알루미늄

알루미늄
Alumin(i)um
원자번호13기호Al
분류전이후 금속상태고체
원자량26.981538밀도2.7 g/cm3
녹는점660.32 °C끓는점2519 °C
용융열10.7 kJ/mol증발열293 kJ/mol
원자가3이온화에너지577.5, 1816.7, 2744.8 kJ/mol
전기음성도1.61전자친화도42.5 kJ/mol
발견H. C. Ørsted (1825)
CAS 등록번호7429-90-5
주기표|<:>족→
주기↓
123456789101112131415161718
1HHe
2LiBeBCNOFNe
3NaMgAlSiPSClAr
4KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKr
5RbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXe
6CsBaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRn
7FrRaRfDbSgBhHsMtDsRgCnNhFlMcLvTsOg
LaCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu
AcThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLr
범례
원소 분류 (배경색)
알칼리 금속알칼리 토금속란타넘족악티늄족전이 금속전이후 금속
준금속비금속할로젠비활성 기체미분류
상온(298K(25°C), 1기압 )원소 상태 (글자색)
고체 액체 기체 미분류
이탤릭체 : 자연계에 없는 인공원소 또는 극미량으로 존재하는 원소

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1 개요

원소기호 Al, 원자번호 13번.
격자구조는 면심입방결정, 공간군은 Fm3m

은백색으로 가벼운 금속이다. 지각 구성 원소 가운데 보다도 많기 때문에 금속 원소 중에서는 가장 흔한 원소이며[1], 규소와 함께 많은 광물의 골격을 이루고 있다. 알루미늄 자체는 금속 중에서도 상당히 무른 편 이며, 재료공학에서 알루미늄의 가장 큰 가치는 강도나 외관이 아닌 가벼움이다.

이름은 백반을 뜻하는 라틴어 alumen에서 유래하였다. Aluminium은 영국식, Aluminum은 미국식 표기로 특이하게 두 이름이 모두 통용된다. 험프리 데이비가 맨 처음 작명할 땐 Aluminum이었으나 후에 -ium(원소를 뜻하는 라틴어미)로 통일되었기 때문에 벌어진 일. 그래서 Aluminum에 -ium을 붙인 Aluminumium(알루미뉴뮴)이라는 단어도 가끔씩 쓰이고 국제적으로 인정을 받았다고 한다.
처음 봤을 때 차이점을 못찾으면 정상

2 정련

분명 알루미늄 원소는 철보다 흔하고 주변에 흔해빠진 장석, 백운모, 점토 광물[2] 등에 많이 들어있으나 가격은 철보다 몇배는 비싸고 훨씬 희귀한 구리와 비슷할 정도로 비싼데 이유는 알루미늄을 광석에서 분리하는 비용이 비싸서 그렇다. 보통 알루미늄은 수산화알루미늄이 풍부하게 들어있는 보크사이트라는 암석[3]에서 산화된 알루미늄을 재련해서 만드는데, 이때 산화된 알루미늄은 녹이기도 어렵다.(빙정 섭씨 2050도 이상의 고온이 필요하다.) 불에 녹이는 정도로는 산소가 떨어지지 않고, 산화서열이 높아 알루미늄을 환원시킬만한 물질도 거의 없거나 있어도 알루미늄보다 비싸기 때문에 원석에서 순수한 알루미늄을 얻기가 쉽지 않았다.

