비스무트
[image][1]
[image]
4인치 크기의 순도 99.99% 비스무트 결정. 출처
1. 개요
주기율표 15족의 질소족 원소에 속하는 원소로 광석으로 산출되며 안료, 화장용 분 등에 사용된다. 창연(蒼鉛)[2] 이라고도 한다. 은백색의 무거운 금속으로, 엷은 분홍색을 띠는 은색이다. 순수한 비스무트는 깨지기 쉽고, 다른 금속과 합금을 만들어서 쓰는 것이 대부분이다. 원소들 중 가장 강한 반자성을 보이며, 수은 다음으로 열전도율이 낮은 금속이다. 액체에서 고체로 냉각될 때 부피가 늘어나는 성질을 가진다.
2. 어원
'비스무트'라는 말의 기원을 설명하는 견해로는 다음과 같은 설들이 있다.
- 라틴어로 '녹다'를 의미하는 bisemutum에서
- 흰 금속이라는 의미의 독일어 어근 wis와 mat[3]에서
- 독일어 weise(목초지)와 muten(광산일을 하다)에서[4]
- 금속이 풍부한 독일의 한 지방인 비센이라는 이름에서
- 안티몬처럼 보인다는 의미의 아랍어 bi ithmid에서 등.
3. 동위 원소
비스무트의 동위체는 209Bi, 210Bi, 211Bi, 212Bi, 214Bi, 215Bi가 자연계에 존재하고 있다. 하지만 209Bi만이 자연계에 100% 존재하고 나머지는 우라늄이나 토륨이 납으로 붕괴하는 붕괴 과정의 생성물로서 반감기도 짧고 자연계에 극미량 존재한다.
비스무트는 한때 안정된 동위체를 가진 가장 무거운 원소인 '최중안정동위체'로서 알려져 있었으나, 2003년, 최중안정동위체인 비스무트 209가 약간이지만 붕괴된다는 것이 판명되었다. 그렇지만 반감기가 약 2.01×1019년, 즉 약 2010경년으로 우주의 연령보다 14억 5천만배를 초과하여 아주 길기 때문에[5] 비스무트 209는 사실상 안정된 원소라고 봐도 과언이 아니다. 따라서 넵투늄 시리즈의 최종 붕괴 생성물을 비스무트-209로 취급하기도 한다.(실제로는 탈륨-205이지만 비스무트-209의 반감기와 100% 단 하나의 천연동위체로 존재한다는 특성상 비스무트도 안정된 동위체로 취급하고 있다.) 물리학에서는 불안정 동위체이나 화학에서는 안정동위체로 취급한다. 화학에서는 루테튬-176(반감기 3.78×1010년)부터 안정동위체로 취급하고 관리한다.
일본의 이화학연구소에서 2004년에 비스무트 209를 표적으로 아연 빔(아연70)을 조사(照射)한 결과, 니호늄이 합성되었다.
테크네튬과 프로메튬을 제외하면 원자 번호가 82번보다 작은 원소는 최소 1개 이상의 안정 또는 관측상 안정한 동위원소[6]를 가지고 있으며, 82번 납보다 큰 원소는 안정 동위원소가 하나도 없다. 곧 83번 이 물질부터의 원소들은 모두 방사선을 방출하는 물질이라고 생각하면 된다. 하지만 이건 방사능이 매우 미약하기 때문에 폴로늄부터가 제대로 된 방사성 원소의 시작이다.
4. 이용
합금으로 이용되는 경우가 많고 납과 비슷한 중금속이면서도 금속 자체로도 독성이 거의 없으며 의약품으로도 쓰이고 있다. 비스무트 화합물은 위궤양이나 십이지장궤양의 원인이 되는 '파일로리균(헬리코박터 파일로리)'에 대해 강력한 항균제로서 작용한다. 위 속에서 일어나는 비스무트의 메카니즘은 아직까지 분명하지는 않지만, 위벽상의 점액면에 작용해서 소화 때 분비되는 위산에서 보호하는 작용을 할 거라고 생각되고 있다. 그 밖에, 항암제의 일종인 시스플라틴에 의한 부작용을 경감할 수 있는 의약품으로도 알려져 있다. 그리고 납의 대체금속으로도 쓰인다. 2006년 마쓰시타 전기(現 파나소닉)에서 발표한 플라즈마 디스플레이 패널(PDP)은 납 대신 비스무트를 이용해, 폐기 후의 환경부담을 억제하는 데 성공했다. 납 못지않게 비중이 크고 부피에 비해 무거워서 낚시 추 등 무게추에도 쓰이고 탄환조 인체에 유해한 납탄 대신 비스무트를 사용하기도 한다. 녹는 온도도 낮으므로 일부 땜납 합금에서도 쓰이는 등 인체나 환경에 유해한 납을 대체하여 점차 사용이 늘고 있다.
비스무트 합금들은 녹는 온도가 낮은데 우즈메탈이나 로즈 메탈 이라는 비스무트 합금은 녹는 온도가 각각 섭씨 70도, 98도 정도에 불과하다. 즉 끓는 물에 녹지만 상온에선 금속고체 형태를 유지한다. 다만 우즈메탈 등은 납과 카드뮴 등 유해 중금속 성분이 다량 들어가므로 이용 분야가 제한적이다. 유해한 카드뮴 납 대신 용융점이 더 낮은 인듐을 쓰는 필즈 메탈도 있다. 이런 용융점이 아주 낮은 합금 대부분이 비스뮤트를 주성분으로 한다. 기계적 강도는 무르므로 힘을 받는 용도는 어렵지만 반대로 가공하기는 매우 쉽다. 이렇게 낮은 온도에서도 쉽게 녹는 점을 이용해 금속의 주조용 형이나 금속물을 수리하거나 충진하는 등 다양한 용도로 쓰인다.
