Yttrium(Y), 39-이트륨

 

원자번호 39번인 이트륨은 희토류(Rare earth) 원소들 중 가장 먼저 발견된 원소이다. 희토류 원소는 스칸듐과 이트륨, 그리고 원자번호 57번에서 71번까지의 15개 란타넘 족 원소들을 말한다. 이들은 아주 희귀하지는 않으나, 소량씩 널리 퍼져 존재한다. 희토류는 각종 현대 산업에서 필수적으로 사용되는 원소인데, 지금은 거의 대부분이 중국에서 생산된다. 2010년 일본과 중국 사이의 영토 분쟁 이후, 중국이 희토류 생산과 수출을 제한하겠다고 발표해 전세계를 희토류 자원 전쟁으로 몰아가기도 하였다. 이트륨은 1789년에 산화물 형태인 이트리아(yttria)로 처음 분리·발견되었으나, 이때 얻은 이트리아에는 무려 9가지의 다른 희토류 원소 산화물들이 들어있었고, 이들을 모두 분리·발견하는 데 장장 118년이나 걸릴 정도로 희토류 원소들은 화학적 성질들이 서로 비슷해서 구분하여 분리해 내기가 어렵다. 이트륨은 음극관을 사용하는 컬러 TV와 삼파장 형광등에서 붉은색을 내는 인광체, 그리고 고온에서 내부식성이고 내마모성인 합금을 만드는 데 주로 사용된다. 1987년에는 이트륨 바륨 구리 산화물에서 고온 초전도 성질이 발견되어 많은 관심을 끌고 있다. 이트륨은 또 다른 희토류 원소인 원자번호 70번의 이터븀(Ytterbium: Yb)과 혼돈하기 쉬우므로 주의가 필요하다. 이트륨과 희토류에 대해 보다 자세히 알아보기로 하자.     원자번호 39번, 이트륨 이트륨(Yttrium)은 원자번호 39번의 원소로, 원소기호는 Y이다. 주기율표에서 스칸듐(Sc), 란타넘(La), 루테튬(Lu), 악티늄(Ac)과 함께 3족(3B족)에 속하는데, 이들 원소의 원자는 비활성 기체의 전자배치에 (n-1)d1ns2의 전자를 추가로 갖는다. 이트륨은 대부분의 희토류 광물에 함께 들어가 있으며, 은백색 전이 금속으로 전성과 연성이 거의 없다. 화학적으로는 같은 족의 Sc보다는 란타넘족 원소(lantanides)와 더 비슷하다. 이트륨과 란타넘족 원소들 중에서 원자번호 64번인 가돌리늄(Gd)에서 71번인 루테튬(Lu)까지의 원소들을 이트륨족 또는 중희토류(heavy rare earth) 원소로 분류하기도 한다. 이트륨은 공기 중에서 덩어리로는 산화물(Y2O3) 보호피막을 만들어 비교적 안정하나, 고운 가루 상태에서는 쉽게 반응하고 높은 온도에서는 불이 붙을 수 있다. 1000oC 이상에서는 질소와도 반응하며, 물과도 쉽게 반응하여 수소를 발생시키고 Y(OH)3를 생성한다. 대부분의 강산에는 잘 녹으나, 알칼리에는 녹지 않는다.

 

원자번호 39번, 이트륨. <출처: (CC)Jubobroff at Wikipedia.org>

이트륨의 원소 정보.

 

 

