Lutetium(Lu), 71-루테튬

원자번호 71번의 원소 루테튬(lutetium, Lu)은 맨 마지막 란타넘족 원소로, 희토류 원소의 하나이다. 루테튬에는 ‘가장’이라는 수식어가 자주 따라 붙는다. 희토류 원소 중에서는 가장 단단하고 밀도와 녹는점이 높으며, 원자 크기와 이온 반경이 가장 작고, 광석에서 분리해 내기가 가장 어렵다. 또 핵 분열 생성물에서 얻는 프로메튬(Pm)을 제외하고는, 가장 희귀하며, 한 때는 값이 가장 비싼 금속이었다. 지금은 툴륨보다 약간 저렴하다. 1907년에 프랑스, 오스트리아, 미국의 3명의 과학자들에 의해 각각 독립적으로 발견되었는데, 원소 이름은 프랑스 파리의 옛 이름 루테시아(lutecia)를 따서 루테슘(lutecium)으로 명명되었다가 1949년에 지금 이름으로 스펠링이 변경되었으며, 독일에서는 카시오페이움(cassiopeium)라는 이름이 1950년대까지 사용되었다. 우리말로는 원자번호 44번의 루테늄(ruthenium, Ru)과 혼돈할 우려가 있으므로 주의가 필요하다. 석유화학 촉매, 양전자 단층 촬영(PET) 검출기의 섬광체, 레이저 결정, X-선 형광체, 고굴절 렌즈 유리 등에 소량씩 쓰이며, 인공 방사성 동위원소 177Lu의 착화합물은 암에 대한 방사성 치료제로 주목 받고 있다. 루테튬의 발견, 물리 및 화학적 성질, 이용 등에 대해 보다 자세히 알아보자.

원자번호 71번, 루테튬 루테튬(lutetium)1)은 원자번호 71번의 원소로, 원소기호는 Lu이다. 다른 란타넘 원소들이 f-구역(f-block)2)원소인 반면 루테튬은 d-구역3)원소이기는 하나, 란타넘족 원소 및 희토류 원소로 분류된다. 루테튬은 은백색 금속으로 란타넘족 원소 중에서는 가장 단단하고 밀도(20oC, 9.84g/cm3)가 가장 크며, 원자 크기와 이온 반경은 가장 작고 녹는점(1663oC)이 가장 높다. 결정은 육방조밀격자(hcp) 구조를 갖는다. 화합물에서의 산화상태는 주로 +3이다.

원자번호 71번 루테튬 <출처: (cc) Tristan Nitot>

루테튬의 원소 정보

실온의 공기 중에서 느리게 표면이 산화되면서 금속 광택이 흐려지며, 150oC 이상에서는 쉽게 타서 산화루테튬(Lu2O3)이 된다. 찬 물과는 느리게, 그러나 뜨거운 물과는 빠르게 반응하여 수소 기체를 발생시키고 수산화루테튬(Lu(OH)3)가 된다. 산에 쉽게 녹아 수소를 발생시키고 Lu3+ 이온이 되는데, Lu3+은 수용액에서 물 9분자가 배위된 [Lu(H2O)9]3+로 존재한다. Lu3+는 무색이며, 대부분의 루테튬 염은 흰색이고 이들의 수용액은 색을 띠지 않는다. 할로겐 원소들과 쉽게 반응하여 삼할로겐화물(LuX3)이 된다. 루테튬은 희토류 원소 중에서 가장 희귀한 원소로, 지각에서의 존재비가 약 0.5ppm(0.00005%)이고 대략 60번째로 많은 원소이다. 이는 존재량으로만 보면 은(Ag)이나 수은(Hg)보다 풍부한 양이나, 아주 조금씩 널리 퍼져있어 순수한 형태로 얻기가 가장 어려운 희토류 원소이다. 모나자이트(monazite) 광석에서 주로 얻는데, 여기에 단지 30ppm(0.003%) 농도로 들어있다. 희토류광(bastnasite), 제노타임(xenotime), 육세나이트(euxenite) 등에도 다른 희토류 원소들과 함께 소량 들어 있으며, 흙에는 건조 무게의 약 0.3ppm의 비율로 들어있다. 전세계 광석 매장량은 20만 톤으로 추정되며, 주로 산화루테튬(Lu2O3)으로 생산되는데 전세계 연간 생산량은 10톤에 불과하다. 핵연료의 핵 분열 생성물의 하나이기도 하다. 루테튬은 희귀하며, 생산하기도 어렵고 가격도 비싸기 때문에 대량으로는 사용되지 않으나, 소량씩 몇 가지 용도에 요긴하게 사용된다. 예로, 석유화학공업에서 탄화수소 분해, 중합, 알킬화 및 수소화 반응의 효율적인 촉매로 가끔 사용되며, 양성자 방출 단층촬영(PET) 검출기의 형광체에도 들어간다. 루테튬 알루미늄 가넷(LuAG)은 고굴절 유리로, 반도체 액침 노광(immersion lithography) 렌즈 재료로 유용하게 사용될 수 있고, 여기에 세륨(Ce)을 첨가한 것은 섬광제로 고 에너지 광자(photon) 검출에 사용될 수 있다. 또 유로퓸(Eu)이 첨가된 산화루테튬(Lu2O3)은 투명 세라믹으로, 여러 용도에 사용될 수 있다. 그리고 탄탈산루테튬(LuTaO4)은 안정한 흰색 물질 중 가장 밀도가 높으며, X-선 형광체의 이상적인 모체 재료로 여겨지고 있다. 이외에도 여러 루테튬 화합물이 레이저 재료로 주목 받고 있으며, 인공 방사성 동위원소 177Lu의 착화합물들은 여러 암에 대한 방사성 치료제로 사용되거나 시험 중에 있다.

