금(金, gold) 1)은 원자번호 79번의 원소로, 원소기호는 Au이다. 11족(1B 족)에서 구리(Cu), 은(Ag) 등과 함께 있다. 구리, 은, 금을 통틀어 구리족 원소라 하기도 하고 또 화폐 금속(coinage metal)이라고도 부르는데, 이들은 고대부터 자연에서 원소상태로 채취한 금속으로, 금화가 사용되기 전부터 화폐로 사용되었다. 특히 금은 인류 역사의 시작과 더불어 화폐 가치의 기준이 되어왔다. 우리가 수표 등에 돈의 액수를 적을 때, 금(金) XXX 원 이라 적는 것도 이를 보여주는 것이다.

금은 화학 반응성이 가장 작은 고체 원소 중의 하나이다. 공기나 물에 의해 부식되지 않고 원래의 상태를 유지한다. 또한 전성(두들겨 펴지기 쉬운 성질)과 연성(잡아 늘이기 쉬운 성질)이 매우 크기 때문에 (금속 원소 중에서 가장 크다), 얇은 박(箔, foil)이나 선(또는 실, wire)으로 용이하게 가공될 수 있다. 노란색과 붉은 색을 잘 반사하여 밝은 노란색을 띠므로 사람들이 좋아한다. 이런 이유로 석기시대 후반부터 사람들은 금을 가장 고귀한 금속으로 여기고 갖기를 원하였다. 금이 원소 중의 하나라는 사실이 알려지지 않은 시대에는, 값싼 금속이나 다른 물질로부터 금을 만들려는 연금술이 거의 1000년 이상 유행하였고, 일부 사람들은 실제로 금을 만들었다고 속임수를 쓰기도 하였다.

금은 자연상태에서 덩어리(괴금, 塊金)로 발견되기도 하지만, 대부분은 석영(quartz, SiO₂) 또는 황화철(pyrite, FeS) 광맥에 작은 알갱이로 들어 있으며, 금광상이 풍화 침식되어 생긴 사금(沙金)으로 있다. 이들 금은 대부분 순금이 아니고 보통 6~10%의 은을 포함하는 금과 은의 합금이다. 은 함량이 20% 이상인 천연 금-은 합금을 일렉트럼(electrum)이라 하는데, 우리말로는 호박금(琥珀金)이라 부른다. 또한 텔루륨(Te) 등 다른 원소와의 화합물로 광석에 존재하기도 한다.

금은 고대부터 화폐로, 재산 축적의 수단으로, 장신구와 각종 예술품들을 만들거나 치장하는데 사용되어 왔다. 현대 과학∙기술 사회에서 금은 이들 외의 다른 여러 분야에서 중요하게 사용되고 있다. 치과에서는 치아의 보철에, 전자 공업에서는 전기가 흐르는 전선과 이들의 연결 부분에 사용되며, 또한 붉은색을 띠는 유리 제조, 각종 금 도금, 그리고 건물 유리창의 코팅 등에도 금이 사용된다. 심지어는 음식물에 금박을 넣어 장식하고 먹기도 한다. 그리고 금 나노입자는 생물학 연구, 의료 진단과 치료 등에 유용하게 사용될 것으로 기대된다.어떤 금 화합물들은 루마티스 관절염 치료제로 사용된다.

1 금은 인류 역사의 시작과 더불어 화폐 가치의 기준이 되어왔다. 금이 금화로 사용되면서 금의 확보는 곧 부를 확보하는 것이 되었고, 인류는 더 많은 금을 얻기 위해 침략 전쟁을 벌이기도 했다.
2 투탕카멘. 고대 이집트 인들은 태양을 신으로 숭배하였으며, 금은 태양을 상징하는 것으로 여겼다.<출처: (CC)Bjørn Christian Tørrissen at Wikipedia.org>

금은 구리와 함께 인류가 맨 처음 발견하고 사용한 원소이다. 인류는 후기 석기 시대부터 금으로 다양한 장식품과 예술작품을 만들었는데, 지금까지 발굴되어 출토된 유물 중 가장 오래된 것은 기원전 5000 경에 만들어진 것이다. 고대 이집트 인들은 태양을 신으로 숭배하였으며, 금은 태양을 상징하는 것으로 여겨 이를 귀히 여겼다. 이들은 기원전 3600년경에 금 광석에서 금을 분리하여 제련하는 방법을 개발하였다. 메소포타미아 인들은 기원전 3000년경에 금으로 만든 투구를 사용하였고, 기원전 1350년에는 금의 순도를 측정하는 방법을 개발하였다. 기원전 650년경에 소아시아 반도의 리디아 왕국에서는 금 약 75%와 은 약 25%의 천연 합금을 사용한 최초의 금화가 만들어졌다. 금화는 이후 고대 그리스와 로마 등에서도 만들어 사용하였다.

금이 금화로 사용되면서 금의 확보는 곧 부를 확보하는 것이 되었다. 따라서 금을 값 싼 금속으로부터 인공적으로 만들고자 했던 연금술이 아랍 및 중세 유럽에서 크게 유행하게 되었다. 또한 금을 다른 지역에서 얻기 위해 침략 전쟁을 하기도 하였으며, 교역을 통해 확보하려는 노력도 하였다. 마르코폴로(Marco Polo, 1254~1324)의 동방 여행이나 콜럼버스의 항해도 동방의 금을 구하려는 목적이 컸다고 볼 수 있다.

