Ytterbium(Yb), 70-이터븀,이테르븀

원자번호 70번의 원소 이터븀(ytterbium, Yb)은 이테르븀이라고도 불리며 란타넘족에 속하는 희토류 원소인데, 스웨덴의 광산 마을 이름 ‘이테르비(Ytterby)’를 따서 이름이 지어진 4가지 원소 중 하나이다. 15개의 란타넘족 원소 중 원자번호가 14번째인 원소인데, 존재량은 희토류 원소 중 대략 중간 정도이고 광석 매장량은 100만 톤 정도이다. 그러나 아직 용도가 충분히 개발되지 않아서, 전세계 연간 생산량은 50톤에 불과하고 가격은 희토류 원소로서는 저렴한 편이다. 이터븀은 다른 희토류 원소와는 달리 +2 상태가 비교적 안정하고, 액체 상태로 존재하는 온도 범위가 금속 원소 중 가장 좁으며, 높은 압력에서 전기 저항이 압력에 따라 특이하게 변하는 등, 몇 가지 독특한 성질을 보인다. 또한 밀도, 자기적 성질, 결정 구조 등이 이웃하는 다른 희토류 원소들과 크게 다르다. 지금은 강철 첨가제, 고출력 파장 가변 레이저 재료 첨가제, 휴대형 방사선원 등으로 소량씩 사용되고 있으나, 앞으로 첨단 기술 분야에서 여러 유용한 용도가 개발될 것이 크게 기대되는 원소이다. 이터븀의 발견, 물리 및 화학적 성질, 이용 등에 대해 보다 자세히 알아보자.

원자번호 70번, 이터븀 이터븀(ytterbium, 이테르븀이라고도 부름)1)은 원자번호 70번의 원소로, 원소기호는 Yb이다. 주기율표에서 란타넘족에 속하는 희토류 원소의 하나로, 중희토류에 속하는 것으로 분류되나 금속의 밀도(25oC에서 6.97g/cm3)는 다른 중희토류 원소(64Gd~71Lu)들에 비해 월등히 작다. 주로 +3가 상태의 화합물을 만드나, 다른 란타넘족 원소들과 달리 +2의 산화상태도 비교적 안정하다. 연한 노란색을 띠는 밝은 은색 광택이 나는 금속으로, 무르고 전성과 연성이 있다.