이트륨은 특정 광물에 집중되어 들어있지는 않고 거의 모든 희토류 광석과 일부 우라늄 광석에 화합물 형태로 함께 들어있으며, 천연 상태에서 원소 형태로 발견된 경우는 없다. 지각에서의 존재 비는 약 31ppm(0.0031%)으로 대략 28번째로 풍부한 원소인데. 은(Ag)의 약 400배로, 그리고 코발트(Co), 아연(Zn), 구리(Cu)와 비슷한 양으로 존재한다. 달의 암석에는 이트륨이 높은 농도로 들어있다. 이트륨은 검은색 모래의 일종인 모나자이트(monazite: (Ce,La,Y,Th)PO4)에 약 3%, 플루오르화 탄산 희토류 광석인 희토류광(bastnasite)에 약 0.2% 들어있다. 제노타임(xenotime)에는 인산염(YPO4) 형태로 약 60%까지 들어있으며, 가돌리나이트(gadolinite: (Ce,La,Nd,Y)2FeBe2Si2O10)에도 비교적 높은 함량으로 들어있다.   금속 이트륨은 고성능 점화 플러그, 프로판 가스등의 맨틀(점화구에 씌우는 그물)에 쓰이며, 알루미늄(Al)과 마그네슘(Mg) 등 여러 금속의 성질을 향상시키기 위해 소량씩 첨가되기도 한다. 그러나 대부분은 화합물로 사용되는데, 컬러 TV나 컴퓨터 모니터의 음극관과 에너지 절약형 삼파장 형광등에서 붉은 빛을 내는 인광체로 주로 사용되어왔다. 또한 일부 발광 다이오드(LED), 마이크로파 필터, 레이저, 광학 렌즈, 유사 다이아몬드 등에 사용되며, 석유화학공업에서는 에틸렌 중합 촉매로도 사용된다. 1987년에 발견된 이트륨 바륨 구리 산화물(ytterium barium copper oxide: YBCO)은 임계온도가 액체 질소의 끓는점보다 높은 최초의 고온 초전도체인데, 고온 초전도체는 장차 전력선, 에너지 효율적 전자기기, 자기 부상 열차 등에서 매우 중요하게 쓰일 것으로 기대된다.   이트륨의 생물학적 역할에 대해서는 알려진 것이 없다. 사람 몸에는 대략 0.5mg이 들어있으며, 모유와 여러 채소들에도 들어있다. 동물 실험에서 과량 복용은 독성을 나타내는 것으로 알려졌으므로, 보통 위험 물질로 간주한다.

 

 

이트륨의 발견과 역사

 

1787년 스웨덴 육군 장교 칼 악셀 아레니우스(Carl Axel Arrehenius, 1757~1824)는 스웨덴의 이테르비(Ytterby) 마을의 한 채석장에서 한 개의 무거운 검정색 돌을 발견하였다. 아레니우스는 이 돌의 광물 이름을 광석이 발견된 마을 이름에 광물을 뜻하는 접미어 ‘ite’을 붙여 이테르바이트(Ytterbite)라 짓고는, 여러 화학자들에게 이 광물의 분석을 의뢰하였다. 1789년 핀란드 아보(Abo) 대학의 화학자 가돌린(Johan Gadolin, 1760~1852)은 이 광물에서 새로운 산화물(당시에는 금속 산화물을 모두 토류(earth)라 불렀음)을 발견하였고, 이를 1794년에 학계에 발표하였다. 1797년에 에셰베리(Anders Gustaf Ekelberg, 1767~1813)는 이 새로운 산화물을 이트리아(Yttria)로 명명하였으며, 새로운 금속 산화물에는 새로운 원소가 들어있음이 분명하므로, 이 새로운 원소를 이트륨(Yttrium)으로 명명하였다(화학에서는 금속 산화물 이름에는 접미사로 ‘a’를, 그리고 금속 원소에는 ‘ium’을 붙이는 것이 관행이다). 1800년에 클라프로트(Martin Heinrich Klaproth, 1743~1817)는 이트리아를 분리한 가돌린을 기리기 위해 이테르바이트를 가돌리나이트(gadolinite)로 이름을 바꾸었다.   1828년에 뵐러(Friedrich Wöhler, 1800~1882, 요소 합성으로 유명한 인물)는 염화 이트륨(YCl3)을 포타슘(K)으로 환원시켜 금속 이트륨을 처음으로 분리하였는데, 순도는 높지 않은 상태였다. YCl3 + 3K → Y + 3KCl

화학자 가돌린은 이테르바이트에서 새로운 산화물을 발견하였고, 이를 1794년에 학계에 발표하였다. 원소 분리는 1828년 뵐러에 의해 이루어진다.

