Lanthanum(La), 57-란타넘, 란탄

 

원자번호 57번 란타넘에서 71번 루테튬(Lu)까지의 15개 원소를 란타넘족 원소(lanthanide 또는 lanthanoid)라 부르는데, 이는 이들 원소들이 광석에 함께 들어있고 성질이 란타넘과 비슷하기 때문에 붙여진 이름이다. 한편 란타넘족 원소들과 21번 스칸듐(Sc), 39번 이트륨(Y)을 합쳐 희토류(rare earth) 금속(원소)이라 부르는데, 이는 오래 전에는 금속 산화물을 흙(토, 土)이란 뜻의 ‘earth’라 불렀었고, 이들 원소의 산화물이 희귀했기 때문에 생긴 이름이다. 그러나 모든 희토류 원소들이 희귀한 것은 결코 아니다. 다만 채광이 가능할 정도의 농도를 가진 광석이 다른 광물들에 비해 적으며, 희토류 광석에는 여러 희토류 원소들이 함께 들어있어 각각의 금속을 분리해내는 것이 아주 복잡하고 비용이 많이 든다. 현재는 희토류 금속의 대부분이 중국에서 생산되어 전세계에 공급된다. 희토류 금속들은 각종 화학 촉매, 금속 합금, 특수 유리, 그리고 하이브리드 자동차나 전자 및 광학 제품 등의 첨단 산업 제품에 아주 중요하게 사용된다. 따라서 이들 금속들을 확보하려는 국가간 경쟁이 심하고, 중국은 이들을 자원 무기로 이용하기도 한다. 란타넘족 원소와 희토류 금속의 대표격인 란타넘의 성질, 생산, 이용에 대해 보다 자세히 알아보기로 하자.

 

 

원자번호 57번, 란타넘 란타넘(lanthanum)1)은 원자번호 57번의 원소로, 원소기호는 La이다. 주기율표에서 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 루테튬(Lu), 악티늄(Ac)과 함께 3족(3B족)에 속하는데, 이들 원소의 원자들은 1개의 d전자와 맨 바깥 전자껍질에 2개의 s전자를 갖고 있다. 란타넘은 전성과 연성이 있는 은백색의 무른 금속이나, 공기 중에서는 쉽게 표면이 산화되어 회백색으로 흐려진다. 희토류 금속 중에서 반응성이 매우 큰 편에 속하는데, 할로겐 원소들과 쉽게 반응하고 가열하면 수소나 질소와도 반응하다. 찬 물과는 느리게 반응하나, 뜨거운 물과는 빠르게 반응하여 수산화물을 생성하며, 대부분의 산에 녹는다. 화합물에서 가장 흔한 산화상태는 +3이다.

 

원자번호 57번, 란타넘. <출처: (cc) Bill Ebbesen>

란타늄의 원소 정보

 