루테튬의 발견과 역사 루테튬은 1907년에 프랑스의 우르뱅(George Urbain, 1872~1936), 오스트리아의 벨스바흐(Carl Auer von Welsbach, 1858~1929), 그리고 미국의 제임스(Charles James, 1880~1928), 이들 세 사람에 의해 각각 독립적으로 이테르비아(ytterbia)에 들어있던 불순물에서 발견되었다. 이테르비아는 원자번호 70번인 이터븀(이테르븀, Yb)의 산화물로, 1878년에 스위스 화학자 드 마리낙((Jean Charles Galissard de Marignac, 1817~1894)에 의해 잘 정제되지 않은 어비아(erbia, 어븀산화물)에서 분리·발견되었다.

우르뱅은 1907년에 단일 물질로 여겨졌던 드 마리낙의 이테르비아를 질산에 녹여 염을 얻은 후, 이를 여러 차례 분별 결정하고 열 분해시켜 두 가지 산화물로 분리하였다. 그는 이들 두 산화물의 금속원소를 하나는 ‘새로운 이터븀’이라는 뜻의 네오이터븀(neoytterbium), 그리고 다른 하나는 프랑스 파리의 옛 이름 루테시아(Lutecia)를 따서 루테슘(lutecium, 1949년에 루테튬 ‘lutetium’으로 변경)이라 명명하였다. 거의 같은 때에 벨스바흐도 이테르비아가 두 가지 산화물의 혼합물임을 발견하였는데, 그는 우르뱅의 네오이터븀에 대응하는 것을 알데바라늄(aldebaranium), 그리고 루테튬에 대응하는 것은 별자리 이름 카시오페이아(cassiopeia)를 따서 카시오페이움(cassiopeium)으로 명명하였다. 우르뱅과 벨스바흐는 서로 다른 사람의 결과를 도용했다고 제소하였는데, 새로운 원소 이름을 결정하는 원자질량위원회(Commission on Atomic Mass, 우르뱅도 위원의 한 사람이었다)는 1909년에 루테튬의 분리가 우르뱅에 의해 처음 기술되었다는 것을 바탕으로 하여 우르뱅에게 우선권을 주고, 우르뱅이 제안한 명칭을 채택하였으며, ‘네오이터븀’이라는 명칭은 드 마리낙이 제안하였던 이터븀으로 되돌렸다. 그러나 명칭의 혼란은 계속되어, 일부 독일 화학자들은 1950년대까지 루테튬 대신 벨스바흐가 제안한 ‘카시오페리움’이란 이름을 사용하기도 하였다. 한편 미국의 제임스도 이터븀에 대해 연구하면서 루테튬을 분리·발견하였는데, 우르뱅의 발표를 보고는 자신의 결과 발표를 포기하여 우선권 논쟁에 끼어들지 않았다. 다만 제임스의 희토류 원소 분리 기술은 1940년대에 이온교환 방법이 개발되기 전까지는 최고 수준이었으며, 가장 대규모로 분리하여 가장 많은 양의 루테튬을 보유하고 있었다.