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19세기 알루미늄 브로치

이 때문에 과거의 기술로는 정련하는 데만 엄청난 비용이 소모되었으며 찰흙 속의 은이라는 이명까지 있을 정도로 매우 귀한 몸 취급을 받았다. 고대 로마 시대 때 한 번 만들어진 적이 있었는데, 당대의 황제인 티베리우스가 화폐에 사용되는 금의 가치가 폭락할 것을 우려해 그 알루미늄을 만든 장인을 처형했다는 일화까지 있다. 미 국회의사당 건물에 박을 씌우는 대신 알루미늄박을 씌워 미국의 국력을 과시하려 했다는 이야기도 들려온다. 그리고 영국과 프랑스는 국제박람회 마다 동상들의 창끝등을 알루미늄박을 씌워 국력을 과시했다. 특히 나폴레옹 3세는 왕관과 식기 그리고 심지어 아기용 딸랑이까지를 금이나 은 대신 알루미늄으로 썼을 정도. 알루미늄이 금보다 더 비쌌던 시대였기 때문에 나폴레옹 3세는 손님들이 오면 손님들에게는 금으로 된 식기세트를 사용하게 했고 자신은 알루미늄 식기세트를 썼다고 한다. 요즘 생각해보면 급식실에 있는 식판에 황제가 밥을 차려 먹었다는 소리다.

19세기 말에서야 빙정석(Na3AlF6, 육플루오르화알루민산나트륨)을 이용한 전기분해법이 개발되었으나, 그래도 철보다는 정련이 어려워서 철보다는 고가의 원자재이다. 게다가 쉽게 추측할 수 있겠지만 알루미늄 생산 원가에서 가장 큰 비중을 차지하는 것은 전력비용이며, 알루미늄 공급단가는 인근에서 얼마나 값싼 전력을 얻을 수 있는지의 여부에 달려있다고 봐도 좋다.[4] 미국은 과거 수력전력이 비교적 풍부했으므로 알루미늄을 값싸게 얻을 수 있었다. 아이슬란드는 특유의 화산지형을 이용한 지열발전소를 잔뜩 세우고 알루미늄을 정제하고 있다. 분리수거된 알루미늄캔을 단순하게 열로 녹여서 알루미늄을 얻는 것이, 알루미늄광석을 전기분해하는 것보다 10배 이상 적은 에너지를 소모한다.

여담이지만 알루미늄의 가격을 획기적으로 낮춰준 전기분해 제련법은 1886년 미국의 화학자 찰스 마틴 홀과 프랑스의 화학자 폴 루이 투생 에루가 각각 발견했는데, 이들은 서로 모르는 사이였지만 기묘하게도 참으로 똑같은 게 여럿 많았는데 둘 다 같은 해(1863년)에 태어났고 같은 해인 1886년에 같은 방법의 제련법을 발견했고 같은 해(1914년)에 죽었다.도원결의?? 하지만 둘은 일생동안 한 번도 만난 적이 없었다고 한다.

한국도 한때 알루미늄을 보크사이트 단계에서부터 제련하는 공장이 울산에 있었지만 현재는 철수. 우리나라 산업체 전기가 싸다지만 이걸 감당할 정도로 전기가 남아돌지는 않았던 모양이며 알루미늄 제련 공장에서 하루 전기 사용량이 울산 시내 한달 전기 사용량과 맞먹는다는 카더라가 있을 정도로 사용량이 막대했다고 한다. 현재 우리나라에서 운영되는 알루미늄 재료 생산 공정은 스크랩을 재활용하는 방법 뿐이다. 재활용 센터

보통 알루미늄의 원광은 보크사이트를 사용하며, 여기서 산화알루미늄을 추출한뒤에 다시 빙정석과 섞은 후 전기분해로 알루미늄을 추출한다. 빙정석은 자연에서 산출되는 것을 사용하였으나, 최대 생산지였던 그린란드의 이빅투트(Ivittuut) 광산이 1987년에 완전히 고갈되어 천연 빙정석이 너무 귀해져서 제련에는 쓸 수 없게 되었다. 따라서 형석 (CaF2, 이플루오르화칼슘)을 이용하여 플루오린화수소를 만든 다음 이를 이용하여 인공적으로 플루오르화알루민산나트륨을 합성하여 알루미늄 제련에 쓴다.

