Terbium(Tb), 65-터븀(테르븀)

 

원자번호 65번의 원소 터븀(terbium, Tb)은 테르븀이라고도 불리는 원소인데, 빛의 3원색의 하나인 녹색(Green) 빛을 내는 형광체에 사용된다. 녹색, 붉은 색, 푸른색의 3원색 빛을 적절한 비율로 혼합하면 원하는 색상의 빛이나 백색광을 얻을 수 있는데, 백열등을 제외한 대부분의 현대 조명과 영상 디스플레이 장치는 이들 3원색 빛을 내는 형광체들을 사용하며, 대표적인 것이 삼파장 형광등과 컬러 텔레비전 브라운관이다. 삼파장 형광등은 에너지 효율이 좋은 절전형 조명이다. 터븀은 X-선 스크린의 녹색 형광을 얻는데, 그리고 유로화 지폐의 위조방지용 형광 인쇄에도 이용된다. 터븀은 또한 자기 변형 소자와 고체 전자 소자 등에도 중요하게 쓰이며, 네오디뮴 자석이 고온에서도 자석 성질을 유지하도록 하기 위해 첨가되기도 한다. 터븀의 효과적인 이용은 에너지의 효율적 이용과 대체에너지 개발과 같은 녹색 경제와 크게 관련되는데, 터븀은 희토류 원소 중에서도 존재량이 아주 적고 공급 부족이 우려되어 녹색 경제 성장을 위협하는 요소가 된다. 터븀의 발견, 물리 및 화학적 성질, 이용 등에 대해 보다 자세히 알아보자.

원자번호 65번, 터븀 터븀(terbium)1)은 원자번호 65번의 원소로, 원소기호는 Tb이다. 주기율표에서 란타넘족에 속하는 희토류 원소의 하나인데, 가돌리늄(Gd, 원자번호 64)에서 루테튬(Lu, 원자번호 71)까지의 란타넘족 원소와 이트륨(Y)을 합친 원소들을 이트륨족 원소 또는 중(重)희토류 원소(heavy rare earth element, HREE)라고도 한다. 터븀은 스웨덴의 스톡홀름 부근의 마을 이름 이테르비(Ytterby)를 따서 이름이 지어진 4가지 원소 중의 하나인데, 나머지 3 가지 원소는 이트륨(yttrium, Y), 어븀(에르븀, erbium, Er), 이터븀(이테르븀, ytterbium, Yb)이다. 이들 원소들은 모두 이테르비 마을의 채석장에서 발견된 광석 가돌리나이트(gadolinite)에서 분리된 이트리아(yttria)에서 발견되었다. 이트리아는 처음에는 이트륨 산화물의 단일 물질로 여겨졌으나 여러 원소들의 산화물로 이루어진 혼합물로 밝혀졌고, 여기에서 앞서 언급된 네 가지 원소 외에도 다른 중희토류 원소들과 스칸듐(Sc)이 발견되었다.