루테튬은 1907년, 프랑스의 우르뱅(George Urbain, 1872~1936), 오스트리아의 벨스바흐(Carl Auer von Welsbach, 1858~1929), 그리고 미국의 제임스(Charles James, 1880~1928) 세 사람에 의해 독립적으로 발견되었다. 사진은 벨스바흐

1907년에 벨스바흐가 얻은 루테튬 시료는 비교적 순수한 것이었으나, 우르뱅의 시료에는 단지 약간의 루테튬만 들어있을 뿐이었다. 이 때문에 우르뱅은 1911년에 ‘가돌리나이트에서 루테튬, 스칸듐과 함께 들어있는 새로운 원소’를 발견하였다고 발표하였으며, 이 원소를 원자번호 72번의 원소라 여기고 셀튬(celtium, Ct)이라 명명하였다. 그러나 1913년에 발견된 모즐리(Henry Moseley, 1887~1915)의 법칙(X-선 스펙트럼의 진동수와 원자번호와의 관계를 기술한 법칙)으로 분석한 결과, 셀튬은 사실상 순수한 루테튬임이 밝혀졌고, 원자번호 72번 원소인 하프늄(hafnium, Hf)은 1923년에야 발견되었다. 루테튬을 발견한 것으로 인정되는 세 사람 모두 순수한 원소상태의 루테튬은 얻지 못하였으며, 그들이 얻은 것은 산화루테튬 형태의 화합물이었다. 순수한 루테튬 금속은 1953년에 처음으로 얻어졌다.

고순도 루테튬 입방체와 금속 루테튬. <출처: (cc)Alchemist-hp at Wikipedia.org>

물리적 성질 루테튬은 은백색 금속으로, 란타넘족 원소 중에서 원자량은 가장 큰 반면 원자의 크기는 가장 작다. 이 때문에 밀도(25oC에서 9.84g/cm3), 경도, 녹는점(1663oC)이 가장 크거나 높다. 끓는점은 3400oC로, 프라세오디뮴(3520oC), 란타넘(3464oC), 세륨(3443oC)다음으로 높다. 또 녹음열(약 22kJ/mol)과 증발열(414kJ/mol)도 희토류 원소 중에서 가장 크다. 결정은 육방조밀격자(hcp) 구조를 갖는다. 동위원소 루테튬은 천연상태에서 175Lu(97.41%)와 176Lu(2.59%)의 2가지 동위원소로 존재하는데, 175Lu는 안정하나 176Lu은 반감기가 3.78x1010년인 방사선 동위원소로 β- 붕괴를 하고 하프늄(Hf)-176(176Hf)이 된다. 지금까지 질량수가 150~184사이에 있는 32가지 인공 방사성 동위원소들이 합성되었는데, 반감기가 긴 것들은 174Lu(반감기 3.31년)와 173Lu(반감기 1.37년)이고 나머지들은 반감기가 9일보다 짧다. 안정한 동위원소인 175Lu보다 가벼운 동위원소들은 주로 전자포획(β+ 붕괴)을 하고 이터븀(Yb) 동위원소가 되는데, 질량수가 152~160인 동위원소들의 일부는 α붕괴를 하고 툴륨(Tm) 동위원소가 되기도 한다. 175Lu보다 무거운 동위원소들은 주로 β- 붕괴를 하고 하프늄 동위원소가 된다. 18가지의 준안정한 핵 이성체들이 알려져 있는데, 반감기가 긴 것들은 177mLu(반감기 160.4일), 174mLu(반감기 142일), 176mLu(반감기 23.1분)이다. 176Lu은 루테튬-하프늄 연대 측정법에 의한 운석의 연대 측정, 순수한 β-선 방출원, 177Lu 생산 등에 사용된다. 177Lu는 176Yb에 중성자를 쪼여서 얻을 수도 있는데, 암 치료에 사용되는 주요 방사성 핵 종이 되고 있다. 176Lu + 1n → 177 Lu + 감마선 176Yb + 1n → 177Yb → 177Lu + β-

