Gadolinium(Gd), 64-가돌리늄

 

원자번호 64번의 원소 가돌리늄(Gd)은 1880년에 발견된 희토류 원소의 하나이다. 희토류 원소 중에는 사람 이름을 따서 광석 이름을 짓고, 광석 이름에서 원소 이름을 지은 것이 두 개 있는데, 하나는 희토류 원소의 화학을 개척한 가돌린(J. Gadolin)의 이름을 딴 가돌리늄이고, 다른 하나는 사마스카이트 광석을 처음 발견한 사마스키(Samasky)의 이름을 딴 사마륨(Sm)이다. 그러나 이들은 둘 다 이들 원소 이름이 유래된 광석에서는 거의 생산되지 않으며, 다른 희토류 원소들과 마찬가지로, 주로 모나자이트와 희토류광에서 얻어진다. 가돌리늄은 의료 진단용 자기공명영상(MRI) 촬영에서의 조영제, 전자레인지(마이크로파 오븐)의 마이크로파 발생 소자, 원자력 발전과 사용 후 핵연료 저장에서의 중성자 제어 및 차단제, 컬러 TV의 녹색 형광체, 광자기 디스크의 기록 층, 자기 냉각 소자 등 여러 첨단 기술 분야에서 중요하게 사용된다. 가돌리늄의 발견, 성질, 이용 등에 대해 보다 자세히 알아보자.

원자번호 64번, 가돌리늄 가돌리늄(gadolinium)1)은 원자번호 64번의 원소로, 원소기호는 Gd이다. 주기율표에서 란타넘족에 속하는 희토류 원소의 하나인데, 가돌리늄 이후의 란타넘족 원소들과 이트륨(Y)을 합쳐 이트륨족 또는 중(重)희토류 원소(heavy rare earth element, HREE)라고 부르기도 한다. 중희토류 원소들은, 이트리아(yttria, 이트륨 산화물)에서 분리되어 발견된 반면, 경희토류 원소들은 주로 세리아(ceria, 세륨 산화물)에서 분리되어 발견되었다. 가돌리늄은 전성과 연성이 있는 은백색 금속으로, 녹는점은 1313oC이고, 끓는점은 3273oC이며, 25oC에서 밀도는 7.90g/cm3이다. 가돌리늄은 알려진 원소 중에서 가장 많은 8개(Gd3+ 이온은 7개)의 짝짓지 않은 전자를 갖고 있다. 또 안정한 원소 중에서는 열 중성자를 가장 잘 흡수한다. 19oC이하에서는 강자성을 보이나, 이 보다 높은 온도에서는 강한 상자성를 갖는다. 화학반응성이 아주 큰 편은 아니나, 거의 대부분의 다른 원소들과 반응하여 +3가 상태의 화합물을 만든다. 고체 상태에서는 더 낮은 산화상태의 화합물들도 존재한다. 건조한 공기 중에서는 비교적 안정하나, 습기가 있으면 쉽게 산화되어 산화가돌리늄(III)(Gd2O3)이 된다. 찬물과는 느리게, 그러나 더운 물과는 빠르게 반응하여 수소 기체를 발생시키고 수산화가돌리늄(III)(Gd(OH)3)이 되며, 묽은 산에 녹아 수소를 발생시키고 Gd3+ 이온이 된다. Gd3+은 수용액에서 물이 배위된 무색의 [Gd(H2O)9]3+로 존재한다. 할로겐 원소들과는 약 200oC에서 반응하여 삼할로겐화물(GdX3)을 만든다.

