Scandium ( Sc ), 21-스칸듐

과학은 합리적 방법과 확고한 경험적 사실에 근거하여 객관적이고 보편적으로 체계화된 지식을 추구한다. 체계화된 과학 지식을 우리는 법칙 또는 원리라 부르는데, 이는 우리가 관찰했거나 추론한 현상들을 설명하고 해석함은 물론, 아직 경험하지 않은 것을 예측하게 한다. 과학 지식이 중요한 이유 중의 하나는 이와 같은 예측 기능 때문으로 볼 수 있다. 우리는 흔히 1869년에 멘델레예프(Dmitri Mendeleev, 1834~1907)가 원소의 주기율을 발견한 것이 화학을 예측 가능한 진정한 과학으로 발전시키게 된 계기라고 말한다. 멘델레예프 이전에도 몇몇 사람들이 원소들의 주기율을 발견하였으나, 멘델레예프만이 이미 보고된 몇 가지 원소들의 원자량이 잘못되었고 이것이 얼마로 고쳐져야 함을 예측하였으며, 아직 발견되지 않은 몇 가지 원소들의 존재와 이들의 특성을 예언하였다. 그가 예언했던 에카붕소(ekaboron)가 스칸듐인데, 멘델레예프가 예측한 후 10년 만에 실제로 발견되었다. 스칸듐이 어떤 원소인지 알아보기로 하자.     원자번호 21번, 스칸듐 스칸듐(scandium)은 원자번호 21번의 원소로, 원소기호는 Sc이다. 주기율표에서는 3족(3B족)에 속하는 은백색의 전이금속이며, 희토류 원소의 하나다. 비활성 기체인 아르곤에 비해 3개의 전자를 더 갖고 있어, 쉽게 3개의 전자를 잃고 +3의 산화 상태를 갖는 화합물을 만든다. 스칸듐은 멘델레예프가 1869년에 주기율을 발표할 때 예언하였던 에카붕소로, 1879년에 스웨덴의 닐손(Lars F. Nielson, 1840~1899)에 의해 발견되었다.

 

원자번호 21번, 스칸듐. 스칸듐 할로겐 화합물은 태양 빛과 유사한 강한 빛을 내는 램프 등에 사용된다. <출처: (CC)wildmen03 at Wikipedia.org>

스칸듐의 원소 정보.

 

 

스칸듐은 아주 희귀하지는 않으나, 특정 광물에 집중적으로 존재하기 보다는 800종 이상의 광물에 산재되어 있다. 지각에서 약 25ppm(0.0025%) 농도로 존재하는데, 이는 코발트(Co)의 존재량과 비슷하다. 대부분의 희토류 광석과 우라늄 및 텅스텐 광석에 소량 들어있는데, 스칸듐이 많이 포함된 광석은 토르트바이타이트(thortveitite: (Sc,Y)2Si2O7, 약 30~40%의 Sc2O3 포함)와 콜벡카이트(kolbeckite: ScPO4∙2H2O)로 이들은 노르웨이의 특정 지역에 주로 매장되어 있다. 스칸듐은 그 자체만을 광석에서 직접 얻기 보다는 우라늄과 텅스텐 생산의 부산물로 얻으며, 연간 생산량은 Sc2O3로 따져서 약 2톤에 불과하다.   스칸듐은 생산량도 적고 또 금속 상태로 얻기도 어려워 값이 비싸 다량 사용되지는 않으나, 산업적 이용은 점차 늘고 있다. 알루미늄 등과 합금을 만들어 항공기 부품, 경주용 자전거 뼈대 등 경주용 운동 기구에 사용되며, 스칸듐 할로겐 화합물은 태양 빛과 비슷한 밝은 빛을 내는 램프에 사용된다. 스칸듐 화합물은 알루미늄과 이트륨 화합물의 중간 정도의 성질을 보이며, 스칸듐과 마그네슘은 성질이 비슷한 대각선 관계(diagonal relationship)를 보인다.