화학적 성질

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

루테튬 원자의 바닥 상태 전자배치는 [Xe]4f145d16s2으로, 화학 반응에서 쉽게 맨 바깥의 6s전자 2개와 5d전자 1개를 잃고 +3의 산화상태가 되는데, 이 상태는 f-궤도가 모두 채워져 있으므로 특히 안정하다. Lu3+이온은 +3가의 란타넘족 이온 중에서 반경이 가장 작다. 루테튬은 실온의 공기 중에서 느리게 표면이 산화되면서 금속 광택이 흐려지며, 150oC 이상에서는 쉽게 타서 산화루테튬(Lu2O3)이 되는데, Lu2O3는 약한 염기성을 띠며 물과 탄산가스를 흡수한다. 찬 물과는 느리게, 그러나 뜨거운 물과는 빠르게 반응하여 수소 기체를 발생시키고 수산화루테튬(III)(Lu(OH)3)가 된다. 산과 쉽게 반응하여 수소를 발생시키고 Lu3+이온이 되는데, Lu3+은 수용액에서 [Lu(H2O)9]3+로 존재한다. Lu3+는 무색이며, 따라서 대부분의 루테튬 염은 고체상태에서 흰색이고, 이들의 수용액은 색을 띠지 않는다. 할로겐 원소들과 쉽게 반응하여 삼할로겐화물(LuX3)이 된다. 산화물, 수산화물, 인산염, 옥살산염, 탄산염, 플루오르화물은 물에 녹지 않는다. Lu3+/ Lu의 표준 환원전위(Eo)는 -2.30V이다. Lu3+ + 3 e- Lu Eo = -2.30V

루테튬의 생산 루테튬은 주로 대표적인 희토류 광석의 하나인 모나자이트에서 얻는데, 이에는 루테튬이 약 0.003%비율로 들어있어 광석 1톤에서 얻을 수 있는 양이 약 30g이다. 모나자이트에서 루테튬을 분리하는 방법은 다른 희토류 원소를 분리하는 방법과 거의 같다. 분쇄된 광석을 뜨거운 황산으로 처리하면 희토류 원소들은 물에 녹는 황산염으로 전환된다. 이 용액에 가성소다를 가해 pH를 3~4로 높이면 토륨(Th)은 수산화물로 침전된다. 침전을 제거한 여액에 옥살산 또는 옥살산염을 첨가하여 희토류 원소들의 옥살산염을 침전시켜 회수하고, 이를 열 분해시키면 희토류 원소들의 산화물이 얻어진다. 이 혼합물을 질산에 녹이면 산화세륨(CeO2)은 녹지 않아 침전으로 분리된다. 여과한 용액을 이온교환 크로마토그래피 방법을 써서 각 성분 별로 분리하고, 다시 옥살산 염으로 침전시킨 후 열 분해시켜 산화물 형태, 즉 산화루테튬(Lu2O3)을 얻는다. 금속 루테튬은 Lu2O3를 금속 란타넘(La)으로 환원시켜 얻거나, Lu2O3를 무수 염화루테튬(LuCl3)이나 플루오르화루테튬(LuF3)으로 전환시킨 후 알칼리 금속 또는 칼슘으로 환원시켜 얻는다. 2 LuF3 + 3 Ca → 2 Lu + 3 CaF2 루테튬의 전세계 연간 생산량은 약 10톤이며, 주로 중국에서 생산된다. 금 값이 쌌던 1960년대에는 루테튬이 금보다 대략 6배 비쌌던 연유로 여러 문헌들이 루테튬을 ‘가장 값 비싼’ 금속으로 적고 있다. 그러나 지금은 생산 비용이 줄어들고 생산량이 많아져, 99.5% 순도의 금속 루테튬은 약 8 $/g, Lu2O3는 약 2500$/kg 수준에서 구입 가능하다. 국내의 한 다국적 시약 판매회사는 99.9% 금속 루테튬 1g을 338,000원, 그리고 99.99% Lu2O3 5g을 801,000원(99.9%는 571,000원)에 판매하고 있다.