원소정보 65번 가돌리늄 <출처: (cc) Afiller at en.wikipedia>

가돌리늄의 원소정보

가돌리늄은 란타넘족 원소 중에서 존재량이 비교적 많은 원소 중의 하나로, 지각에서의 존재 비는 4.5~6.4ppm(0.00045~0.00064%)이다. 여러 광물들에 산화물 형태로 들어 있는데, 대표적인 광석은 모나자이트(monazite)와 희토류광(bastnäsite)이며, 주로 이들 광석에서 분리∙생산된다. 가돌리나이트(gadolinite)가 가돌리늄이 처음으로 발견된 광석이기는 하나, 이에는 단지 미량의 가돌리늄 만이 들어 있어 실제 가돌리늄 생산에는 거의 이용되지 않는다. 전세계 연간 생산량은 약 400톤이며, 주로 중국에서 생산되고, 인도, 브라질, 스리랑카 등에서도 소량 생산된다. 가돌리늄은 특정 용도로 많은 양이 사용되기 보다는 여러 용도로 소량씩 사용된다. 가장 중요한 용도의 하나는 의료 진단용 자기공명영상(MRI) 촬영에서 암 조직과 같은 이상 조직의 이미지를 선명하게 보이도록 하는 조영제로 사용하는 것이다. 또한 가돌리늄은 열 중성자 흡수 성질이 매우 커서 원자로와 중성자 투과검사법에서 중성자 차단제 등으로 사용된다. 그리고 철(Fe)과 크로뮴(Cr)의 고온 내산화성과 가공성을 향상시키기 위해 합금제로 첨가되기도 한다. 가돌리늄-규소-저마늄 합금(Gd5Si2Ge2)은 실온에서 아주 큰 자기열량 효과(magnetocaloric effect: 자기장의 변화에 따라 온도가 변하는 것)가 있어 실온 자기 냉각에 유용하게 사용될 수 있다. 또한 가돌리늄 화합물은 브라운관 컬러 TV 등에서 녹색 형광체로 사용되며, 가돌리늄 이트륨 가넷(Gd:Y3Al5O12)은 전자 오븐(마이크로파 오븐)에서의 마이크로파 발생 소자에 사용되며, 가돌리늄 갈륨 가넷(GGG, Gd3Ga5O12)은 모조 다이아몬드와 광학 부품으로 사용된다. 가돌리늄은 또한 자기광 디스크의 기록 층에도 사용되고, 여러 첨단 의료 장비에도 중요하게 사용된다.

가돌리늄의 발견과 역사 가돌리늄은 1880년에 스위스 화학자 드 마리낙(Jean Charles Galissard de Marignac, 1817~1794)에 의해 처음 발견되었는데 그 과정을 간략히 살펴보면 다음과 같다. 1787년에 스웨덴 육군 장교 악셀 아레니우스(Carl Axel Arrhenius, 1757~1824)는 스웨덴의 이테르비(Ytterby) 마을에서 무거운 검정색 광석을 발견하였는데, 이 광석을 마을 이름을 따서 이테르바이트(Ytterbite)라고 불렀다. 그 후 핀란드 화학자 가돌린(Johan Gadolin, 1760~1852)이 1789년에 이테르바이트에서 새로운 금속 산화물 이트리아(Yttria, 산화이트륨 Y2O3)를 발견하였는데, 이것이 희토류 원소 화학의 시작이 되었다. 이러한 가돌린을 기리기 위해 1800년에 클라프로트(Martin Heinrich Klaproth, 1743~1817)는 ‘이테르바이트’를 ‘가돌리나이트(gadolinite)’로 바꾸어 불렀다.

가돌리늄을 처음 발견한 스위스 화학자 드 마리낙(Jean Charles Galissard de Marignac, 1817~1894).

희토류 원소 화학을 개척한 핀란드 화학자 가돌린(Johan Gadolin, 1760~1852). 가돌리늄은 그의 이름을 딴 것이다.