 

고순도의 스칸듐 결정(아래)과 재융합된 스칸듐 입방체(위). <출처: (CC)Alchemist-hp at Wikipedia.org>

 

 

역사와 분리∙발견 1869년 3월 18일에 러시아의 멘델레예프는 화학의 역사상 가장 위대한 발견 중의 하나를 하였다. 그는 당시까지 알려진 63개 원소의 원자량과 성질을 종합∙분석하여 원소들이 어떻게 서로 연관되는가를 보이는 주기율, 즉 주기율표를 제시하였다. 이때 그는 2개의 원소(베릴륨과 칼슘)에 대해서는 기존에 확립된 원자량을 새롭게 바꾸었으며 (다른 여러 개의 원소에 대해서는 확립된 원자량에 의문을 제기하였다), 당시에 아직 발견되지도 않은 원소들에 대해 빈칸으로 남겨두었는데 4개의 미지 원소들에 대해서는 각각의 원자량과 몇 가지 성질을 예언하였다. 2년 후에 그는 보완된 주기율표를 발표하였는데, 이 때는 무려 17가지 원소에 대해 기존의 확립된 원자량을 변경하였으며, 처음에 예언했던 4개의 원소 외에 10 개의 원소들을 추가로 예언했고, 우라늄보다 원자량이 큰 초우라늄 원소 5개를 예언하였다. 화학자들은 ‘과연 아직 발견되지도 않은 원소들을 예측할 수 있을까?’라고 반신반의하는 한편, 그의 예언에 매료되었다. 이후 멘델레예프가 변경한 원자량이 모두 타당하다는 것이 밝혀지고, 그가 예언한 원소들이 속속 발견되면서 화학은 비로소 예측 가능한 학문으로 나아가게 되었다. 멘델레예프가 예언한 원소 중의 하나가 원자량이 45이고 성질은 붕소(B)와 비슷할 거라고 예측했던 에카붕소이다.

 

원소의 주기율을 제안하고, 스칸듐(에카붕소)를의 존재와 성질을 예언한 멘델레예프. 그에 의해 화학은 예측 가능한 과학으로 발전하게 되었다.

멘델레예프가 예측한 에카붕소는 1879년 스웨덴에서 광물 분석에 종사했던 닐손에 의해 처음 발견된다.

 

 

이 에카붕소는 1879년에 스웨덴에서 광물 분석에 종사했던 닐손에 의해 처음 발견∙확인되었다. 광산업과 광물질의 연구∙분석에 오랜 전통을 갖고 있던 스웨덴의 과학자들은 1735년에 코발트(Co)를 발견한 것을 시작으로 무려 19가지의 새로운 금속 원소를 처음 발견하였다. 닐손은 1879년에 에르븀(Er; erbium)이 처음 분리∙발견되었던 가돌리나이트(gadolinite)에서 얻은 산화물 중에서 이터븀(이테르븀; Yb; ytterbium)과 비슷한 성질을 보이는 원소를 발견하고는 스펙트럼을 통해 이것이 새로운 원소임을 확인하였다. 그는 육세나이트(euxenite) 광석에서도 이 원소를 발견하였는데, 이 새로운 원소의 이름을 자신의 조국이 속한 지역이면서 또한 해당 광물이 있는 스칸디나비아(Scandinavia)에서 따서 스칸듐(scandium)으로 제안하였다.   닐손이 처음에는 스칸듐 산화물의 화학식을 ScO로 간주하고, 원자량이 90 이하라고 한 것으로 보아 그 당시에는 멘델레예프의 에카붕소에 대한 예언을 알지 못하고 있었던 것으로 짐작된다. 그러나 동료인 클레베(Per Teodor Cleve, 1840~1905)가 산화스칸듐을 분석하여 이 원소가 에카붕소라는 것을 확인하고, 이를 멘델레예프에게 알렸다: 클레베는 같은 해에 원자번호 67인 홀뮴(Ho; Holmium)과 69인 툴륨(Tm; thulium)을 발견하였다. 닐손은 이듬해 논문에서 산화물의 화학식을 Sc2O3로, 그리고 원자량을 멘델레예프가 예측했던 45와 아주 가까운 44로 바로 잡았다.   닐손이 얻은 것은 순수한 금속 스칸듐이 아니고 스칸듐의 산화물이다. 금속 스칸듐은 1937년에 ScCl3, KCl, LiCl의 공융 혼합물(함께 녹는 혼합물, eutectic mixture)을 700~800oC에서 전기분해시켜 처음으로 얻었으며, 제법 많은 양의 순수한 금속 스칸듐의 생산은 1960년에야 이루어졌다. 스칸듐의 실용적 응용은 1970년에야 시작되어 항공기 부품, 운동 기구, 밝은 자연광을 내는 램프, 레이저 등에 제한적으로 사용되고 있는데, 그 용도가 점차 늘어나고 있다.