모나자이트. 루테튬은 주로 모나자이트에서 얻는데, 여기에 약 0.003% 비율로 들어있다. <출처: (cc) Ra'ike at Wikimedia.org>

루테튬의 용도 루테튬은 희귀하고 가격이 비싸 대량으로 사용되기 보다는 화학 반응 촉매, 양전자 방출 단층촬영(PET) 검출기, 암 치료에 쓰이는 방사선 의약품 등에 소량씩 쓰인다. X-선 형광체, 고굴절율 렌즈, 레이저, LED 전구 재료를 비롯한 여러 용도가 개발 중에 있어 앞으로 더욱 요긴하게 사용되리라 예상된다. 석유화학 촉매 루테튬은 석유화학공업에서 가끔 탄화수소 분해(cracking), 알킬화, 수소화, 중합 반응의 초 효율적인 촉매로 사용되는데, 탄화수소 분해는 중질유를 휘발유와 같은 경질유로 분해시키는 반응이며, 알킬화 반응은 가벼운 기체성 탄화수소들을 서로 결합시켜 옥탄가가 높은 휘발유 성분을 얻는 반응이다. 보통은 세륨 등 다른 희토류 촉매가 사용되나, 산화루테튬(Lu2O3)을 기반으로 하는 촉매를 사용하면 에너지를 절약할 수 있다고 알려져 있다. 광·전자 재료 몇 가지 루테튬 무기화합물과 루테튬이 첨가된 물질들이 광·전자 재료로 요긴하게 사용되고 있거나 개발 중에 있다. 루테튬 알루미늄 가넷(LuAG, lutetium aluminum garnet, Al5Lu3O12)은 투명한 광 세라믹 물질로 굴절율이 2.14나 되어, 액침 노광(immersion lithography, 렌즈와 반도체 웨이퍼 사이에 액체를 넣어 분해능을 향상시킨 반도체 미세회로 제작 공정)에서 요구되는 고굴절 렌즈 재료로 가장 유망한 물질로 여겨지고 있다. 또 세륨(Ce)이 첨가된 LuAG는 고에너지 입자를 검출하는 섬광체(방사선이나 고에너지 입자가 충돌하면 센 빛을 내는 물질)로 사용될 수 있으며, 홀륨(Ho)이나 툴륨(Tm)을 첨가한 LuAG는 고체상태 레이저 물질로 사용할 수 있다. 한편, 오쏘바나듐산루테튬(LuVO4)은 고출력 레이저 재료로 사용될 수 있다. 탄탈산루테튬(lutenium tantalate, LuTaO4)은 밀도가 가장 높은 안정한 흰색 물질(밀도 9.81g/cm3)로, 가격을 고려하지 않는다면, 가장 이상적인 X-선 형광체 모체 물질로 여겨진다. 이 물질 자체는 열발광(thermoluminescence, 온도가 상승하면 빛을 내는 성질) 성질을 보이고 형광은 약하나, 여기에 다른 원소를 첨가하면 첨가된 원소에 따라 독특한 색의 형광을 내는데, 흔히 첨가되는 원소로는 유로퓸(붉은색), 사마륨(붉은색), 터븀(녹황색), 프라세오디뮴(붉은색), 툴륨(청색), 디스프로슘(주황색), 나이오븀(청색) 등이 있다. 루테튬을 기반으로 하는 형광체 (xLu3Al5O12·yGd3Al5O12:CePrEuTb)는 LED전구에 사용되기도 한다. 루테튬이 첨가된 가돌리늄 갈륨 가넷(GGG, gadolinium gallium garnet)은 1974년에 자기버블(magnetic bubble) 메모리 소자로 제안되었으나, 버블 메모리는 현재는 사용되지 않는다 의학적 응용 오쏘규산루테튬(LSO, lutetium orthosilicate, Lu2SiO5)에 세륨(Ce)을 첨가한 물질은 양전자 단층촬영(PET, 양전자를 방출하는 방사성 동위원소가 들어있는 방사성 의약품을 인체에 투여한 후 방사능 분포를 영상화하여 각종 암 등을 진단하는데 쓰이는 기법) 검출기의 섬광체로 선호되는데, 이 물질은 고에너지 입자 물리 실험에서의 섬광체로도 사용된다. 한편, 방사성 동위원소인 177Lu를 옥트레오테이트(octreotate, 성장호르몬의 분비를 억제하는 호르몬인 소마토스타틴(somatostatin)의 합성 유사체) 등에 결합시킨 착화합물은 신경내분비종양(neuroendocrine tumor)에 대한 표적 방사성 치료제로 일부 국가에서 승인되어 사용되고 있으며, 대장암, 전이성 뼈 암, 폐암 등의 방사성 치료제로도 시험 중에 있다. 이 착화합물에서 루테튬에 대한 킬레이트(chelate: 금속 이온에 대한 배위기를 복수로 갖는 배위자)는 옥트레오테이트에 DOTA((CH2CH2NCH2COOH)4)를 결합시킨 것인데 그 구조는 다음과 같으며, 흔히 이 방사성약품을 177Lu-DOTATATE로 표기한다.

