마그네슘
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* 마그네슘 광석을 채굴하던 그리스의 도시 마그네시아(Magnesia)에서 유래되었다.
1. 개요[편집]
알칼리 토금속에 속하는 금속원소. 불을 붙이면 산화마그네슘으로 변하며 매우 밝은 백색광을 내놓으므로 섬광탄 등에도 이용하는 원소이다. 또한 마그네슘은 지구상에서 8번째로 많은 원소로, 광석에서는 물론 바닷물에서도 얻을 수 있다.[1] 마그네슘의 비중은 알루미늄의 2/3. 철의 1/4로, 실용적으로 쓰이는 금속 중에서는 가장 가볍고, 비강도나 비강성도 뛰어나다. 가볍기나 강도나 금속 성질로는 베릴륨이 더 뛰어나지만, 베릴륨은 독성 발암물질인데다 가격도 비싸다. 영어 발음은
[mæɡˈniːziəm](매그니지엄)최대 생산국은 중국으로 세계 생산의 80%를 차지하며, 이는 2위인 미국의 최대생산용량[2]의 10배에 달한다. 중국은 전적으로 광석에서, 미국은 주로 해수에서 마그네슘을 채취한다. 광석 채취의 경우에는 마그네사이트가 아니라 백운암(돌로마이트, CaMg(CO3)2)으로부터 뽑아내는 경우가 압도적으로 많다. 북한 단천에 세계적인 규모의 마그네사이트 광산이 있으나 기술이 없어서 파지 못 하고 있고, 한국에도 양질의 백운암 광산이 존재하는데 매장량만 따지면 러시아에 이어 세계 2위이나 현재 제련공장이 없어서 수입을 해야한다.[3] 2021년 11월, 중국의 전력난 등으로 인해 생산이 대폭 감소하여 유럽의 자동차 차량 제조사에 비상이 걸렸다.# 한국무역협회에 따르면 한국에서 쓰이는 마그네슘의 99.8%를 중국에서 수입했다고 한다.
2. 발견[편집]
원소로는 조지프 블랙이 최초로 발견했지만, 이후 험프리 데이비가 마그네시아와 산화 수은의 화합물을 전기 분해하여 순수한 금속을 얻었다.
3. 공학적 용도[편집]
마그네슘 분말을 태울 때 위의 반응이 진행되며 섭씨 1371도까지 온도를 올릴 수 있어 공업용 불꽃에 사용되기도 한다. 탈 때 매우 밝게 빛나는 성질을 이용하여 방전관이 발명되기 전에는 전기 발화기가 달린 막대달린 판에 마그네슘 가루를 한 줌 올리고 그걸 터트려서 카메라 플래시로 사용했다.[4][5] 여담으로 마그네슘 리본을 구해서 불태울 때 간접시야로 봐야 한다.[6]
현재, 그 특징을 살린 마그네슘-알루미늄 합금은 비행기나 자동차 부품 등의 경량화를 중시하는 공업제품에서 시작했다.
항공기 쪽에선 1940년대, 2차 세계 대전부터 비행기나 엔진의 무게를 줄이기 위해 사용되었으며, 주로 동체나, 날개보에서 사용되었다고 한다. 거대 4발 중폭격기인 B-29의 R-3350 듀플렉스 엔진이 무게를 줄이기 위해 마그네슘을 대량으로 사용했던건 유명한 이야기. 또한 1960년대 냉전시기 마하3의 달하는 정찰기인 SR-71 블랙버드의 랜딩기어 무게를 줄이기 위해 랜딩기어 휠과 부품쪽에도 대량으로 사용되었다.