 

 

물리적 성질

스칸듐은 21개의 전자를 갖고 있어 전자배치는 [Ar]3d14s2이다. 따라서 3개의 전자를 쉽게 잃어 아르곤과 같은 전자배치를 하게 되므로, 주된 산화수는 +3이다. 비교적 무르고 가벼운 금속(밀도, 2.986 g/cm3)으로 은백색을 띤다. 녹는점은 희토류 금속 중에서 Lu와 Tm 다음으로 높은 1541oC이고, 끓는점은 2836oC이다. 전기비저항은 알루미늄에 비해 월등히 크다. 폴링의 전기음성도는 1.36이다. 45Sc는 7/2의 핵 스핀을 갖고 있어, 이의 용액이나 고체 상태의 연구에 핵자기공명법(nmr)을 사용할 수 있다.   천연 상태에서 스칸듐은 단지 하나의 동위원소 45Sc를 가지며, 이는 방사성 붕괴를 하지 않는다. 13 가지의 방사성 동위원소들이 만들어져 성질이 조사되었는데, 반감기가 가장 긴 것은 46Sc(반감기 83.8 일)이고, 47Sc과 48Sc의 반감기는 각각 3.35일과 43.7시간이다. Sc 방사성 동위원소 중 원자량이 45보다 작은 것들은 전자 포획으로 같은 원자 질량을 갖는 칼슘(Ca) 동위원소가 되고, 원자량이 45보다 큰 것들은 β-붕괴를 하고 타이타늄(Ti)이 된다.

스칸듐의 전자배치. <출처: (CC)Pumbaa at Wikipedia.org>

 

 