3 특징

알루미늄이 녹슬지 않는다고 말하는 사람들이 꽤 많은데 이는 잘못된 상식으로, 순수한 알루미늄은 오히려 철보다 녹이 더 슨다.(...)[5]

금속 자체는 반응성이 활발하여, 염기 모두에 잘 반응하고, 공기와 급속히 반응하여 극히 안정된 산화알루미늄의 피막을 만들기 때문에, 피막이 있는 경우에는 쉽게 반응시키기 어렵다. 갈륨의 경우 이 알루미늄을 용해시켜 부스러지게 만드는 특성이 있다. #,#

하지만 역시 순수한 알루미늄은 위와 같은 특성 덕에 쉽게 부식되고 강도도 크게 떨어지기 때문에 실제로 활용되는 알루미늄은 대개 합금이다. 대표적으로 듀랄루민이 있으며, 또 구리마그네슘을 소량 첨가시 강도가 획기적으로 향상되기 때문에 각종 차량이나 여행가방, 항공기 제작에 널리 쓰이고 있다.

철의 표면에 생기는 산화철(녹)과는 달리 산화알루미늄은 알루미늄을 공기로부터 차단하는 피막역할을 하여 더이상 알루미늄이 산화되지 않게 돕는다. 이것을 이용한 표면처리 방법을 아노다이징이라 부른다. 알루미늄제 창틀을 보면 금속 특유의 광택과 미묘하게 다른 느낌이 드는데, 이것은 산화알루미늄이 알루미늄을 덮어버렸기 때문이다. 하지만 자연적으로 생기는 피막은 혹독한 환경을 견디지 못하므로 양극 산화를 통해 더 두꺼운 피막을 덮어씌워 버리기도 한다. 이러한 치밀한 피막때문에 쉽게 반응이 안된다는 성질 덕에 재활용 효율이 좋다. 일단 금속상태로 제련된 것은 다루기가 쉽고 부식으로 손실되는 양이 얼마 되지 않기 때문. 제련하는데 막대한 비용이 드는 금속이긴 하지만 이 특징덕에 전 세계적으로 제련 누적량을 많이 축적할 수 있었고, 이 덕분에 알루미늄 가격이 많이 떨어진 것이다. 재활용 잘 하자.

매우 가벼운 금속인 관계로 무게가 중요한 ACSR(강심 알루미늄 전선) 등의 장거리 송전선, 비행기 및 기차의 동체 등에 주로 쓰이며, 각종 합금도 여러 분야에 많이 활용된다. 송전탑의 나전선뿐아니라 가정용 전선등으로도 사용이 확대되고 있다.

강도자체는 철에 비해 떨어지지만 가벼운 금속이라 같은 중량으로 두꺼운 장갑을 만들 수 있기에 일반적으로 중량 대비 포탄에 대한 방어력은 더 높다. 때문에 장갑차고속정의 상부 구조물 등에 자주 쓰인다. 한때 대형함의 상부구조물에도 잘만 쓰이던 재료였으나, 영국 프리깃 아마존이나 미국 순양함 베인브리지[6] 등에서 화재에 큰 피해를 당한 사례 때문에 고속정 처럼 경량화가 최우선 과제인 경우 등을 제외하면 전투함의 상부 구조물을 강철로 건조하는 경우가 많아졌다. 알루미늄은 고열에서의 연소속도가 빠르고 추가적인 고열이 급격하게 발생하기 때문이다. 물론 화재로 인한 피해를 줄일 목적이지, 없애겠다는 것은 아니다. 영국 구축함 셰필드 역시 셰필드는 상기한 아마존급 프리깃의 교훈을 받아들여서 전강철제로 상부 구조물을 올렸건만 그게 무색할 정도의 화재로 상당한 피해를 입었던 것 뿐으로, 상부 구조물에 알루미늄을 썼다는 이야기는 사실이 아니다. 또 애초에 알루미늄은 경량화 목적으로 사용하는 소재기 때문에 같은 중량을 쓰지 않으므로 강철 장갑에 비하면 방어력은 떨어질 수 밖에 없다. 게다가 경화처리가 거의 안 되기 때문에 탄자형상에 따라서는 더 쉽게 관통된다. 알루미늄 합금 장갑 항목 참조.