원소번호 65번 터븀 <출처: gettyimage>

터븀의 원소정보

터븀은 전성과 연성이 큰 은백색 금속으로, 칼로 자를 수 있을 정도로 무르다. 녹는점은 1356oC이고, 끓는점은 3230oC이며, 25oC에서 밀도는 8.229g/cm3이다. 219K 이하의 온도에서는 강자성(ferromagnetic) 배열을 갖는 반면, 219~230K에서는 반강자성(antiferromagnetic) 상태로 있으며, 230K이상에서는 상자성(paramagnetic) 상태가 된다. 화학반응성이 아주 큰 편은 아니며, 다른 란타넘족 원소에 비해서는 공기 중에서 비교적 안정하다. 화합물에서는 주로 +3의 산화상태를 가지나, +2와 +4상태의 화합물들도 여럿 알려져 있는데 용액에서는 +3상태의 이온만 있다. 실온에서는 산소와 잘 반응하지 않으나, 태우면 +3과 +4가 상태의 혼합 산화물 Tb4O7이 된다. 찬물과는 느리게, 그러나 더운 물과는 빠르게 반응하여 수소 기체를 발생시키고 수산화터븀(III)(Tb(OH)3)이 된다. 묽은 산에 녹아 수소를 발생시키고 Tb3+ 이온이 되는데, Tb3+은 수용액에서 연한 분홍색의 [Tb(H2O)9]3+로 존재한다. 4가지 할로겐 원소들을 비롯한 여러 비금속 원소들과 반응하여 이성분 화합물을 만든다. 터븀은 지각에서의 존재비가 약 0.9ppm(0.00009%)으로, 란타넘족 원소 중에서 프로메튬(Pm), 툴륨(Tm), 루테튬(Lu) 다음으로 존재량이 적은데, 그래도 존재량 만으로만 보면, 은(Ag), 수은(Hg), 금(Au), 백금(Pt)보다는 월등히 많고 몰리브데넘(Mo)이나 텅스텐(W)과 비슷하다. 그러나 다른 희토류 원소와 마찬가지로, 여러 광물에 낮은 농도로 널리 펴져있고, 성질이 비슷한 다른 희토류 원소들과 함께 있어 터븀만 분리해 내기가 쉽지 않다. 터븀이 들어있는 광석들은 모나자이트(monazite), 제노타임(xenotime), 육세나이트(euxenite), 세라이트(cerite), 가돌리나이트(gadolinite), 희토류광(bastnäsite) 등인데, 대표적인 희토류 광석인 모나자이트와 희토류광에는 터븀이 각각 약 0.03%와 0.02%정도 들어 있다. 육세나이트에는 대략 1% 함량으로 들어있으나, 광석 자체가 희귀하다. 현재 가장 풍부한 터븀 자원은 중국 남부에 널리 분포되어 있는 이온-교환 점토로, 이에서 산화이트륨(Y2O3)을 약 65%로 농축시킨 것에는 터비아(terbia, 산화터븀)가 약 1% 농도로 들어있다. 그러나, 터븀은 이러한 점토 자원보다는 모나자이트와 희토류광에서 주로 얻는데, 현재 연간 전세계 생산량은 약 200톤이며 중국에서 주로 생산된다. 광석 매장량은 30만 톤으로 추정된다. 터븀의 가장 큰 용도는 이의 산화물을 녹색 형광체로 사용하는 것이다. 산화터븀이 포함된 녹색 형광체는 빛의 삼원색을 내는 형광체를 구성하며, 삼파장 형광등과 컬러 TV 브라운관 등에 사용된다. 삼파장 형광등은 종래의 형광등에 비해 전력 소비량이 적은 조명 방법으로 보급이 크게 늘고 있다. 또한 Tb3+ 화합물은 여러 생물 분자들의 형광 표지제로도 사용되며, 유로화 지폐의 위조 방지용 형광 인쇄에도 사용된다. 또한 터븀은 연료전지에도 사용되며, 하이브리드 자동차나 풍력 발전에 사용되는 네오디뮴 자석에도 디스프로슘(Dy)과 함께 합금제로 첨가되기도 한다. 이외에도 터븀은 자기장에 의해 변형되는 합금인 터페놀-디(Terfenol-D)의 한 성분으로, 이 합금은 엑추에이터(actuator), 해군 음향표적 장치(소나, SONAR: sound navigation and ranging), 사운드 버그(Soundbug) 스피커 등에 사용된다. 한편, 철(Fe)과의 합금은 광자기 기록막으로 사용되기도 한다. 또한 터븀은 고체 소자, 광섬유 재료 등에 첨가되어 사용되기도 한다.

터븀 형광체는 보통 강한 녹색 형광선과 주황 및 붉은 형성선이 합쳐져 밝은 노란색 형광을 낸다. <출처: (cc) Lcarsdata at Wikimedia.org>

터븀의 발견과 역사 터븀은 1843년에 스웨덴 화학자 모산데르(Carl Gustaf Mosander, 1797~1858)에 의해 이트리아(yttria, 산화이트륨)에서 원자번호 68번 원소인 어븀과 함께 발견되었다. 모산데르는 이보다 4년 앞선 1839년에 란타넘(La)를 발견하기도 하였다. 모산데르가 터븀을 발견해낸 이트리아는 핀란드 화학자 가돌린(Johan Gadolin, 1760~1852)이 1789년에 가돌리나이트에서 처음 분리·발견한 물질이다. 가돌리나이트는 1787년에 스웨덴 육군 장교 악셀 아레니우스(Carl Axel Arrhenius, 1757~1824)가 스웨덴의 이테르비(Ytterby) 마을의 채석장에서 처음 발견한 광석인데, 이 광석은 처음에는 마을 이름을 따서 이테르바이트(Ytterbite)로 이름지어졌다. 가돌린은 이 광석에서 새로운 금속 산화물을 발견하고는 이를 이트리아(Yttria)로, 그리고 이를 이루는 금속 원소를 이트륨(yttrium)으로 명명하였다. 한편 광석 이테르바이트는 이트리아를 분리한 가돌린을 기리기 위해 1800년에 가돌리나이트(gadolinite)로 그 이름이 바뀌어 불러지게 되었다.