자동차에도 무게를 줄이기 위해 간혹 사용되었는데, 대표적인 예로 과거 BMWN52 엔진이나 쉐보레의 스포츠카인 콜벳 Z06, 르망에 참가 했던 레이스카 포르쉐 917 같은 경우 엔진 무게를 줄이기 위해 마그네슘 엔진 블록을 사용한 적이 있다. 현대에 와선 폭스바겐이 엔진 일부분에 마그네슘 부품을 사용한다 하며, 포르쉐의 트랙용 슈퍼카 GT2 RS가 지붕 일부에 마그네슘 합금을 사용하거나[7] 하이퍼카 918에 5540만 원짜리 마그네슘 휠 옵션이 있다.[8] 물론 이 가격은 안 그래도 초고가 하이퍼카 포지션인 918의 옵션이라 다소 비싸게 책정된 감이 있고, 튜닝용으로 판매되는 애프터마켓 제품군은 개당 수백만원 정도다. 이보다 더 가볍게 만들 수 있는 소재는 카본 파이버 정도밖에 없는데, 제작 난이도가 매우 높기 때문에 마그네슘보다 더 비싸고 희소하며 요철 등을 지나면서 큰 충격을 받을 시 휠이 깨져버리는 문제가 있다.
그외에도 핸드폰, 노트북 등의 휴대용 전자기기의 금속 케이스용으로, 또 맥주캔 등 알미늄 캔의 합금성분으로, 아연과 합금해 다이캐스팅 재료로 쓰기도 하고, 강철이나 철의 제련시 황 제거 첨가제, 티타늄의 제련에 쓰인다. 1990년대 이후로는 알루미늄의 유해성에 대한 논란 및 연구가 상당히 진행되면서 Mg-Ti 합금 등 알루미늄을 함유하지 않은 마그네슘 합금(Al-free Mg Alloy)도 다수가 개발되어 실용화되고 있다.
마그네슘을 전자기기의 케이스 재료로 처음 쓴 것은 스티브 잡스가 창립한 NeXT 컴퓨터이며, 휴대용이 아닌 워크스테이션이었는데도 마그네슘을 케이스 재료로 썼다. 최근 사용되고 있는 스마트폰 케이스도 마그네슘을 주로해서 만든다. 이전에는 플라스틱이 주류였지만, 플라스틱 특유의 열에 약하고 사용할수록 탄성이 줄어드는 현상을 보완하기 위해 마그네슘을 가공한 소재가 사용된다.[9]
마이크로소프트의 서피스는 1세대부터 시작해서 전 기종의 프레임을 전부 마그네슘으로 제조하는 것으로 유명하다. 실제로 만져보면 애플이나 타사의 알루미늄 프레임과는 뭔가 다른 이질적인 느낌임을 알 수 있다. 1세대와 2세대의 케이스에는 VaporMg라는 브랜드를 붙였으나, 3세대부터는 별도로 이 브랜드는 강조하지 않고 있다.
씽크패드의 경우에도 일찍부터 마그네슘 롤 케이지 기술로 내부 부품들을 마그네슘으로 감싸 엄청난 내구성을 자랑했으나 외장 케이스는 우레탄 코팅된 일반 플라스틱이나 강화 플라스틱을 사용한다. 12인치급 소형 모델에 롤 케이지 대신 마그네슘 케이스가 사용되긴 했지만 특유의 우레탄 펄 코팅으로 도색되어 있어 금속 느낌이 들진 않았고, 오히려 칠이 쉽게 벗겨져 마그네슘의 높은 반응성 때문에 벗겨진 부위가 녹스는 사례가 많았다. 최근에는 울트라북화 되어가는 시장 추세에 맞춰 모바일 워크스테이션인 P 시리즈만 마그네슘 롤 케이지를 사용하고, 다른 라인업에는 내부 프레임 용도로 사용한다.
이처럼 가볍고 튼튼하고 저렴하기까지 한 좋은 금속이지만 중공업이나 무기 분야에서 무턱대고 쓰지 못하는 이유는, 산화서열이 높아 화재에 대단히 취약하고 불이 붙었다 하면 걷잡을 수 없기 때문이다. 때문에 그 격렬한 연소반응을 직접 이용하는 섬광탄, 미사일 기만체(플레어) 정도를 제외하면 군사적 용도로는 거의 쓰이지 않는다. 기껏해야 알루미늄 합금 장갑이나 비행기 만드는 두랄루민에 재료로 들어가는 정도.[10]
또한 마그네슘은 높은 반응성 때문에 금속의 탈황이나 정련 등에 이용되기도 하며[11] 항공기의 몸체나 미사일, 고급 카메라의 몸체, 그리고 레이싱용 차의 휠 캡에도 이용된다.