원자번호 70번 이터븀 <출처: NIST>

이터븀의 원소 정보

녹는점은 824oC이고 끓는점은 1196oC로, 금속 중에서는 액체로 존재하는 온도 범위가 가장 좁다. 3가지 동소체가 있는데, 실온 부근에서의 결정 구조는 육방조밀격자(hcp) 구조를 하는 다른 중희토류 원소들과 달리 면심입방(fcc) 구조를 하며, 저온에서도 상자기성을 보인다. 압력을 크게 높이면 전기전도도가 작아지다가 다시 커지는 특이한 성질을 보인다. 희토류 원소들 중에서 비교적 반응성이 크며, 공기 중에서 비교적 빠르게 산화되어 금속 광택이 흐려진다. 찬 물과는 느리게, 그러나 뜨거운 물과는 빠르게 반응하여 수소 기체를 발생시키고 수산화이터븀(III)(Yb(OH)3)가 된다. 산과 빠르게 반응하여 수소를 발생시키고 Yb3+ 이온이 되는데, Yb3+은 수용액에서 [Yb(H2O)9]3+로 존재하며 가시광선을 흡수하지 않아 색을 띠지 않으나, 근적외선을 흡수한다. 할로겐 원소들을 비롯한 여러 비금속 원소들과 쉽게 반응한다. 그리고 알칼리 금속처럼 액체 암모니아에 녹아 전자 음이온(electride) 염의 푸른색 용액이 된다. 이터븀은 지각에서의 존재비가 약 3ppm(0.0003%)으로 대략 43번째로 많은 원소인데, 이는 어븀(Er), 우라늄(U), 주석(Sn), 비소(As)보다 많은 양이다. 이터븀은 주로 모나자이트(monazite) 광석에서 얻는데, 여기에 약 0.03%농도로 들어있다. 이외에도 제노타임(xenotime), 육세나이트(euxenite) 등에서도 얻으며, 최근에는 중국 남부에 널리 분포되어있는 이온-흡착 점토에서도 얻는다. 이온-흡착 점토에서 얻은 농축물에는 산화이트륨(Y2O3)이 전체 무게의 약 65%를 차지하고, 산화이터븀(Yb2O3)은 대략 3~4%의 비율로 들어있다. 흙에는 0.06~8ppm(평균적으로 건조 무게의 약 2ppm) 농도로 들어 있으며, 바닷물 1L에는 약 1.5x10-3mg이 들어 있다. 연간 전세계 생산량은 약 50톤인데, 이는 어븀 생산량의 약 1/10에 불과하다. 이터븀은 현재로는 수요가 많지 않아 생산량이 적을 뿐 공급은 안정적인 것으로 여겨지고 있으며 가격도 희토류 원소 중에서는 저렴한 편이다. 이터븀은 다른 희토류 원소들에 비해 덜 사용되는 편이나, 몇 가지 중요한 용도로 요긴하게 사용된다. 예로, 이터븀은 스테인리스 강의 결정립 미세화(grain refinement)와 강도를 향상시키는데 사용된다. 또한 Yb3+가 첨가된 광학 재료는 고체상태 고출력 레이저와 파장가변 레이저에 사용되는데, 이들 레이저는 절단, 용접, 조각, 표시 등에 다양하게 사용된다. 이터븀은 또한 지진과 지하 폭발에 의한 지반변위를 감지하는데도 사용되며, 방사성 동위원소 169Yb는 휴대형 X-선 장치의 방사선 발생원과 암의 방사선 치료에 사용되기도 한다. 174Yb는 세슘(Cs) 원자 시계보다 더 정확하고 편리한 광시계(네이버캐스트 [광시계]편 참조)에 사용될 수 있다. 그리고 이터븀 형광체는 적외선 레이저로 감지할 수 있는 지폐의 형광 인쇄와 적외선 생물학적 영상에 사용할 수 있으며, 이터븀 화합물은 유리와 도자기의 채색제, 유기반응에서의 촉매 등으로 사용된다.

레이저 광선에 포획된 이터븀 원자 뭉치를 이용하면 차세대 원자시계인 ‘광시계’를 만들 수 있다. 왼쪽은 약 1백만개의 이터븀 원자가 격자 모양의 푸른 레이저 광선에 붙잡힌 모습. 오른쪽은 레이저에 포획된 이터븀 원자들을 높은 에너지 상태와 낮은 에너지 상태를 오가도록 노란색 레이저로 들뜨게 한 것이다. <출처: NIST>

이터븀의 발견과 역사 이터븀은 1878년에 스위스 화학자 드 마리낙(Jean Charles Galissard de Marignac, 1817~1794)에 의해 어비아(erbia, 어븀산화물)에 포함된 불순물로 발견되었다. 어비아는 스웨덴의 이테르비(Ytterby) 마을의 채석장에서 발견된 가돌리나이트(gadolinite)에서 얻은 정제되지 않은 이트리아(yttria, 이트륨산화물)에서 1843년에 스웨덴 화학자 모산데르(Carl Gustaf Mosander, 1797~1858)에 의해 터비아(terbia, 터븀산화물)와 함께 분리·발견되었다. 모산데르가 어비아와 터비아를 분리·발견한지 34년이 지난 1877년에 드 마리낙도 이트리아에서 이들을 분리하였다. 드 마리낙은 이듬해인 1878년에 ‘어비아’을 질산에 녹여 ‘질산어븀’을 얻고, 이를 가열하여 분해시킨 뒤 잔여물을 추출하였는데, 여기에는 그때까지 알려지지 않은 흰색 가루가 포함되어 있음을 발견하였다. 그는 이를 이테르비 마을 이름을 따서 이테르비아(ytterbia)로 그리고 이를 이루는 금속 원소를 이터븀(ytterbium)이라 명명하였는데, 이로써 이테르비 마을 이름을 따서 지은 원소 이름은 이전의 이트륨, 어븀, 터븀을 합쳐 모두 4개가 되었다.