란타넘은 지각에서의 존재비가 약 32ppm (0.0032%)로, 대략 28번째로 풍부한 원소인데, 희토류 금속 중에서는 세륨(Ce, 지각 존재비 46ppm) 다음으로 많이 존재한다. 이는 코발트(Co, 29ppm)보다 많은 양이고, 주석(2ppm)과 납(13ppm)을 합친 것보다도 많은 양이다. 그러나 특정 광상에 집중되어 있기 보다는, 지각에 조금씩 널리 퍼져 있다. 가장 중요한 광석은 모나자이트(monazite)와 희토류광(bastnäsite)이며, 이들에 다른 여러 희토류 금속 원소들과 함께 들어있는데, 전체 란타넘족 원소 함량의 약 25~38%를 란타넘이 차지한다. 일반적으로, 란타넘의 함량은 모나자이트에서보다 희토류광에서 더 높다.   란타넘은 합금과 화합물의 형태로 여러 용도로 중요하게 사용된다. 예로, 라이터 돌 등에 사용되는 발화합금(發火合金, pyrophoric alloy: 긁거나 문지르면 불꽃이 나는 합금)인 미시메탈(mischmetal)의 주요 성분이며, 대부분의 하이브리드 자동차에 사용되는 니켈수소전지 양극의 주된 성분이다. 또한 강철 등 여러 금속의 성질을 향상시키는 합금제로도 사용된다. 란타넘은 수소저장 합금의 주요 성분으로, 이 합금은 미래의 수소 연료자동차에 요긴하게 이용되리라 기대된다. 한편, 란타넘 화합물은 영화 촬영소 조명과 영사기에 사용되는 탄소 아크등의 탄소 전극의 한 성분으로 들어가며, 비활성 기체 텅스텐 아크 용접 전극에 방사성 원소인 토륨(Th)을 대체하여 사용된다. 또한 석유 분해 촉매 등 여러 촉매의 성분이며, 가스등의 맨틀(점화구에 씌우는 그물)에도 들어간다. 산화란타넘(La2O3)은 사진기, 현미경, 망원경 등의 렌즈 유리, 광섬유, 적외선 흡수 유리와 같은 특수 유리에 사용된다. 또한 인광체나 신틸레이터(scintillator, 방사선이 부딪치면 빛을 발하는 것으로 섬광(閃光)이라고도 함) 재료 등으로도 란타넘 화합물이 사용된다. 탄산란타넘(La2(CO3)3)은 만성 신부전 환자의 과다한 혈중 인산염을 흡수하는 의약품으로 사용되기도 한다.

 

 

란타넘의 발견과 역사 란타넘은 1839년에 스웨덴의 바스트나스(Bastnäs) 광산의 셀라이트 광석(celite: 세륨과 란타넘을 포함하는 규산염 광물)에서 스웨덴의 베르셀리우스 학생이었던 모산데르(Carl Gustav Mosander, 1797~1858)에 의해 처음 발견되었다. 이보다 앞서 베르셀리우스(Jons Jakob Berzelius, 1779~1848)를 비롯한 여러 화학자들은 1803년에 이 광석에서 새로운 산화물을 분리하고, 이를 세리아(ceria)로, 그리고 이 산화물에 들어있는 금속 원소를 세륨(cerium)이라 명명하였다. 모산데르는 스승의 ‘세리아’에 다른 희토류 원소도 들어있을 것으로 여기고, 이를 분리하고자 하였다. 그는 ‘세리아’에 찬 묽은 질산을 첨가하였더니 일부만 녹는 사실을 발견하였다. 이 결과를 산화세륨보다 더 염기성인 새로운 산화물이 ‘세리아’에 존재한다는 증거로 삼아, 녹은 용액을 분리하고 옥산살소듐(Na2C2O4)을 가해 침전을 얻은 후 이를 가열하여 1839년에 연한 벽돌 색의 새로운 산화물을 얻었다. 베르셀리우스는 이 새로운 산화물을 그리스어로 ‘숨어 있는’이란 뜻의 ‘lanthano’를 따서 란타나(lanthana)로, 그리고 산화물을 이루는 새로운 금속 원소를 ‘란타넘(lanthanum)’이라 부를 것을 제안하였다. 모산데르는 또한 순수한 산화세륨도 분리하였다. 이로써 장장 70년에 걸친 란타넘족 원소 발견의 역사가 시작되었다.

 

모산데르(Carl Gustav Mosander, 1797~1858

베르셀리우스(Jons Jakob Berzelius, 1779~1848)

 

 

