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주요 텅스텐 화합물

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 390회 작성일 21-04-02 13:46

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주요 텅스텐 화합물
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텅스텐은 주로 +6가 상태의 화합물을 만드나, -2~+5가 상태의 화합물들도 알려져 있다. 가장 중요한 화합물은 탄화텅스텐(WC)이며, 흔히 제조되어 판매되는 형태는 삼산화텅스텐(WO3)과 파라텅스텐산암모늄(ammonium paratungstate, APT: (NH4)10W12O41·5H2O)이다. 이외에도 몇 가지 할로겐화물들이 중요하게 사용된다.
 
탄화물
 
텅스텐 탄화물에는 보통 탄화텅스텐(tungsten carbide)이라 부르는 WC와 세미탄화텅스텐(tungsten semicarbide)이라 부르는 W2C가 있다. 이들은 고온에서 금속 텅스텐과 탄소 간의 반응, WO3와 흑연의 반응, 텅스텐과 메테인(CH4) 또는 기타 탄화수소와의 반응 등으로 만들어지는데, 이때 W3C, W3C4도 생성된다. WC는 녹는점(2870oC)과 밀도(15.63 g/cm3)가 높고, 전기를 잘 통하며(비저항 약 200nΩ·m), 모스 경도가 약 9인 아주 단단한 물질이다. 물에 녹지 않으며, 실온에서 산(HF/HNO3 혼합물 제외)에도 침식되지 않는다. 초경합금으로 만들어져 경질물질로 사용되며, 전체 텅스텐 용도의 50%이상이 여기에 사용된다(용도 항 참조). WC는 높은 온도에서 W2C와 C로 분해되는데, W2C는 WC보다 전기전도도가 낮다.
 
산화물과 폴리옥소메탈레이트(polyoxometalate) 음이온 
 
텅스텐의 주된 산화물은 삼산화텅스텐(WO3)과 이산화텅스텐(WO2)이며, 이들의 중간체인 W49O110, W50O148, W20O58, W49O110, W18O59등도 알려져 있다. WO3는 광석에서 텅스텐을 생산할 때 중간체로 얻거나, 파라텅스텐산암모늄의 열 분해로 얻는다.
(NH4)10W12O41·5H2O  12 WO3 + 10 NH3 + 10 H2O
WO3는 녹는점이 1473oC이고 끓는점이 1700oC인 노란색 고체로, 물에는 녹지 않고 HF에 약간 녹는다. 수소나 탄소로 환원시켜 금속 텅스텐 분말을 얻는데 사용되며, 도자기와 페인트의 노란색 안료, 섬유의 내화처리, X-선 화면 형광체의 제조에 사용된다. 또한 화학 촉매 성분으로도 사용되며, 최근에는 전기변색(electrochromic: 전압을 걸면 색이 변하는 것) 창의 제조에도 사용된다. WO3를 텅스텐 분말과 섞고 고온에서 장시간 가열하면 WO2가 얻어진다.
WO3를 알칼리 수용액에 녹이면 텅스텐산 이온 WO42-가 된다. 여기에 산을 가해 용액의 pH를 낮추면 산도에 따라 여러 행태의 폴리옥소메탈레이트 음이온이 되는데, pH 9-5에서는 [W7O24]6-와 [H2W12O42]10-, pH 4-2에서는 [H2W12O40]6-, pH 2-1에서는 [W10O32]4-가 된다. 강한 산성에서는 WO3∙2H2O로 침전된다.
텅스텐산의 알칼리 금속염(M2WO4)을 환원(예로 금속 텅스텐과 함께 가열)시키면 화학식이 MxWO3 (x<1)인 텅스텐 브론즈(bronze)가 얻어진다. 텅스텐 브론즈는 금속 광택이나, 전도성을 보이며 뜨거운 산과 알칼리에도 안정하다. 텅스텐의 산화수는 +5와 +6 사이이며, 알칼리 금속 대신 알칼리 토금속과 란타넘족 금속으로도 만들어진다. 색은 금속의 종류와 x값에 따라 다른데, 소듐(M=Na)의 경우, x ~ 0.9이면 황금색이고, x ~ 0.3이면 검푸른 색이다.
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텅스텐은 흔히 (왼쪽)삼산화텅스텐(WO3)과 (오른쪽)파라텅스텐산암모늄(APT,(NH4)10W12O41·5H2O)으로 제조되어 판매된다. APT는 가열하면 분해되어 WO3가 되고, WO3를 수소 또는 탄소 환원시키면 텅스텐 분말이 얻어진다.
 