아메리카 대륙의 발견과 탐사, 그리고 중∙남미 지역에 금 장식품이 많다는 소문은 곧 유럽이 이들 지역을 침략하는 것으로 연결되었다. 19세기에는 많은 양의 금 매장이 발견된 곳에는 모두 골드러시가 일어났는데, 미국 서부, 뉴질랜드, 오스트레일리아, 남아프리카, 캐나다 등이 대표적인 예이다. 우리나라에서도 1930년대에 대대적인 골드러시가 있었다.

금 원소의 전자 배치. <출처: (CC)Pumbaa at Wikipedia.org>

금 원자는 모두 79개의 전자를 갖고 있으며, 이의 바닥 상태 전자배치는 [Xe]4f145d106s1이다. 금은 모든 금속 중에서 가장 전기음성적이며, 비금속인 탄소(C), 황(S), 셀레늄(Se), 아이오딘(I)과 비슷한 전기음성도를 갖는다. 전자친화도도 구리족 원소 중에서 가장 큰 값을 갖는다. 금은 노란색과 붉은색을 잘 반사한다. 이 때문에 금은 밝은 노란색을 띠며, 엷은 반투명 금박을 투과한 빛은 녹청색을 띤다. 또한 적외선도 잘 반사한다. 묽은 염화금(III) (AuCl₃) 수용액에 환원제를 넣어 만든 금 콜로이드(나노입자) 용액은 입자 크기에 따라 붉은색에서 보라색까지 다양한 색깔을 나타낸다. 이중 가장 특징적인 것은 환원제로 염화주석(II) (SnCl₂)를 사용할 때 얻어지는 자금(紫金, Purple of Cassius)으로, 이는 크랜베리 유리(Cranberry Glass: 보라 빛이 감도는 붉은색 유리)를 만드는데 사용된다.

금의 밀도는 19.30g/cm3로, 대표적인 무거운 금속인 납(밀도 11.36 g/cm3)보다도 월등히 더 크다. 금은 무르며, 전성과 연성이 금속 원소 중에서 가장 크다. 1g의 금으로 1m2 의 금박(두께는 52 nm로, 금 원자 약 230개 두께) 또는 3000 m의 금선(직경 4.7 μm)을 만들 수 있다. 구리나 은과 마찬가지로 전기전도도와 열전도도가 아주 크나, 구리족 원소 중에서는 Ag>Cu>Au 순으로 금이 가장 작다.

자연 상태에서 금은 단 하나의 안정한 동위원소 197Au를 갖는다. 질량수가 169에서 205에 이르는 36가지의 방사성 금 동위원소들이 합성되었는데, 반감기가 가장 긴 것은 195Au (반감기 186.1일)이고, 가장 짧은 것은 171Au (반감기 30 μs)이다.

금은 높은 온도에서도 물이나 산소와 반응하지 않는다. 질산(HNO₃), 염산(HCl), 황산(H₂SO₄)을 비롯한 대부분의 화학 약품에도 부식되지 않는다. 그러나 강한 산화제가 들어있는 진한 염산에는 녹는다. 예로, 진한 염산과 진한 질산이 3:1로 혼합된 용액에는 녹는데, 연금술사들은 금속의 왕인 금을 녹이는 이 용액을 왕수(aqua regia)라 불렀다.

금 합금은 금의 경도를 높이고 금속 성질을 변화시키는데 사용되는데, 보석 세팅이나 장식용으로 많이 사용되는 것도 대부분 순금보다는 금 합금이다.

근래에 일본 과학자들은 아세토나이트릴(CH₃CN)에 염소(Cl₂)와 염화삼메칠암모니움((CH₃)₃NHCl)을 녹인 용액이 왕수보다 금을 더 잘 녹인다는 사실을 알아내었다. 금은 알칼리성 사이안화염(청산염)에도 녹는데, 이 성질을 이용해서 금 광석에서 금을 녹여 회수한다.

금은 황(S)과 강한 결합을 한다. 티올(RSH, 알코올의 산소대신 황이 들어간 화합물)은 금에 잘 흡착된다. 따라서 티올을 이용하여 금 나노입자를 안정화시키고, 티올에 여러 기능성 분자를 결합시켜 다양한 유도체화된 금 나노입자를 만들 수 있다.

금은 여러 다른 금속과 합금을 잘 만든다. 금 합금은 금의 경도를 높이고 금속 성질을 변화시키는데 사용되는데, 합금되는 금속의 종류와 양을 달리하면 다양한 색깔의 금 합금을 얻을 수 있다. 보석 세팅이나 장식용으로 많이 사용되는 것도 대부분 순금보다는 금 합금이다. 또한 금이 수은과 합금을 형성하는 성질은 야금 과정에서 금을 회수하는데 이용되기도 한다.