화학적 성질 스칸듐의 화학적 성질은 다른 희토류 금속과 비슷하며, 화학적으로 비교적 안정하다. 공기 중의 산소와 잘 반응하지 않으나, 가열하면 산화되어 Sc2O3가 되고 물과 반응하여 수소 기체를 내어놓는다. 대부분의 묽은 산에 녹으나, 질산(HNO3)과 플루오르화수소산(HF)의 1:1 혼합물에는 녹지 않는데 이는 부동막이 생기기 때문으로 여겨진다. 강산에 녹이면 물에 잘 녹는 염들이 얻어지나, HF, 인산(H3PO4), 옥살산(H2C2O4)과 같은 약산에 녹이면 물에 잘 녹지 않는 염들이 만들어진다. 할로겐 원소들과는 실온에서도 반응하고, 가열하면 대부분의 다른 비금속 원소들과도 반응한다. Sc3+ 이온은 무색이고, 이의 수용액은 가수분해로 인해 산성을 띤다.     스칸듐의 생산과 이용 스칸듐은 주로 우라늄, 텅스텐, 희토류 금속 생산의 부산물로 산화물 형태로 얻어진다. 금속 스칸듐은 산화스칸듐(Sc2O3)을 이플루오르화암모늄(ammonium bifluoride 혹은 ammonium hydrogen fluoride; NH4HF2)과 반응시켜 얻은 플루오르화스칸듐(ScF3)을 고온에서 칼슘(Ca)이나 아연(Zn) 등의 금속으로 환원시켜 얻는다.   Sc2O3 + 6NH4HF2 → 2ScF3 + 6NH4F + 3H2O 2ScF3 + 3Ca → 2Sc + 3CaF2   연간 전세계 스칸듐 생산량은 Sc2O3로 따져서 2톤 수준인데, 소비량은 약 5톤이다. 부족된 양은 냉전 시대에 구소련(주로 우크라이나)에서 군사용으로 비축했던 물량에서 나온 것이다. 연간 금속 스칸듐 생산량은 10kg 수준이다. 2003년에 세계적으로 단지 3곳의 광산에서 스칸듐이 생산되었는데, 우크라이나, 중국, 러시아에 각각 한 곳씩 있다. 2006년의 Sc2O3(99.0% 순도) 가격은 kg당 미화 700$이었고, 2005년의 금속 스칸듐 가격은 1g당 미화 70$로, 당시 금 값의 약 5배나 된다.   스칸듐과 이의 화합물의 응용은 1970년에야 시작되었으며, 생산량이 적고 가격이 비싸 사용 범위는 제한되어 있으나, 점차 응용 분야가 늘고 있다. 스칸듐은 알루미늄(밀도, 2.7 g/cm3; 녹는점 660oC) 정도로 가볍고, 부식이 잘 되지 않으며 녹는점이 높은 경량 금속 재료이다. 알루미늄에 스칸듐을 첨가하면 결정들이 곱고 균일하게 섞일 수 있게 되어 강도, 탄성, 용접성이 크게 향상된다. 스칸듐-알루미늄 합금은 항공우주 부품에 사용되는데, 특히 미그(MIG)-21과 미그-29와 같은 러시아 군용기에 사용되었다. 또한 야구 배트, 경주용 자전거 뼈대와 부품, 골프채 등의 운동 기구와 총기류에도 사용되며, 최근에는 휴대폰 케이스에도 사용되었다. 그리고 스칸듐이 첨가된 산화지르코늄(ZrO2)은 고체 산화물 연료 전지에서 고효율 전해질로 사용되며, 방사성 동위원소 46Sc는 정유공장에서 원유 분해 추적자로 사용된다.   스칸듐은 아주 밝은(고휘도) 금속 할로겐 램프에 사용된다. 아이오드화스칸듐(ScI3)을 수은 증기 램프에 첨가하면 강하면서 태양 빛과 유사한 빛을 내는 램프가 얻어지는데, 이 램프는 TV-촬영 등에서 천연색을 재생하기 위해 사용된다. 산화스칸듐(Sc2O3)은 레이저 결정과 고출력 자외선 레이저의 표면 코팅 등에 이용된다.

 

스칸듐-알루미늄 합금은 미그-29와 같은 러시아 군용기 제작에 사용된다.

경주용 자전거의 뼈대와 부품 제작에는 스칸듐-알루미늄 합금이 사용된다. <출처: gettyimages>

 

 

스칸듐 화합물 스칸듐의 대표적 화합물은 산화물(Sc2O3), 수산화물(Sc(OH)3), 할로겐화물(ScX3)이다. Sc2O3는 금속 Sc를 태우거나 옥살산스칸듐(Sc2(C2O4)3)을 열 분해시켜 만들 수 있다. 녹는점이 높은(2,485oC) 흰색 고체로, 고온재료, 전자 세라믹과 유리 성분으로 사용된다. Sc(OH)3는 Sc3+ 이온 용액에 알칼리를 가하면 얻어진다. Sc(OH)3는 광학 부품의 코팅, 전자 세라믹, 레이저 산업 등에 사용된다. Sc2O3와 Sc(OH)3는 알루미늄 산화물(Al2O3)과 수산화물(Al(OH)3)처럼 산과 알칼리로 모두 작용하는 양쪽성 물질이다.   산으로 작용: Sc2O3 + 6 OH- + 3H2O → 2 Sc(OH)63-  염기로 작용: Sc2O3 + 6 H+ + 9H2O → 2 Sc(H2O)63+   Sc2O3를 할로겐산(HX) 또는 NH4HX2 (NH4X+HX)와 반응시키면 할로겐 화합물이 얻어진다.   Sc2O3 + 6 HX → 2ScX3 + 3H2O   ScF3를 제외한 ScX3는 물에 아주 잘 녹는다. ScF3는 물에 녹지 않으나, 과량의 F-이 있으면 물에 녹게 되는데, 이때 ScF3는 루이스 산으로, F-는 루이스 염기로 작용한다. 다른 ScX3들도 루이스 산이다.   ScF3 + 3F- → [ScF6]3-   스칸듐의 삼플루오르화메테인슬폰산염(scandium triflate, Sc(CF3SO3)3)은 Sc2O3를 삼플루오르화메테인슬폰산(triflic acid: CF3SO3H)과 반응시켜 얻는데, 유기화학에서 루이스 산 촉매로 비교적 많이 사용되는 화합물이며 물에서 안정하여 작은 양으로도 충분한 촉매 작용을 나타낸다.   대부분의 화합물에서 Sc의 산화 수는 +3이다. 그러나 낮은 산화 수를 갖는 화합물도 있는데 대표적인 것이 Sc의 산화수가 +2인 CsScCl3 이며, 이와 유사한 MScX3(M은 알칼리 금속; X는 할로겐) 형의 여러 화합물들이 만들어졌다. 또한 ScCl3와 Sc의 반응에서 Sc7Cl12, Sc5Cl8, Sc2Cl3, Sc7Cl10 등이 얻어졌는데, 이들은 모두 산소와 습기에 민감하다.

