녹 이해하기: 어떤 금속이 부식되고 어떻게 발생하는가

녹이란 무엇인가?

녹은 흔히 산화라고 불리며, 철이나 철을 함유한 금속 합금(예: 강철)이 오랜 기간 산소와 물에 노출될 때 발생합니다.

철이 산화 과정을 겪을 때 녹이 생기지만, 모든 산화가 녹을 형성하는 것은 아닙니다. 앞서 언급했듯 오직 철이나 철을 함유한 합금만 녹슬 수 있지만, 다른 금속도 비슷한 방식으로 부식될 수 있습니다.

부식이란 무엇인가?

부식은 쉽게 전자를 잃는 원소(일부 금속처럼)가 여분의 전자를 흡수하는 원소(산소)와 결합한 다음 전해질 용액(물)과 접촉할 때 발생합니다. 부식 공정에서 물의 역할은 금속에서 산소로 전자 흐름을 가속화하는 것입니다.

이 공정은 환원-산화 반응(redox reaction)이라고 불리며 실제로는 동시에 일어나는 두 화학 공정, 환원과 산화입니다.

환원이란 무엇인가?

환원은 분자가 전자를 얻을 때 발생하는 화학 반응의 이름입니다. 이는 금속 부식에서 산소의 역할입니다.

산화란 무엇인가?

산화는 환원의 반대이며 분자가 전자를 잃을 때 발생하는 화학 반응의 이름입니다. 이는 금속 부식에서 금속의 역할입니다. 녹과 구리의 파티나(이상한 녹색)는 금속이 공기에 전자를 잃는 가시적 결과입니다.

구리, 철, 알루미늄은 녹슬까?

기술적으로 오직 철과 철을 함유한 합금만 녹슬 수 있습니다. 금, 은 같은 귀금속을 포함한 다른 금속들도 비슷한 방식으로 부식될 수 있습니다.

특정 금속을 구별하는 것은 녹슬거나 부식되기 시작하는 데 걸리는 시간입니다.

가장 흔한 몇 가지 금속과 그들이 녹과 부식에 어떻게 대처하는지 살펴보겠습니다.

구리는 녹슬까?

구리는 녹슬지 않지만, 부식됩니다. 구리는 자연적으로 갈색이며 부식되면서 밝은 녹색으로 변합니다. 일부는 구리의 반응을 산화보다는 변색으로 여기지만, 금속은 여전히 비슷한 "녹슬기" 공정을 겪습니다.

자연 환경에서 구리는 부식되기를 극도로 꺼립니다. 결국 구리 수도관을 파괴하는 부식 유형은 침식 부식(erosion corrosion)이며, 이는 오랜 기간 흐르는 난류 수에 노출될 때만 발생합니다.

오래된 동전에서 흔히 볼 수 있는 유명하고 아름다운 녹색 "파티나"는 완전히 형성되는 데 최대 20년이 걸릴 수 있습니다.

구리는 자연에서 직접 사용 가능한 금속으로 자연 발생하는 몇 안 되는 금속 중 하나입니다. 광석에서 채굴되는 것과 대조적입니다(다른 방식으로 생성될 수도 있지만). 이 점과 구리가 매우 부드럽고 작업하기 쉽다는 사실이 인류 역사에서 사람들이 작업한 최초의 금속 중 하나가 되게 했습니다.

사실 구이는 너무 큰 문제여서 역사에서 구리 시대(Copper Age)라고 불리는 시기가 실제로 있습니다.

구리는 열과 전기에 높은 전도성을 가져 전기 배선에 흔히 사용됩니다.

또한 반응성 시리즈에서 매우 낮습니다. 반응성 시리즈는 산, 물, 광석에서 금속 추출, 기타 반응에 대한 반응성이 높은 것부터 낮은 것까지 정렬된 금속의 진행을 나타내는 화학 도구입니다. 낮은 반응성 때문에 특정 구리 합금(90% 구리, 10% 니켈)은 바닷물에 노출될 보트 부품이나 식수 이송 파이프에 사용됩니다. 집이나 건물을 둘러보면 많은 가전제품이 물을 드나들게 하는 구리 파이프를 사용하는 것을 알 수 있습니다.