또한 위의 성질을 이용하여 비군사적으로 사용하는데가 자동차의 휠이다. 작게는 경차에서 크게는 대형버스에 이르게 사용하는데, 같은 인치에서 철로 만든 휠보다 무게가 가벼워 연비향상에 도움을 주고, 철보다 열 전도성이 우수해 제동시 발생한 열을 효과적으로 배출한다.[7] 철보다 가공하기가 쉬워 여러디자인이 나온다.포르쉐에서 918 스파이더에서는 이보다 가벼운 마그네슘 휠을 옵션으로 두고 있다는건 안비밀

산화성이 높기 때문에 매우 높은 온도를 가하거나, 미세한 분말로 만들면 폭발적으로 연소한다. 덕분에 로켓등 짧은 시간동안 엄청난 추진력을 내는데 사용되는 추진체의 연료로 많이 사용되고 있다. 특히 미사일 부스터류. 게다가 알루미늄의 산화반응은 엄청난 연소열을 자랑하기 때문에, 흔히 섬광탄등에 사용하곤 한다. 산화철과도 반응하여 철의 산소를 뺏어가서 강력하게 발열하여 용융된 철을 발생시키는 테르밋 반응을 한다. 이는 테르밋 용접이나 테르밋 수류탄 등에 활용된다. 테르밋의 위력을 알고 싶으면 직접 보자. #

덕분에 군용 미사일에도 종종 쓰이긴 하는데 알루미늄 분말이 들어간 로켓은 흰 연기를 굉장히 많이 낸다. 알루미늄의 산화생성물인 산화알루미늄은 기체가 아닌 고체이기 때문에, 고체 미립자가 발생하여 연기로 되는 것이다. 이 연기 때문에 적이 도리어 자신에게 접근하는 미사일 및 그 발사지점의 위치를 미리 알고 대응할 수 있기 때문에 아무 군용 로켓/미사일에나 무조건 쓸 수도 없다는 점이 설계자들의 딜레마.

미세 분말에서 폭발성이 있으므로 분말을 다루거나 부산물로 생기는 곳에서 사고가 있곤 한다. 케이스 제작을 위해 알루미늄을 깎아내던 공장이나, 알루미늄 분말을 다루는 실험실에서 폭발 사고가 있었다.

그 외에도 제강 공정에서는 철보다 산소와 강하게 반응하기 때문에 산화정련중에 강 속에 용해된 산소를 제거(탈산)하기 위한 원료로 쓰인다. 알루미늄으로 탈산한 강은 Al-Killed 라고 부른다. 2차정련중 진공탈가스 공정에서도 강한 반응열로 냉각되는 용강의 온도를 다시 높이고 산소 용해량을 조절하기 위해 알루미늄을 투입하기도 한다. 그러나 용강에 남아있는 용존 알루미늄은 외부 공기와 접촉하면 급격히 산화하여 알루미나를 형성하며, 이는 슬래그에 흡착되지 않을 경우 고체상태로 용강 속을 떠돌다가 주조 노즐을 막아버리거나 그대로 주괴 속에 남아 강괴의 품질을 해치는 비금속 개재물이 되기도 한다.

알루미늄은 지구 토양에 매우 흔한 원소인데도 생리적 작용이 전혀 없고 인체에 거의 영향이 없는 무해한 금속이다. 무해한 섭취 허용량도 매우 크다. 알미늄이 든 명반은 밀가루의 반죽을 쫄깃하게 하기에 국수 등 면류에 들어가고 반죽을 부풀리는 베이킹 파우더 등 식품첨가물로 널리 쓰이고 등산용 코펠 이나 양은 냄비 같은 식기에도 널리 쓰이고 있다. 위산과다를 완화시키는 제산제에도 황산알루미늄 등 알미늄염이 쓰이기도 한다. 그래서 알마겔 같은 제산제를 많이 먹으면 위장이 알미늄 피막으로 코팅될까?