스웨덴 이테르비(Ytterby) 마을에 세워진 터븀길(Terbiumvägen)과 광산길(Gruvvägen)의 도로 표지판. 터븀을 비롯한 4가지 원소 이름이 이 마을 이름에서 나왔다. <출처: (cc) Uwezi at Wikimedia.org>

모산데르는 이트리아를 녹인 용액에 암모니아를 가해 산화물의 염기성에 따라 분별 침전시켜 3가지 산화물로 분리하였는데, 이들을 모두 이테르비(Ytterby) 마을 이름의 일부를 따오고 금속 산화물에 사용하는 접미어 ‘아(a)’를 붙여, 분홍색 침전은 터비아(terbia), 노란색 침전은 어비아(erbia)라 부르고, 원래 이름인 이트리아(yttria)는 무색 침전을 부르는데 사용하였다. 그리고 터비아와 어비아의 성분 금속 원소들은 각각 터븀(terbium)과 어븀(erbium)으로 명명하였다. 스위스 화학자 드 마리낙(Jean Charles Galissard de Marignac, 1817~1794)도 1877년에 이트리아에서 터비아와 어비아를 분리하였는데, 그는 모산데르가 지은 이름을 혼동하여 노란색 산화물을 터비아로, 분홍색 산화물을 어비아로 불렀는데, 이것이 지금 사용되고 있는 명칭이다. 드 마리낙은 1886년에 보다 순수한 터븀을 분리하였으며, 거의 순수한 상태의 터븀을 비롯한 희토류 원소들의 화합물들은 1900년대 초반에 우르뱅(George Urbain, 1872~1936)에 의해 얻어졌다. 우르뱅은 이를 위해 수년에 걸쳐 수만 번의 분별 결정을 실시하였으며, 마침내 1907년에는 마지막까지 발견되지 않았던 희토류 원소인 원자번호 71번의 루테튬(Lu)을 발견하였다. 1950년에는 이온교환 크로마토그래피를 사용하여 희토류 원소 이온들을 보다 저렴한 비용으로 편리하게 분리하는 방법이 개발되었다.

터븀은 전성과 연성이 큰 은백색 금속으로, 칼로 자를 수 있을 정도로 무르다. <출처: (cc) http://images-of-elements.com/>

물리적 성질 터븀은 전성과 연성이 큰 은백색 금속으로, 칼로 자를 수 있을 정도로 무르다. 녹는점은 1356oC이고, 끓는점은 3230oC이며, 25oC에서 밀도는 8.229g/cm3이다. 실온에서 육방조밀격자(hcp) 구조를 하며, 1289oC에서 체심입방(bcc) 구조로 전이된다. 219K 이하에서는 강자성(ferromagnetic) 배열을 하며, 219~230K 에서는 반강자성(antiferromagnetic)이고, 230K이상에서는 상자성(paramagnetic)을 갖는다. 동위원소 터븀은 천연상태에서 159Tb로만 존재하며, 이는 안정하다. 질량수가 135~171사이에 있는 36가지의 인공 방사성 동위원소들이 확인되었는데, 반감기가 긴 것들은 158Tb(반감기 180년), 157Tb (반감기 71년), 160Tb(반감기 72.3일)이며, 나머지들은 반감기가 7일보다 짧다. 안정한 동위원소인 159Tb보다 질량수가 작은 동위원소들은 주로 전자포획(β+ 붕괴)을 하고 가돌리늄(Gd) 동위원소가 되며, 질량수가 159보다 큰 동위원소들은 주로 β- 붕괴를 하고 디스프로슘(Dy) 동위원소가 된다. 149Tb(반감기 4.118시간)는 83.3%가 전자포획으로 149Gd가 되고 16.7%는 α-붕괴로 145Eu가 되는데, 핵 의학에서 암 환자의 암세포에 직접 주사하여 암세포를 죽이는데 사용된다. 방출되는 방사선의 투과 길이가 짧아 정상 세포를 거의 손상시키지 않는 장점이 있다. 27가지의 준안정한 핵 이성체들이 알려져 있는데, 반감기가 긴 것들은 156m1Tb(반감기 24.4시간), 154m2Tb(반감기 22.7시간), 154m1Tb(반감기 9.4시간), 156m2Tb(반감기 5.3시간)이다. 이들 핵 이성체의 반감기는 질량수가 155~161범위 밖의 터븀 동위원소들의 반감기보다 길다. 특히 154m2Tb의 반감기(22.7시간)는 154Tb의 반감기(21.5시간)보다 길다. 즉, 들뜬 상태의 핵이 바닥 상태의 핵보다 더욱 안정하다.