한편, 모산데르는 ‘세리아’에서 란타넘과 성질이 비슷한 또 다른 새로운 원소 디디뮴(didymium)을 발견하였다고 1841년에 주장하였는데, 디디뮴은 사실상 하나의 원소가 아니고 원자번호 59번의 프라세오디뮴(Pr)과 60번의 네오디뮴(Nd)의 혼합물임이 1885년에 벨즈바하(Carl Auer von Welsbach, 1858~1929)에 의해 밝혀졌다. 비교적 순수한 형태의 금속 란타넘은 1923년에야 용융 할로겐화물의 전기분해로 얻어졌다.   원소의 주기율표를 만든 멘델레예프(Dmitri Mendeleev, 1834~1907)는 란타넘과 디디뮴(당시까지 디디뮴은 하나의 원소로 여겼음)을 질산암모늄과의 복염을 이루는 결정으로 분리시키는 방법을 1870년대에 찾아내었는데, 이러한 란타넘 분리 방법은 1950년대부터 상업적으로도 이용되었다. 이후 이온교환 및 용매 추출법을 써서 보다 효율적으로 란타넘을 분리하는 방법이 개발되어 현재 사용되고 있다.   란타넘의 실용적 이용은 벨즈바하가 1885년에 가스등 맨틀(그물 망)에 사용한 것이 처음인데, 악티노포르(actinophor)라 불린 이 맨틀은 60% MgO, 20% La2O3, 20% Y2O3로 만들어졌다. 그러나 란타넘은 1900년대 중반까지는 대량 생산 방법이 개발되지 않아 거의 사용되지 못하였는데, 이후 분리 방법이 점차 개선됨으로써 지금은 많은 양이 생산되어 여러 용도로 중요하게 사용된다.

 

란타넘은 전성과 연성이 있으며, 날카로운 칼로 자를 수 있을 정도로 무른 은백색의 금속이다.<출처: (cc) Lanthanum-138>

 

 

물리적 성질 란타넘은 전성과 연성이 있으며, 날카로운 칼로 자를 수 있을 정도로 무른(모스 경도 2.5) 은백색의 금속이다. 녹는점은 920oC이고 끓는점은 3464oC이며, 20oC에서의 밀도는 6.16g/cm3이다. 결정은 낮은 온도에서는 육방조밀격자(hcp) 구조(α-형)를 하나, 310oC에서는 면심입방구조(fcc), 그리고 865oC에서는 체심입방(bcc) 구조로 변한다. 한 개의 짝짓지 않은 전자를 갖고 있어 상자기성(paramagnetic)을 보이며, 전기 비저항은 20oC에서 615 nΩ·m로 알루미늄의 약 20배이다.   동위원소 란타넘은 천연상태에서 99.91%가 안정한 동위원소인 139La로 존재하고, 나머지 0.09%는 반감기가 1.05x1011년인 방사성 동위원소 138La로 존재한다. 138La의 66.4%는 β+ 붕괴를 해서 바륨-138(138Ba)이 되고, 33.6%는 β- 붕괴를 해서 세륨-138(138Ce)이 된다. La-Ba 방사선 연대 측정법은 암석이나 광석의 생성 연대 측정에 이용되기도 한다. 질량수가 117~155인 38가지의 인공 방사성 동위원소들이 알려져 있는데, 반감기가 긴 것은 137La(반감기 60,000년)과 140La(반감기 1.68일)이고, 다른 것들은 반감기가 5시간 미만이다. 8가지의 준안정한 핵이성체가 확인되었는데, 반감기가 가장 긴 것이 132mLa(반감기 24.3분)이다. 질량수가 137보다 작은 동위원소들은 주로 전자 포획으로 바륨(Ba) 동위원소가 되며, 질량수가 140보다 큰 것들은 주로 β- 붕괴를 하고 세륨(Ce) 동위원소가 된다. 139La와 140La은 핵연료 분열에서 생성되기도 한다. 방사성 란타넘 동위원소들 중 상업적으로 사용된 예는 아직 없다.