일부 알츠하이머병과의 연관성 주장이 있으나 의학적 연구 등 근거가 약하고 원인이 아니라 결과일 가능성이 높다. 하지만 많이 노출되어 좋을 건 없으니 신 김치나 과일주 청량음료 등 등 산성 음식을 알미늄 용기에 장기보관하는 건 하지말자. 그러면 알루미늄 그릇도 피막이 상한다.

4 기타

알루미늄 공법의 장인이라 불리는 컴퓨터 기업도 있다. 바로 애플인데 다른 기업들이 플라스틱으로 외장을 만드는 반면 애플은 꽤 이전부터 알루미늄 유니바디의 형태로 기기 외장을 만들어왔다. 그래서 무게가 가벼운데다가 보기보다 꽤 튼튼하다. 그리고 아노다이징(산화피막처리)으로 구현 가능한 색깔이 많기 때문에 골드, 블랙, 핑크 등의 버전을 다양하게 내놓을 수 있는 원동력이 된다. 그러나 2014년 아이폰 6 발매 당시 취약한 내구성 일명 벤드게이트로 논란이 되기도 했다. 아이폰 6s부터는 더 강한 합금 알루미늄을 채택해 이런 오명에서 벗어났다.하지만 이젠 산화가..[8]
애플이 알루미늄 기술에 투자한 만큼, 하청기업의 입장에서 이런 기술의 이전을 받았던 폭스콘 역시 알루미늄에 대해서는 상당한 기술을 보유하게 되었다. 실제로 폭스콘에 하청을 맡긴 타 회사의 알루미늄 제품들 역시 최강의 품질을 보이기 때문이다. 이런 폭스콘조차도 생산 초반에는 수율이 형편없어서, 애플 신규 라인업의 출하 초기에는 상당히 이윤이 낮은 경향성이 있고 이 때문에 애플의 폭스콘 착취라는 음모론의 재료가 되기도 하였다. 실제 그래프를 보면, 애플 제품의 판매량이 어느 정도 하락세로 접어들 즈음에 폭스콘의 이윤이 급상승하는 경향이 있다. 이는 수율이 개선되었기 때문.

열을 상당히 잘 전달하기 때문에 방열판 및 쿨러의 재료로도 쓰인다. 다만 열 전도도는 구리보단 떨어지는 편.

알루미늄은 신경독이다. 즉 알루미늄이 신경세포(뉴런)에 축적될 경우 독으로 작용하여 신경의 기능을 손상시킨다. 평소 알루미늄 냄비나 알루미늄 캔을 사용하는 것을 꺼리는 이들도 있을 정도. 하지만 그 정도는 괜찮다. 문제는 신장(콩팥)이 망가져서 투석을 받는 환자들처럼 특수한 상황에 처한 이들이다. 투석 기계는 콩팥처럼 혈액 속의 알루미늄을 잘 걸러내질 못하기 때문에, 체내에 알루미늄이 점점 축적되게 된다.

일본의 악기 회사 토카이1983년에 알루미늄으로 기타를 만들었다. 이름은 「Tokai Aluminum Body」의 약자인 탈보(Talbo). 그러나 너무 앞서간 탓에 파산하였다가 90년대 후반에 회생해 지금까지 모델을 생산중이다.

한때 오리하르콘이 알루미늄일 것이라는 설이 제시된 바 있다.

덧붙여 알루미늄의 원석 보크사이트(Bauxite)는 한반도에서는 북한에 주로 매장되어 있다.

캔음료를 마셨으면 캔은 100% 분리수거될 수 있게 다들 노력하자. 이게 보기엔 별거 아니어도 알루미늄 자체를 만드는데 얼마나 많은 전기가 들어가는지 생각하면 엄청난 자원이나 마찬가지다. 특히 캔 안에 담배꽁초 등 불순물을 넣는 것은 캔 안의 불순물을 걷어내는 과정에서 캔 하나 이상의 알루미늄이 소실되게 만들어 결과적으로는 자원낭비가 되므로 하지 않는 게 이롭다.

집에서도 간단히 알루미늄을 만들 수 있다.