화학적 성질

터븀은 반응성이 아주 큰 금속은 아니다. 다른 란타넘족 원소들과 마찬가지로, 화합물에서는 주로 +3가의 산화상태를 갖는다. +2와 +4 상태의 화합물들도 알려져 있는데, 용액에서는 +3가 상태만 안정하다. +4가 상태의 전자배치는 [Xe]4f7으로, 반 채워진 4f-전자껍질을 가져 안정화에 기여한다. 실온의 공기 중에서는 비교적 안정하나, 태우면 쉽게 +3가와 +4가의 혼합산화물인 흑갈색의 Tb4O7가 된다. 8 Tb + 7 O2 → 2 Tb4O7 찬물과는 느리게, 그러나 더운 물과는 빠르게 반응하여 수소 기체를 발생시키고 수산화터븀(III)(Tb(OH)3)이 된다. 묽은 산에 녹아 수소를 발생시키고 Tb3+ 이온이 되는데, Tb3+은 수용액에서 연한 분홍색의 [Tb(H2O)9]3+로 존재한다. 4가지 할로겐 원소 모두와 반응하여 삼할로겐화물(TbX3)을 만든다. 또한 고온에서는 수소(H2), 붕소(B), 탄소(C), 황(S), 셀레늄(Se), 인(P), 질소(N), 규소(Si) 등의 여러 원소들과도 반응하여 각각, TbH2와 TbH3, TbB2, TbC, Tb2S3, TbSe, TbP, TbN, TbSi2와 같은 이성분 화합물을 만든다.

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

Tb4+ 과 Tb3+ 이온의 표준 환원전위(Eo)는 다음과 같다. Tb4+ + e- Tb3+ Eo = 3.1 V Tb3+ + 3 e- Tb Eo = -2.31 V Tb4+ 이온은 수용액에서 안정하지 않으므로, 이의 표준환원 전위는 추정된 값이다.

터븀의 생산 터븀은 다른 희토류 원소들과 마찬가지로 주로 모나자이트와 희토류광에서 얻는데, 이들 광석의 터븀 함량은 각각 0.03%와 0.02% 정도이다. 분리 과정은 다른 희토류 원소들의 경우와 아주 비슷하며, 여러 희토류 원소들이 함께 분리되는데, 분리 과정을 간단하게 기술하면 다음과 같다.