이트륨에서 출발한 희토류 원소들의 발견 계통도. 진한 색은 불순물이 많이 포함된 것이고, 옅은 색은 이들에서 분리된 비교적 순수한 원소이다. 실제로 처음 분리되어 발견된 것은 원소 자체가 아니고 이들의 산화물이었다. 드 마리낙은 모산데르가 지은 어븀과 터븀을 혼돈하여 바꾸어 불렸는데, 이렇게 뒤바뀐 이름이 지금 사용되는 이름이고 이 그림은 이를 반영하였다.

드 마리낙이 분리한 이테르비아도 단일 물질이 아님이 나중에 밝혀졌다. 1879년에 스웨덴의 화학자 닐손(Lars Fredrik Nilson,1840~1899)은 드 마리낙의 ‘이테르비아’에서 새로운 원소인 원자번호 21번의 스칸듐(Sc)을 발견하였다. 또 1907년에 프랑스 화학자 우르뱅(George Urbain, 1872~1936)은 드 마리낙의 ‘이테르비아’를 질산에 녹여 얻은 질산이터븀을 여러 차례 분별 결정하여 두 가지 산화물로 분리하였는데, 이들을 이루는 원소 이름을 하나는 새로운 이터븀이란 뜻의 네오이터븀(neoytterbium)으로, 그리고 다른 것은 프랑스 파리의 옛 이름 루테시아(Lutecia)를 따서 루테슘(lutecium)이라 지었다. 거의 같은 때에 오스트리아 화학자 벨스바흐(Carl Auer von Welsbach, 1858~1929)도 이테르비아에서 이들 두 원소를 발견하였는데, 그는 이들을 각각 알데바라늄(aldebaranium)과 카시오페이움(cassiopeium)으로 불렀다. 따라서 이들 두 사람 사이에 새로운 원소 발견의 우선권과 원소 이름에 대한 논쟁이 있었는데, 새로운 원소 이름을 결정하는 원자질량위원회(Commission on Atomic Mass)는 1909년에 우르뱅의 우선권을 인정하고 그가 제안한 이름을 채택하였다. 다만 네오이터븀은 이터븀으로 되돌렸다. 루테슘은 1949년에 루테튬(lutetium)으로 스펠링이 변경되었다. 비교적 순수한 금속 이터븀은 1937년에 클렘(Klemm)과 보너(Bonner)가 염화이터븀(YbCl3)을 포타슘(K)과 함께 가열하여 처음으로 얻었다. 이터븀의 정확한 물리 및 화학적 성질은 이온 교환 크로마토그래피 방법의 도입으로 순수한 이터븀 금속을 얻은 1953년 이후에야 얻어질 수 있게 되었다.

