비스무트

특수함수 Bi에 대한 내용은 에어리 함수 문서 참고하십시오.














4인치 크기의 순도 99.99% 비스무트 결정. 출처

1. 개요[편집]

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주기율표 15족의 질소족 원소에 속하는 원소로 광석으로 산출되며 안료, 화장용 분 등에 사용된다. 창연(蒼鉛)[1] 이라고도 한다. 은백색의 무거운 금속으로, 엷은 분홍색을 띠는 은색이다.[2] 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[편집]

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'비스무트'라는 말의 기원을 설명하는 견해로는 다음과 같은 설들이 있다.

• 라틴어로 '녹다'를 의미하는 bisemutum에서
• 흰 금속이라는 의미의 독일어 어근 wis와 mat[3]
  이로부터 나오는 말이 weisse masse와 weisse materia라는 흰색 금속, 흰색 물질이다.
  에서
• 독일어 weise(목초지)와 muten(광산일을 하다)에서[4]
  옛날에는 금속을 메이슨 근처의 작센 지방 목초지에서 채굴했다.
• 금속이 풍부한 독일의 한 지방인 비센이라는 이름에서
• 안티몬처럼 보인다는 의미의 아랍어 bi ithmid에서 등.

어떤 것이 정설이라고는 말하기 어렵다. 소비에트 대백과사전도 명확한 정의를 하지 않고 단지 다음처럼 기록하고 있을 뿐이다. "비스무트라는 이름의 기원은 확정되지 않았다."

3. 동위 원소[편집]

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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, 최중안정동위체로 추정되던 비스무트-209가 탈륨-205로 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.[6] 물리학에서는 불안정 동위체이나 화학에서는 안정동위체로 취급한다. 화학에서는 루테튬-176(반감기 3.78×10¹⁰년)부터 안정동위체로 취급하고 관리한다. 비스무트는 이것보다도 한참길다.

알파선을 반사한다. 그러니까 ²⁰⁹Bi가 알파선을 맞으면 ²¹³At로 변하는데 이는 겨우 125ns의 반감기를 갖는다. 그 후 알파 붕괴를 해 다시 비스무트로 되돌아온다.

일본의 이화학연구소에서 2004년에 비스무트 209를 표적으로 아연 빔(아연-70)을 조사(照射)한 결과, 니호늄이 합성되었다.

테크네튬과 프로메튬을 제외하면 원자 번호가 82번보다 작은 원소는 최소 1개 이상의 안정 또는 관측상 안정한 동위원소[7]를 가지고 있으며, 82번 납보다 큰 원소는 안정 동위원소가 하나도 없다. 즉 이 물질부터의 원소들은 모두 방사선을 방출하는 물질이라고 생각하면 된다. 다만 이건 방사능이 매우 미약하기 때문에 폴로늄부터가 제대로 된 방사성 원소의 시작이다.

4. 이용[편집]

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합금으로 이용되는 경우가 많고 납과 비슷한 중금속이면서도 금속 자체로도 독성이 거의 없으며 의약품으로도 쓰이고 있다. 비스무트 화합물은 위궤양이나 십이지장궤양의 원인이 되는 '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 짐작하고 있다. 그 밖에, 항암제의 일종인 시스플라틴에 의한 부작용을 경감할 수 있는 의약품으로도 알려져 있다.

그 외엔 납의 대체금속으로도 쓰이며 2006년 마쓰시타 전기(現 파나소닉)에서 발표한 플라즈마 디스플레이 패널(PDP)은 납 대신 비스무트를 이용해, 폐기 후의 환경부담을 억제하는 데 성공했다. 또한 납 못지않게 비중이 크고 부피에 비해 무거워서 낚시 추 등 무게추에 쓰이고 녹는 온도도 낮으므로 일부 땜납 합금에서도 쓰이는 등 인체나 환경에 유해한 납을 대체하여 비스무트의 사용 범위는 점차 늘고 있다.

금속 납과 비스뮤트의 합금은 납이나 비스뮤트보다 녹는 온도가 낮은 것을 이용해 녹은 액화납을 원자로의 냉각재로 이용하는 원자로 등에서 녹는 온도를 낮추기 위해 사용한다. 쉽게 액화하므로 차세대 원자로의 냉각재로도 사용해 알파급 잠수함의 원자로에도 쓰였다. 다만 비스무트에 중성자를 조사하면 원자번호 84인 방사성 폴로늄이 생성된다. 러시아에서 핵잠수함의 동력 원자로로 쓰인 납냉각원자로는 납을 냉각재로 쓰는데 납의 용해온도를 낮추기 위해 합금으로 첨가하는 비스무트가 중성자를 흡수해 폴로늄을 생성하는 골치아픈 문제를 일으키기 때문에 요즘은 순수한 납을 쓰는 방향으로 연구되고 있다.