미국 주택도시개발부에 따르면 평균 구리 수도관 수명은 50~70년입니다.

철은 녹슬까?

네. 기술적으로 오직 철과 철을 함유한 합금만 녹슬 수 있음을 기억하세요.

다른 금속의 부식과 비교해 철은 상대적으로 빨리 녹슬며, 특히 물과 산소에 노출되면 그렇습니다. 사실 철이 물과 산소에 노출되면 몇 시간 내에 녹슬기 시작할 수 있습니다.

철은 고온에 노출되면 빨리 녹슬기도 합니다. 극한 온도는 금속의 화학적 구성을 변경해 환경의 산소와 재결합하기 극도로 쉽게 만듭니다.

알루미늄은 녹슬까?

알루미늄은 지구에서 가장 흔히 사용되는 금속 중 하나이며, 녹슬지 않는 것으로 아마 가장 유명할 것입니다. 알루미늄은 녹슬지 않습니다. 오직 철의 특정 산화만 녹이라고 불리며 알루미늄을 만들 때 철이 사용되지 않기 때문입니다. 그러나 모든 금속처럼 알루미늄도 부식에 취약합니다.

알루미늄은 3단계로 만들어집니다:
1단계. 채광
2단계. 가공
3단계. 전해 환원(실제 알루미늄 생성)

알루미늄은 보크사이트라는 광물에서 나옵니다. 보크사이트는 아프리카, 서인도 제도, 남미, 호주 같은 아열대 지역에서 가장 흔히 발견됩니다(유럽 같은 다른 곳에도 소량 매장). 호주는 세계 보크사이트 생산의 약 23%를 공급하는 최대 생산국입니다.

이 보크사이트는 알루미늄 산화물로 가공되며, 이는 알루미늄과 산소 원자가 결합된 것으로만 구성됩니다.

알루미늄 산화물에는 전류가 흐르며, 서로 다른 성분을 분리합니다. 산소 기포가 한쪽 끝에 형성되고, 순수 용융 알루미늄 방울이 다른 쪽 끝에 모입니다.

약 4-5톤의 보크사이트가 2톤의 알루미늄 산화물로 가공되어 1톤의 순수 알루미늄을 만듭니다.

알루미늄은 철 같은 다른 금속보다 훨씬 더 천천히 부식됩니다. 스탠포드에 따르면 알루미늄이 다른 금속만큼 쉽게 부식되지 않는 이유는 물과의 특별한 반응 때문입니다.

보통 물이 금속과 접촉하면 금속이 주변 산소에 전자를 더 빨리 내주도록 부추깁니다.

알루미늄은 물에 특별한 반응을 보입니다. 물이 알루미늄에 닿으면 알루미늄과 산소 원자(금속에 포함된 것, 주변 공기의 산소가 아님)가 서로 더 멀어집니다.

시작 위치보다 거의 50% 더 멀어집니다. 이 멀어지는 반응은 알루미늄의 분자 구조를 충분히 변경해 화학적으로 불활성이 되게 하며, 이는 쉽게 부식되지 않음을 의미합니다.

금속 녹 방지 방법

녹은 자연적으로 발생하는 화학 반응입니다. 일부 금속이 다른 금속보다 빨리 녹슬더라도, 특정 용도에 이 금속들을 활용하는 것을 막아서는 안 됩니다. 금속 페인트와 코팅, 희생 양극, 배리어 필름, 다양한 녹 방지 솔루션과 주석 도금 등 금속 녹을 방지하는 많은 방법이 있습니다. 각 방법은 서로 다른 화합물과 소재를 사용해 금속과 녹 및 부식을 유발하는 요소 사이에 보호 배리어를 만듭니다.

녹슬지 않는 금속에 대해 알아보세요.

녹 방지에 대한 더 많은 정보는 블로그를 확인하세요: 강철과 철의 녹 방지 방법 와 스테인리스강 제품 녹 방지 솔루션