그 후 1880년에 스위스 화학자 드 마리낙(Jean Charles Galissard de Marignac, 1817~1894)은 세라이트(cerite) 광석에서 얻은 희토류 원소의 혼합 산화물인 디디미아(didymia)와 가돌리나이트에서 새로운 스펙트럼 선들을 관찰하였으며, 얼마 후에 실제로 디디미아로부터 새로운 금속 원소의 산화물을 분리하였다. 그는 이 산화물이 가돌리나이트에도 들어있는 것이 분명하므로, 가돌린의 이름을 따서 가돌리니아(gadolinia)로 명명하였다. 새로운 원소 자체는 1886년에 프랑스 화학자 부아보드랑(Paul Emile Lecoq de Boisbaudran, 1838~1912)이 가돌리니아에서 처음 분리하였으며, 그는 이를 가돌리늄(gadolinium)으로 명명하였는데, 드 마리낙도 이에 동의하였다. 높은 순도의 금속 가돌리늄은 1935년에야 처음으로 얻어졌는데, 이후 몇 개월 만에 가돌리늄이 실온 부근에서 강자성을 갖는다는 것이 발견되었다. 가돌리늄은 원소 상태에서 강자성을 갖는 물질로는, 3가지 대표적 강자성 원소인 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni)을 제외하면, 가장 먼저 발견된 것이다.

가돌리늄이 처음 발견된 가돌리나이트 광석 <출처: (cc) WesternDevil at lt.wikipedia>

물리적 성질 가돌리늄은 연성과 전성이 있는 은백색 금속이다. 공기 중에서는 표면이 쉽게 산화되어 엷은 노란색을 띤다. 녹는점은 1313oC이고 끓는점은 3273oC이며, 25oC 밀도는 7.90g/cm3이다. 실온에서는 육방조밀격자(hcp) 구조를 하는 α-형으로 존재하는데, 가열하면 1235oC에서 체심입방(bcc) 구조를 갖는 β-형으로 전환된다. 바닥상태 전자배치는 [Xe]4f75d16s2로 무려 8개의 짝짓지 않은 전자를 갖고 있다. 19oC이하에서는 강자성(ferromagnetic, 외부에서 자기장을 걸면 자석이 되고 자기장을 제거한 후에도 자석 성질이 남아있는 특성)을 띠나, 이보다 높은 온도에서는 강한 상자성(paramagnetic, 외부에서 자기장을 걸면 약한 자석의 성질을 띠나, 자기장을 제거하면 자석 성질이 없어지는 특성)을 띤다. 자기장의 변화에 의해 온도가 변하는 자기열량 효과(magnetocaloric effect)를 보이는데, 자기장 속으로 들어가면 온도가 올라가고 자기장 밖으로 나오면 온도가 내려간다. 가돌리늄 합금인 Gd85Er15와 Gd5(Si2Ge2)가 자기열량 효과가 특히 크다. 가돌리늄은 열중성자를 가장 잘 흡수하는 원소인데, 특히 157Gd은 모든 동위원소 중에서 135Xe 다음으로 잘 흡수한다. 135Xe는 반감기가 9.14시간인 방사성 동위원소이므로, 안정한 동위원소 중에서는 157Gd가 중성자를 가장 잘 흡수한다.

가돌리늄은 연성과 전성이 있는 은백색 금속이다. 공기 중에서는 표면이 쉽게 산화되어 엷은 노란색을 띤다. <출처: (cc) http://images-of-elements.com/>