2001년 아오야마학원대학의 아키미츠 쥰 교수가 발견한 이붕화마그네슘(MgB2)이라는 초전도물질은 산업분야에서 사용되는 나이오븀(Nb)합금보다 초전도임계온도가 높고, 냉각하는 것이 쉽고 저렴하기 때문에 초전도자석이나 송전선, 고감도의 자기센서 등의 응용을 고려중이다. 또 최근에는 마그네슘과 물의 반응에 의해 얻어지는 수소의 열을 이용한 무공해 엔진의 개발도 진행되고 있다.
덧붙이자면 연방준비은행의 금괴 창고에서 일하는 인부들은 이 마그네슘으로 만든 신발(아래사진)을 신는다고 한다. 떨어지는 금괴의 파괴력이 상당해서[12] 잘못해서 발에 맞기라도 하면 발이 부서지기 십상이기 때문에 이 단단한 금속제 신발을 신는 것, 무게도 가볍기 때문에 아주 적합하다.
공기 중에 발화할 때 관찰되는 밝은 흰 빛이 있어서 불꽃놀이에도 쓰인다.
4. 의학적 효능[편집]
체내에서 마그네슘은 골격에 대부분이 존재하며 그 외에 에너지 대사와 근육 수축에 관여한다. 따라서 체내 필수 미량원소로 취급되며 각종 영양제에 포함되어 있고 경우에 따라서는 마그네슘이 겸사겸사 들어가 있는 게 아닌 아예 마그네슘을 포인트로 만든 영양제가 존재하기도 한다. 마그네슘을 영양제로 섭취하려는 경우는 크게 두 가지 정도가 있는데 하나는 뼈나 관절 건강을 위해서, 다른 하나는 눈떨림 등 근육 증상을 완화시키기 위해서인데 전자의 경우 보통 칼슘(+비타민D)과 함께 섭취하는 편이고 후자의 경우 비타민E(토코페롤) 등의 성분과 함께 들어있는 편이다. 그러나 마그네슘 영양제에 대해서는 논란이 많은 상황이다.
우선 뼈나 관절을 위해 마그네슘을 섭취하는 경우 이론적으로는 마그네슘과 칼슘이 뼈의 구성성분이며 부족하면 골다공증 등 뼈에 악영향을 줄 수 있겠지만 그렇다고 정상보다 과량을 먹는다고 해서 그게 곧 뼈로 직행해서 뼈가 더 튼튼해지지는 않기 때문에 논란이 된다.[13] 따라서 대부분의 의학 전문가들은 뼈나 관절 질환이 있을 경우 그에 대한 치료제나 치료요법과 함께 보충제를 먹는 등 칼슘 및 마그네슘 영양제를 보조요법으로 활용하라고 하지# 건강을 위한 행동은 아무것도 안하면서 영양제를 주워먹기만 해도 낫는다고 아무도 말하지 않는다. 만약 뼈 건강을 위해서 영양제를 먹으라고 하면서 치료제나 치료요법 등의 이야기를 하지 않고 영양제 먹으면 다 괜찮아진다고 하는 사람이 있다면 그건 그냥 약팔이, 약장수에 불과하다고 보면 된다.