 

 

화학적 성질

란타넘 원자의 바닥상태 전자 배치는 [Xe]5d16s2이다. 쉽게 3개의 전자를 내놓고 비활성 기체인 제논(Xe)과 같은 전자배치를 하므로, 화합물에서는 주로 +3산화상태를 갖는다. +2상태도 가질 수 있는데, +3상태보다 훨씬 덜 안정하다. 희토류 금속 중에서는 가장 반응성이 큰 금속의 하나인데, 수용액에서 La3+/La 반쪽 전지의 표준 전위는 -2.38V로, Mg2+/Mg의 -2.36V와 비슷하다. 즉 란타넘은 마그네슘과 비슷한 전기 양성도를 보인다.   La3+(aq) + 3e- La(s) Eo = -2.38 V   공기에 노출되면 빠르게 산화되어 산화란타넘(La2O3)이 되는데, La2O3는 산화칼슘(CaO)에 버금가는 염기성을 나타낸다. 할로겐과는 실온에서 반응하며, 가열하면 질소(N2), 수소(H2), 탄소(C), 인(P), 황(S) 등 대부분의 비금속 원소들과도 반응한다. 찬 물과는 천천히, 그러나 더운 물과는 빠르게 반응하여 수산화란타넘(La(OH)3)이 되고 수소 기체를 내어놓는다. 대부분의 묽은 산에 잘 녹는다. 강산과의 염은 물에 잘 녹지만, 플루오르화수소산(HF), 인산(H3PO4), 옥살산(H2C2O4)과 같은 약산의 염은 물에 잘 녹지 않는다.

란타넘의 바닥 상태 전자 배치 <출처 : (cc)Pumbaa at Wikipedia.org>

 

란타넘 이온(La3+)은 반경(6 배위체의 경우 103.2 pm)이 크기 때문에 전이금속들에 비해서는 약한 배위결합을 하는 반면, 한 이온에 배위될 수 있는 배위자(ligand)의 수는 많다. 예로, 물에서는 9 배위체인 [La(H2O)9]3+로 존재하며, F- 착화합물의 경우는 배위수가 11개(9개는 가깝고 2개는 약간 멀다), Cl-와 Br- 착화합물은 9개, 그리고 I- 착화물은 8개이다.

 

 

란타넘의 생산 란타넘은 주로 모나자이트(monazite, (Ce,La,Th,Nd,Y)PO4)와 희토류광(bastnäsite, (Ce,La,Y)CO3F)에서 분리∙생산된다. 이들 광석은 경희토류 원소((light rare earth elements, LREE: 57La~63Eu) 광석으로 란타넘이 다른 희토류 금속들과 함께 들어있다. 희토류광에는 란타넘이 전체 희토류 금속의 38%까지 들어있는데, 중국과 미국에 많이 매장되어 있으며, 1960~1990년대에는 미국의 마운틴 패스(Mountain Pass) 광산에서 채광된 것이 전세계 희토류 생산의 약 50%를 차지하였으나 2002년부터는 채광이 중지되었다. 모나자이트는 인도와 브라질에 많이 매장되어 있는데, 란타넘 함량이 25%까지 된다.   희토류 광석에서 란타넘을 분리시키는 구체적인 방법은 광석에 따라 약간씩 다르나, 전형적인 방법은 다음과 같다. 광석을 분쇄하여 가루로 만들고 선광한 후, 뜨거운 황산으로 처리하여 희토류 원소의 수용성 황산염을 만든다. 여과하여 찌꺼기를 제거한 후 수산화소듐(NaOH)을 가해 토륨(Th)을 수산화물 침전으로 제거한다. 다음에 옥살산암모늄((NH4)2C2O4)을 첨가해서 희토류 원소들의 옥살산 염을 침전으로 얻고, 이를 공기 중에서 열 분해시켜 희토류 금속 산화물의 혼합물을 얻는다.   2 Ln3+ + 3 (NH4)2C2O4 → Ln2(C2O4)3↓ + 6 NH4+ (Ln: 희토류 원소) 2 Ln2(C2O4)3 + 3 O2 → 2 Ln2O3 + 12 CO2 (세륨은 CeO2가 생성)   혼합 산화물에서 란타넘과 다른 성분 금속들을 분리시키는 일은 까다롭고 비용이 많이 드는데, 고전적인 방법은 멘델레예프가 찾아낸 질산암모늄 복염 분별 결정법이다. 이 방법은 혼합 산화물을 질산에 녹여 주성분의 하나이면서 질산에 녹지 않는 세륨 산화물을 분리시킨 후, 남은 여액에 질산암모늄(NH4NO3)을 가해 다른 희토류(주로 Pr과 Nd) 복염보다 용해도가 낮은 질산란타넘암모늄(La(NH4)(NO3)4) 복염을 침전으로 얻는 것으로, 현대적인 방법이 출현하기 전인 1950년대 후반까지 흔히 사용되었다.   La3+ + 3 NO3- + NH4NO3 → La(NH4)(NO3)4↓   1960년대 이후에는 양이온 교환 크로마토그래피 방법과 용매 추출 방법이 주로 이용되고 있다. 분리해낸 란타넘 화합물은 공기 중에서 열 분해시켜 산화란타넘(La2O3)으로 전환된다.

