플루오린

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플루오린
Fluorine[1]

원자번호

9

기호

F

분류

할로젠 원소

상태

기체

원자량

18.9984032

밀도

1.696 g/L

녹는점

-219.67 °C

끓는점

-188.11 °C

용융열

0.26 kJ/mol

증발열

6.51 kJ/mol

원자가

1

이온화에너지

1681, 3374, 6147 kJ/mol

전기음성도

3.98[2]

전자친화도

328 kJ/mol

발견

A. Ampère (1810)

CAS 등록번호

7782-41-4

플루오린

이전 원소

다음 원소

산소(O)

네온(Ne)


범례

원소 분류 (배경색)

알칼리 금속

알칼리 토금속

란타넘족

악티늄족

전이 금속

전이후 금속

준금속

비금속

할로젠

비활성 기체

미분류

상온(298K(25°C), 1기압) 원소 상태 (글자색)

고체

액체

기체

미분류

이탤릭체(기울임) : 자연계에 없는 인공원소 또는 극미량으로 존재하는 원소


파일:attachment/F-usage.jpg

파일:external/study.com/334px-chlorine2.jpg 플루오린 기체.

파일:fluorine.jpg
항우울제 프로작은 플루오린 화합물의 대표격이다.

1. 개요2. 상세3. 화합물
3.1. 플루오린화수소(불산)3.2. 테플론3.3. 프레온3.4. 그 외 화합물

1. 개요[편집]

할로젠(17족)에 속하는 화학 원소이다. 불소(弗素)란 이름이 널리 쓰이고 있었는데, 대한화학회에서 영어명칭인 '플루오린'으로 변경하였다. 독일어식 표현인 플루오르(독일어: Fluor)(실제로는 '플루오어' 처럼 들린다)가 사용되기도 하였다. 이름이 바뀌었지만, 불산같은 용어는 아직 널리 사용중이다.

이 원소를 한 마디로 설명하자면 명실공히 원소계의 일진. 개씹산화웨이하지만 후술하듯 충치열사병 해결에 도움을 주기도 했다.

2. 상세[편집]

플루오린은 전기 음성도가 3.98로 가장 강한 원소이다. 희가스(비활성 기체)를 제외한 전형원소는 주기율표의 오른쪽 위로 갈수록 전기 음성도가 커지며 왼쪽 아래로 갈수록 작아진다. 이처럼 플루오린은 가장 강하게 전자를 잡아당기는 것이 가능하기 때문에 반응성이 비상히 커서 헬륨이나 네온 이외의 대부분의 원소와 반응한다. [3] 심지어 비활성 기체제논과도 반응해(!) XeF4, XeF6 등의 해괴한 화합물을 만든다(...).[4] 아르곤 역시 반응하지 않는 원소로 알려져 있었으나, 초저온에서 만큼은 불소와 반응한다. 물론 온도가 17K(-256℃)를 넘어가면 분해가 된다. 반응성만으로 따지면 최강의 비금속 원소. 즉 다른 화학종의 전자를 뺏어오는 능력은 우주최강. 그래서 이걸 분리시킬 때 백금기구를 이용해서 분리했다고 한다. 이게 어느정도냐면, 산소의 산화수가 -2가 기본인데 이녀석이랑 반응할 때 만큼은 +1이나 +2가 된다. 그러니까, 공유결합을 할 때는 산소는 반응물질을 산화시키며 전자를 2개를 뺏는 것이 보통인데, 이 녀석이랑 반응할 때만큼은 빼앗지 못하고, 오히려 플루오린에 산화되며 뺏긴다는 소리. 즉 산소가 산화당한다!러시아에서는 산소가 산화합니다산소와 불소의 화합물은 OF₂이고, 이름도 불화산소(Oxygen Fluoride)이다. 단, 전자친화도는 의외로 염소에 이은 2위. 원자의 크기가 너무 작아 전자가 너무 빽빽히 차 있어 서로 반발하기 때문이다.