옥트레오테이트에 Lu³⁺이 결합할 자리를 붙인 DOTATATE(왼쪽)와 여기에 ¹⁷⁷Lu³⁺를 결합시킨 방사성 암치료제 ¹⁷⁷Lu-DOTATATE (오른쪽). 신경내분비종양 치료제로 일부 국가에서 사용 승인되었으며, 다른 암에 대해서도 임상 시험 중에 있다. <출처: adacap.com>

기타 용도 인화루테튬(LuP)은 반도체 물질로 고출력, 고주파수 레이저 다이오드 재료로 사용된다. 유로퓸(Eu)이 첨가된 산화루테튬(Lu2O3)은 투명 세라믹으로, 앞으로 의학, 핵물리, 석유 탐사 등에서의 이용이 기대되고 있다. 176Lu은 루테튬-하프늄 연대 측정법으로 운석의 연대를 측정하는데 이용된다.

루테튬 화합물 루테튬은 주로 +3가 상태의 화합물들을 만들며, 주된 화합물로 산화물과 할로겐화물을 들 수 있다. 산화물 산화루테튬(Lu2O3)는 루테시아(lutecia)로도 불리며, 판매되는 루테튬의 주요 형태이다. 녹는점은 2490oC이고 끓는점이 3980oC인 흰색 고체로, 금속 루테튬을 공기 또는 산소 존재 하에서 태우거나, 옥살산루테튬을 비롯한 루테튬의 산소산염이나 수산화루테튬을 열 분해시켜 얻는다. 띠 간격이 다이아몬드와 같은 5.5eV인 전기 부도체로, 물에는 녹지 않으나 대부분의 강산에는 비교적 잘 녹아 대응하는 루테튬 염을 생성한다. 약간 흡습성이 있으며, 탄산가스도 흡수하는 것으로 알려져 있다. 루테튬이 들어간 특수 유리, 레이저 결정, 형광체, 세라믹 물질을 만드는데 주로 사용되며, 석유화학에서 탄화수소 분해, 알킬화, 중합 반응 등의 촉매로도 쓰인다. 할로겐화물 루테튬은 4가지 할로겐 원소(X2) 모두와 반응하여 삼할로겐화물(LuX3)을 만들며, 다른 산화 상태의 할로겐화물은 알려져 있지 않다. 금속 루테튬과 할로겐 원소 사이의 직접 반응에서 얻을 수도 있으나, 보통 Lu2O3를 HX와 반응시켜 만든다. LuI3는 갈색이고 다른 화합물들은 흰색이다. 녹는점은 LuF3는 1182oC, LuCl3는 905oC(750oC 이상에서 승화), LuBr3는 1025oC, 그리고 LuI3는 1050oC이다. LuF3를 제외하고는 모두 물에 잘 녹는다. LuF3는 금속 루테튬을 얻는 원료물질로 쓰이고, 플루오르 광섬유의 루테튬 첨가제로 사용되며 촉매로도 이용된다. LuCl3는 금속 루테튬 생산이나 여러 루테튬 화합물 제조의 원료물질로 사용된다. LuBr3와 LuI3도 루테튬 화합물 제조의 원료물질로 주로 사용된다. 기타 화합물 루테튬 알루미늄 가넷((Al5Lu3O12), 오쏘규산루테튬(Lu2SiO5), 탄탈산루테튬(LuTaO4), 오쏘바나듐산루테튬(LuVO4), 인화루테튬(LuP) 등의 무기 물질, 그리고 177Lu-DOTATATE 착화합물이 많이 연구되고 사용되고 있는데, 이들에 대해서는 앞의 용도 항에서 소개하였다. 이외에 황산루테튬(Lu2(SO4)3)도 흔히 사용되는데, 이 화합물은 물에 대한 용해도(7수화물의 경우, 20oC 물 100g에 42.27g이 녹음)가 매우 크다.