동위원소 가돌리늄은 천연상태에서 152Gd(0.20%), 154Gd(2.18%), 155Gd(14.80%), 156Gd(20.47%), 157Gd(15.65%), 158Gd(24.84%), 160Gd(21.86%)의 7가지 동위원소로 존재한다. 이중 152Gd는 반감기가 1.08 x1014년인 방사성 동위원소인데, α-붕괴를 하고 148Sm이 된다. 160Gd는 반감기가 1.3 x1021년 이상으로 두 번의 β-붕괴를 하고 디스프로슘-160(160Dy)이 되는 것으로 예측되었으나, 방사성 붕괴가 실제로 관측되지는 않았다. 질량수가 134~169사이에 있는 29가지의 인공 방사성 동위원소들이 확인되었는데, 반감기가 긴 것들은 150Gd(반감기 1.79x106년), 148Gd(반감기 74.6년)와 153Gd(반감기 240일)이고, 나머지들은 반감기가 125일보다 짧다. 질량수가 151이하인 동위원소들은 주로 전자포획(β+ 붕괴)을 하고 유로퓸(Eu) 동위원소가 되며, 질량수가 159이상인 동위원소들은 주로 β-붕괴를 하고 터븀(Tb) 동위원소가 된다. 다만 150Gd는 천연 동위원소 152Gd와 마찬가지로 주로 α-붕괴를 하고 146Sm이 되며, 149Gd의 약 4.34x10-4% 와 151Gd의 약 1x10-6%도 α-붕괴를 하고 Sm 동위원소가 되기도 한다. 10가지의 준안정한 핵 이성체들이 알려져 있는데, 반감기가 긴 것들은 143mGd(반감기 110초), 145mGd(반감기 85초)와 141mGd(반감기 24.5초)이다. 153Gd(반감기 240일)는 유로퓸 또는 농축된 152Gd 표적에 중성자를 쪼여 합성하는데, 방사성 붕괴에서 41keV와 102keV의 강한 감마선을 방출하는 특성이 있어 골밀도 측정기와 휴대형 X-선 영상시스템에서 감마선원으로 사용된다. 또, 핵의학 영상 시스템의 품질 검정에서 광원과 교정용 모형(phantom)으로도 사용된다.

화학적 성질

가돌리늄은 반응성이 매우 큰 금속은 아니나, 대부분의 원소들과 반응하여 산화수가 +3인 화합물을 만든다. +2가 상태의 화합물들도 알려져 있는데, 이들은 주로 고체 상태에서 존재한다. Gd3+ 이온의 전자 배치는 [Xe]4f7로, 지금까지 알려진 것 중에서는 짝짓지 않은 전자의 수가 가장 많은 이온이다. 짝짓지 않은 전자의 수가 많으므로, 강한 상자성을 보이며 따라서 이의 화합물들은 NMR의 이동시약이나 MRI에서 조영제로 유용하게 사용된다. 다른 희토류 원소들과는 달리, 실온에서 건조한 공기 중에서는 비교적 안정하다. 그러나 습한 공기 중에서는 쉽게 산화되어 산화가돌리늄(III)(Gd2O3)가 되는데, 이 산화물이 금속 표면에서 쉽게 떨어져 나가면서 시료 전체가 산화된다. 높은 온도에서는 산소와 반응한다. 할로겐과는 약 200oC에서 반응하여 삼할로겐화물(GdX3)을 만든다. 찬물과는 느리게, 그러나 더운 물과는 빠르게 반응하여 수소 기체를 발생시키고 수산화가돌리늄(III)(Gd(OH)3)이 되며, 묽은 산에 녹아 수소를 발생시키고 Gd3+ 이온이 된다. Gd3+은 수용액에서 무색의 착이온인 [Gd(H2O)9]3+로 존재하는데, Gd3+의 옥살산염, 플루오르화염, 황산염, 인산염 등은 물에 녹지 않는다. Gd3+/Gd의 표준 환원 전위(Eo)는 -2.28V이다. Gd3+ + 3 e- Gd Eo= -2.28 V