근육 증상을 위해서 먹는 것도 논란이 많은 편이데, 우선 경련이나 마비 증상의 일부 치료과정에 마그네슘을 처방하는 경우가 있는 것은 맞다.[14] 체내에 마그네슘이 부족하면 스트레스를 더 잘받고, 불안함, 초조함 등을 더 쉽게 느끼기도 한다. 그러나 우리가 일상생활에서 경험하는 눈떨림 등의 경우 마그네슘이 치료나 증상완화용으로 도움이 된다는 명확한 근거는 존재하지 않으며,[15] 주변에서 흔하게 "눈떨림은 마그네슘이 부족해서 생기는 거니까 마그네슘을 먹으세요"라고 하지만 실제로 정상적인 생활을 하는 사람이라면 마그네슘이 결핍되는 경우는 거의 없으므로[16] 이는 옳지 않은 주장이다. 애초에 마그네슘이 눈 밑 근육 수축만 관여하는 것도 아니고 마그네슘이 부족하면 눈떨림 이외에도 전신 근육의 경련이나 마비가 생기게 되지, 눈만 떨리는 걸로 끝나지 않는다. 눈 주위 근육보다 더 작은 근육들도 차고 넘치는데 눈떨림만 가지고 마그네슘 결핍과 연관짓는 것은 과다한 확대해석인 것이다. 최근에는 약사와 같은 약물 전문가들 중에서도 눈떨림과 마그네슘은 별 상관 없다고 하는 사람도 있으며# 병원 정보지나 의사들은 그냥 쉬면 낫는 경우가 대부분이라고 설명하는 편이다.## 전문가들에 따르면 눈떨림은 신경질환이 있는 게 아닌 이상 보통 그냥 피로, 스트레스, 커피에 의한 경우가 대부분이라고... 실제로 분당제생병원 신경과 연구팀이 눈떨림을 호소하는 환자들과 정상인을 비교해보았을 때 혈중 마그네슘 농도의 차이는 없었다고 하며 피로도의 차이만 있었다고 한다. 출처
그렇다고 영양결핍 등의 원인으로 마그네슘이 결핍되는 사람도 전혀 없는 것은 아니다. 병원의 중환자용 TPN(정맥영양) 수액에 마그네슘이 포함되는 경우도 종종 있다. 과량의 마그네슘 복용으로 의학적 효과를 기대하고 먹는 것이 아닌 제대로 식사를 못하는 등 영양에 대한 고민이 있다면 최소한의 필요량을 보충해주는 용도로 마그네슘 영양제를 복용하는 것도 나쁜 것은 아니다. 이 경우 흡수율을 고려해 체내 필요량보다는 많이 복용하는 것이 추천되긴 하지만 너무 과량을 복용할 이유는 없다.[17]경우에 따라서는 흡수율이 좋다고 알려진 킬레이트제의 마그네슘을 복용하는 경우도 있으나 킬레이트제가 더 흡수율 좋다는 것도 명확한 근거가 없으므로 영양제 회사의 상술일 수도 있으니 꼭 주의를 요해서 받아들이는 것이 좋다.
결석 방지 효능이 있다는 주장도 있는데 이것도 의학적으로 증명된 효능은 아니다. 결석 예방 효과에 대해 이야기 하는 사람들은 마그네슘은 혈중 각종 염(鹽)의 포화도 자체를 높여 쉽게 결정이 형성되지 못하게 하는데 이것이 옥살산의 결정화를 방해하기 때문에 결석을 어느 정도 예방하는 것이라고 한다. 하지만 체내 정상 마그네슘 농도는 1.7~2.2mg/dL로, 사람의 정상적인 체내에서는 0.5mg/dL밖에 변할 수 없으며, 이것 이상 변화한다면 고마그네슘혈증이 생기기 때문에 마그네슘 농도를 함부로 늘릴 수 없다. 정상 범위 내에서 마그네슘을 최대한 늘린다고 하더라도 0.5mg/dL 정도의 마그네슘 농도의 변화로 결석을 예방하기는 어려우며 그렇기 때문에 대한비뇨기학회 등의 요로결석 치료 가이드라인에 마그네슘 섭취는 권고되지 않고 있다. 일부 임상실험에서는 마그네슘이 요산 수치를 낮춰서 통풍에 도움을 주는 것으로 알려지기도 했으나 해당 실험에서 사용한 것은 magnesium citrate(시트르산 마그네슘)으로, 마그네슘 때문이 아니라 시트르산 때문에 낮아지는 것이기 때문에 마그네슘의 효과라고 보기 어렵다. 실제로 potassium citrate(시트르산 칼륨) 등 시트르산을 요산 수치 저해 목적으로 투여하기도 한다.
조루증이 있는 남성은 정액에 마그네슘 농도가 낮은걸로 보고되어[18] 마그네슘이 조루 치료에 역할을 할 수 있을 것이라고 생각하는 사람도 있지만 이러한 해석은 확대해석이며 과학적으로 경계해야 하는 주장이다.[19] 마그네슘이 조루에 어떤 역할을 하는지도 알려져 있지 않은 상황에서 마그네슘이 조루의 원인이라고 판단해서 마그네슘을 섭취할 필요는 없다.