 

모나자이트 광석. 란타넘은 희토류 광석의 하나인 모나자이트(monazite)에서 생산된다<출처: (cc) Aangelo>

모나자이트의 가루. 란타넘을 추출하려면 일단 광석을 가루로 만들어야 한다.

 

 

금속 란타넘 금속 란타넘은 산화란타넘을 화학적 방법이나 전기분해 방법으로 환원시켜 얻는다. 이들 방법에서는 먼저 산화란타넘을 NH4Cl이나 HCl로 처리하여 LaCl3로 만들거나, 또는 NH4F나 HF와 반응시켜 LaF3로 전환시킨다. 화학적 방법에서는 이들 할로겐화물을 진공이나 아르곤 기류 하에서 리튬(Li) 등의 알칼리 금속이나 칼슘(Ca) 등의 알칼리 토금속으로 환원시켜 금속 란타넘을 얻는데, NH4Cl과 Ca를 사용한 경우의 반응식은 아래와 같다.   La2O3 + 6 NH4Cl → 2 LaCl3 + 6 NH3 + 3 H2O 2 LaCl3 + 3 Ca → 2 La + 3 CaCl2   전기분해 방법에서는 할로겐화물인 LaCl3을 NaCl 또는 KCl과 용융 혼합물을 만들고, 이를 전기적으로 환원시켜 금속 란타넘을 얻는다.   미시메탈(mischmetal) 희토류 산화물들의 혼합물에서 란타넘 산화물을 순수하게 분리하는 것이 어렵고 비용이 많이 들기 때문에, 혼합 산화물을 성분 산화물로 분리하지 않고 그대로 위에서와 같은 방법으로 환원시켜 금속 혼합물 형태의 미시메탈을 생산하여 사용하기도 한다. 미시메탈의 금속 조성은 사용한 원 광석의 금속 조성과 혼합 산화물을 얻는 과정에 따라 차이가 나는데, 전형적인 것은 세륨 50%, 란타넘 25%에 소량의 프라세오디뮴(Pr)과 네오디뮴(Nd)이 들어 있다. 최근에는 네오디뮴과 프라세오디뮴의 수요가 많아 이들 금속을 분리·생산하기도 하는데, 이들을 분리하고 난 다음에 얻은 미시메탈은 세륨이 약 65%, 란타넘이 약 35% 들어있다. 미시메탈을 질산에 녹이고, 앞서 언급된 분리 및 환원 과정을 거치면 개별 성분 금속들을 얻을 수도 있다. 지금은 란타넘의 50% 이상이 미시메탈 형태로 사용된다.   란타넘의 연간 생산량은 약 12,000톤이고, 광석 매장량은 약 600만 톤으로 추정된다. 2012년 9월초 중국산의 La2O3(99 % 이상) 가격은 미화 약 20,000$/톤, 금속 란타넘(99% 이상)은 36$/kg이다. 미시메탈 가격은 대략 21$/kg이다.