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

가돌리늄의 생산 가돌리늄은 주로 모나자이트(monazite)와 희토류광(bastnäsite)에서 분리되어 생산된다. 분쇄한 광석을 염산이나 황산으로 처리하면 희토류 금속 산화물은 수용성인 염화물이나 황산염으로 전환된다. 녹지 않는 불순물을 여과해서 얻은 산성 용액에 수산화소듐(NaOH)을 가해 토륨을 ThO2로 침전시켜 제거하고, 여액을 옥살산암모늄((NH4)2C2O4)으로 처리하면 희토류 원소의 옥살산염이 침전으로 얻어진다. 이 염을 가열·분해시켜 혼합 산화물로 전환한다. 이 혼합 산화물을 질산에 녹이면 주성분의 하나인 산화세륨(CeO2)은 녹지 않아 침전으로 제거된다. 침전을 제거하고 남은 용액을 질산마그네슘(Mg(NO3)2)으로 처리하면, 가돌리늄, 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu)의 복염이 결정 상태의 혼합물로 얻어진다. 이를 이온교환 크리마토그래피 방법을 써서 각 희토류 원소들로 분리하고, 분리한 가돌리늄을 산화물(Gd2O3) 또는 염 형태로 전환시킨다. 금속 가돌리늄은 산화물이나 염을 1450oC의 아르곤(Ar) 기류 하에서 칼슘(Ca)으로 환원시키면 얻을 수 있다. 염으로는 보통 플루오르화가돌리늄(GdF3)을 이용하는데, 이는 Gd3+ 수용액에 HF를 첨가하면 침전으로 얻어진다. Gd3+ + 3 F- → GdF3 2 GdF3 + 3 Ca → 2 Gd + 3 CaF2 한편, 용융된 염화가돌리늄(GdCl3)을 가돌리늄의 녹는점인 1313oC보다 약간 낮은 온도에서 금속으로 환원시키면 가돌리늄 스폰지를 얻을 수 있다. 전세계 연간 가돌리늄 생산량은 약 400톤이며, 주로 중국에서 생산되고 인도, 브라질, 스리랑카 등에서도 소량 생산된다. 전세계 광석 매장량은 100만 톤이 넘는 것으로 여겨진다. 2012년 11월 현재의 금속 가돌리늄(순도 99%이상) 가격은 미화로 135$/kg인데 4-6월에는 약 165$/kg이었으며, 산화가돌리늄(III)(순도 99%이상) 가격은 85$/kg이고 4-6월에는 약 100$/kg이었다.

가돌리늄을 얻을 수 있는 광석 중 하나인 희토류광(bastnäsite) <출처: Kouame at Wikimedia.org>

가돌리늄의 용도 가돌리늄은 특정 용도로 대량으로 사용되지는 않으나, 여러 특수 용도에 소량씩 사용되고 있으며, 새로운 용도가 계속해서 개발되고 있다. MRI 조영제 및 의학적 이용 가돌리늄의 강한 상자성으로 인해, 가돌리늄 화합물들은 핵자기공명(NMR)에서의 이동 시약과 자기공명영상(MRI)에서의 조영제(contrast agent)로 사용된다. 가돌리늄 화합물을 정맥 주사하면, 이것이 암 조직과 같은 이상 조직에 축적되어 MRI 영상에서 이들 이상 조직의 영상이 선명하게 나타나게 된다. 여러 가돌리늄 화합물들이 조영제로 개발되어 뇌혈관 조영검사와 혈액-뇌장벽 분해에 따른 뇌종양 검출 등에 사용되고 있다. 또한 가돌리늄 화합물의 혈관주사는 X-선을 사용한 내이(속귀, inner ear) 종양의 검출에도 사용된다. 이외에도 가돌리늄 화합물들은 X-선과 PET 장비의 영상 시스템, 중성자 검출 장비, 골밀도 측정기 등의 의료용 기기에도 사용된다. 중성자 흡수재료 가돌리늄은 안정한 핵 중에서는 중성자를 가장 잘 흡수한다. 특히 157Gd은 자연계에 존재하는 안정한 모든 동위원소들 중에서 가장 열 중성자를 잘 흡수하며, 155Gd도 열 중성자를 잘 흡수한다. 열 중성자는 원자로에서 핵 연료가 핵 분열할 때 생성되는데, 핵 연료와 반응하여 핵 분열 연쇄반응을 일으킨다. 원자로의 제어봉은 중성자를 흡수하는 물질로 되어 있는데, 원자로 내에서의 위치를 변화시킴으로써 핵 연료와 반응하는 중성자의 수를 조절하여 핵 분열 연쇄반응을 조절하는 작용을 한다. 가돌리늄은 원자로의 제어봉에 사용될 수 있으나, 중성자 흡수력이 큰 157Gd와 155Gd가 천연 Gd 동위원소의 15.65%와 14.80%에 불과하므로, 사용 수명이 짧은 단점이 있어 실제로는 거의 사용되지 않는다. 대신에 일부, 특히 칸두형 원자로(CANDU type reactor)에서 원자로 비상정지와 중성자 차단 재료로 사용된다. 칸두형 원자로는 캐나다에서 개발한 천연 우라늄을 사용하는 중수감속형 발전용 원자로인데, 한국 원자로 중에서는 월성 원자로만 이에 속한다. 또한 157Gd은 중성자 치료요법(neutron therapy)에서 종양 표적물질로도 사용되어 왔다.