 

 

가돌린의 이트륨 산화물(yttria)은 순수한 단일 물질이 아니고 여러 다른 희토류 원소들이 함께 들어있음이 1843년에 모산더(Carl Gustaf Mosander, 1797~1858)에 의해 밝혀졌다. 그는 가돌린의 이트리아가 실제로는 3 가지 금속 산화물들의 혼합물임을 보였는데, 이들은 이트리아(Yttria, 산화 이트륨), 터비아(terbia, 산화 터븀), 어비아(erbia, 산화 어븀)이다. 1878년에는 가돌린의 이트리아에서 제4의 산화물인 산화 이터븀(ytterbium)이 발견되었고, 이후 이들 4가지 산화물들도 모두 혼합물임이 밝혀져, 결과적으로 가돌린의 이트리아에서 전체 희토류 원소의 반이 넘는 무려 10가지의 새로운 원소가 발견되었다. 1789년 가돌린이 이트리아를 처음 발견한 이후 1907년에 이에서 마지막으로 루테튬(Lu)이 발견되기까지 무려 118년이나 걸렸다. 이는 희토류 원소들이 성질이 아주 비슷하고 분리가 어려움을 단적으로 보여주는 것이다. 이트륨의 원소기호는 1920년대 초반까지는 Yt를 사용하였으나, 이후 Y로 사용하게 되었다.

 

 

고순도의 이트륨 결정(왼쪽, 가운데)과 재융합된 이트륨 입방체(제일 오른쪽). <출처: (CC)Alchemist-hp at Wikipedia.org>

 

 

 

물리적 성질 이트륨은 결정 상태에서는 금속 광택이 나는 은백색을 띠나, 분말은 광택이 없고 진한 회색 내지 검정색이다. 녹는점은 1526oC이고 끓는점은 3336oC이며, 20oC에서의 밀도는 4.45 g/cm3이다. 결정은 육방조밀격자(hcp) 구조를 하며, 한 개의 짝짓지 않은 전자를 갖고 있어 상자기성(paramagnetic)을 보인다. 전기 비저항은 20oC에서 596 nΩ·m로, 알루미늄의 약 20배이다. 즉 전기 전도도는 Al의 1/20이다. 중성자를 잘 흡수하지 않는다.   동위원소 이트륨은 천연상태에서는 안정한 동위원소인 89Y 한가지로만 있다. 최소한 32가지의 방사성 이트륨 동위원소들이 합성되었는데, 반감기가 긴 것들은 88Y(반감기 106.65일), 91Y(반감기 58.51일), 87Y(반감기 3.35일), 90Y(반감기 2.67일)이다. 질량수가 89보다 작은 동위원소들은 주로 전자 포획으로 스트론튬(Sr) 동위원소가 되며, 질량수가 89보다 큰 것들은 주로 β- 붕괴를 하고 지르코늄(Zr) 동위원소가 된다. 90Y 은 우라늄(U)과 플루토늄(Pu)의 핵분열에서 높은 수율로 생성되는 90Sr(반감기 28.9년)이 β- 붕괴를 하여 생성된다.

 

 

 

화학적 성질

 

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

이트륨 원자의 바닥상태 전자 배치는 [Kr]3d14s2이다. 쉽게 3개의 전자를 내놓고 비활성 기체인 크립톤(Kr)과 같은 전자배치를 하므로, 화합물에서는 주로 +3의 산화상태를 갖는다. Y3+는 색을 띠지 않는다. 이트륨은 화학적으로는 주기율표에서 같은 족의 바로 위에 있는 스칸듐(Sc)보다는 란타넘족 원소들과 더욱 비슷하다. 정량적 성질은 대략 란타넘족의 64Gd와 68Er의 중간 정도가 된다. 64Gd~71Lu의 원소들과 이트륨을 합쳐 중희토류(heavy rare earths)로 분류하고 이들을 이트륨족 원소라 부르기도 한다. 이트륨족 원소들은 비슷한 원자 반경, 이온 반경, 표준 전위(Eo)를 갖는다. 예로 Y의 원자반경은 180 pm인데 나머지 이트륨족 원소들도 175.9~193.3 pm 범위에 있고, 6배위체에서 Y3+의 이온 반경은 90.0 pm인데 다른 이트륨족 이온들은 86.1~93.8 pm 사이에 있다. 또 수용액에서 Y3+의 Eo는 -2.37V인데, 다른 이트륨족 이온들의 Eo는 –2.28~-2.32 V 사이에 있다.   Y3+ (aq) + 3e-  Y(s)    Eo = -2.37 V

 

 

 

