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admin

2016-12-28 15:16:47

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희토류원소[rare earth element]

주기율표 3A족의 제6주기에 란탄이 있다(57La).

좌상(左上)의 숫자는 원자번호라고 하고 수소에서 시작하여 원자질량 순(順)으로 나란히 57번째의 원소를 나타내고 있다.

이 57번에서 71번까지의 원소는 란탄, 세륨(58Ce), 프라세오디뮴(59Pr), 네오디뮴(60Nd), 프로메튬(61Pm), 사마륨(62Sm), 유로퓸(63Eu), 가돌리늄(64Gd), 테르븀(65Tb), 디스프로슘(66Dy), 홀뮴(67Ho), 에르븀(68Er), 툴륨(69Tm), 이테르븀(70Yb), 루테튬(71Lu)까지의 15개 있는데, 이들은 성질이 란탄과 매우 흡사하므로 란타노이드라고 불리운다.

여기에 제4 및 제5주기의 스칸듐(21Sc)과 이트륨(39Y)을 첨가한 17원소를 희토류원소라고 한다. 모나자이트나 파스테나사이트, 제노타임 등의 광석 속에 들어 있고, 물에 녹으면 모두 3가의 이온으로 되고 화학적성질이 비슷하므로 구별할 수 없다. 또 모두 금속이다.

화학적성질이 비슷한 이유는 원자의 가장 외측의 전자궤도 구조가 비슷하기 때문이다. 원자번호가 증가하는 것은 원자핵의 양성자(양전하) 수가 순차 증대하는 경우로서 같은 수 만큼의 전자를 그 주위에 가진다.

전자는 순차 에너지가 낮은 궤도에서 채워지고, 제6주기의 란탄은 O 궤도의 5d 부궤도에 3개의 전자를 가지고 있다. 이 원자구조는 하나 아래인 N궤도의 4f 부궤도에 14개의 구멍이 있어 전자를 들어가게 할 수 있다. 다음의 세륨에서 루테튬까지 14개의 원소는 이 4f 부궤도에 전자를 1개씩 넣어간다. 이 때문에 가장 외측의 5d 부궤도에는 항상 3개의 전자가 있는 구조가 되어 화학적성질이 비슷하다.

다음 전자는 5d 부궤도에 들어가 4A족의 하프늄(72Hf)이 된다. 핵의 양전하의 증가에 따라 내측 궤도에 전자가 증가하면 원자반지름은 약간 작게 된다. 이것을 란타니드수축이라고 부른다. 이 때문에 희토류이온과 산소이온 사이의 인력은 원자번호 순으로 커지게 되고 산화물이나 수산화물은 보다 안정하게 된다.

세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 테르븀, 디스프로슘의 5개는 최대전자가수 4까지 바뀔 수 있고 4A족과 비슷한 성질을 가지고 있다. 사마륨, 유로퓸, 이테르븀은 2가를 취할 수 있다. 그 때문에 성질은 조금씩 차이가 있는데, 이것을 이용하여 이온교환수지크라마토그래피법으로 분리할 수 있다.

희토류원소의 성질은 서로 달라지고 있다. 녹는점은 세륨의 795℃에서 루테늄의 1652℃까지 있고, 밀도는 실온에서 유로퓸의 5.25g/cm3에서 루테튬의 9.84g/cm3까지 변한다. 결정구조는 주로 육방최밀격자이지만 면심입방격자나 체심입방격자도 있고 물리적․기계적성질은 다양하다.

모나자이트를 원료로 희토류의 염화물을 식염 등에 녹이고 전기분해하여 얻은 금속은 미슈메탈이라고 하여 희토류금속의 혼합물이다. 미슈메탈에 철을 25～30% 첨가한 합금은 라이터 돌에 쓰이고 있는 것 외에 주철에 미슈메탈을 소량 첨가하면 주철 속의 흑연이 구상화(球狀化)하고 분산되어 취약함이 개선된다.

이 효과는 마그네슘이나 칼슘에서도 일어난다. 전열기의 니크롬선 등의 내열합금은 표면에 보호성이 우수한 산화물피막을 형성하는 것이 중요하고, 희토류원소는 그 밀착성을 높이기 위해 합금에 미량 첨가된다.

란탈에서 사마륨까지의 원소는 철이나 코발트와 금속간화합물을 형성하고 이들의 스핀이 강자성적으로 결합한다. 가돌리늄, 유로퓸, 사마륨, 디스프로슘, 폴로늄, 에르븀은 열중성자를 흡수하는 비율이 크기 때문에 원자로의 제어봉 재료에 쓰이고 있다.

희토류원소는 이름에 적합하지 않는 지각 속에 많이 있고, 세륨은 주석 또는 아연, 납보다 많고 최소의 원소 툴륨에도 은보다 많다.