생물학적 역할과 독성 다른 희토류 원소들과 마찬가지로, 루테튬의 생물학적 역할은 알려진 것이 없으나, 루테튬 염들이 대사를 촉진한다는 보고가 있다. 루테튬은 인체에서 뼈에 농축되어있고 간과 신장에서도 발견되나, 그 양은 매우 작다. 수용성 화합물은 약간의 독성을 나타내나, 물에 녹지 않는 염들은 독성이 없는 것으로 여겨진다. LuCl3의 쥐에 대한 섭취 치사량(LD50)은 7.1g/kg으로 보고되었다.

1. 수치로 보는 루테튬

   루테튬의 표준원자량은 174.9668g/mol이고, 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁶4f¹⁴5d¹6s²([Xe]4f¹⁴5d¹6s²)이며, 화합물에서 주된 산화 수는 +3이다. 지각에서의 존재 비는 약 0.5ppm(0.00005%)으로, 대략 60번째로 풍부한 원소이다. 1기압에서 녹는점은 1663^oC이고 끓는점은 3400^oC이며, 25^oC에서의 밀도는 9.84g/cm³이고 녹는점에서의 액체 밀도는 9.3g/cm³이다. 녹음열과 증발열은 각각 22kJ/mol과 414kJ/mol이다, 실온에서의 전기비저항은 582nΩ·m이다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 523.5, 1340, 2022.3kJ/mol이며, 폴링의 전기 음성도는 대략 1.27이다. 원자 반경은 173.8pm(비교: Yb, 176pm)이고, 6배위체의 Lu³⁺ 이온 반경은 86.1pm(비교: Yb³⁺, 86.8pm)이다. Lu³⁺/Lu의 표준 환원 전위는 -2.30V이다. 천연상태 동위원소는 ¹⁷⁵Lu(97.41%)와 ¹⁷⁶Lu(2.59%)의 2가지인데, ¹⁷⁶Lu는 β^-붕괴를 하는 방사성 동위원소이다. 전세계 연간 생산량은 약 10톤이고, 광석 매장량은 약 20만 톤으로 추정된다.

2. f-구역(f-block) 원소

   f-구역은 주기율표에서 아래 부분에 별도로 원소들을 모아둔 구역으로, 이 구역 원소들은 바닥 상태에서 가장 높은 에너지의 전자가 f-궤도에 있으며, 내부전이원소라고도 부른다. 실제 전자 배치는 전자의 쌓음 원리(Aufbau principle)에서 예측되는 것과 약간 다를 수 있다. 실제로는 d-구역 원소인 루테튬(Lu)과 로렌슘(Lr)을 보통 f-구역 원소에 포함시킨다. 6주기 f-구역 원소들을 란타넘족 원소라 하는데 이에는 보통 란타넘(La)도 포함시키고, 7주기 f-구역 원소들을 악티늄족 원소라 하는데 이에는 보통 악티늄(Ac)도 포함시킨다.

3. d-구역(d-block) 원소

   d-구역은 주기율표에서 3~12족 원소들이 들어있는 구역으로, 이 구역의 원소들은 원자의 바닥 상태에서 가장 높은 에너지의 전자가 d-궤도에 있는 원소들이다. d-구역 원소들을 전이금속 또는 전이원소라고도 부른다.

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 2013.01.22

 

Lutetium Atomic Weight 174.967 Density 9.841 g/cm3 Melting Point 1663 °C Boiling Point 3402 °C Full technical data Lutetium has almost no applications. As a result it used to be the most expensive element in the world. These days it is easily available as a side product of other lanthanide production and its price has fallen. Scroll down to see examples of Lutetium.