가돌리늄은 칸두형 원자로(CANDU type reactor)에서 원자로 비상정지와 중성자 차단 재료로 사용된다. <출처: © Atomic Energy of Canada Limited>

합금재료 가돌리늄은 철(Fe)이나 크로뮴(Cr)에 1%정도로만 첨가해도 이들 금속들의 가공성과 고온에서의 산화 저항성을 크게 향상시킨다. 가돌리늄이 첨가된 합금은 사용 후 핵연료의 저장 용기, 핵 반응로의 중성자 차단제 등에 유용하게 사용될 수 있다. 또 가돌리늄-규소-저마늄 합금(Gd5Si2Ge2)은 실온 자기냉각 재료로 사용할 수 있는데, 이 유형의 냉각기는 일반 냉각기에 비해 효율이 20~30% 높다. 가돌리늄은 네오디뮴 영구자석 제조에서 자석의 내부식성을 높이기 위해 소량 첨가되기도 한다. 가넷과 전자재료 가넷(Garnet)은 X3Y2(SiO4)3의 일반식을 갖는 동축정계에 속하는 규산염 광물을 일컫는 말인데, 가돌리늄이 첨가된 여러 합성 가넷들이 다양한 용도로 사용된다. 예로, 가돌리늄 이트륨 가넷(Gd:Y3Al5O12)은 전자레인지(microwave oven)에서의 마이크로파 발생 소자로 사용되며, 가돌리늄 갈륨 가넷(GGG, Gd3Ga5O12)은 모조 다이아몬드와 광학 부품으로 사용된다. 가돌리늄 갈륨 가넷은 또한 1967년에 비휘발성 컴퓨터 메모리의 일종인 버블 메모리(bubble memory)로 발명되어 사용되기도 하였으나, 현재는 더 이상 사용되지 않는다. 네오디뮴이 첨가된 바나듐산가돌리늄(Nd:GdVO4)은 다이오드 여기 레이저로의 활용이 기대되고 있다. 가돌리늄은 또한 광자기(magneto-optical, MO) 디스크 기록 층에도 사용된다. 형광체 가돌리늄은 형광체(phosphor)에도 사용된다. 터븀(Tb)이 첨가된 옥시황화가돌리늄(gadolinium oxysulfide, Gd2O2S:Tb)은 X-선 검출 스크린의 형광체에 사용되는데, 이 형광체는 X-선을 540nm의 녹색 빛으로 전환시킨다. 또한 0.1~1%의 세륨(Ce)이 첨가된 가돌리늄 옥시오르소규산염(gadolinium oxyorthosilicate, Gd2SiO5) 결정은 중성자를 검출하는데 사용되며, 양전자방출 단층촬영법(positron emission tomography, PET) 등의 의료 영상 장치에서 신틸레이터로 사용되기도 한다. 가돌리늄 화합물은 또한 컬러 TV 브라운관에서 녹색 형광체로 사용되기도 하였다.