터븀이 들어있는 광석 중 하나인 제노타임(xenotime) <출처: (cc) Elya at wikimedia.org>

분쇄된 광석을 염산이나 황산으로 처리하면 희토류 금속 산화물은 수용성인 염화물이나 황산염으로 전환된다. 녹지 않는 찌꺼기를 여과하고 얻은 산성 용액에 수산화소듐(NaOH)을 가해 토륨을 ThO2로 침전시켜 제거한다. 여액을 옥살산암모늄((NH4)2C2O4)으로 처리해서 희토류 원소의 옥살산염을 침전으로 얻고, 이를 가열·분해시켜 혼합 산화물을 얻는다. 혼합 산화물을 질산에 녹이면 이의 주성분의 하나인 산화세륨(CeO2)은 녹지 않아 제거된다. 녹은 용액을 질산암모늄(NH4NO3)으로 처리하면, 터븀의 복염이 결정으로 얻어진다. 순수한 터븀을 얻기 위해서는 분별 결정 과정을 아주 많이 반복하여야 했는데, 지금은 보다 효율적인 이온 교환 크로마토그래피나 용매 추출 방법이 사용된다. 분리된 터븀은 옥살산염을 거쳐 산화물(Tb4O7) 또는 염(주로 TbCl3 또는 TbF3) 형태로 전환된다. . 금속 터븀은 무수 염화터븀(III)(TbCl3) 또는 플루오르화터븀(III)(TbF3)를 아르곤(Ar) 기체 하에서 칼슘(Ca)으로 환원시켜 얻는데, 공정상 TbF3가 더 선호된다. 2 TbF3 + 3 Ca → 2 Tb + 3 CaF2 2012년 현재 전세계 연간 터븀 생산량은 약 200톤이며, 전체 광석 매장량은 약 30만 톤으로 추정된다. 희토류 광석에 들어있는 터븀의 함량과 수요를 감안할 때, 2015년의 전체 희토류 생산량에서 터븀이 차지하는 비중은 0.2%로 추정되어 수요에 비해 공급이 부족할 것으로 예상된다. 터븀 이외에 공급 부족이 우려되는 희토류 금속들과 각각이 전체 희토류 생산에서 차지하는 비율은 네오디뮴(Nd, 16%), 이트륨(Y, 5%), 디스프로슘(Dy, 0.9%), 유로퓸(Eu, 0.4%)이다. 2011년 12월 말의 금속 터븀(순도 99.9% 이상) 가격은 미화로 3300$/kg이었고, 터븀산화물(Tb4O7, 순도 99.5% 이상)은 2800$/kg이었는데, 이는 2003년 가격에 비해 대략 15배이다.

터븀의 주된 용도는 절전형 삼파장 형광등이다. <출처: (cc) Oyssia at Wikimedia.org>

터븀의 용도 터븀의 주된 용도는 형광체이며, 이외에 연료전지, 자기 변형 합금, 네오디뮴 자석 합금제, 광-전자 재료 등에 사용된다. 형광체 +3가 상태의 터븀(Tb3+)은 들뜬 상태에서 강한 녹색 형광을 낸다. 이런 성질로 인해 터븀산화물은 형광등이나 컬러 텔레비전 브라운관 등에서 녹색 형광체(phosphor)로 사용된다. 녹색 터븀 형광체는 붉은색 및 청색 형광체와 함께 삼파장(또는 삼색) 형광등의 형광체를 이룬다. 삼파장 형광등은 일반 형광등에 비해 전력 소모가 훨씬 적은 절전형 형광등으로, 터븀의 주요 사용처이다. 터븀 형광체는 또한 X-선 스크린에서 선명한 영상을 얻는데도 사용된다. 터븀 화합물은 유로퓸(Eu)과 툴륨(Tm) 화합물들과 함께 유로화 지폐의 위조 방지용 형광 인쇄에 사용되는데, 유로화 지폐는 자외선을 비추면 Tb3+에서 녹색, Eu3+에서 붉은색, Tm3+에서 푸른색 무늬가 나타난다. 이외에도 Tb3+는 미생물의 존재를 검출하는데 사용될 수 있다. TbCl3를 검출하고자 하는 곳에 바르고 자외선을 쪼이면, 내생포자(endospore, 포자낭 안에서 만들어지는 포자를 일컫는 말)가 존재하면 녹색 빛이 방출되는데, 이는 세균 내성포자에 높은 농도로 존재하는 다이피콜린산(dipicolinic acid)에 의한 것으로, 이 방법은 미국 항공우주국(NASA)에서 우주선의 청결도를 검정하기 위해 개발되었다. 또한 Tb3+는 칼슘 이온(Ca2+)과 거동이 비슷하면서 형광을 내므로, 단백질에서의 칼슘(Ca2+) 결합 자리 등을 연구하는데 사용되기도 하고, Tb3+ 화합물은 생물계에서 수용체 결합 등을 연구하는데 형광 표지물질로 사용되기도 한다. 자기변형 합금과 네오디뮴 자석 터븀은 자기장에 의해 모양이 변하는 자기 변형(magnetostriction)2) 합금인 터페놀-디(Terfenol-D)의 한 성분이다. 터페놀-디는 터븀(terbium), 철(Fe), 디스프로슘(Dy)의 합금(TbxDy1-xFe2: x≈0.3)으로, 알려진 합금 중에서는 자기변형 성질이 가장 크다. 1970년대에 미국 해군 연구소(NOL: Naval Ordinance Laboratory)에서 개발되어 해군 음향표정장치(SONAR: sound navigation and ranging)에 처음 사용되었으며, 자기기계적(magnetomechanical) 센서, 엑추에이터(actuator, 유체에너지로 기계적 작업을 하는 기기), 음향 변환기(transducer) 등에 사용된다. 부착되는 물체를 진동시켜 소리를 만들어 내는 사운드버그(Soundbug) 스피커는 이 합금을 사용한 음향 변환기이다. 또한 터븀은 네오디뮴 자석이 고온에서도 자석 성질을 유지할 수 있도록 디스프로슘과 함께 첨가되는데, 이런 자석은 하이브리드 자동차와 풍력 터빈의 전기모터 등에 요긴하게 사용된다. 연료 전지와 전자 재료에의 이용 터븀은 고체 소자에 사용되는 플루오르화칼슘(CaF2), 텅스텐산칼슘(CaWO4), 몰리브데넘산스트론튬(SrMoO4) 등에 도판트(dopant)로 사용된다. 또한 산화지르코늄(IV)(ZrO2)와 함께 고온 연료전지의 결정 안정화제로도 사용되는데, 연료전지는 연료의 산화에 의해 방출되는 에너지를 직접 전기로 변환시키는 장치로, 미래의 전력 생산 수단으로 중요시 되고 있다. 이외에도, 터븀은 철, 코발트와 합금을 만들어 광자기(magneto-optical, MO) 기록막으로 사용되며, 광섬유에 첨가되기도 한다. 붕산소듐터븀은 546.0nm의 간섭성 빛(coherent light)을 방출하는 레이저를 만드는데 사용된다.

