팔라듐(Palladium) - 금보다 비싼 귀금속

팔라듐 - 금보다 비싼 귀금속

 

백금족 귀금속 중 하나인 팔라듐은 2019년 금보다 비싼 몸값을 자랑하며 최근 국제 원자재 시장에서 가장 주목받는 물질 중 하나가 되었습니다. 오늘은 팔라듐에 대해 알아보았습니다.

 

팔라듐(Palladium)이란?

 

팔라듐은 주기율표 상 10족에 속하는 백금족 귀금속 중 하나로, 원자번호는 46번, 원소기호는 Pd 입니다. 반짝이는 은빛의 금속으로 연료 전지 및 촉매 변환기에 사용되는 산업적으로 굉장히 중요한 재료입니다. 부식에 대한 저항성이 매우 크며 백금족 원소 중 가장 녹는점이 낮고 가장 가볍습니다.

 

팔라듐의 물성

 

원자번호 : 46

원소기소 : Pd

원자량 : 106.42 g/mol

녹는점 : 1554.9ºC

끓는점 : 2963ºC

밀도 : 12.023 g/㎤

전자배치 : [Kr]4d10

전기음성도 : 2.2

원자 반지름 : 2.1 Å

결정구조(상온, 상압) : FCC

비열 : 25.98 J/mol·K

전자친화도 : 54.225 kJ/mol

CAS # : 7440-05-3

 

팔라듐의 발견

 

팔라듐은 1803년 영국의 화학자인 윌리엄 H. 울러스턴(William Hyde Wollaston)이라는 화학자에 의해 처음 발견되었다고 알려져 있습니다. 하지만 1700년 초 브라질의 광부들은 이미 팔라듐과 금의 합금으로 이루어진 금속을 통해 팔라듐의 존재를 이미 알고 있었습니다. 다만 이를 분리 및 추출할 수 있는 기술이 없어 그 당시에는 가치가 없는 금속으로 취급하였습니다.

 

팔라듐 발견자 -William H. Wollaston

 

실제 윌리엄에 의해 1803년에 추출된 팔라듐은 금과의 합금에서 추출된 것이 아니라 백금과 팔라듐의 합금에서 추출되었습니다. 백금을 왕수(질산과 염산의 혼합액)에 녹였을 때 용액에 녹지 않고 일부가 잔류하는 것을 발견하였고 그 잔류물을 분석한 결과 기존에 알던 은이나 백금과는 다른 물질이라는 것을 발견하였습니다. 그는 잔류물이 포함되어 있는 혼합 용액을 수산화나트륨(NaOH)으로 용액을 중화시키고, 염화암모늄(NH4Cl)을 이용해 백금을 침전시킴으로써 팔라듐과 로듐을 분리하였습니다. 최종적으로는 여기에 시안화수은(Hg(CN)2)을 첨가하여 팔라듐(II) 시안화물(Pd(CN)2)을 만든 후 이를 가열하여 순수한 팔라듐 금속을 추출할 수 있었습니다.

 

순수한 팔라듐 결정

 

그러나 그는 팔라듐의 발견을 바로 학술지에 발표하지 않았습니다. 대신 한 상점의 전단지를 통해 본인이 발견하고 추출한 팔라듐의 물리화학적 특성을 알렸으며 '새로운 은(New Silver)'라고 명명하고 판매하였습니다. 그는 그가 발견한 팔라듐이 백금과 수은의 합금이며 팔라듐의 발견자는 사기꾼이라는 비판을 받기도 하였으나 1805년 학술지를 통해 팔라듐의 발견에 대한 공식적인 발표를 하고 인정받을 수 있었습니다.

 

팔라듐이라는 이름은 팔라듐이 발견되기 직전인 1802년에 발견된 소행성 벨트에서 두 번째로 큰 소행성인 팔라스에서 유래되었습니다. 팔라스라는 소행성의 이름은 고대 그리스 여신 팔라스 아테나의 이름을 따서 명명되었습니다.

 

 

팔라듐의 특성과 용도

 

팔라듐은 소성가공이 가능한 금속이며 대기 중 산소와의 반응이 없어 공기 중에서 변색되지 않으므로 보석류로 인기가 많았습니다. 과거에는 백금과 유사하나 백금보다 가격이 저렴하여 반지와 같은 액세서리에 자주 사용되었으며 화학적 안정성이 높고 생물학적으로도 독성이 낮아 치과용 소재로도 널리 사용되었습니다.

 

배기가스 촉매변환기

 

하지만 최근 팔라듐의 가장 중요한 용도는 자동차의 배기가스 정화용 촉매입니다. 배기가스 정화를 위한 촉매 변환기가 개발되기 전에는 연료의 불완전 연소로 발생된 각종 질소 산화물과 탄화수소들이 대기중으로 그대로 배출되어 대기 오염이 발생되었지만 1989년 팔라듐을 이용한 팔라듐 촉매 변환기가 개발된 이후로 팔라듐의 수요가 폭발적으로 증가하였습니다. 최근에도 환경오염으로 인한 엄격한 배기가스 배출 규제와 자동차 시장의 확장으로 팔라듐의 수요가 최고조에 달해 백금이나 금보다 비싼 금속이 되었습니다.

 

팔라듐 박막 내 확산되는 수소

 

팔라듐은 자체 부피의 900배까지 수소를 흡수할수 있는데 부피변화는 10%에 불과하여 수소저장용 금속으로 사용됩니다. 팔라듐 표면에 수소가 접근하면 표면에 흡착된 후 팔라듐 내부로 확산되어 자유롭게 이동할 수 있고 박막의 경우 수소가 통과할 수도 있습니다. 하지만 헬륨이나 다른 기체들은 팔라듐 박막을 통과할 수 없기 때문에 팔라듐은 고순도 수소 제작이나 연료전지 구동을 위한 부품으로 사용됩니다.

 

팔라듐과 관련된 여러가지 사실

 

• 팔라듐의 21개의 방사성 동위 원소가 있으며 그 중 6개의 원소는 안정합니다.
• 팔라듐은 산소와 반응하지 않기 때문에 정상적인 조건에서 변색되지 않습니다.
• 팔라듐은 대기중에서 800ºC 이상으로 가열되어야 변색된다.
• 팔라듐은 지각 내 존재비가 약 0.001 ppm로, 존재량이 적은 순위로 10위 안에 드는 희귀 원소입니다.
• 러시아와 남아프리카는 팔라듐의 주요 생산국으로, 매년 전세계 공급량의 약 40%를 생산합니다.
• 매년 소비되는 팔라듐의 50% 이상이 자동차 촉매 변환기에 사용됩니다.
• 일정량의 팔라듐 분말은 자연 발화할 수 있습니다.