공업 화학 | 시멘트와 세라믹 그리고 유리

시멘트, 세라믹 및 유리들은 비결정형 고체들로 모두 높은 온도에서 만들어진다. 이들은 단위체라고 정의될 수 있는 결정구조를 가지고 있지 않다. 우리는 이 세 종류의 물질들을 이용하여 집을 짓는다.

 

 

 

시멘트

시멘트(cement)는 칼슘, 철, 알루미늄, 규소 및 산소가 여러 가지 비율로 섞인 미세한 입자로 구성되어 있다. 시멘트는 물 존재하에 넓은 표면적의 수화된 입자를 형성하고 그들끼리 또는 벽돌, 돌 및 다른 규소물질들과 결합을 이룬다.

 

시멘트는 탄산칼슘(석회석), 실리카, 규산화알루미늄 광물(고령토 또는 점토) 및 산화철들의 분말 상태를 혼합하여 870℃ 이상의 회전로에서 구워 만든다. 이혼합물의 광물질들이 회전로를 통과하면서 물과 이산화탄소를 잃고 최종적으로 부분 용융 물질인 클링커(clingker)를 형성한다. 이 클링커는 소량의 황산칼슘(석고)을 가한 다음 미세한 가루 형태로 포장한다.

 

시멘트의 전형적인 조성은 60～70%의 산화칼슘(CaO), 17～25%의 산화규소(SiO₂), 3～8%의 산화알루미늄(Al₂O₃), ～6%의 산화제이철(Fe₂O₃) 그리고 소량의 산화마그네슘(MgO), 황산마그네슘(MgSO₄), 칼륨(K)과 나트륨(Na)의 산화물들로 구성되어 있다. 시멘트는 일반적으로 다른 재료들과 섞어 사용하는데, 회반죽(mortar)은 시멘트, 모래, 물 및 석회의 혼합물이다. 그리고 콘크리트(concrete)는 시멘트, 모래 및 자갈의 혼합물로 용도와 요구되는 강도에 따라 혼합비가 다르다.

 

시멘트의 산화물은 분자 또는 이온성 결정이 아니고 오히려 복잡한 망상구조를 형성하는데, 이때 각각의 이온들은 반대 하전의 이온과 전기적으로 중성을 갖게 된다. 시멘트 입자의 표면은 물 분자를 끌어당길 수 있는 많은 자리를 갖고 있어서 건조된 시멘트에 물이 더해지면 입자들은 안정한 현탁액이 된다. 물과 시멘트의 초기 반응은 규산칼슘이 가수분해되어 그들끼리 또는 자갈들과 붙어 겔 형태를 만든다.

 

겔(gel)은 매우 넓은 표면적을 갖기 때문에 한번 경화된 콘크리트는 상당한 강도를 가지게 된다. 경화되는 과정은 젖은 시멘트가 먼저 고형화되면서 작고 조밀하게 연결된 결정을 형성한다. 연결된 결정의 형성은 초기 경화과정 후에도 오랫동안 계속되어 시멘트의 복합적인 강도를 증가시킨다. 이런 이유 때문에 여러 가지 입자들을 섞어서 쏟아 부은 콘크리트는 수 일 동안 수분이 있는 상태로 유지된다.

 

콘크리트는 압축강도가 매우 큰 반면 인장강도는 약하다. 만약 콘크리트를 다리나 건물처럼 장력이 요구되는 것에 사용하려면 철근과 같은 것을 함께 사용하여 보강하여야만 한다.

 

 

세라믹

세라믹은 역사를 기록하기 훨씬 이전부터 만들어져 오고 있다. 역사적으로 오래전 부터 훌륭한 인공예술품들이 세라믹 재료로 만들어졌다. 세라믹은 상온에서 점토 또는 다른 자연 흙을 사용하여 형을 만들고 그 입자들을 결합시킬 수 있는 굽는(가열)과정에 의하여 영구적으로 경화시킨 것이다. 규산 세라믹(silicate ceramics)은 항아리, 벽돌, 도자기와 같이 진흙(규산화알루미늄)으로 만들어진 것이다. 진흙을 이용하는 세라믹의 제조는 무기 재료 영역에서 광범위하게 적용되고 있다.

 

철을 포함하고 있는 진흙의 경우 붉은 색을 띠게 되지만 고령토는 거의 철을 포함하고 있지 않으므로 색깔을 갖고 있지 않다. 특히 고령토는 도자기를 만드는데 유용하다.

 

진흙은 반죽이 알맞은 정도가 되면 거의 모든 형태로 변형이 가능하다. 그런 후 열을 가하면 수분이 빠져나가고 새로운 Si-O-Si 결합이 형성되면서 그 덩어리는 영구적으로 딱딱하게 된다. 만약 산화규소와 장석이 적절한 비율로 더해지면 열을 가해도 금이 가지 않게 된다. 금이 생기는 것은 규산염판 사이에 새로운 결합이 형성될 때 수축이 일어나기 때문이다.

 

두 번째의 산화 세라믹(ceramics oxide)은 알루미나(Al₂O₃)나 마그네시아(MgO)와 같은 금속 산화물의 고체분말 상태의 것을 가압하에서 열을 가해 만든다. 이것은 입자와 입자가 결합하여 딱딱한 고체가 형성되기 때문이다. 알루미나는 전기 저항성이 크기 때문에 점화 플라그의 절연체로 이용된다. 고밀도 알루미나는 매우 높은 기계적 강도를 가지므로 군용 철판 뿐만 아니라 고속 절단기에도 이용된다. 마그네시아(magnesia)는 2,800℃의 높은 용융점을 가진 절연체이므로 전기 가열기 또는 전기 스토브에서 절연체로 사용되기도 한다.