이터븀 금속 사진 <출처: (cc) http://images-of-elements.com/>

물리적 성질 이터븀은 엷은 노란색을 띠는 밝은 은색 광택이 나는 금속으로, 무르고 전성과 연성이 있다. 녹는점은 824oC이고 끓는점은 1196oC인데, 희토류 원소 중에서는 녹는점과 녹음열이 세륨(Ce, 녹는점 795oC)다음으로 낮거나 작고 끓는점과 증발열(159kJ/mol)은 가장 낮거나 작다. 또 액체로 존재하는 온도 범위가 금속 원소 중에서 가장 좁다. 25oC에서 밀도는 6.97g/cm3인데, 중란타넘족 원소(64Gd~71Lu) 중에서 가장 작다. α, β, γ의 3가지 동소체가 존재하는데, β→α 전이온도는 -13oC이고 β→γ 전이온도는 795oC이다. 실온에서 안정한 β 동소체는 면심입방(fcc) 구조를 하며, 고온에서 존재하는 γ 동소체는 체심입방(bcc) 구조를 한다. β 동소체는 금속성 전기전도도(25oC에서의 전기전도도 3.5x106 S m-1)를 갖는데, 압력이 16,000기압이 되면 반도체가 되고 이후 압력이 높아질수록 전기 저항이 증가하여 39,000기압에서 10배나 된다. 그러나 이후에는 갑자기 변화 추세가 반대로 되어 약 40,000기압에서는 처음 저항보다 작아진다. 또한 다른 희토류 금속들이 저온에서 강자성(ferromagnetic)과 반강자성(antiferromagnetic) 성질을 갖는 것과는 대조적으로, 이터븀은 1K이상에서는 상자성(paramagnetic)만을 보인다. 동위원소 이터븀은 천연상태에서 168Yb(0.13 %), 170Yb(3.04 %), 171Yb(14.28 %), 172Yb(21.83 %), 173Yb(16.13 %), 174Yb31.83 %), 176Yb(12.76 %)의 7가지 동위원소로 존재하는데, 이들은 모두 안정하다. 질량수가 148~181사이에 있는 27가지의 인공 방사성 동위원소들이 확인되었는데, 반감기가 긴 것들은 169Yb(반감기 32.026 일), 175Yb(반감기 4.185 일), 166Yb(반감기 56.7 시간)이며, 나머지 동위원소들은 반감기가 2시간보다 짧다. 질량수가 174보다 작은 방사성 동위원소들은 주로 전자포획을 하고 원자번호 69인 툴륨(Tm) 동위원소가 되는데, 질량수가 153~158인 동위원소들의 일부는 α-붕괴를 하고 어븀(Er) 동위원소가 되기도 한다. 한편, 질량수가 174보다 큰 방사성 동위원소들은 주로 β-붕괴를 하고 원자번호 71인 루테튬(Lu) 동위원소가 된다. 12가지의 준안정한 핵 이성체들이 알려져 있는데, 반감기가 가장 긴 것이 169mYb(반감기 46초)이다. 169Yb는 169Tm(보통 169Tm2O3 사용)에 양성자를 쪼여 얻을 수 있는데, 감마선 발생원으로 휴대형 X-선 장치에 사용되며, 암의 방사선 치료에도 사용된다. 169Tm + 1p → 169Yb + 1n

화학적 성질

이터븀은 주로 +3가 상태의 화합물을 만드나, 다른 희토류 원소와는 달리 +2 상태가 비교적 안정한데, 이는 이터븀 원자의 바닥 상태 전자 배치가 [Xe]4f146s2로 4f-궤도가 모두 채워져 있기 때문이다. +2가 상태의 화합물들은 강한 환원제로 작용한다. 이터븀은 란타넘족 원소들 중에서 비교적 반응성이 크다. 공기 중에서 비교적 빠르게 산화되어 금속 광택이 흐려지며, 분말 상태에서는 쉽게 산화이터븀(III)(Yb2O3)로 전환된다. 또한 이터븀 가루와 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, 테플론 등 플루오르수지) 또는 헥사클로로에테인(C2Cl6)의 혼합물은 녹색 불꽃을 내면서 탄다. 찬 물과는 느리게, 뜨거운 물과는 빠르게 반응하여 수소 기체를 발생시키고 수산화이터븀(III)(Yb(OH)3)가 된다. 산과 쉽게 반응하여 수소를 발생시키고 Yb3+이온이 되는데, Yb3+은 수용액에서 [Yb(H2O)9]3+로 존재한다. 할로겐 원소들과도 반응하여 삼할로겐화물(YbX3)을 만든다. Yb3+이온은 가시광선을 흡수하지 않아 Yb2O3와 YbX3를 비롯한 +3가 상태의 화합물은 거의 대부분 흰색이고, 이들을 녹인 용액들은 색을 띠지 않는 반면, 근적외선을 흡수한다. 알칼리 금속과 비슷하게, 이터븀은 액체 암모니아(NH3)에 녹아 용매화된 전자의 특징인 푸른색 용액이 되는데, 이때 함께 생성되는 [Yb(NH3)x]2+는 강한 환원제이며, 방치하면 갈색의 Yb(NH2)2로 분해한다.