유로화 지폐는 위조 방지를 위해 유로퓸, 터븀, 툴륨 화합물로 형광 인쇄가 되어있는데, 터븀은 자외선 아래에서 녹색 형광을 낸다.

터븀 화합물 터븀은 여러 원소들과 높은 온도에서 반응하여 주로 +3가 상태의 화합물을 만들며, 가끔 +2와 +4가 상태의 화합물을 만들기도 한다. 비교적 흔한 화합물로는 산화물과 할로겐화물을 들 수 있다. 산화물 터븀의 산화물에는 산화터븀(III)(Tb2O3), 산화터븀(IV)(TbO2), 그리고 +3과 +4상태의 혼합산화물인 산화터븀(III,IV)(Tb4O7)가 있다. Tb4O7는 시판되는 터븀 화합물의 하나로, 때로는 TbO1.75로 나타내기도 한다. 보통 옥살산터븀(III)(Tb2(C2O4)3)를 1000oC에서 가열∙분해시켜 얻는다. 황산터븀(III)(Tb2(SO4)3)를 열분해시켜서도 얻을 수 있으나 이 경우에는 보다 높은 온도가 필요하다. 검은색의 흡습성이 있는 분말로, Tb6O11 등의 다른 터븀 산화물이 함께 들어 있을 수 있다. 물에는 녹지 않으나, 뜨거운 진한 산과 반응하여 Tb3+의 염을 만든다. Tb4O7를 높은 온도로 가열하면 산소를 잃는데, 350oC에서는 산소를 가역적으로 잃기 때문에 산소가 관여하는 반응에서 환원 촉매로 사용할 수 있다. Tb2O3는 Tb4O7을 수소(H2) 기류 하에서 1300oC로 오랫동안 환원시키면 흰색의 분말로 얻어진다. p-형 반도체 물질로, 묽은 산에 잘 녹아 Tb3+의 염을 만든다. 한편, TbO2는 금속 터븀 또는 Tb4O7을 450oC에서 산소 기체와 반응시키면 얻을 수 있다. 또는 Tb4O7을 과량의 진한 아세트산(CH3COOH)과 염산(HCl)의 1:1 혼합물과 반응시키면 TbCl3와 함께 생성된다. Tb4O7(s) + 6 HCl(aq) → 2 TbO2(s) + 2 TbCl3(aq) + 3 H2O(l) 할로겐화물 터븀은 4가지 할로겐 원소(X2) 모두와 반응하여 삼할로겐화물(TbX3)을 만드는데, 이들은 모두 흰색이다. TbF3를 플루오린 기체(F2)와 320oC에서 반응시키면 +4가 상태의 TbF4가 생성된다. TbF4는 흰색 고체로, 찬물과는 반응하지 않으나, 산성의 질산암모늄(NH4NO3) 용액과는 비교적 빠르게 반응한다. 가열하면 플루오린 원자를 내어 놓으면서 분해되어 강한 플루오린화제로 작용한다. TbX3를 탄탈럼 용기에서 금속 Tb로 환원시키면 이할로겐화물 TbX2가 생성되는데, 염화물의 경우는 Tb2Cl3를 거쳐 TbCl로도 환원될 수 있다. TbCl은 흑연과 같은 판상 구조를 한다. 이외의 중요한 터븀 화합물로 규화터븀(TbSi2)을 들 수 있다. 이 화합물은 물에 녹지 않는 회색 고체로, 금속성 전기전도도를 보인다. 적외선 검출기, 옴 접촉, 자기변형 소자, 열전 소자 등에 이용될 수 있다.