반응성과 독성이 매우 강하기 때문에 분리[5]가 아주 곤란했다. 원소 자체의 표준 전위차도 +2.87볼트 정도로 꽤 높아서[6] 불화염 용융물의 전기분해 아니면 분리할 방법이 없다고 한다.[7] 그래서 많은 사람들이 플루오린을 분리하는 실험 도중에 중독되어 죽어갔으며(험프리 데이비, 루이 조제프 게이뤼삭 등)[8] 인류 최초로 분리에 성공한 과학자인 앙리 무아상도 실험 중에 한쪽 눈을 실명했다고 전해진다. 무아상은 이 공로로 멘델레예프(주기율표를 제작한 그 분 맞다)를 제치고 노벨상을 받는다. 웬만한 플라스틱들도 골로 보내는 경우가 많고 또한 유리를 녹이는 성질이 있어 취급, 보관하기도 매우 난감한 녀석이다. 다만 다이아몬드를 자를 땐 쓴다고, 같은 플루오린이 포함된 테플론 수지는... 2015년부터 금지되었다. 적어도 저온에서는 안전하다고 한다. 아니면 전혀 반응하지 않는 이나 백금족들로 보관해야 하는데 가능할 리가... 그나마 백금도 고온에서는 반응해서 녹여버린다.

플루오린의 이용 예 중 대표적인 것이 치약이다. 플루오린에는 산에 녹기 어려운 치아를 만드는 효과가 있고, 초기의 충치라면 산에 녹은 부분의 에나멜질을 보수해서 내산성을 향상시키는 효과도 가지고 있다. 그러나 플루오린의 장기적인 과다섭취는 치아가 아니라 뼈가 플루오린으로 치환(...)[9][10]되어 결과적으로 뼈가 약해진다는 연구결과도 있고, 어느 지역에서는 불소 함량이 높은 물을 마시고 자란 주민들이 급격한 노화현상을 겪는 사례도 발견되기도 했다. 그렇다고 해서 닥터 스트레인지러브처럼 수돗물 불소살균법이 빨갱이들의 음모라고 주장하면 곤란. 에도 플루오린 성분이 많아 치아에 효과가 있지만 지나치게 마시면 불소 중독에 빠지는 것이 중국의 승려 등에서 확인된 바 있다.

80년대 후반 90년대 초반 초등학생들은 주 1회 치과에서 와서 불소라고 하여 병뚜껑 크기의 컵에 담아 입을 헹구게 하기도 했다.

후덥지근한 동아시아의 여름 날씨를 견디기 쉽게 해준 원소도 바로 플루오린. 2세대인 프레온을 시작으로 대다수의 냉매가 플루오린을 쓰기 때문이다.

3. 화합물[편집]

3.1. 플루오린화수소(불산)[편집]

수소와 결합하면 산성을 띄는 플루오린화수소가 된다. HF, 플루오르산, 불산 등 이름은 많지만 보통은 그냥 HF라고 부르는 경우가 다수다. 다른 할로겐화 수소처럼 강산이라고 생각하기 쉬운데, 수용액상에서는 그다지 강한 산은 아니다. 일단 해리는 잘 돼서 옥소늄 이온(H3O+)과 플루오린화 이온을 내뱉기는 하는데, 둘이 너무 꼭 붙어다니다 보니 산으로 행동해야 할 자유 옥소늄 이온이 적어서 식초 수준의 산성밖에 가지지 못한다.

