전이 금속

전이 금속이란 무엇인가

전이 금속은 주기율표 한가운데의 넓은 구역인 3족부터 12족까지를 차지한다. 한 주기를 따라 오른쪽으로 갈 때, 원소들은 바깥 껍질이 아니라 안쪽의 d 부껍질에 전자를 하나씩 더한다. 이 구역의 이름도 이렇게 안쪽부터 채워지는 데서 왔다. 왼쪽의 반응성 큰 s 구역 금속과 오른쪽의 p 구역 사이를 잇는 ‘전이’ 지대라는 뜻이다.

d 전자는 바깥 전자와 에너지가 비슷하기 때문에, 많은 전이 금속은 서로 다른 개수의 전자를 잃을 수 있다. 철은 2+ 이온과 3+ 이온을 모두 만들고, 망가니즈는 +2부터 +7까지 안정한 산화 상태를 가진다. 이런 유연성이 이들 화학의 많은 부분을 이끈다.

화합물이 그토록 다채로운 이유

다른 원자가 전이 금속 이온에 결합하면, 그 d 오비탈들의 에너지가 갈라진다. 그러면 전자가 특정한 색의 가시광선을 흡수하며 오비탈 사이를 옮겨 갈 수 있고, 우리 눈에는 흡수되고 남은 색이 보인다. 황산 구리가 파랗고, 과망가니즈산 칼륨이 짙은 자주색이며, 크로뮴 화합물이 노랑, 주황, 초록을 띠는 것도 이 때문이다. 루비, 에메랄드, 사파이어의 색도 모두 미량의 전이 금속에서 나온다.

산업을 움직이는 촉매

산화 상태를 바꾸고 표면에 다른 분자를 붙잡는 능력 덕분에 전이 금속은 뛰어난 촉매가 된다. 이들은 자신은 소모되지 않으면서 반응을 빠르게 한다.

• 철: 비료용 암모니아를 만들어 세계 인구의 절반가량을 먹여 살리는 하버 공정
• 백금, 팔라듐, 로듐: 자동차 배기가스를 정화하는 촉매 변환기
• 니켈: 식물성 기름의 수소화
• 바나듐: 황산을 만드는 접촉 공정

기록 보유자들

전이 금속에는 금속 세계의 극단이 모여 있다. 텅스텐은 금속 가운데 녹는점이 가장 높아 3,422 °C에 이른다. 오스뮴은 자연에 존재하는 원소 가운데 밀도가 가장 높고, 이리듐이 근소한 차이로 뒤를 잇는다. 은은 다른 어떤 원소보다 전기와 열을 잘 전달한다. 반대편 끝의 수은은 상온에서 액체인 유일한 금속이다.

문명의 금속

금, 은, 구리는 인류가 가장 먼저 사용한 금속에 속하며, 청동기 시대와 철기 시대라는 이름도 전이 금속 기술에서 왔다. 철에 소량의 탄소와 흔히 크로뮴, 니켈, 바나듐을 더한 합금인 강철은 지금도 건물, 다리, 기계의 뼈대다. 타이타늄은 항공기와 의료용 임플란트를 가볍고 튼튼하게 만들고, 아연은 도금으로 강철을 녹으로부터 지킨다.