 

 

 

1. 수치로 보는 스칸듐

   스칸듐의 표준원자량은 44.956g/mol이다. 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹4s² ([Ar]3d¹4s²)이며, 화합물에서 주된 산화 수는 +3이다. 지각에서의 존재 비는 약 25ppm(0.0025%)이며, 주로 우라늄과 텅스텐 생산의 부산물로 얻는다. 1기압에서 녹는점은 1,541^oC이고 끓는점은 2,836^oC이다. 20^oC에서 밀도는 2.985g/cm³로, 알루미늄보다 약간 크다. 20^oC에서 전기비저항은 500~600nΩ∙m이며, 열 전도율은 15.8W∙m^-1∙K^-1이다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 633.1, 1235.0, 2388.6kJ/mol 이며, 폴링의 전기음성도는 1.36이다. 원자 반경은 162pm이고, Sc³⁺ 이온의 반경은 75pm이다. 천연 동위원소는 ⁴⁵Sc 한 가지뿐이다.

2. 희토류 원소(Rare earth element)

   란탄족 원소(원자번호 57번의 란타넘(La)에서 71번의 루테튬(Lu)까지의 15개 원소)에 스칸듐(₂₁Sc)과 이트륨(₃₉Y)을 합친 17개의 원소들을 말한다. 이름과는 달리, 지각에서 그렇게 희귀하지는 않으나, 여러 광물에 산재되어 있어 분리해 내기가 어렵다.

3. 대각선 관계(diagonal relationship)

   주기율표의 2주기와 3주기에서 대각선으로 이웃하는 원소 쌍은 비슷한 성질을 보이는 것을 말한다. Li과 Mg, Be와 Al, B와 Si, 그리고 N과 S가 대각선 관계를 보이는 원소 쌍들이다.

4. 공융 혼합물(함께 녹는 혼합물)

   고체 혼합물이 순수한 단일 성분 고체처럼 한 온도(함께 녹는 점, 공융점)에서 모두 녹는 혼합물이며, 가능한 한 가장 낮은 온도에서 녹는 조성을 갖는 혼합물이다.

5. 루이스 산

   화학결합에서 자기 자신은 전자를 제공하지 않고 다른 분자나 이온이 제공하는 전자쌍을 공유하여 안정한 복합체를 만드는 분자나 이온을 말하며, 이때 전자쌍을 제공하는 화학종은 루이스 염기라 한다, H⁺, Co³⁺나 Fe³⁺ 등의 금속이온, BF₃, AlCl₃ 등이 대표적인 루이스 산이다.

 

 

 

글 박준우 / 이화여대 명예교수(화학)

서울대학교 화학과를 졸업하고 템플대학교에서 박사학위를 받았다. 오랫동안 이화여대에서 화학을 연구하고 가르쳤다. 저서로 [인간과 사회와 함께한 과학기술 발전의 발자취]와 [아나스타스가 들려주는 녹색화학 이야기] 등이 있고, 역서로 [젊은 과학도에 드리는 조언] 등이 있다.