하지만 인체에는 염산보다 위험하다. 만약 피부에 플루오르산이 닿는다면 빠르게 피부로 흡수되어 혈류를 타고 돌며 몸 안의 이온을 치환하며 뼈를 녹인다. 이 과정은 매우 고통스럽기로 유명하며 막을 방법도 없다. 저농도 불산에 접촉한 환자 말로는 그냥 죽는게 낫겠다는 생각이 들었다고 한다. 게다가 치료로 칼슘제제를 경정맥에 주사하는데 의사 멱살잡을뻔(...) 했다고. 뼈 뿐만 아니라 몸 속에 있는 모든 칼슘 물질 대사를 방해해서 심장마비 등으로 죽을 수도 있다. 공포영화 쏘우에선 이 플루오르산이 든 주사기를 사람 몸에 꽂고 플루오린을 주입해서 사람을 녹여서 죽이는 트랩도 나왔다. 보통은 유리 대신 플라스틱 용기에 담아 보관하는 게 일반적이다. 아무 플라스틱이나 다 되는 건 아니고, 60% 이하의 불산은 PP나 PE 재질의 용기에 저장이 가능하다. 테플론 계열도 되는데 가공도 힘들고 비싸서 잘 안쓴다. 금속 중에도 하스텔로이 계열 일부[11]는 사용할 수 있는데 워낙 비싸서... 의외로 무수불산은 금속 용기를 쓰는데[12] 물이 없으면 이온화가 거의 안 되기 때문에 가능한 것으로, 물이 들어가면 절대로 안 된다. 마법산을 포함한 대부분의 초강산을 만드는 재료이기도 하다.

2012년 9월 27일에는 경상북도 구미시의 한 화학공장에서 플루오린화수소가 유출되어 인근 마을을 초토화시키는 사고가 발생했다. 자세한 내용은 구미 불산가스 누출 사고 항목으로.

3.2. 테플론[편집]

플루오린 원자와 탄소 원자로 만드는 플루오린화 탄소수지인 폴리테트라플루오르에틸렌의 듀퐁 상표명인 테플론프라이팬 등의 조리기구의 코팅으로 이용된다. 1938년 만들어져, 맨해튼 프로젝트에서 우려먹다가 1946년 시중에 팔리게 되었다. ELEMENT GIRLS(위쪽에 있었던 그림)에서 플루오린의 캐릭터가 프라이팬을 들고 있는 것은 이것 때문. 테플론은 내열성과 내부식성 및 내마찰성이 있기 때문에 테플론 가공이 된 프라이팬은 잘 눌어붙지 않고, 물이나 더러움을 씻어내는 것도 수월하다. 이 테플론을 가져다가 프랑스인 엔지니어가 최초로 늘러붙지 않는 프라이팬을 만들었고, 테플론에서 이름을 따서 테팔이란 회사를 차리게 된다. 어쨌든 이 테플론을 가열해서 늘려 작은 구멍을 만들어, 커다란 물방울을 차단하고 습기는 통과시킬 수 있도록 만든 것이 방수투습성 소재인 고어텍스이다. 또 고어텍스는 심장질환의 치료에 필요한 인조혈관의 재료로도 사용된다.[13] 게다가 테플론을 제조할 때 나오는 폐기물은 인쇄용 잉크의 유동성을 향상시키는 데 쓰인다.

다만, 21세기 들어 테플론의 유해성 문제가 논란중에 있다.

3.3. 프레온[편집]

프레온(CCl2F2)에도 들어가는 물질이다. 에어콘, 냉장고의 냉매로 널리 사용되어, 한동안 인류를 폭염열사병에서 구원해낸 일등 공신이었다. 하지만, 오존층을 파괴하는 치명적인 단점 때문에 현재는 사용이 완전히 금지되었다.

3.4. 그 외 화합물[편집]

특히 극악한 반응성 때문에 불소는 바퀴벌레를 몰살시킬 수 있는 최강의 물질이다. 통에 치약을 한줄로 짜놓고 바퀴벌레를 통 안에 풀어놓으면 바퀴벌레는 절대로 살아서 치약을 넘지 못한다. 치약을 밟자마자 경련을 일으키며 죽으며 운좋게 치약을 밟고 넘어갔다 하더라도 오래 못 가 죽어버린다. 의외로 반응이 빠르다. 이 때문에 치약을 이용해 개미 등의 벌레들을 퇴치할 수 있다.

LCL같은 액체화합물 퍼플루오로데칼린에 들어가는 물질.

6불화황(SF6 Sulfur hexafluoride, 육플로오린황)은 기체인데 절연성이 매우 높고 안정적인 가스라서 초고압 전기스위치나 변압기 등의 절연충진재로 쓰인다. 이 가스를 채운 고압전기 스위치는 스위치를 끊어도 전기 아크가 적게 발생하고 재빨리 전류가 끊어진다. 이 가스 덕에 초고압전기도 안전하게 다룰 수 있게 되었지만 온실가스라 사용량을 감축하려는 노력을 하고있다. 비중이 6.17 g/L 로 공기의 5배 가량 대단히 무거운 기체이다.