투명 알루미늄도 존재한다. # 산소와 질소를 화합한 합성물인데, 가격은 인조 사파이어에 맞먹지만 사파이어 강도의 85% 수준이며 매우 가벼워서 방탄유리나 고온방화벽 등에 쓰이고 있다. 심지어 자동차용 휠에 쓰여서 휠 스포크가 전혀 안보이는 투명한 휠을 구현하기도 했다. 실제로 보면 살짝 뿌연 느낌의 유리벽이다.

밴드 브로큰 발렌타인의 노래 중 동명의 곡이 있다. 특히 2015년 8월 보컬 반이 불의의 사고로 사망하면서 이 노래가 다시금 재조명받고 있다.[9]

문명 5에서는 최후반 테크의 유닛들의 생산/유지에 드는 자원이기도 하다. 알루미늄만 충분히 있다면 차세대 탱크, 전투기, 폭격기, 우주선공장 등을 굴릴 수 있게 된다. 기름대신 알루미늄으로 에너지를 굴리는 차세대 무기들 깨알같이 재활용센터를 만들어주면 알루미늄이 생긴다! 본격 분리수거 권장게임
  1. 지각의 원소 함유량 순서는 O Si Al Fe Ca Na K Mg. 산규알철칼나칼마 로 외운다 카더라.오시알페카나크마도 있다 카더라
  2. 고령석(kaolinite), 일라이트(illite), 스멕타이트(smectite), 특히 그 중에서도 고령석이 주로 알루미늄을 많이 갖고 있다.
  3. 깁사이트(gibbsite), 뵈마이트(boehmite), 다이아스포어(diaspore) 광물이 많이 들어있는 암석이며, 이들은 모두 수산화알루미늄 광물의 일종이다.
  4. 참고로 중앙아시아의 타지키스탄은 알루미늄 원석은 전혀 안 나지만 소련 시절 세워진 크고 아름다운 알루미늄 공장이 있는데, 이 때문에 알루미늄 생산량에서는 세계 20위권에 들어간다. 문제는 타지키스탄이 세계 최빈국 중 하나라는 것. 이 공장이 타지키스탄 전력 생산의 40% 이상을 잡아먹기 때문에 타지키스탄은 전기를 수입해서 쓰고 있다.
  5. 비상교육 중학교 기술가정 2 교과서 107쪽에 녹슬지 않는다고 나와있다.(...) 하지만 이곳에서 언급하는 것은 합금을 일컫는 것이니 큰 상관은 없으나 순수한 알루미늄으로 간주할 수도 있으니 자세한 언급이 필요하다.
  6. 상부 구조물이 완전히 불타 무너져내리는 꼴을 당한 것은 유명.
  7. 자동차의 제동은 회전체를 회전체의 수직방항으로 누를 때 나오는 마찰의 원리인데, 이때 엄청난 마찰열이 발생한다.
  8. 아이폰6의 알루미늄은 A6061로 내식성이 좋아 가장 보편적으로 쓰이지만 밴드게이트에서 드러났듯 강도가 약하다. 아이폰6s에 쓰인 알루미늄은 A7075로 속칭 '두랄루민'이라 불리는 알루미늄 합금인데, A6061보다는 확실히 강하지만 부식에 취약하다는 치명적인 단점이 있다. 그래서 A7075 사용시에는 클린룸 등 온습도가 부식이 일어나지 않는 수준내에서 관리되는 곳이 아닌 이상 부식 방지를 위한 별도의 처리를 거쳐야 한다. 특히나 휴대폰이라면 무의식중에 더운곳, 물기 많은 곳에 노출되기 쉬운데 긁힘으로 아노다이징 피막이 벗겨지면 부식에 무방비로 노출되어버린다.
  9. 가사 중 "빛나는 크리스탈이 되지 못한 차가운 나의 알루미늄만이" 라는 구절이 있는데, 이를 인용하여 반을 추모할 때 "차가운 알루미늄이 빛나는 크리스탈이 되었기를" 이라는 표현을 쓰기도 한다.