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

Yb + NH3(용매) → [Yb(NH3)x]2+ + 2 e[(NH3)y]- [Yb(NH3)x]2+ → Yb(NH2)2 + (x-2)NH3 + H2 Yb3+/Yb2+와 Yb3+/Yb의 표준 환원전위(Eo)는 각각 -1.05V와 -2.22V이다. Yb3+ + e- Yb2+ Eo = -1.05V Yb3+ + 3 e- Yb Eo = -2.22V

이터븀의 생산 이터븀은 주로 모나자이트에서 얻는데, 중국, 미국, 브라질, 인도 등에서 산출되는 모나자이트 모래에는 이터븀이 약 0.03%들어있다. 육세나이트와 제노타임에서도 얻으며, 중국에서는 희토류광(bastnasite)이나 이온-흡착 점토에서 얻기도 한다. 선광된 희토류 광석에서 이터븀을 얻는 방법은 다른 희토류 원소를 얻는 방법과 거의 같다. 첫 단계는 광석을 화학 처리하여 물에 녹는 염의 형태로 전환하는 것인데, 모나자이트나 제노타임의 경우는 황산 또는 가성소다(NaOH)와 함께 가열하고, 육세나이트의 경우는 중황산포타슘(KHSO4) 또는 풀루오르화수소산(HF)과 함께 용융시킨다. 녹인 용액에 옥살산소듐(Na2C2O4) 또는 옥살산(H2C2O4)을 첨가하면 희토류 원소의 옥살산염이 침전으로 얻어지는데, 이를 회수하여 열 분해시키면 산화물이 얻어진다. 이를 질산에 녹이면 산화세륨(CeO2)은 녹지 않아 침전으로 분리된다. 여과한 용액을 이온교환 크로마토그래피 방법을 써서 각 성분 별로 분리한다. 분리된 이터븀을 보통 다시 옥살산 염으로 침전시킨 후 열 분해시켜 산화이터븀(III)(Yb2O3) 형태로 얻는다. 금속 이터븀은 Yb2O3를 금속 란타넘(La)으로 환원시키거나 또는 YbF3를 칼슘(Ca)으로 환원시켜 얻으며, 진공 증류시켜 정제한다. 이터븀은 주로 Yb2O3 또는 YbF3 형태로 생산되어 판매된다. 전세계 연간 생산량은 약 50톤이며, 광석 매장량은 약 100만 톤으로 추정된다. 이터븀은 수요가 적어 생산되는 양이 적은 편이며, 공급은 안정적이고 가격도 다른 중희토류 원소들에 비해 저렴한 편이다. 이터븀의 가격은 1953~1998년 사이에 비교적 안정적으로 미화 1000$/kg정도를 유지한 것으로 보인다. 현재의 가격은 99%이상 순도의 금속 이터븀의 경우에 약 875$/kg이라는 자료도 있으나, 최근의 고순도 산화물(Yb2O3) 가격이 대략 180$/kg으로 호가되고 있어, 금속 가격도 대략 250$/kg정도일 것으로 추정된다.