할로겐화물 
 
텅스텐은 할로겐(X)과 WX6, WX5, WX4, WX3, WX2 형태의 다양한 할로겐화물들을 만드는데, WI6, WI5, WF2는 알려져 있지 않다. 육할로겐화물(WX6)들은 금속과 할로겐 원소와의 직접 반응에서 만들 수 있다. WF6는 녹는점(2.3oC)과 끓는점(17.1oC)이 낮으며, 반도체 산업에서 화학 증착 방법으로 금속 텅스텐을 증착시키는 전구체로 사용된다.
WCl6 + H2 + CH4  WC + 6 HCl
WCl6는 녹는점이 275oC이고 끓는점이 346.7oC인 진한 푸른색 고체로, 물에서는 가수분해되나 사염화탄소(CCl4)에는 그대로 녹는다. 텅스텐 화합물을 합성하는 출발물질로 흔히 사용된다. WF5는 WF6 와 W와의 반응에서 얻어지나, 가열하면 WF6 와 WF4로 분해된다. WCl5와 WBr5는 성분 원소들을 잘 조절된 조건에서 반응시키면 얻어질 수 있다. 낮은 산화상태의 할로겐 화합물들은 쉽게 산화된다. 텅스텐의 여러 옥소할로겐화물(WOX4 (X=F, Cl, Br), WO2X2 (X=F, Cl, Br, I), WOCl3, WOBr3, WO2I)들도 알려져 있다.
생물학적 역할과 독성
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텅스텐은 생물학적 기능을 가진 원소들 중에서 가장 무거운 원소로 여겨지고 있다. 일부 식물들은 질소 고정 효소에서 몰리브데넘을 대체하여 텅스텐을 사용한다는 주장이 있다. 또한 일부 박테리아들은 유기산(RCOOH)을 알데하이드(RCHO)로 환원시키는 효소의 구성 성분으로 텅스텐을 가지고 있다. 식물들은 흙에서 텅스텐을 흡수하며, 극미량의 텅스텐을 포함하고 있다. 텅스텐은 인체에 대한 독성이 거의 없으나, 텅스텐 먼지는 눈과 피부에 자극을 준다. 1일 텅스텐 섭취량은 약 12μg으로 추정되며, 이의 일부만 체내로 흡수되어 뼈와 지라에 농축된다. 치사량(LD50)은 토끼에 정맥 주사한 경우에 59mg/kg로 보고되었다.
수치로 보는 텅스텐
 
텅스텐의 표준원자량은 183.84g/mol이고, 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p64f145d46s2([Xe]4f145d46s2)이며, 화합물에서 주된 산화 수는 +6이나, -2~+5가 상태의 여러 화합물들도 있다. 지각에서의 존재 비는 약 1ppm(0.0001%)으로, 대략 58번째로 풍부한 원소이다. 1기압에서 녹는점은 금속 원소 중에서 가장 높은 3422oC이고 끓는점은 5550oC이며, 25oC에서의 밀도는 19.25g/cm3(비교: 금, 19.30g/cm3)이고 녹는점에서의 액체 밀도는 17.62g/cm3이다. 녹음열과 증발열은 각각 35.3 kJ/mol과 806.7 kJ/mol이다, 20oC에서의 전기비저항은 52.8 nΩ·m(비교: 금, 23.5 nΩ·m)이다. 첫 번째와 두 번째 이온화 에너지는 각각 770과 1700 kJ/mol이며, 폴링의 전기 음성도는 대략 2.36이다. 원자 반경은 139pm(비교: Mo, 139pm)이고, 6배위체의 W6+ 이온 반경은 60pm(비교: Mo6+, 59pm)이다. 천연상태 동위원소는 180W(0.12%), 182W(26.50%), 183W(14.31%), 184W(30.64%), 186W(28.43%)의 5가지이다. 2011년의 전세계(미국제외) 연간 생산량은 약 72,000톤이고. 이의 83%가 중국에서 생산된다. 전세계 광석 매장량은 약 310만 톤으로 추정된다.

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