순수한 금속 이트륨은 공기 중에서 비교적 안정한데, 이는 산화물 Y2O3의 보호피막이 만들어지기 때문이다. 이트륨을 가루나 얇은 박으로 만들면 공기와 쉽게 반응하고 400oC이상에서는 불이 붙을 수 있다. 질소에서 1000oC 이상으로 가열하면 질화 이트륨(YN)을 생성한다. 물과 쉽게 반응하여 수소를 발생시키고 Y(OH)3가 된다. 진한 질산(HNO3)이나 플루오르화수소산(HF)에는 잘 녹지 않으나, 다른 강산에는 잘 녹는다. 그러나 알칼리에는 녹지 않는다. 할로겐과는 약 200oC 이상에서 삼할로겐화물(YX3)을 만드는 데, YF3는 물에 녹지 않으나 다른 할로겐화물은 물에 잘 녹는다. 여러 비금속 원소들과도 높은 온도에서 이성분 화합물들을 만든다.

 

 

 

이트륨의 생산

 

희토류 원소들을 보통 경희토류 원소(light rare earth elements, LREE: 57La~63Eu)와 중희토류 원소(heavy rare earth elements, HREE: 64Gd~71Lu + 39Y)로 나누는데, 희토류 생산에 많이 사용되었던 희토류광(bastnasite)은 경희토류(LREE) 광석으로 Y는 0.1% 정도 들어있고, 다른 희토류 원소들이 주로 들어있다. 이 광석은 1960~1990년대에는 미국의 마운틴 패스(Mountain Pass) 광산에서 채광되어 전세계 희토류 생산의 약 50%를 차지하였으나, 2002년부터는 채광이 중지되었다. 또 다른 희토류 광석인 모나자이트(monazite)도 LREE 광석으로 Y의 함량은 약 2%인데, 인도와 브라질에 많이 매장되어 있어 이들 나라가 20세기 초반에는 Y의 주된 생산국이 되었다. 현재 대부분의 희토류는 중국에서 생산되는데, 중국에는 중희토류(HREE) 광석인 제노타임(xenotime)이 많이 매장되어 있고 이 광석에는 이트륨이 YPO4 형태로 60% 정도까지 포함되어 있다. 또한 중국 남부에는 희토류 원소를 약 1% 포함하는 이온 흡착 점토가 널리 분포되어 있으며, 이를 희토류 생산에 사용하기도 한다.   이트륨과 란타넘 원소들을 분리·생산하는 구체적인 방법은 광석에 따라 조금씩 다르다. 가장 전형적인 방법은 광석을 선광하고 산으로 처리하여 금속 염들을 녹여낸 후 양이온 교환 크로마토그래피를 써서 각 성분 금속들을 분리한다. 분리된 이트륨 염 용액에 옥살산 염을 첨가하여 옥살산 이트륨(Y2(C2O4)3) (20oC 용해도곱 상수, 3.5x10-15)을 침전시켜 회수한 후 이를 산소 기류에서 가열하여 산화 이트륨(Y2O3)을 얻는다.

현재 대부분의 희토류는 중국에서 생산되는데, 중국에는 중희토류 광석인 제노타임이 많이 매장되어 있고 이 광석에는 이트륨이 YPO4 형태로 60% 정도까지 포함되어 있다. <출처: (CC)Rob Lavinsky at Wikipedia.org>

 

 

 

2Y3+ + 3(C2O4)2- → Y2(C2O4)3 2Y2(C2O4)3 + 3O2 → 2Y2O3 + 12CO2    금속 이트륨은 Y2O3를 HF와 반응시켜 YF3를 얻고, 이를 금속 칼슘(Ca)으로 환원시키면 얻을 수 있다.   Y2O3 + 6HF → 2YF3 + 3H2O 2YF3 + 3Ca → 2Y + 3CaF2   미국 지질조사국(USGS) 자료에 따르면, 2004년 전세계 이트륨 광석 생산량(Y2O3로 환산한 양)은 2,400 톤이며, 이중 2,300톤이 중국에서 생산되었다. 전세계 광석 매장량은 매우 많은 것으로 추정된다. 2012년 5월 초 기준으로 중국산의 가격은 Y2O3(순도 99,999%)은 톤 당 미화 약 12만$(1kg 당 120$), 금속 이트륨(99.9%)은 1kg 당 170$이다.