 

미시메탈. 희토류 금속의 혼합물 형태이다.<출처 : (cc) Spypredator at Wikimedia.org >

 

 

란타넘의 용도 란타넘은 금속 자체로는 거의 사용되지 않고, 대부분이 합금과 화합물 형태로 사용된다.   니켈수소 전지 란타넘의 가장 큰 용도는 니켈수소(nickel-metal hydride, NIMH) 전지이다. 니켈수소 전지는 충전이 가능한 2차전지로, 이 전지의 양극 재료로 순수한 니켈보다는 니켈에 란타넘과 같은 희토류 금속을 첨가한 합금의 수소화물이 주로 사용된다. 니켈수소 전지는 여러 산업용 2차전지로 사용되는데, 특히 일반 자동차에 비해 연비가 월등히 좋은 하이브리드(hydrid) 자동차에 많이 사용되며, 전기자동차 전지로도 사용될 것이 기대된다. 하이브리드 자동차 1대당 사용된 란타넘의 양은, 예로 토요타(Toyota) 프리우스(Prius)의 경우 10~15Kg이다. 니켈수소 전지는 리튬이온 전지와 자주 비교되는데, 리튬이온 전지는 니켈수소 전지에 비해 에너지 밀도가 1.5배 정도 높아 휴대용 전자기기에 주로 사용되는 반면, 니켈수소 전지는 리튬이온 전지에 비해 사고 시 안전성이 높고, 높은 출력을 낼 수 있는 장점이 있다. 보다 연비가 좋은 하이브리드 자동차를 개발하려는 연구가 한창 진행 중인데, 이에는 보다 많은 양의 란타넘이 요구되리라 예상된다.

 

하이브리드 자동차에 쓰이는 니켈수소 전지에는 란타넘이 사용된다.

 

 

합금 란타넘은 여러 금속의 합금제로도 사용된다. 강철의 경우에는 전성, 충격 저항력, 연성 등을 향상시키기 위해, 몰리브데넘(Mo)의 경우에는 강도와 온도에 대한 민감성을 줄이기 위해, 그리고 알루미늄(Al)과 마그네슘(Mg)의 경우에는 내열성을 높이기 위해 란타넘을 첨가한다. 그리고 수소를 흡착·저장하는 수소 저장 합금(hydrogen sponge alloy)에도 흔히 란타넘이 들어있는데, 이들 합금(특히 니켈 합금)은 자기 부피의 400배나 되는 양의 수소를 저장하고 가역적으로 방출할 수 있어 수소 연료 전지에 요긴하게 사용되리라 기대된다. 란타넘을 합금제로 사용할 경우에 순수한 란타넘보다는 값이 저렴한 미시메탈을 주로 사용한다. 미시메탈은 또한 라이터 돌과 가스 점화기 등의 발화합금에도 사용되는데, 이 경우에는 미시메탈이 너무 물러 산화철(Fe2O3)과 산화마그네슘(MgO)을 넣어 단단하게 만들어 사용한다.   탄소 아크등 란타넘 화합물의 중요한 용도 중의 하나는 탄소 아크등이다. 탄소 아크등은 탄소 전극 사이에 전류를 흘려 빛을 얻는 것으로, 이때 탄소 전극에 미량의 첨가물을 넣으면 이의 종류에 따라 빛의 색이 달라지는데, 보통 플루오르화란타넘(LaF3)과 산화란타넘(La2O3)을 첨가한다. 란타넘이 들어간 탄소 아크등은 밝은 백색광을 내며, 영화 촬영 시의 조명과 영사기의 광원으로 사용된다.   특수 광학 유리 La2O3는 유리의 알칼리에 대한 저항력을 향상시키기 위해 유리에 첨가되며, 적외선 흡수 유리, 높은 굴절률과 낮은 분산력을 활용하는 사진기, 현미경과 망원경 렌즈용 유리, 광섬유 등 특수 용도의 유리를 만드는데 사용된다. LaF3는 ZBLAN이라고 불리는 중금속 플루오르화 유리(화학 조성은 ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF)의 한 성분으로, 이 유리는 자외선인 0.3μm에서 적외선인 7μm까지에 이르는 넓은 파장 영역의 광 신호를 일반 광섬유에 비해 100배나 잘 통과시켜 광섬유 통신에 사용된다.   기타 용도 LaF3와 La2O3는 칼라 브라운 TV의 인광체로 사용되어 왔다. 또한 La2O3는 비활성 기체 텅스텐 아크 용접 전극에 방사성 원소인 토륨(Th)를 대체하여 사용된다. 이외에도 La2O3와 붕소화란타넘(LaB6)은 진공관에서 전자를 방출하는 음극 재료로 사용되는데, 특히 LaB6는 전자현미경과 홀효과추력기(Hall effect thruster)의 열 전자 방출원으로 사용된다. 또한 란타넘의 산화물, 염화물 등 여러 란타넘 화합물들이 석유화학에서의 유동촉매분해(fluid catalytic cracking)나 여러 유기화학 반응의 촉매 성분으로 사용된다. 한편, 탄산란타넘(La2(CO3)3)은 만성 신부전 환자에게서 과량의 인삼염을 제거하는 치료제(상품명, 포스레놀(Fosrenol))로 사용된다. 몇 가지 대표적 란타넘 화합물들을 아래에 소개한다.