발행일  2012.01.18

Scandium

Atomic Weight		44.95591
Density		2.985 g/cm3
Melting Point		1541 °C
Boiling Point		2830 °C
Full technical data

These vacuum distilled scandium crystals are destined for use in daylight spectrum metal halide arc lights. A few percent of scandium strengthens aluminum for bicycle frames and baseball bats

Technical data for Scandium Click any property name to see plots of that property for all the elements. Overview Name Scandium Symbol Sc Atomic Number 21 Atomic Weight 44.95591 Density 2.985 g/cm3 Melting Point 1541 °C Boiling Point 2830 °C Thermal properties Phase Solid Melting Point 1541 °C Boiling Point 2830 °C Absolute Melting Point 1814 K Absolute Boiling Point 3103 K Critical Pressure N/A Critical Temperature N/A Heat of Fusion 16 kJ/mol Heat of Vaporization 318 kJ/mol Heat of Combustion N/A Specific Heat 567 J/(kg K)[note] Adiabatic Index N/A Neel Point N/A Thermal Conductivity 16 W/(m K) Thermal Expansion 0.0000102 K-1 Bulk physical properties Density 2.985 g/cm3 Density (Liquid) 2.8 g/cm3 Molar Volume 0.000015061 Brinell Hardness 750 MPa Mohs Hardness N/A Vickers Hardness N/A Bulk Modulus 57 GPa Shear Modulus 29 GPa Young Modulus 74 GPa Poisson Ratio 0.28 Refractive Index N/A Speed of Sound N/A Thermal Conductivity 16 W/(m K) Thermal Expansion 0.0000102 K-1 Reactivity Valence 3 Electronegativity 1.36 ElectronAffinity 18.1 kJ/mol Ionization Energies 633.1, 1235, 2388.6, 7090.6, 8843, 10679, 13310, 15250, 17370, 21726, 24102, 66320, 73010, 80160, 89490, 9.74×104, 1.056×105, 1.17×105, 124270, 547530, 582163 kJ/mol Health and Safety Autoignition Point N/A Flashpoint N/A Heat of Combustion N/A DOT Hazard Class 4.1 DOT Numbers 3089 EU Number N/A NFPA Fire Rating N/A NFPA Hazards N/A NFPA Health Rating N/A NFPA Reactivity Rating N/A RTECS Number N/A NFPA Label N/A Classifications Alternate Names None Names of Allotropes None Block d Group 3 Period 4 Electron Configuration [Ar]3d14s2 Color Silver Discovery 1879 in Sweden Gas phase N/A CAS Number CAS7440-20-2 CID Number CID23952 Gmelin Number N/A NSC Number N/A RTECS Number N/A Electrical properties Electrical Type Conductor Electrical Conductivity 1.8×106 S/m Resistivity 5.5×10-7 m Ω Superconducting Point 0.05 Magnetic properties Magnetic Type Paramagnetic Curie Point N/A Mass Magnetic Susceptibility 8.8×10-8 Molar Magnetic Susceptibility 3.956×10-9 Volume Magnetic Susceptibility 0.0002627 Abundances % in Universe 3×10-6% % in Sun 4×10-6% % in Meteorites 0.00064% % in Earth's Crust 0.0026% % in Oceans 1.5×10-10% % in Humans N/A Atomic dimensions and structure Atomic Radius 184 pm Covalent Radius 144 pm Van der Waals Radius N/A Crystal Structure Simple Hexagonal Lattice Angles π/2, π/2, 2 π/3 Lattice Constants 330.9, 330.9, 527.33 pm Space Group Name P63/mmc Space Group Number 194 Nuclear Properties Half-Life Stable Lifetime Stable Decay Mode N/A Quantum Numbers 2D3/2 Neutron Cross Section 27.2 Neutron Mass Absorption 0.025 Known Isotopes 36Sc, 37Sc, 38Sc, 39Sc, 40Sc, 41Sc, 42Sc, 43Sc, 44Sc, 45Sc, 46Sc, 47Sc, 48Sc, 49Sc, 50Sc, 51Sc, 52Sc, 53Sc, 54Sc, 55Sc, 56Sc, 57Sc, 58Sc, 59Sc, 60Sc Stable Isotopes 45Sc Isotopic Abundances 45Sc 100%

Notes on the properties of Scandium:

Specific Heat: Value given for solid phase.

Up to date, curated data provided by Mathematica's ElementData function from Wolfram Research, Inc.