6불화우라늄(UF6 Uranium hexafluoride)은 우라늄 농축공정에 쓰이는 대표적인 재료. 우라늄 농축공정은 가스확산식과 원심분리식 모두 변환공정에서 우라늄산화물을 6불화우라늄으로 만들어와서 진행한다.[14] 이건 만드는 방법이 매우 지랄맞은데, 금속 우라늄을 무수불산과 반응시켜 UF4를 만든 후 이걸 다시 고온에서 불소와 반응시켜 UF6를 만든다. 이런 귀찮은 짓을 하는 이유는 육불화우라늄이 우라늄 화합물 중 휘발성이 가장 좋은데다 플루오린은 자연상태에서 다른 동위원소가 없어 우라늄의 농축도 조절이 쉽기 때문이다. 다만 취급이 쉽지는 않은게, 노출되면 공기중의 습기와 빠르게 반응하여 UO2F2(uranyl fluoride)와 불산을 생성한다.[15]

[1] 형석(CaF₂)을 뜻하는 라틴어 fluorite 에서 유래하였다. 여기서 '형광'을 뜻하는 접두사 Fluor-가 나왔다.[2] 원래 플루오린을 전기음성도의 기준으로써 4.0으로 하고 나머지 원소들의 전기음성도를 정했는데, 실제 전기음성도는 조금 작았다고 한다. 실제로는 수소의 전기음성도를 2.2로 정하고 그에 따라 상대적인 값을 정했다. 자세한 내용은 전기음성도 참조.[3] 헬륨, 네온은 전자와 원자핵 사이의 거리가 너무나 좁고, 안정성 역시 넘사벽인지라 불소라도 결합할 수 없다[4] 18족 원소들은 화합물을 안 만든다고 여겨져왔었고 그래서 비활성 기체란 별명이 붙었으나, 불소는 그딴 거 없다를 시전해버렸다(...). 한편 헬륨과 네온은 불소에게도 난공불락의 원소라고 한다.[5] 유리. F₂가 아닌 F만 따로 분리하는 것.[6] 물에 녹는 불화염으로 건전지를 만든다면 전압이 최소 이정도는 나온다는 이야기이다.[7] 화학적인 제법이 나온 것도 20세기 말에서야 나왔다.[8] 둘 다 즉사는 면했으나 이후 말년을 고통스럽게 보냈다.[9] 뼈 속의 칼슘과 결합하여 칼슘을 빼낸다(...)[10] https://en.wikipedia.org/wiki/Dental_fluorosis 참조[11] Has-C 또는 Has-X. Has-B도 가능하긴 한데 C와 X가 넘사벽으로 잘 견딘다.[12] 스테인레스 중 일반적으로 많이 쓰이는 STS304 정도면 충분하다.[13] 드라마 뉴하트23화에서 이은성이 조민아 교수를 수술할때 '여기 고어텍스나 보바인 페리카디움 패치 있나요?'라고 묻는다. 보바인 페리카디움 패치는 송아지의 심막을 의미한다.[14] 레이저식은 금속 우라늄을 사용한다.[15] 따라서 UF6로부터 핵연료를 생산하는 공장에서는 부산물로 불산이나 기타 불화물이 발생하며, 이를 산업재료(유리식각, 반도체 등)로 재활용한다. 세간의 오해와는 달리 핵연료공장에서 발생하여 산업재료로 판매되는 불화물이 방사능을 뿜뿜하지는 않는다. 그때그때 용액을 빼낼 저장조마다 선량을 측정해서 기준치 미만이어야 그 저장조에 한해 반출 허가를 내주기 때문에 불화물에서 방사능 나오면 애초에 공장 밖으로 내갈 수가 없다. 게다가 저 기준치라는게 우라늄 안쓰는 공장에서 만들어도 검출될 수 있는 수준이다.

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