 

 

 

 

이트륨의 용도 이트륨은 금속 자체로보다는 주로 산화물인 Y2O3 형태로 생산되어 사용되는데, 2003년 미국의 경우 전등과 음극관 인광체로 77%, 합금으로 5%가 사용되었다.   금속과 합금 금속 이트륨은 고성능 점화 플러그 전극으로, 그리고 프로판 가스등에서 점화구에 씌우는 그물로 사용되는데, 종전에는 방사성 금속인 토륨(Th)이 사용되던 것을 대체하였다. 또한 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 크로뮴(Cr), 몰리브데넘(Mo) 등 여러 다른 금속에 소량씩 첨가되어 이들 금속을 단단하고, 잘 마모되지 않으며, 고온에서도 잘 부식되지 않도록 하는 데 사용된다. 이트륨 합금은 절단 도구, 베어링, 제트 엔진 코팅, 미사일 부품 등에 사용된다. 또 바나듐(V)과 다른 비철금속의 산화물을 환원시키는 데 사용될 수도 있다.

 

 

 

수명이 긴 고성능 점화 플러그 전극과 프로판 가스등의 맨틀에 이트륨이 사용된다. <출처: (CC)天然ガス at Wikipedia.org>

지금까지는 이트륨의 대부분이 컬러 TV 음극관 등에 쓰이는 붉은색 인광체를 만드는 데 사용되었다.

 

 

 

 

인광체 산화 이트륨(Y2O3)은 컬러 TV와 컴퓨터 모니터, 절전형 형광등에서 붉은 빛을 내는 인광체로 주로 쓰이는데, 미량의 유로퓸(Eu)이 Eu3+ 상태로 각각 YVO4와 Y2O2S에 첨가된 Eu:YVO4와 Eu:Y2O2S가 대표적인 붉은 빛을 내는 인광체이다. 이들 인광체에서 나오는 붉은 빛은 들뜬 Eu3+에서 나오며, 주성분인 이트륨 화합물은 전자총에서 나오는 전자의 에너지를 수확하여 Eu3+에 넘겨주는 역할을 한다. Eu3+대신에 터븀(Tb3+)을 첨가하면 녹색 인광체를 얻을 수 있다. 음극관을 사용하는 TV와 컴퓨터 모니터가 액정 디스플레이(LCD)와 발광다이오드(LED) 모니터로 전환되고 있어, 이 용도에서의 사용은 점차 줄어들 전망이다.

 

 

 

YAG 레이저 로드. 이트륨은 Nd-YAG 레이저를 만드는 데 사용되며, 이 레이저는 백내장 수술 등의 의료용으로, 그리고 금속 및 플라스틱의 정밀 가공 등의 용도로 널리 사용된다. <출처: Materialscientist at Wikipedia.org>

합성 가넷과 레이저  가넷(garnet)은 규산염 광물로 예로부터 보석과 연마제로 사용되어 왔는데, 화학식은 X3Y2(SiO4)3. (X=Ca2+, Mg2+, Fe2+: Y = Al3+, Fe3+, Cr3+)이다. 이트륨을 포함하는 여러 합성 가넷들이 합성되어 다양한 용도로 사용되는데, 이트륨 알루미늄 가넷(yttrium aluminum garnet, YAG: Y3Al2(AlO4)3 또는 Y3Al5O12)은 유사 다이아몬드로 1970년대에 큐빅 지르코니아가 대량으로 생산될 때까지 많이 사용되었다. 또한 YAG에 세륨(Ce)을 도핑한 YAG:Ce는 백색 LED용 백색 인광체로 사용된다. 이트륨 철 가넷(yttrium iron garnet, YIG; Y3Fe5O12 또는 Y3Fe2(FeO4)3)은 퀴리(Curie) 온도가 177oC인 페리자성체(ferrimagnetic substance: 외부 자기장을 걸어주면 그 자기장과 같은 방향으로 강하게 자화되는 물질)로 적외선을 잘 통과시켜 우수한 성능의 마이크로파 필터, 음향 에너지 송신기와 변환기로 사용된다. 또한 여러 마이크로파 및 고주파 기기에 사용되고, 고체 레이저로도 사용된다.   YAG, Y2O3, LiYF4, YPO4와 같은 이트륨 화합물에 희토류를 첨가하여 근적외선 레이저를 만드는 데 사용한다. 이중 네오디뮴(Nd)이 도핑된 YAG(Nd:YAG) 레이저가 가장 많이 사용되는 고체 레이저인데, 주된 발진 파장은 1064 nm이고 연속 및 펄스 모드 둘 다로 작동하며, 세기가 아주 강하다. 주파수를 각각 2배, 3배, 4배로 하여 532nm, 355nm, 266nm 레이저광을 얻을 수 있다. Nd:YAG레이저는 의료용 레이저 시술, 각종 금속과 플라스틱의 가공, 먼 거리 측정, 기초과학 연구 등에 널리 사용된다.