 

란타넘이 들어간 유리는 굴절율이 높아 광학 렌즈, 광섬유 등에 사용된다. <출처: Gettyimages>

 

 

주요 란타넘 화합물 앞에서 보았듯이 중요한 란타넘 화합물로 산화란타넘(La2O3), 할로겐화란타넘(LaX3), 붕소화물(LaB6) 등이 있다.   산화란타넘(La2O3) La2O3는 금속 란타넘과 산소와의 반응에서 직접 만들 수도 있으나 황산염, 질산염, 질산암모늄 복염의 열분해로 얻는 것이 보다 편리하다. 또한 염화란타넘(LaCl3)을 가수분해시켜 얻은 La(OH)3를 탈수시켜 얻기도 한다.   LaCl3 + 3 H2O → La(OH)3 + 3 HCl 2 La(OH)3 → La2O3 + 3 H2O   La2O3는 흡습성이 있는 고체로, 공기 중에 오래 두면 물을 흡수하여 La(OH)3가 된다. 띠 간격이 4.3eV인 반도체로, 실온에서의 전기비저항은 100 Ω·m이다. 물에는 녹지 않으나, 묽은 산에는 녹아 무색의 La3+이 되며, 이에서 여러 란타넘 염을 만들 수 있다. 공업적으로 생산된 La2O3의 약 40%가 란타넘 유리 제조에 사용된다. 이외에도, La2O3는 압전 및 열전 물질 재료의 제조에도 사용되며, 자동차 배기가스 정화장치에도 들어간다.   할로겐화물(LaX3) 란타넘의 4가지 할로겐화물은 모두 금속 란타넘을 할로겐 원소와 직접 반응시켜 만들 수 있으나 보통 La2O3와 할로겐화암모늄(NH4X)의 혼합물을 가열하여 얻는다.   La2O3 + 6 NH4X → 2 LaX3 + 6 NH3 + 3 H2O (X = F, Cl, Br, I)   이들은 La2O3 또는 La(OH)3를 할로겐산(HX)과 반응시켜 얻을 수도 있으며, LaCl3의 Cl-을 원하는 할로겐화 이온으로 치환시켜 얻을 수도 있다. LaF3를 제외한 나머지 할로겐화물들은 모두 물에 잘 녹는다. LaCl3는 수영장 물 등에서 조류(algae)의 번식을 막기 위해 이의 영양소인 인산 이온(PO43-)을 제거하는데 사용되며, 응집제로도 사용될 수 있다. LaF3는 형광등 코팅과 F-에 대한 이온 선택성 전극의 막에 사용된다. 또한 유기합성에서는 알데하이드(RCHO)를 아세탈(RCH(OR')2)로 전환시키는 반응, 고압에서 메탄(CH4)을 HCl, O2와 반응시켜 염화메탄(CH3Cl)을 만드는 반응 등의 촉매로 사용된다. 한편, 세륨이 첨가된 란타넘 할로겐화물은 중성자나 감마선을 검출하는 신틸레이터 재료로 사용될 수 있는데, 발광 효율과 에너지 분해능이 매우 좋은 LaBr3가 주로 사용된다.   기타 란타넘 화합물 금속 란타넘은 수소(H2)와 반응하여 전기전도성이 아주 좋은 LaH2를 만든다. 이 수소화물은 추가의 H2를 흡수하여 LaH3가 되면서 전기전도도가 줄어든다. 붕소화란타넘(LaB6)은 금속 란타넘과 붕소의 혼합물을 고온으로 가열하여 얻을 수 있는데, 녹는점이 2210oC인 내화물로, 물과 염산에 녹지 않으며 진공에서도 안정하다. 진한 검보라색을 띠나, 붕소가 약간 과잉으로 첨가되면 푸른색을 띤다. 일함수(work function, 물질에서 전자 하나를 떼어내는데 필요한 최소 에너지)가 약 2.5eV로 낮고, 지금까지 알려진 물질 중에서 전자 방출율이 가장 높다. 이런 특성으로 다양한 장치에서 열 전자원의 음극 재료로 사용된다. 0.45K 이하에서는 초전도체가 된다.