비스무트 합금들은 녹는 온도가 낮은데, 우즈메탈이나 로즈메탈 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 비스무트를 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 충전하는 등 다양한 용도로 쓰인다. 비스무트와 주석을 58:42로 합금한 합금은 녹는점이 138도 정도에 불과하고 유해 중금속이 없어 땜납용으로 사용된다. 다수의 플라스틱보다도 녹는점이 낮기에 열을 가하면 튜브가 수축됨과 동시에 그 내부의 전선이 저절로 납땜되는 수축 튜브 제품에도 사용된다. 만일 일반적인 땜납 합금을 사용하면 합금이 녹기 전에 튜브가 녹아버린다.

그래서 화재경보기에서 온도를 감지하는 퓨즈로 쓰인다. 불이 나서 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.
주석에 합금하면 낮은 온도에서 주석의 분자 구조가 변경되는 '주석페스트' 현상을 막아준다.

흔하진 않지만 Reppe공정이라 불리는 탄화수소의 카르보닐화 반응에서 촉매로써 사용하는데 주로 몰리브데넘-비스무트 촉매로 쓰인다.

결정이 매우 아름답기에 과학 시간 결정 만들기에 사용되기도 한다. 보통 소금&설탕, 나프탈렌의 다음 레벨로 취급된다. 물론 결정 생성 난이도는 쉽지만 비싸기 때문에 해본 사람은 적다. 남미에서 비스무트를 수입해서 결정을 기르는 중국 공장도 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 물질[8]로 자기장을 밀어내고 실험에 다루기도 쉬워서 물리학 연구용으로도 자주 쓰인다.

5. 존재 및 생산[편집]

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비스무트의 자연계 존재비는 다음과 같다.

• 태양에 포함된 모든 비스무트의 비율: 9.9×10^-7
• 바다에 포함된 모든 비스무트의 비율: 9.9×10^-9
• 지구 지각에 포함된 모든 비스무트의 비율: 2.5×10^-6
• 운석에 포함된 모든 비스무트의 비율: 6.9×10^-6

비스무트의 생산은 대부분 납, 구리, 텅스텐 등 비철금속의 제련과정에서 발생하는 부산물에 기인하는 경우가 많다. 주광산으로써 비스무트를 생산하는 곳으로는 현재로써는 중국에만 존재한다. 1996년까지는 볼리비아의 타즈나 광산에서도 비스무트를 채광했지만 볼리비아에서 생산은 거의 중단되었고, 라오스 등으로 비스무트의 생산이 옮겨가게 되었다.

2019년 기준으로 세계 연간 비스무트 생산량은 21,100톤이며 이 중 76%에 달하는 16,000톤이 중국에서 생산되고 있다. 2위는 라오스(14%, 3,000톤)이며 3위는 대한민국(930톤)이다. 대한민국의 경우 주생산품은 아니고, 납제련의 부산물로써 나오는 것이며, 2015년경부터 업체가 추가되면서 양이 늘어난 것이다.

6. 대중매체에서[편집]

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데드 스페이스 시리즈 세계관의 레드 마커는 블랙 마커에 있는 희소금속을 비스무트로 대체하여 제작했기 때문에 블랙 마커와 달리 색이 붉어서 명칭에 '레드'가 들어갔다.

던전앤파이터의 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.

어린이 과학 학습만화인 내일은 실험왕에서는 작 중 내 전국 실험 대회에서 등장한다. '상태의 변화가 만드는 아름다움'이 실험주제로 나왔는데 매화초 실험반은 나프탈렌 결정, 구만초 실험반은 비스무트 결정 실험을 실시하고 나프탈렌 증기 폭발사고를 낸 매화초 실험반을 이기고 구만초 실험반이 다음 라운드에 진출한다.

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.

몬스터 헌터 라이즈에서는 납품 아이템[9]이며 용암 동굴 맵 곳곳에서 채취가 가능하다.

7. 기타[편집]

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• 독성이 적고 은백색을 가지고 있기에 미백 화장품에 사용되기도 했는데, 이에 관한 에피소드가 있다. 한 여성이 비스무트가 함유된 화장품을 바르고 유황온천[10]
  옐로스톤 국립공원도 이에 해당된다.
  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 보러 가자. 링크

• 비스무트를 녹여서 식칼로 만드는 영상도 있다. 손잡이까지 결정으로 되어 있어 결정에 찔리는 고통을 겪고 다시 녹이게 됐다. 링크 상술한 펩토비스몰에서 비스무트를 추출한 유튜버가 이 영상을 보고 비스무트 식칼을 만들기도 했다. 칼을 만드는 내공이 없어 온갖 고생을 한 끝에 겨우 다 만들었지만 오이도 잘 안 잘렸다. 링크