모나자이트. 이터븀은 주로 모나자이트에서 얻는데, 여기에 이터븀이 약 0.03%의 비율로 들어 있다. <출처: (cc) Rob Lavinsky / iRocks.com>

이터븀의 용도 좀 오래된 자료들을 보면 ‘이터븀의 상업적 용도는 거의 없다’는 말을 쉽게 볼 수 있다. 그러나 지금은 양은 많지 않으나, 강철 첨가제, 고체상태 레이저 재료 첨가제, 휴대형 방사선원 등의 여러 용도로 요긴하게 사용되며, 앞으로 첨단 기술의 발전과 더불어 이터븀의 새로운 용도들이 속속 발견되리라 기대되고 있다. 강철 첨가제 이터븀은 스테인리스 강에 결정립 미세화(grain refinement, 다결정 물질에서 특성 향상을 위해 결정방향이 다른 결정들을 미세화 시키는 것), 강도, 기계적 성질 등을 향상시키는 첨가제로 사용될 수 있다. 이터븀이 첨가된 합금들은 가끔 치과 재료로 사용된다. 레이저 활성 매질 첨가제 이터븀은 Yb3+형태로 고체상태 레이저의 활성 매질에 수 원자 %의 비율로 흔히 첨가(치환)되는데, 활성 매질로는 다양한 결정, 유리(광섬유), 세라믹 물질들이 사용된다. 이터븀이 첨가된 활성 매질을 사용하는 레이저는 보통 고출력 및 파장-가변 고체상태 레이저로, 매질에 따라 다르지만 보통 900nm~1μm파장으로 광펌핑되고 1.03~1.12μm의 적외선을 방출하며, 출력이 1kw이상인 이중클래드(double –clad) 광섬유 레이저와 증폭기, 얇은 디스크 레이저(thin disk laser) 등이 있다. 이터븀이 첨가된 야그(YAG, yttrium aluminum garnet)를 활성 매질로 사용하는 이터븀-야그(Yb:YAG) 레이저는 1030nm의 적외선을 방출하는 고출력 레이저로 네오디뮴-야그(Nd:YAG) 레이저를 대체할 수 있으며, 주파수를 두 배로 하면 514nm의 아르곤(Ar) 레이저를 대체할 수 있다. 이터븀이 첨가된 광섬유 레이저는 금속이나 실리콘 웨이퍼 등 각종 재료의 정밀 절단, 용접, 조각, 표시 등에 아주 적합한 특성을 갖고 있어 널리 사용된다 휴대형 방사선원 반감기가 32일인 인공 방사성 동위원소 169Yb는 평균 에너지가 93keV인 감마선을 방출하는데, 감마선은 X-선과 마찬가지로 신체의 연조직(soft tissue)은 통과하나 뼈와 같은 조밀 물질에 의해서는 차단된다. 따라서 169Yb는 의료 진단이나 박판의 방사선투과시험에 사용되는 휴대형 X-선 장치의 방사선원으로 사용되는데, 이 X-선 장치는 방사선의 평균 에너지가 낮아 휴대성은 좋으나, 반감기가 비교적 짧은 단점이 있다. 한편, 169Yb 화합물은 암의 근접방사선 요법(brachytheraphy) 치료에도 사용되고 있다. 기타 용도 이터븀 금속에 높은 압력을 가하면 전기비저항이 증가하므로, 이터븀은 지진과 지하 폭발(핵 폭발 등)에 의한 지반변위를 감지하는데 사용된다. 또한 174Yb는 원자 시계에 사용될 수 있는데, 이는 교차하는 레이저 빛이 만든 격자에 Yb원자를 가둘 수 있기 때문이다. 이 시계는 광 주파수에 바탕을 둔 차세대 원자 광 시계(optical clock)로, 소수점 아래 17자리까지 정확하며, 현재 널리 사용되는 세슘 원자 시계에 비해 보다 정확하면서도 복잡한 계산 과정, 시간, 비용 등의 부담을 줄일 수 있을 것으로 기대되고 있다. 한편, 이터븀 화합물은 가시광선은 흡수하지 않고 적외선을 흡수해서 적외선 영역의 형광을 내므로, 이를 고도의 보안을 요하는 지폐 등의 잉크 재료로 사용하는 것이 연구되고 있다. 이외에도 여러 이터븀 화합물들이 특수 유리와 도자기 유약의 채색제, 유기반응의 촉매로 사용된다.