 

 

 

기타 이용 이트륨 화합물들이 에틸렌의 중합을 비롯한 여러 화학반응에서 촉매로 사용된다. 또한 Y2O3를 유리 재료에 첨가하면 충격에 강하고 열팽창 계수가 적은 제품을 얻을 수 있어 광학 렌즈로 사용된다. 1987년에 이트륨 바륨 구리 산화물(yttrium barium copper oxide, YBCO: YBa2Cu3O7-δ)이 액체 질소의 끓는점(77K)보다 높은 93 K에서도 초전도 성질을 띤다는 사실이 발견되었다. 지금은 초전도체가 MRI와 같은 핵자기공명(MRI) 기기에 주로 사용되고, 이를 작동하기 위해 값비싼 액체 헬륨을 사용한다. 그러나 YBCO와 같은 헬륨 대신 값싼 액체 질소를 사용할 수 있는 고온 초전도체가 개발되면 이들을 송전, 전력 저장, 자기 부상 열차, 에너지 효율이 좋은 전기 기계 등에 대량으로 사용될 것이 분명하다. 또한 지르코니아(zirconia, ZrO2)에 이트륨을 첨가하여 고체전해질로 이용하거나 자동차 배기 시스템에서 산소 센서로 사용하기도 한다.

 

 

 

 

주요 이트륨 화합물 앞에서 보았듯이 가장 중요한 이트륨 화합물은 산화이트륨(Y2O3)이다. 이는 보통 희토류 광석에서 직접 생산되는데, 녹는점이 2425oC, 끓는점이 4300oC로 공기 중에서 높은 온도에서도 매우 안정하다. 이트륨이 포함된 인광체, 가넷, 초전도체를 만드는 데 쓰이며, 기타 이트륨 화합물 합성의 출발 원료 물질로 사용된다.   Y2O3를 염산(HCl)과 반응시키면 염화 이트륨(YCl3)이 얻어지며, 이는 여러 유기-이트륨 화합물을 얻는 데 사용된다. 또 플루오린화수소산(HF)과 반응시키면 플루오린화 이트륨(YF3)이 얻어지는데, 이는 금속 이트륨, 이트륨 박막, 유리 및 도자기를 얻는 데 사용된다.

 

 

 

 

생물학적 작용과 의학적 이용 이트륨의 생물학적 역할은 알려져 있지 않으나, 대부분의 생물체들은 약간의 이트륨을 포함하고 있다. 사람에게는 간, 신장, 허파 등 여러 조직에 이트륨이 들어있는데, 전체 양은 대략 0.5mg이다. 모유에도 약 4 ppm의 농도로 들어있다. 여러 채소에도 이트륨이 들어있는데, 특히 양배추에 많이 들어 있다.   물에 녹지 않는 이트륨 화합물은 거의 독성이 없으나, 수용성 이트륨 화합물은 약간의 독성을 나타낸다. 그러나 이트륨을 취급하는 작업장에서 일하는 작업자를 제외한 대부분의 사람은 과량의 이트륨에 노출될 염려는 거의 없다. 이트륨 화합물 특히 YCl3이 들어있는 먼지를 호흡하면 간이나 폐부종 등에 걸릴 위험이 있으며, 장기간 노출되면 폐암에 걸릴 수도 있다.   90Y은 90Sr에서 얻어져 여러 암을 치료하는 방사성 의약품에 사용되며, 90Y으로 만든 바늘은 루마티스성 관절염 환자 등에 시술되는 방사성 핵종 윤활막 절제술에 사용된다. 또한 Nd:YAG 레이저는 백내장 수술, 피부 미용 성형, 피부암 제거, 전립성 수술 등에 널리 사용된다.