 

세 번째의 세라믹으로는 질화규소(Si₃N₄), 탄화규소(SiC) 그리고 질화붕소(BN) 등과 같이 산소를 포함하지 않은 세라믹 재료로 만든 것이다. 이 세라믹 재료의 고체분말에 압력과 열을 가하면 이들 화합물은 모두 딱딱하고 강한 세라믹을 형성한다. 질화붕소는 원자당 평균 전자의 수가 6개로 탄소 원자의 전자수와 같다. 따라서 흑연이나 다이아몬드와 같은 구조로 존재하여 다이아몬드에 상당할 만한 경도와 산화에 대한 저항력이 있다. 이런 특성으로 질화붕소의 제품은 증발하기 쉬운 용융 금속을 담아두는 질화붕소 그릇과 튜브에 이용된다.

 

탄화규소화합물은 상품명이 카보런덤(Caborundum)이고 이의 화학적 조성은 다이아몬드의 탄소 원자 반이 규소 원자로 치환된 것으로 생각할 수 있다. 특히 이것은 고온 엔진의 세라믹 재료로 더 많은 관심을 받고 있다.

 

 

유리

유리의 제조는 B. C. 5,000년경에 페니키아 상인들이 배의 나무 판자에 불이 붙는 것을 방지하기 위하여 차단제로 탄산나트륨(Na₂CO₃)과 모래(SiO₂)를 이용했던 것이 발명의 동기가 되었다. 탄산금속과 모래가 불에 의하여 녹으면 옛날 사람들이 가치 있게 여겨왔던 흑요석(obsidiam)과 비슷한 재질이 된다.

 

오늘날 가장 일반적인 유리는 탄산소다 유리로 탄산소다의 순도를 높이면 무색이 된다. 유리의 색깔은 바람직한 특성이 될 수도 있다. 유리의 기본적인 구성 요소에 금속산화물을 첨가함으로써 아름답고 다양한 색깔들을 얻을 수 있다(표 3 참조).

 

유리 성분의 주요 산화물들은 SiO₂, B₂O₃, GeO₂ 그리고 P₄O₁₀ 등이며 이들 모두는 주기율표에서 서로 인접한 위치에 있는 원소들이다. 산화알루미늄(Al₂O₃)과 산화나트륨(Na₂O)과 같은 몇몇 금속 산화물은 상업용 유리의 가공에 매우 중요하다. 가장 단순한 유리인 연질유리는 무정형 실리카(SiO₂)의 것으로 대칭이나 규칙성이 없는 SiO₂ 사면체를 서로 공유하면서 연결된 삼차원 망상구조이다. 유리질 실리카는 석영 또는 홍연석을 녹인 뒤 급격하게 식힘으로써 만들 수 있다.

 

만약 SiO₂에 다른 산화물을 가하면 혼합물의 녹는점은 꽤 많이 낮아진다. 즉 SiO₂에 CaO, MgO 또는 Al₂O₃와 같은 금속 산화물들을 가하면 이 혼합물은 아주 낮은 온도에서 녹는다. 유리창, 병 및 전구에 사용되는 보통 유리는 SiO₂에 이들 금속 산화물을 첨가한 것이다.

 

제조과정에서 유리를 적당하게 천천히 식히는 것은 대단히 중요하다. 천천히 식히는 것은 유리가 점성을 지닌 액체에서부터 고체가 되도록 실온에서 천천히 식히는 것을 의미한다. 만약에 유리가 급격하게 냉각되면 작은 영역의 결정장이 생겨 결합력이 불균일하게 된다. 식힘 과정이 적당치 못한 유리는 어떤 기계적 충격이나 온도가 급격하게 변할 때 금이 가거나 부서질 것이다. 광학용의 고품질 유리는 매우 세심한 식힘 과정을 거쳐야 한다. 캘리포니아주의 Palomar에 있는 200인치의 망원경 거울은 500℃에서 300℃로 식히는데 9개월이 넘게 소요되었다.

 

현재 고급의 유리 세라믹(glass ceramic)들이 상용화되고 있다. 보통 유리는 한번 금이 가기 시작하면 금이 가는 것을 멈추게 할 수 없다. 그런데 유리를 제조하는 과정에서 작은 결정이 많이 생성되도록 가열 처리하여 냉각시키면 보통 유리보다 잘 깨어지지 않는다. 즉 이것을 분자 규모로 설명하면 유리 구조의 불규칙성이 부분적으로 규산염 결정의 규칙 배열로 바뀐 것이다. 이 유리 세라믹의 제조과정을 살펴보면 초기 공정은 보통 유리 제품의 제조 공정과 비슷하나 마지막 단계에서 그것들이 특수한 성질을 갖게 하기 위하여 열 처리 과정을 거치는 것이 다르다. 이렇게 생산된 유리 세라믹 제품들은 일반적으로 불투명한 것으로 내열도기(pyroceram)란 이름으로 판매되며 요리용 기구와 주방기구에 사용된다.

 

 

 

 

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