독일 표준기관(PTB)의 이터븀 광시계(부분) <출처: PTB>

이터븀 화합물 이터븀은 주로 +3가 상태의 화합물들을 만드는데, 주된 화합물로 산화물과 할로겐화물을 들 수 있다. 그리고 +2가 상태의 여러 화합물들도 고체상태에서는 안정한데, 수소화물 YbH2, 산화물 YbO, 할로겐화물 YbX2, 칼로겐화물 YbZ(Z=S, Se, Te) 등이 그 예이다. 산화물 이터븀의 산화물에는 Yb2O3와 YbO의 두 가지가 있다. Yb2O3는 이테르비아(ytterbia)로도 불리는 흰색 분말로, 판매되는 이터븀 화합물의 주된 형태이다. 녹는점이 2355oC이고 끓는점이 4070oC이며, 열적으로 아주 안정하다. 물에는 녹지 않으나, 묽은 산에 녹아 대응하는 +3가 산화상태의 이터븀 염이 된다. 유리 및 범랑의 채색제, 레이저에 사용되는 가넷(garnet) 결정의 첨가제, 광섬유, 특수 합금 및 세라믹 유전체 제조, 촉매 등에 사용된다. 금속 Yb를 태우거나, Yb의 옥살산염, 질산염, 탄삼염, 수산화물을 열 분해시켜 얻는다. YbO는 Yb2O3를 높은 온도에서 금속 Yb로 환원시키면 얻어지는 회백색 고체인데, 결정은 NaCl구조를 갖는다. 할로겐화물 이터븀은 4가지 할로겐 원소(X2) 모두와 반응하여 삼할로겐화물(YbX3)을 만드는데, 이들은 모두 흰색이다. YbF3를 제외하고는, Yb2O3를 뜨거운 할로겐산(HX) 또는 HX/NH4X 수용액과 반응시켜 얻을 수 있는데, YbCl3는 Yb2O3를 사염화탄소(CCl4)와 반응시켜 얻기도 한다. YbF3는 수용성 Yb3+ 염 수용액에 HF를 가하여 침전으로 얻으며, 금속 Yb 생산의 중간체, 플루오르화 광섬유 유리의 첨가제 등으로 사용된다. YbF3를 제외한 다른 삼할로겐화물들은 물에 잘 녹으며, 이터븀 화합물들의 합성 원료나 이터븀의 원천으로 흔히 사용된다. YbF3는 충치 충진제로도 사용되는데, 독성이 없으며 플루오르화(불소) 이온을 연속적으로 방출하여 치아를 보호한다. YbCl3는 루이스 산으로 알돌(aldol) 반응, 딜스-알더(Diels-Alde) 반응을 비롯한 여러 유기화학 반응에서 촉매로 사용할 수 있다. Yb의 산화수가 +2인 4가지 할로겐화물 YbX2도 모두 알려져 있다. 이들은 YbX3를 금속 Yb, 알칼리 금속, 또는 수소(H2) 기체로 환원시켜 얻을 수 있다. YbI2는 Yb와 다이아이오도에테인(ICH2CH2I)을 반응시키거나 YbI3의 열분해로도 얻는다. YbF2는 회색, YbCl2는 녹색, 그리고 YbBr2와 YbI2는 노란색이다. 강한 환원제들로, 수용액에서는 물을 수소 기체로 환원시킨다. YbI2는 유기화학의 짝지음(coupling) 반응에서 SmI2처럼 환원제로 사용할 수 있다. 한편, YbX2는 높은 온도에서 YbX3와 금속 Yb로 불균등화된다. 3 YbX2 → 2 YbX3 + Yb 기타 화합물 산화물과 할로겐화물 이외에도 여러 이터븀 화합물들이 제조되어 판매되고 있다. +2 및 +3가 상태의 칼로겐화물(YbZ 및 Yb2Z3: Z=S, Se, Te)이나 Yb(C5H5)3와 같은 유기 금속 화합물, Yb3+와 Yb2+의 배위착화합물 등이 알려져 있다. 특히 169Yb의 여러 배위착화합물들이 암의 근접방사선 요법(brachytheraphy) 치료제로 합성되어 사용된다.