위 제산제로 쓰이는 알마겔의 주 원료이기도 하다(알루미늄+마그네슘,Aluminium+Magnesium+gel). 알루미늄 단독으로도 수산화 알루미늄 등의 형태로 제산제로 사용 가능하지만 마그네슘과 함께 쓰는 이유는 알루미늄이 변비를 일으킬 수 있고, 마그네슘이 설사를 일으킬 수 있기 때문에 둘을 같이 쓰면 부작용이 상쇄되기 때문이다. 따라서 일반적인 제산제로는 알루미늄 혹은 마그네슘 단독으로 구성된 제산제는 잘 쓰이지 않는다. 실제로 마그네슘 단독 제산제인 '마그밀'의 경우 제산제 역할로도 쓸 수 있지만 실제로는 변비 치료 목적으로 더 많이 쓰고 있다. 또한 위에서 설명한 마그네슘 보충제와는 다르게 마그네슘 제산제의 경우 염의 형태가 다르다. 마그네슘 보충제는 산화 마그네슘(MgO), 마그네슘 제산제는 수산화 마그네슘(Mg(OH)2)이며 수산화 마그네슘은 체내에 거의 흡수되지 않아 마그네슘 보충제로 쓸 수는 없다.
5. 그 외 일상생활 속 용도[편집]
고등학교를 이과로 나왔거나(물론 화학 선택자의 경우) 전문계 고등학교에서 배우는 내용으로, 반응성 척도의 앞에 있는(즉, 산화가 잘 일어나는) 금속이기 때문에 배 등의 철 부분에 조그만 마그네슘 판을 붙이면 철 대신 산화하여 철의 부식을 막아 준다. 얼마나 반응성이 좋냐면 드라이 아이스로 만든 상자안에 불붙은 마그네슘을 넣고 드라이아이스로 뚜껑을 덮어 외부에서의 산소를 차단해도 이산화탄소에서 산소를 빼앗아 반응을 한다 바쁜 사람은 1분 15초부터.
정작 마그네슘의 큰 조각은 불붙이기가 어려운데, 마그네슘의 높은 열 전도율 때문에 큰 조각은 열 방출이 빨라 발화점까지 온도를 올리기 힘들기 때문이다.
마그네슘은 식물의 성장에 빼놓을 수 없는 엽록소(클로로필)의 구성성분이기도 하다. 엽록소는 엽록체나 시아노박테리아에 포함된 녹색 색소로서 식물의 광합성에 빼놓을 수 없는 것이므로, 마그네슘이 부족하면 식물의 생장이 저해되어 수확량의 감소로 이어지는 것이다.
그 밖에 두부의 응고제로 사용되는 '간수'에 염화마그네슘(MgCl2)이 12~21%정도 포함되어 있다. 바닷물 속에 세 번째(첫째, 둘째는 각각 나트륨과 염소)로 많이 있는 이온이기에, 이를 원료로 사용한 간수에 그렇게 많이 들어 있는 것이며, 마그네슘 양이온이 쓰고 떨떠름한 맛을 내므로 간수가 그렇게 떫은 것이다.
가볍다는 장점 덕분에 고성능 자동차의 바퀴 재료로도 쓰이기도 했으나 마찰로 인한 폭발 사고가 일어날 수 있다는 단점이 있어서 현재는 포르쉐 등 극히 일부회사에서만 사용한다.
추가로 철봉체조를 하는 기계체조 선수들이 경기 전에 손에 바르는 파우더가 바로 이 마그네슘 가루이다. 손에 바르면 손이 건조하고 마찰력이 증가하므로, 선수들은 철봉이나 기타 장비에 더 견고하게 그립을 잡을 수 있게 한다. 이로써 미끄러짐을 방지하고 안정성을 높이는 데 도움이 된다. 또한 철봉과 같은 고정력이 필요한 도구를 사용할 때 손의 습기를 흡수하고 손을 건조하게 유지하는 역할도 한다.
그리고 끝말잇기에서 매우 유용하게 사용할수 있는데, 슘페터가 있으니 주의.