 

 

 

1. 수치로 보는 이트륨
   이트륨의 표준원자량은 88.9059/mol이고, 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹5s² ([Kr]4d¹5s²)이며, 화합물에서 주된 산화 수는 +3이다. 지각에서의 존재 비는 약 31ppm(0.0031%)으로 대략 28번째로 풍부한 원소이며, 흙에는 10~150ppm 들어있다. 2004년 기준 연간 전세계 생산량은 Y₂O₃로 2400톤이고, 이중 2300톤이 중국에서 생산되는 것으로 추정된다. 1기압에서 녹는점은 1526^oC이고 끓는점은 3336^oC이며, 20^oC에서의 밀도는 4.45g/cm³이고 녹는점에서의 액체 밀도는 4.24g/cm³이다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 600, 1180, 1980kJ/mol이며, 폴링의 전기 음성도는 1.22이다. 원자 반경은 180pm(비교: Sc, 167pm; La, 187pm; Tb, 177.3pm)이며, 6배위체의 이온 반경은 90pm (비교: Sc³⁺, 74.5pm; La³⁺, 103.2pm; Tb³⁺, 92.3pm)이다. 천연상태에서는 안정한 동위원소 ⁸⁹Y 한 가지로 존재한다. 반감기 28.9년인 ⁹⁰Sr에서 생성되는 ⁹⁰Y는 반감기가 2.67일로 β^- 붕괴를 하고 안정한 ⁹⁰Zr이 된다.

2. 란타넘족 원소(lantanides)
   보통 원자번호 57번인 란타넘(La)에서 71번인 루테튬(Lu)까지의 15개 원소를 말한다. IUPAC 명명에서는 란타노이드(lantanoid)라 하며, 통틀어 화학 기호 Ln으로 표시하기도 한다. 이들과 스칸듐(Sc)과 이트륨(Y)을 합친 것을 희토류 원소라 한다. 최외각 전자껍질의 전자는 6s²이며, 5d 오비탈에 1개의 전자가 들어있고 원자번호가 증가함에 따라 4f 오비탈에 들어있는 전자의 수가 증가하게 된다. 모두 +3 이온(Ln³⁺)을 만들며, 이의 반경은 원자번호가 클수록 점차적으로 줄어든다. 이 현상를 란탄족 수축(lanthanide contraction)이라 한다. 란타넘족 원소들을 분리성에 따라 ₅₇La~₆₃Eu를 경희토류(light rare earths) 또는 세륨족, ₆₄Gd~₇₁Lu에 ₃₉Y를 합친 것을 중희토류(heavy rare earths) 또는 이트륨족으로 나누기도 한다.

3. 고온 초전도체(high temperature superconductor, high-Tc superconductor)
   고온(보통 30K 이상)에서도 전기저항이 없는 초전도 성질을 보이는 물질이다. 1986년에 스위스 취리히 IBM 연구진에 의해, 리튬 바륨 구리 산화물이 금속 초전도체에서는 얻을 수 없었던 고온 초전도 성질을 보임이 발견되었는데, 이의 임계온도(T_c, 어떤 물질이 초전도체로 전환되는 온도로 이 온도 이하에서 초전도체임)는 35K이었다. 이를 발견한 연구자들은 ‘세라믹 물질에서 초전도성을 발견한 중요한 돌파구를 마련한 공로’로 1987년 노벨 물리학상을 수상하였다. 1987년에는 T_c가 93K인 이트륨 바륨 구리 산화물(YBCO)이 발견되었는데, 이는 T_c가 액체 질소의 끓는점(77K)보다 높은 최초의 초전도체이다. 현재까지 발견된 것 중 가장 높은 T_c를 갖는 초전도체는 수은 바륨 칼슘 구리 산화물로 T_c가 133K이다. 초전도체는 MRI를 포함한 고분해능 핵자기공명(NMR) 장치, 자기 부상 열차 등에 사용되며, 전력 손실이 없는 송전과 전기 저장, 열 발생이 없어 효율이 좋은 전기 기기에 사용될 수 있다.

 

 

 

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  2012.05.23

 

Yttrium Atomic Weight   88.90585 Density   4.472 g/cm3 Melting Point   1526 °C Boiling Point   3345 °C Full technical data Yttrium is rarely seen in pure form and has no applications as a metal. Yttrium-aluminum-garnet (YAG) is important in lasers and yttrium is also used in the phosphors of color television sets (the old CRT kind). Scroll down to see examples of Yttrium.