄 화합물로 안료, 광 촉매 등 다양한 용도로 사용된다.

TiO₂는 밝고 굴절율이 아주 크기 때문에(루틸형은 2.61~2.90, 아나타스형은 2.49~2.55) 가장 많이 쓰이는 흰색 안료로, 페인트 제조에 약 60%가 사용되고, 종이의 표면 코팅에 약 25%, 플라스틱의 충진제로 약 15%가 사용된다. 분말 상태로는 아주 불투명하기 때문에 고무, 식품, 치약, 법랑 등의 제품을 불투명하게 만드는데도 사용된다. 또 고체 표면에 얇은 막으로 입히면, 빛을 아주 잘 반사하기 때문에, 유전체 거울(dielectric mirror)과 모조 보석 제조에 이용된다.

TiO₂는 반도체 특성을 갖고 있으며, 이의 띠 에너지 간격은 루틸형은 약 3.0eV(빛의 파장으로 약 413 nm), 아나타스형은 약 3.2eV(빛의 파장으로 약 400nm)이다. 따라서 태양광의 근자외선 부분을 흡수하여 전자-정공(hole: 반도체에서 전자가 빠진 자리) 쌍을 만든다. 이 쌍은 TiO₂ 표면에 흡착된 물을 분해시켜 OH 라디칼(radical)을 만들고, 이에 의해 산화-환원 반응이 일어난다. 즉 TiO₂는 광 촉매로 작용하는데, 일반적으로 아나타스형이 루틸형보다 더 효율적인 광 촉매이다. TiO₂를 광 촉매로 써서 물을 광 분해시켜 수소를 얻을 수 있고, CO₂를 탄화수소로 광 환원시킬 수 있으며, 빛 에너지를 전기적 에너지로 변환시킬 수 있다. 또한 여러 환경오염 물질들을 빛으로 분해시킬 수 있으며, 살균을 할 수도 있다. 햇빛차단제로 TiO₂를 사용하는 것도 TiO₂의 자외선 흡수 성질을 이용한 것이다.

TiO₂를 입힌 표면은 친수성으로 공기 중의 물 분자를 흡수하여 엷은 물 층을 형성함으로써 오염 물질이 표면에 달라붙지 않고 쉽게 씻겨 나가게 한다. 청소가 거의 필요 없는 유리창, 물로 쉽게 청소되고 살균되는 타일 등은 TiO₂의 광 촉매 성질을 이용한 것이다.

기타 타이타늄 화합물과 이들의 이용

타이타늄의 산화물은 Ti의 산화수가 +4인 TiO₂ 이외에도 여러 가지가 있는데 이들 산화물에서는 Ti와 O의 원자 비율이 완전한 정수비가 아니다. 산화수가 낮은 산화물들은 TiO₂를 부분 환원시키면 얻어진다. 900^oC에서 H₂로 환원시키면 검푸른색의 혼합 산화물 Ti₃O₅가 얻어지는데, 이 산화물은 175^oC에서 반도체에서 금속으로 전이되는 흥미로운 성질을 보인다. 또 1600^oC에서 Ti로 환원시키면 진한 보라색의 Ti₂O₃가 생기는데, 이는 산화력이 있는 산 외의 다른 시약과는 반응하지 않으며, 약 200^oC에서 반도체-금속 전이를 한다.

Ti는 할로겐과 다양한 조성의 화합물을 만든다. 가장 중요한 것이 사할로겐화타이타늄(TiX₄)인데, 할로겐의 종류에 따라 물리적 성질이 크게 다르다. TiF4는 흰색이고 녹는점이 284^oC, TiCl₄는 무색이고 녹는점이 -24^oC, TiBr₄은 주황색이고 녹는점이 38^oC, 그리고 TiI₄는 진한 갈색이고 녹는점이 155^oC이다. 이중에서 가장 많이 사용되는 것은 TiCl₄인데, 이 화합물은 앞에서 언급하였듯이 Ti 광석에서 금속 Ti와 TiO₂를 생산하는 과정의 중간 물질이다. TiCl₄ 증기는 공기중의 물과 반응하여 TiO₂를 생성하므로 연막을 만드는데 사용된다. 또 루이스 산 촉매로 사용되는데, TiBr₄도 같은 목적으로 사용되기도 한다.

TiCl₄+ 2H₂O → TiO₂+ 4HCl

TiCl₄는 NH₃ 존재 하에서 알코올(ROH)과 반응하여 Ti(OR)₄가 된다.