가돌리늄 이트륨 가넷(Gd:Y3Al5O12)은 전자레인지(microwave oven)에서의 마이크로파 발생 소자로 사용된다. <출처: (cc) 吉恩 at zh.wikipedia>

가돌리늄 화합물은 또한 컬러 TV 브라운관에서 녹색 형광체로 사용되기도 하였다. <출처: (cc) JJ Harrison / jjharrison89@facebook.com>

가돌리늄 화합물 가돌리늄은 주로 +3가 상태의 화합물을 만든다. 몇 가지 +2가 상태 화합물들이 알려져 있는데, 주로 고체 상태에서 안정하다. 중요한 화합물로는 산화물, 할로겐화물, 그리고 MRI의 조영제로 사용되는 여러 배위 착화합물들이 있다. 산화물 가돌리늄의 산화물은 산화가돌리늄(III)(Gd2O3)인데, 과거에는 이를 가돌리니아(gadolinia)로 부르기도 하였다. Gd2O3는 Gd(III)의 수산화물, 탄산염, 질산염, 옥살산염 등을 태우면 얻을 수 있는데, 무색의 흡습성이 있는 분말로 녹는점은 2420oC이고, 공기 중에서는 탄산가스(CO2)를 흡수하여 탄산가돌리늄(III)(Gd2(CO3)3)가 된다. 물에는 녹지 않으며, 산에는 잘 녹으나, 옥살산 이온(C2O42-), 황산 이온(SO42-), 플루오르화 이온(F-), 인산 이온(PO43-) 등이 있으면, 산화물 표면에 이들의 불용성 염들이 입혀져 잘 녹지 않을 수 있다. 나노 크기의 Gd2O3는 조영제로 사용될 수 있다. 할로겐화물 가돌리늄은 200oC 이상에서 할로겐 원소(X2)와 반응하여 삼할로겐화물(GdX3)을 만든다. GdI3는 노란색이며, 다른 것들은 흰색이다. 가돌리늄의 할로겐 화합물 중 가장 흔히 사용되는 것이 GdCl3인데, 주로 Gd2O3를 과량의 NH4Cl과 함께 가열해서 얻는다. 녹는점이 609oC인 흡습성 결정으로, 물에 잘 녹는다. GdCl3은 Gd2O3를 염산(HCl)에 녹여 만들 수 있는데, 이 경우에는 육수화물인 GdCl3·6H2O이 얻어지며 이를 진공 상태에서 염화암모늄(NH4Cl)과 함께 400oC로 가열하면 무수물이 된다. 조영제로 사용되는 가돌리늄 착화합물을 비롯한 가돌리늄 화합물의 합성과 가돌리늄 스폰지를 얻는데 사용된다. GdF3는 칼슘으로 환원시켜 금속 가돌리늄을 얻는데 사용된다. +2가 상태의 가돌리늄 할로겐화물은 GdX3를 금속 Gd와 함께 탄탈럼 용기에서 가열하면 얻을 수 있는데, GdI2는 녹는점이 831oC인 금속성 광택이 나는 전기전도성 물질이다. 또한 Gd2Cl3와 Gd5Cl11과 같은 가돌리늄 할로겐화물들도 알려져 있다. Gd2Cl3는 반도체로, 산화수가 2보다 작은 란타넘족 원소 화합물의 첫 번째 예이며, 800oC로 가열하면 흑연과 같은 판상 구조를 하는 GdCl로 환원된다. 탄소로 안정화된 가돌리늄-할로겐 뭉치 화합물들이 알려져 있는데, Gd[Gd6Cl12C], Gd10Cl18(C2)2, Gd4I5C 등이 그 예이다.

뇌졸증 후 혈액-뇌장벽의 손상을 보여주는 뇌 MRI 영상. 왼쪽 사진은 조영제를 투여하지 않은 것이고,
오른쪽 사진은 조영제를 투여한 경우이다. <출처: (cc) Hellerhoff at Wikipedia.org>

MRI 조영제 Gd3+은 독성이 있으므로, 조영제로 사용되는 가돌리늄 화합물은 안정도가 매우 큰 배위 착화합물 형태로 사용된다. 이를 위해서는 배위수가 많은 배위자(킬레이트, chelate)를 사용하는데, 8자리 배위자인 DOTA(1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetracetic acid)나 DPTA(diethylenetriaminepentaacetic acid)가 대표적인 예이다. Gd-DOTA와 Gd-DPTA는 각각 가도테릭산(gadoteric acid)과 가도펜테틱산(gadopentetic acid)으로도 불리는 MRI 조영제로, 여러 가지 상품명으로 전세계적으로 사용된다. 이들 외에도 가돌리늄을 기반으로 하는 여러 조영제들이 사용되고 있다.