산화이터븀(III)(Yb₂O₃). 이터븀은 주로 산화이트븀(III) 형태로 생산되어 판매된다.

생물학적 역할과 독성 이터븀의 생물학적 역할은 별로 알려진 것이 없으나, 이터븀 염들이 대사를 촉진한다는 보고가 있다. 수용성 화합물은 섭취시 약간의 독성을 나타내나, 물에 녹지 않는 염들은 독성이 없다. 피부와 눈에 약간의 자극을 줄 수 있으며, 일부는 기형 발생의 위험이 있다는 보고도 있으나 식물이나 동물에 해로운 원소로 여겨지지는 않는다. 흙에도 존재하나 식물들이 뿌리로 이를 흡수하지는 않는 것으로 여겨지며, 채소에서도 거의 발견되지 않으나, 지의류 등에는 건조 무게의 0.1ppm 정도의 비율로 들어있기도 한다. 쥐에 대한 치사량(LD50)은 YbCl3를 입으로 섭취한 경우 6.7g/kg인 것으로 보고되었다. 금속 특히 금속 분말은 불이 붙거나 폭발할 위험이 있으므로 주의해서 취급하여야 한다.

1. 수치로 보는 이터븀

   이터븀의 표준원자량은 173.054g/mol이고, 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁶4f¹⁴6s²([Xe]4f¹⁴6s²)이며, 화합물에서 주된 산화 수는 +3이나 여러 +2가 상태의 화합물들도 고체상태에서 안정하게 존재한다. 지각에서의 존재 비는 약 3ppm(0.0003%)으로, 43번째로 풍부한 원소이다. 1기압에서 녹는점은 824^oC이고 끓는점은 1196^oC이며, 25^oC에서의 밀도는 6.97g/cm³이고 녹는점에서의 액체 밀도는 6.21g/cm³이다. 녹음열과 증발열은 각각 7.66kJ/mol과 159kJ/mol이다, 3가지 동소체가 존재하는데, 이들 간의 전이 온도는 -13^oC와 795^oC이다. 실온에서의 전기전도도는 3.5x10⁶ S m^-1이다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 603.4, 1174.8, 2417kJ/mol이며, 폴링의 전기 음성도는 대략 1.1이다. 원자 반경은 176pm(비교: Tm, 175.9pm; Lu, 173.8pm)이며, 6배위체의 Yb³⁺ 이온 반경은 86.8pm(비교: Tm³⁺, 89.0pm; Lu³⁺, 86.1pm)이다. Yb³⁺/Yb²⁺와 Yb³⁺/Yb의 표준 환원 전위는 각각 -1.05V와 -2.22V이다. 천연상태 동위원소는 ¹⁶⁸Yb(0.13%), ¹⁷⁰Yb(3.04%), ¹⁷¹Yb(14.28%), ¹⁷²Yb(21.83%), ¹⁷³Yb(16.13%), ¹⁷⁴Yb(31.83%), ¹⁷⁶Yb(12.76%)의 7가지인데, 이들은 모두 안정하다. 전세계 연간 생산량은 약 50톤이고, 광석 매장량은 약 100만 톤으로 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 2013.01.16

 

 

Ytterbium Atomic Weight 173.04 Density 6.57 g/cm3 Melting Point 819 °C Boiling Point 1196 °C Full technical data Ytterbium has useful catalytic properties and is finding increasing use in the chemical industry due to its low toxicity and relative abundance. It is the last of four elements named after the town of Ytterby, Sweden. Scroll down to see examples of Ytterbium.