그래서 화재경보기에서 온도를 감지하는 퓨즈로 쓰인다. 불이나서 온도가 높아지면 퓨즈가 녹아서 회로가 끊어지면 화재 경보기가 울린다. 또 자동 살수 스프링클러 헤드는 수도 파이프를 막는 꼭지를 비스무트 합금으로 땜질해 막고있어서 온도가 높아지면 땜질 부위가 녹으며 꼭지가 열리고 스프링클러 헤드에서 자동으로 물이 뿌려진다. 쉽게 액화하므로 차세대 원자로의 냉각재로 연구되기도 한다.
주석에 합금하면 낮은 온도에서 주석의 분자 구조가 변경되는 '주석페스트' 현상을 막아준다.
흔하진 않지만 Reppe공정이라 불리는 탄화수소의 카르보닐화 반응에서 촉매로써 사용된다. 주로 몰리브데넘-비스무트 촉매가 사용되는 편.
결정을 만들면 정말 엄청나게 예뻐서, 과학 시간 결정 만들기에 사용되기도 한다. 보통 소금&설탕, 나프탈렌의 다음 레벨로 취급된다. 물론 결정 생성 난이도는 쉽지만 비싸기 때문에 해본 사람은 적다.
결정이 예쁜 이유에서인지 남미에서 비스무트를 수입해서 결정을 기르는 중국공장도 다수 존재한다.
19세기에 질산화 화합물인 질산비스무트가 미백용 화장품의 원료로 사용되기도 했으나, 종종 얼굴 근육에 경련을 일으키는 부작용이 있었고 황과 빠르게 반응해서 검은색의 황화비스무트로 변하는 치명적인 약점이 발견되어 화장품에는 더 이상 쓰이지 않는다.
의약품 펩토비스몰의 성분은 살리실산의 산화비스무트염인 차살리실산비스무트이다.
아무래도 비방사능 물질들 중에서 스핀-궤도효과가 가장 큰 물질이다 보니 이리저리 위상부도체와 많이 엮여있다. 대표적인 반자성 물질으로 자기장을 밀어내고 (즉 자석을 가까이 대면 자석 붙는게 아니라 오히려 밀려난다) 실험에 다루기도 쉬워서 물리학 연구에도 자주 쓰이는 편이다.
5. 가공매체에서의 모습
데드 스페이스 세계관의 레드 마커는 블랙 마커에 있는 희소금속을 비스무트로 대체하여 제작했기 때문에 색이 붉어졌다고 한다.
던전 앤 파이터의 아이템 중 90렙 에픽 마법석으로 나온다. 게임 내 이름은 비뮤트 스톤이지만 비스무트 특유의 입체적인 모습과 색깔에서 모티브를 따왔다는 것을 알 수 있다. 착용시 모든 공격력 18% 증가 옵션을 가지고 있다.
미국 애니메이션 스티븐 유니버스에서 모티브로 한 캐릭터가 등장한다. 비스무트 문서 참고.
매직 더 개더링의 엘드라지 중 코질렉이 지나가는 자리는 이 형태를 띈 물질로 변화한다.
멕워리어 온라인에서는 거대한 비스무트 결정이 솟아있는 행성이 전장으로 등장한다. 외계에 있다는 느낌을 확연이 받을 수 있는 맵.
6. 기타
- 독성이 적고 은백색을 가지고 있기에 미백 화장품에 사용되기도 했는데, 이에 관한 에피소드가 있다. 한 여성이 비스무트가 함유된 화장품을 바르고 유황온천[7]에 갔다가 얼굴이 온통 새까맣게 변해 버렸는데, 그 이유는 비스무트가 유황온천의 황과 반응하여 검은색의 황화 비스무트로 변해버렸기 때문. 물론 아예 피부가 염색된 건 아니고, 화장품이 황화 비스무트로 변해 얼굴에 일시적으로 얇은 막이 씌워진 것이다.
- 유튜버 지즐이 비스무트를 이용한 결정생성 실험을 진행했다. 결정이 잘나왔고 특징도 설명해주니 궁금하면 보러가자. 링크
한편 캐나다의 한 유튜버는 상기한 펩토비스몰에서 비스무트를 추출(영어 주의)하기도 했는데, 살리실산 분리부터 비스무트 결정 생성까지의 과정을 자세하게 설명해 두었다.
- 비스무트를 녹이고 갈아서 식칼로 만드는 영상도 있다. 하지만 손잡이도 결정으로 되어 있어 결국 오이 한번 자르고 다시 녹이게 됐다. 링크
- 내일은 실험왕 14화에 유진의 실험반이 사용했다.
[1] 사실 스프링 쿨러가 아닌 스프링클러가 정확한 표현이다.[2] 청록색 빛이 나는 납이라는 뜻.[3] 이로부터 나오는 말이 weisse masse와 weisse materia라는 흰색 금속, 흰색 물질이다.[4] 옛날에는 금속을 메이슨 근처의 작센 지방 목초지에서 채굴했다.[5] 약 209g, 1몰(약 6022해 개)의 비스무트 덩어리가 있다면 1년에 그 덩어리 속의 약 22000개(하루에는 약 60개)의 비스무트 원자가 탈륨이 된다고 보면 된다. 그리고 일정한 반감기를 가지는 원자핵은 지수함수적으로 줄어든다는 점을 감안할때 1년에 약 22000개의 원자가 줄어드는 것이 1년에 약 21999개로 1개씩 덜 줄어드는데 걸리는 시간은 약 1320조년이 걸릴것이다.[6] 이론적으로는 방사성 동위원소이나, 붕괴가 관측되지 않은 원소이다.[7] 옐로스톤 국립공원도 이에 해당된다.