황산터븀(III)(Tb₂(SO₄)₃). 보통은 무색이나 자외선을 쪼이면 녹색 형광을 낸다. <출처: (cc) http://images-of-elements.com>

생물학적 역할과 독성 터븀의 생물학적 역할은 알려진 것이 없다. 다른 란타넘족 원소들과 마찬가지로 약간 독성이 있는 것으로 파악되는데, 터븀 가루나 화합물이 피부와 눈에 닿으면 매우 자극적이다.

1. 수치로 보는 터븀

   터븀의 표준원자량은 158.925g/mol이고, 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁶4f⁹6s² ([Xe]4f⁹6s²)이며, 화합물에서 주된 산화 수는 +3이다. 지각에서의 존재 비는 약 0.9ppm(0.00009%)이다. 2가지 동소체가 있으며, 이들 사이의 전이 온도는 1289^oC이다. 1기압에서 녹는점은 1356^oC이고 끓는점은 3230^oC이며, 25^oC에서의 밀도는 8.229g/cm³이고 녹는점에서의 액체 밀도는 7.65g/cm³이다. 219K 이하에서는 강자성을, 219~230K에서는 반강자성을, 그리고 230K 이상에서는 상자성을 보인다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 565.8, 1110, 2114 kJ/mol이며, 폴링의 전기 음성도는 대략 1.2이다. 원자 반경은 177.3pm(비교: Gd, 180.4pm; Dy, 178.1pm)이며, 6배위체의 Tb³⁺ 이온 반경은 92.3pm(비교: Gd³⁺, 93.8pm; Dy³⁺, 91.2pm)이다. Tb⁴⁺/Tb³⁺의 표준환원 전위는 3.1V로 추정되고, Tb³⁺/Tb의 표준 환원 전위는 -2.31V이다. 천연상태 동위원소는 ¹⁵⁹Tb만 있다. 전세계 연간 생산량은 약 200톤이고, 광석 매장량은 30만 톤 이상으로 추정된다.

2. 자기 변형(magnetostriction)

   강자성체가 자기장에 의해 모양과 크기가 변하는 현상을 말하며, 1842년에 줄(James Joule)이 철로 된 시료에서 처음으로 관찰하였다. 터븀-철-디스프로슘 합금인 터페놀-디(Terfenol-D)가 지금까지 알려진 것 중에서 자기변형 성질이 가장 큰 합금이며, 엑추에이터(actuator), 자기기계적 센서, 사운드버그(Soundbug) 스피커 등에 사용된다.

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 2012.12.14

 

 

Terbium Atomic Weight 158.92534 Density 8.219 g/cm3 Melting Point 1356 °C Boiling Point 3230 °C Full technical data Terbium is a vital ingredient of magnetorestrictive alloys, ones that change length when exposed to a magnetic field. Such alloys are used in loudspeakers designed to push against solids rather than against air. Scroll down to see examples of Terbium