[1] 참고로 바닷물에 녹아있는 무기 염류 중 2, 3번째로 많은 것이 바로 마그네슘 화합물인 염화마그네슘과 황산마그네슘이다.[2] 실제 생산량이 아니다.[3] 예전에는 있었지만 포스코의 페놀 유출 사고 이후 가동이 중단되었다.[4] 이를 플래시파우더라 하며, 주로 염소산칼륨과 마그네슘을 적정비율로 섞어 만든다. 현재에는 주로 폭죽의 폭발화약으로 사용한다.[5] 19~20세기 초를 배경으로 한 영화나 드라마를 보면, 카메라를 찍을 때 사진사가 이상한 가루가 올라간 뭔가를 들고있는데 퍽하는 소리와 함께 섬광이 일며 사진을 찍고, 약간의 연기가 남는 장면을 볼 수 있을 것이다. 그것이 바로 마그네슘 반응을 이용한 구식 플래시이다.[6] 사실 이건 나라 따지고 자시고 할 것이 아니라 모든 실험실에서 이렇게 가르친다. 마그네슘의 빛은 엄청 밝다. 태양광 또는 아크 불빛을 맨눈으로 보는 것과 비교될 만큼...[7] 이걸 제레미 클락슨은 차가 전복될 시 눈이 멀 것 같은 빛과 함께 컨버터블(...)이 된다고 깠다. 물론 다시 지붕을 씌울 순 없으니 엄연히 따지면 컨버터블이 아니지만.[8] 차체의 구동부와 현가하중량을 경량화하는 것은 같은 무게를 차체에서 경량화하는 것보다 몇 배는 중요하고 효과적이지만, 보다시피 비용이 문제인데다가 펑크라도 난다면...장렬히 산화[9] 마그네슘 특유의 높은 반응성 때문에 가공과정에서 사고가 많이 일어난다[10] 2010년에 에코마그네슘(Eco-Mg)라는 산화칼슘을 섞은 새로운 마그네슘 합금을 개발해서 난연성을 높였다. 재료연구소에서는 칼슘과 이트륨을 합금하여 KM3G라는 이름으로 출원했다.[11] 대표적으로 타이타늄은 염화타이타늄을 마그네슘으로 환원하여 얻는다.[12] 금의 무게는 같은 부피의 철의 약 3배라 보기보다 무겁다. 미디어 매체에서 흔히 보는 금괴는, 규격이 정해진 건 아니지만 보통 10kg 내외, 좀 더 크면 15kg까지라고 보면 된다. 시중에서 그나마 쉽게 실물을 보기 쉬운 1kg짜리 골드바가 고작 아이폰 5나 6 정도 부피에 불과하다.[13] 이는 생각해보면 당연한데, 근육을 구성하는 게 단백질이라고 해서 부조건 단백질만 퍼먹는다고 근육이 커지지 않는 것과 같다. 영양물질과 함께 성장에 필요한 자극이 충분히 주어져야 비로소 성장을 하게 되는 것이다.[14] 임신 중 생기는 자간증의 예방 및 치료에 황산 마그네슘을 쓰는 등 약물로 사용하기도 하지만 이는 주사로 직접 찔러넣어서 고용량으로 때려박는 경우라서 그냥 영양제로 찔끔 먹는 것과는 차원이 다른 치료요법인데다 자간증 이외의 다른 경련에는 보통 잘 쓰지 않는 치료법이기도 하다.[15] 실제로 눈떨림을 호소하는 환자와 정상인에서 혈중 마그네슘 농도를 분석해보았더니 차이가 없었다는 연구가 있다. 출처[16] 흔히 먹는 잎채소에 마그네슘이 들어 있기 때문이다. 잎 속의 엽록소는 마그네슘이 킬레이트를 이루고 있다. 그런데 채소를 찾아먹지 않는 사람들도 많아서 문제이다.[17] 그만큼 과량을 복용해 봤자 장내 삼투압 변화 때문에 지옥의 폭풍설사만 하게 될 것이다. 괜히 최고 400mg/day라는 기준이 있는 것이 아니다.[18] Prasad, 1996 및 Nikoobakht, 2005[19] 인과관계를 확인하지 않고 "이런 사람들은 전부 이런 특징을 가지고 있더라~" 하는 정도의 사실만으로 과학적 결론을 낼 수는 없다. 마치 묻지마 살인범은 모두 게임을 많이 했으니 게임은 살인자를 만드는 나쁜 것이라고 말하며 게임중독법을 만든 것과 다르지 않은 것이다.
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