금 화합물의 제조는 대부분 금을 왕수에 녹여 +3가 상태로 산화시키는 것에서 출발한다. 금을 녹인 용액을 농축시키면 클로로금산(chloroauric acid, HAuCl₄)이 얻어진다.

클로로금산은 전기분해법을 써서 높은 순도의 금을 생산할 때 전해질로 사용되며, 금 나노입자를 만드는 원료 물질로도 사용된다. HAuCl₄를 가열하면 HCl을 내어놓고 금의 산화수가 +3인 염화금(III)이 된다. 염화금(III)의 분자식은 Au₂Cl₆이나, 보통 실험식인 AuCl₃로 나타낸다. AuCl₃는 높은 온도에서 금 분말에 염소 기체를 통과시켜 만들기도 한다.

HAuCl₄  HCl + AuCl₃
2 Au + 3Cl₂ → 2 AuCl₃

AuCl₃는 물은 물론 에탄올에도 잘 녹으며, 가열하면 염화금(I) (AuCl)과 염소로 분해된다. AuCl은 420 oC 이상에서 AuCl₃와 Au로 불균등화 반응을 한다.

AuCl₃은 또한 여러 금 화합물을 만드는 출발 물질로 사용되는데, 예로, 사이안화포타슘(청산가리, KCN)과 반응하면 사이안화금(III)포타슘(Potassium Gold(III) Cyanide: K[Au(CN)₄])을 생성한다. AuCl₃은 여러 유기합성 반응에서 약한 루이스산 촉매로도 사용된다.

AuCl₃ 수용액에 수산화소듐(가성소다, NaOH)과 같은 염기를 넣으면 산화금(III)의 수화물 (Au₂O₃∙H₂O)이 침전된다. 이 침전을 거르고 약하게 가열하면 산화금(III)(Au₂O₃)이 얻어지고, 이는 다시 금속 금과 산소로 분해된다. 산화금(III)은 붉은색의 크랜베리 유리를 만드는데 사용된다.

사이안화금(I)포타슘 (Potassium Gold(I) Cyanide: K[Au(CN)₂])을 청화금(靑化金) 또는 PGC나 GPC라 하는데, 금의 산화수가 +1인 이 금 착화합물은 사이안화포타슘(청산가리: KCN) 수용액에서 금을 전기 용해시켜 만들며, 금의 야금 또는 회수 과정에서도 얻어진다. K[Au(CN)₂]은 백색 고체로 물에 잘 녹으며, 무게의 68%가 금인데, 년간 100톤 이상이 생산되어 금 도금 등에 사용된다.

금 나노입자 용액의 색은 입자 크기에 따라 달라진다. <출처: Aleksandar Kondinski at Wikipedia.org>

직경이 100nm 이하인 금 입자가 물에 분산되어 있는 것이 콜로이드성 금인데, 최근에는 이를 금 나노입자라 부른다. 이 분산 용액은 입자의 크기에 따라 다른 색을 띠는데, 20nm 정도의 크기는 붉은색이며 크기가 클수록 단파장의 색을 낸다. 오래 전부터 산화금을 사용하여 만든 붉은색 유리도 사실은 유리의 제조 과정에서 균일한 크기의 금 나노입자가 생성되기 때문이며, 자금(紫金)도 금 나노입자이다.

가장 간단한 금 나노입자 제조방법은 HAuCl₄ 용액에 환원제를 넣어 +3가 상태의 금을 금속으로 환원시키는 것인데, 이때 만들어진 나노입자들이 엉겨 붙지 않도록 입자 표면에 흡착되는 안정제를 첨가한다. 환원제로 시트르산 이온(citrate ion)을 사용하면, 직경이 10-20 nm로 거의 균일한 크기의 금 나노입자가 만들어지는데, 이때 시트르산 이온은 환원제와 안정제로 모두 작용한다. HAuCl₄와 시트르산의 비율을 조절하면 크기가 다른 금 나노입자를 얻을 수 있다. 환원제, 안정제, 그리고 분산제를 달리하여 여러 크기의 금 나노입자를 만드는 방법들이 고안되어 사용되고 있다.

티올 화합물은 금에 잘 흡착된다. 단백질에는 보통 아미노산 시스테인(cysteine)에서 나온 티올기(-SH 기)가 있으므로, 금이 잘 흡착된다. 한편, 금 나노입자에 기능기가 부착된 티올 화합물을 흡착시키면 그 기능기가 부착된 금 나노입자가 얻어진다. 과학자들은 금 나노입자에 항암제 등 약물을 부착시켜 이를 약물 운반제로 이용하거나, 특정 항체를 부착시켜 세포 표면에서 항원을 검출하는데 사용하는 연구를 하고 있다. 또한 금 나노입자와 이의 유도체는 생물 시료의 전자현미경 사진에서 명암 대비를 높이는데 많이 사용되어 왔으며, 루마티스 관절염의 치료제로 효능이 있음이 밝혀졌고, 치매 치료에도 사용될 가능성을 보여주고 있다.

괴금. <출처: (CC)Rob Lavinsky at Wikipedia.org>

산금. <출처: (CC)Rob Lavinsky at Wikipedia.org>

사금.

금은 덩어리 상태의 괴금(塊金), 금 광상에 자연금