 

탄산란타넘(La₂(CO₃)₃)은 고인산혈증 치료제로 사용된다. <출처: JW중외제약>

 

 

생물학적 역할과 독성 란타넘의 생물학적 역할은 알려진 것이 거의 없다. 입을 통해 체내로 들어간 란타넘은 거의 흡수되지 않으며, 주사한 경우에는 아주 느리게 배출된다. 란타넘은 생물체에서 몇 가지 수용기(receptor)와 이온 통로(ion channel)에 영향을 미치는데, 특히 중추신경계의 가장 일반적인 신경전달물질인 가바(GABA, γ-aminobutyric acid)가 이의 수용기에 결합하는 것을 돕고, 2가 양이온(특히 Ca2+)의 통로를 막는 작용을 한다.   란타넘은 높은 농도에서는 독성을 나타내므로 취급에 주의하여야 한다. 란타넘 용액을 동물에 주사하면, 과혈당증(hyperglycaemia), 저혈압, 지라와 간 변환의 퇴행을 초래하는 것으로 알려져 있다. 만성 신부전 환자의 고인산혈증 치료에 사용되는 탄산란타넘(상품명 포스레놀, La2(CO3)3)도 2년 이상 계속 투약하지는 말 것을 권장하고 있다.

 

 

1. 수치로 보는 란타넘
   란타넘의 표준원자량은 138.9055g/mol이고, 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁶5d¹6s² ([Xe]5d¹6s²)이며, 화합물에서 주된 산화 수는 +3이다. 지각에서의 존재 비는 약 32ppm (0.0032%)으로 대략 28번째로 풍부한 원소이다. 1기압에서 녹는점은 920^oC이고 끓는점은 3464^oC이며, 20^oC에서의 밀도는 6.16g/cm³이고 녹는점에서의 액체 밀도는 5.94g/cm³이다. 모스 경도는 2.5이다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 538.1, 1067, 1850kJ/mol이며, 폴링의 전기 음성도는 1.10이다. 원자 반경은 187pm(비교: Sc, 167pm; Y, 180pm)이며, 6배위체의 이온 반경은 103,2pm (비교: Sc³⁺, 74.5pm; Y³⁺, 90pm)이다. 천연상태에서는 99.91%가 안정한 동위원소 ¹³⁹La로 존재하고, 0.09%는 반감기가 1.05x10¹¹년인 ¹³⁸La로 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 2012.10.11

 

 

Lanthanum Atomic Weight 138.9055 Density 6.146 g/cm3 Melting Point 920 °C Boiling Point 3464 °C Full technical data Mixed with other rare earths lanthanum is used in flints for lighters. Lanthanum compounds are used in electron microscopy to resolve individual atoms and in movie lighting to illuminate vast areas. Scroll down to see examples of Lanthanum.