Gd-DOTA(gadoteric acid)>

Gd-DTPA(gadopentetic acid)

생물학적 역할과 독성 가돌리늄의 생물학적 역할은 알려진 것이 거의 없다. 이온 쌍이나 착이온을 형성하지 않은 자유 Gd3+ 이온은 큰 독성을 나타내는데, 치사량(LD50)은 대략 100~200mg/kg인 것으로 보고되었다. 그러나 장기적 독성은 없는 것으로 보고되었고, 배위 착화합물의 경우는 자유 Gd3+ 이온에 비해 독성이 최소한 1/100로 줄어드는 것으로 보고되었다. 이는 배위 착화합물이 조직에서 Gd3+를 방출하기 전에 신장을 거쳐 체외로 배설되기 때문으로 여겨진다. 조영제로 사용되는 화합물의 독성은 다배위자(킬레이트)의 세기에 따라 달라진다. 미국 식품의약국(FDA)은 가돌리늄을 기반으로 하는 MRI 조영제가 특히 신장 기능이 손상된 환자에게는 여러 부작용을 일으킬 수 있다고 경고하였다.

1. 수치로 보는 가돌리늄

   가돌리늄의 표준원자량은 157.25g/mol이고, 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁶4f⁷5d¹6s² ([Xe]4f⁷5d¹6s²)이며, 화합물에서 주된 산화 수는 +3이다. 지각에서의 존재 비는 4.5~6.4ppm(0.00045~0.00064%)이다. 2가지 동소체가 있으며, 이들 사이의 전이 온도는 1235^oC이다. 1기압에서 녹는점은 1313^oC이고 끓는점은 3273^oC이며, 25^oC에서의 밀도는 7.90g/cm³이고 녹는점에서의 액체 밀도는 7.4 g/cm³이다. 19^oC 이하에서는 강자성을, 그 이상에서는 상자성을 보인다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 593.4, 1170, 1990kJ/mol이며, 폴링의 전기 음성도는 1.20이다. 원자 반경은 180.4pm(비교: Eu, 208.4pm; Tb, 177.3pm)이며, 6배위체의 Gd³⁺ 이온 반경은 93.8pm(비교: Eu³⁺, 94.7pm; Tb³⁺, 92.3pm)이다. Gd³⁺/Gd의 표준 환원 전위는 -2.28V이다. 천연상태에서 ¹⁵²Gd(0.20%), ¹⁵⁴Gd(2.18%), ¹⁵⁵Gd(14.80%), ¹⁵⁶Gd(20.47%), ¹⁵⁷Gd(15.65%), ¹⁵⁸Gd(24.84%), ¹⁶⁰Gd(21.86%)의 7가지 동위원소로 존재한다. 이중 ¹⁵²Gd는 반감기가 1.08 x10¹⁴년인 방사성 동위원소인데, α붕괴를 하고 ¹⁴⁸Sm이 된다. 전세계 연간 생산량은 약 400톤이고, 광석 매장량은 100만 톤 이상으로 추정된다.

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 2012.12.05

 

 

Gadolinium Atomic Weight 157.25 Density 7.901 g/cm3 Melting Point 1313 °C Boiling Point 3250 °C Full technical data Gadolinium compounds (not metal like this) are injected into patients receiving MRI scans to improve contrast. Several isotopes are also mixed with uranium fuel in nuclear reactors to absorb neutrons. Scroll down to see examples of Gadolinium.