TiCl₄+ 4ROH + 4NH₃→ Ti(OR)₄+ 4NH₄Cl

Ti(OR)₄는 얇고 투명하며 접착성이 좋은 TiO₂ 코팅을 하는데 사용되는데, 방수 섬유, 내열성 페인트, 내 마모성 유리 등을 만드는데 사용된다. TiCl₄를 환원시키면 TiCl₃가 얻어지는데, 이는 녹는점이 425^oC인 붉은 보라색 고체로 폴리프로필렌(polypropylene)을 생산할 때 사용되는 지글러-나타(Ziegler-Natta) 촉매의 주성분이다. Ti의 산화수가 +2인 TiX₂ (X=Cl, Br, I)는 TiX₄를 Ti로 환원시켜 얻는데, 이들은 아주 강력한 환원제로 물을 분해시킨다.

질화타이타늄은 드릴 비트 등 내마모성을 필요로 하는 물품에 코팅되어 사용된다. <출처: (CC)Binter at wikipedia.org>

질화타이타늄(TiN)은 사파이어나 카보런덤(carborundum, SiC)과 비슷한 경도를 갖는 황금색 물질이다. 드릴 비트(drill bit) 등 공구, 시계 케이스, 안경테 등 내마모성을 필요로 하는 물품에 코팅되어 사용되며, 또한 생체 안전성이 높아 여러 생체 이식 장치에 전극으로도 사용된다. 이외에 여러 유기-타이타늄 화합물과 타이타늄 배위 화합물들이 유기 화학 반응에 유용하게 사용되는데, 한가지 예를 들면, 이염화타이타노센(titanocene dichloride: TiCl₂가 두 개의 시클로펜타디엔 고리 사이에 끼어있는 샌드위치형 화합물)은 탄소-탄소 결합을 형성하는 반응의 중요한 촉매이다.

타이타늄/티타늄
원자번호 22번 원소(Ti)의 IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry, 국제 순수ㆍ응용화학 연합) 이름은 ‘titanium’이며, 이의 발음은 타이타늄에 가깝다. 독일과 이에 영향을 받은 일본 등에서는 티탄(titan)이라 부르는데, 우리나라에서도 이를 공식적인 이름으로 사용하였다. 그러나 대한화학회는 ‘독일어 이름이나 독일어식 표기로 나타내던 원소의 이름을 모두 IUPAC이름으로 바꾼다’는 원칙을 세우고 티탄대신 타이타늄으로 부르기로 하였는데, 이는 2007년에 교과부 편수자료로 채택되었다. 따라서 현재의 공식 우리말 이름은 타이타늄이다. 티타늄이란 명칭도 자주 사용되고 있다.
수치로 보는 타이타늄
타이타늄의 표준원자량은 47.867g/mol이다. 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4s² ([Ar]3d²4s²)이며, 화합물에서 주된 산화 수는 +4이다. 지각 무게의 약 0.63%를 차지하는 9번째로 풍부한 원소이다. 금속 타이타늄의 약 90%는 타이타늄철석에서 얻는데, 이 광석의 전세계 매장량은 TiO₂로 환산해서 약 10억 톤으로 추정된다. 금홍석의 추정 매장량은 TiO₂로 환산해서 약 2억3000만 톤으로 추정된다. 1기압에서 녹는점은 1,668^oC이고 끓는점은 3,287^oC이다. 20^oC에서 밀도는 4.506g/cm³로, 철의 약 45%이다. 20^oC에서 전기비저항은 420nΩ∙m이며, 열 전도율은 21.9 W∙m^-1∙K^-1이다. 모스 경도는 6.0이며, 인장 강도는 약 434Mpa이다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 658.8, 1309.9, 2652.5kJ/mol 이며, 폴링의 전기음성도는 1.54이다. 원자 반경은 147pm이고, 6배위된 Ti⁴⁺의 이온 반경은 60.5pm이다. 천연 동위원소는 5가지가 있는데, 모두 안정하다.
광 촉매
빛을 흡수하여 일어나는 화학반응(광화학 반응)의 속도를 증대시키는 물질이다. TiO₂가 대표적인 광 촉매인데, 빛을 흡수하면 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 만들어진다. 어떤 물질이 정공에 전자를 주면 다른 물질이 이 전자를 받아들여 환원되고 TiO₂는 원래의 상태로 되돌아 간다. 반대로 어떤 물질이 전자-전공 쌍에서 전자를 받게 되면, 다른 물질이 정공에 전자를 주고 산화된다. 이런 과정으로 빛에 의해 산화-환원 반응이 일어나게 된다.

글 박준우 / 이화여대 명예교수(화학) 서울대학교 화학과를 졸업하고 템플대학교에서 박사학위를 받았다. 오랫동안 이화여대에서 화학을 연구하고 가르쳤다. 저서로 [인간과 사회와 함께한 과학기술 발전의 발자취]와 [아나스타스가 들려주는 녹색화학 이야기] 등이 있고, 역서로 [젊은 과학도에 드리는 조언] 등이 있다.

발행일 2012.01.25

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