Actinium(Ac), 89-악티늄

원자번호 89번의 원소 악티늄(actinium)은 1899년에 프랑스 화학자 드비에른(André -Louis Debierne, 1874~1949)이 처음 분리·발견한 은백색 금속 원소이다. 그는 퀴리 부부가 라듐을 분리하고 남은 피치브렌드(pitchblende, 역청 우라늄석) 찌꺼기에서 이를 분리하였다. 강한 방사선을 내며, 어두운 곳에서 푸른 빛이 나므로, 그리스어로 광선을 뜻하는 aktinos 또는 aktis를 따서 원소 이름이 지어졌다. 악티늄은 우라늄의 자연 방사성 붕괴의 중간 생성물로 자연에 극미량 존재하는데, 비원시(non-primordial, 지구 형성 시에는 존재하지 않았던) 방사성 원소 중에서는 맨 처음 순수한 상태로 분리되었다. 비록 자연계에서 처음 발견되었지만, 지금은 인공 핵 반응으로 합성하여 사용한다. 악티늄 동위원소 중에서 가장 안정한 악티늄-227(반감기가 21.77년)은 산화베릴륨(BeO)과 혼합하여 중성자원으로 사용된다. 반감기가 10일인 악티늄-225는 이상적인 방사성 암 치료제의 특성을 가지고 있는데, 새로운 암 치료제 개발은 미국 오바마 대통령이 2012년의 신년 국정연설(state of Union Address)에서 언급할 정도로 중요한 혁신 분야 중의 하나이다. 악티늄의 발견과 역사, 물리·화학적 특성, 생산과 이용 등에 대해 보다 자세히 알아보기로 하자.

 

 

원자번호 89번, 악티늄 악티늄(actinium)1)은 원자번호 89번의 원소로, 원소기호는 Ac(Ac는 화학에서 아세틸(CH3CO)기를 나타낼 때도 사용되므로, 혼동하지 말 것)이다. 주기율표에서 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 란타넘(La)과 함께 3족(3B족)에 속하는데, 이들 원소의 원자들은 1개의 d전자와 맨 바깥 전자껍질에 2개의 s전자를 가지고 있다. 악티늄과 악티늄 다음에 있는 원자번호 90~103번 원소들을 묶어 악티늄족 원소(actinide 또는 actinoid)2)라 부르고 이들을 원자번호 57~71의 란타넘족 원소들처럼 주기율표에서 아래에 따로 배치하는데, 이들의 성질은 모두 비슷하며, 란타넘족 원소들과도 비슷하다.

 

원자번호 89번 악티늄. 어두운 곳에서 푸른 빛을 낸다. (일러스트임) <출처 : (cc) http://images-of-elements.com>

악티늄의 원소정보

 

 

악티늄은 강한 방사선을 내는 무른 은백색 금속으로, 결정은 면심입방(fcc) 구조를 갖는다. 20oC에서의 밀도는 10.07g/cm3이며, 녹는점은 1050oC이고, 끓는점은 3200oC로 추정된다. 공기 중에서 산소, 수분과 빠르게 반응하여 산화악티늄 보호피막을 만들며 회백색으로 흐려진다. 대부분의 란타넘 및 악티늄족 원소들과 마찬가지로, 거의 모든 화합물에서 +3의 산화상태를 갖는다.   자연계에는 발견되는 악티늄은 주로 악티늄-227(227Ac)로, 이는 우라늄(U) 광석에 광석 1톤당 약 0.2mg의 비율로 들어있다. 지각에는 대략 0.0005ppt(1 ppt는1 part per trillion으로 1조(1012)분의 1)의 무게 비로 존재하는 것으로 추정된다. 227Ac은 반감기(t1/2)가 21.77년으로 악티늄 동위원소 중에서 가장 길며, 235U에서 시작되는 악티늄 계열 붕괴 사슬의 중간생성물 중의 하나이다.

 

 

자연에는 227Ac 외에도 228Ac가 발견되는데, 이는 227Ac보다 훨씬 더 희귀하다. 228Ac은 232Th로 시작되는 토륨 계열 붕괴 사슬의 중간 생성물이다. 악티늄은 매우 희귀하고 또 란타넘족 원소들과 성질이 비슷하여 광석에서 이를 분리해 내는 것이 아주 어려워 주로 핵 반응으로 합성해서 얻는다. 227Ac는 라듐(Ra)-226에 중성자를 쪼여 밀리그램 규모로 얻는데, 연간 전세계 생산량은 1g미만으로 여겨진다. 225Ac(t1/2=10일)는 이의 모 원자핵인 토륨-229(229Th)을 226Ra 표적에 중성자 또는 α입자를 쪼여 얻거나, 오래된 폐 우라늄 핵연료에서 분리하는 방법 등으로 얻는다.   악티늄 동위원소 중 227Ac는 산화베릴륨(BeO)과 혼합하여 중성자원으로 사용되며, 방사성 동위원소 발열발전기(원자력 전지)에 사용할 수 있다. 225Ac는 이를 포함하는 여러 화합물들이 합성되어 각종 암 치료에 시험되고 있으며, 매우 좋은 치료 효과가 확인되어 α입자 방출 방사성 암 치료제로 크게 기대되고 있다.

 

 

악티늄의 발견과 역사 악티늄은 1899년에 프랑스 화학자 드비에른(André-Louis Debierne, 1874~1949)에 의해 퀴리 부부가 라듐을 추출하고 남은 피치블렌드(pitchblende, 역청 우라늄석) 찌꺼기에서 분리·발견되었다. 그는 처음에는 이 새로운 원소가 타이타늄(Ti)과 비슷하다고 했으나, 다음해에는 토륨과 비슷하다고 발표하였다. 그는 이 원소가 어두운 곳에서 빛을 내는 것에서, 그리스어로 광선을 뜻하는 aktinos 또는 aktis를 따서 원소 이름을 악티늄(actinium)으로 지었다.   한편 이보다 3년 뒤인 1902년에 독일 화학자 기젤(Friedrich Oskar Giesel, 1852~1927)은, 드비에른과는 독립적으로, 피치블렌드에서 새로운 방사성 원소를 분리하고, 이어 2년 동안 이 원소의 여러 성질을 조사한 후, 1904년에 원소 이름을 라틴어로 ‘발산하다’를 뜻하는 ‘emanare’를 따서 ‘에마늄(emanium)’으로 짓고 그 결과를 발표하였다. 이후 곧바로 드비에른의 악티늄과 기젤의 에마늄의 반감기가 측정·비교되었는데, 두 원소가 동일한 것으로 밝혀졌으며, 드비에른의 발견이 시기적으로 더 빨랐기 때문에 그가 악티늄의 최초 발견자로 인정되고 그가 지은 원소 이름 악티늄이 채택되었다. 그러나, 기젤이 처음으로 방사화학적으로 순수한 악티늄을 얻었고 이의 원자 번호가 89번임을 확인하였기 때문에, 기젤을 악티늄의 발견자로 보아야 한다는 과학사 학자들도 있다.

 

1922년 솔베이 회의의 기념사진. 드비에른의 모습이 보인다. (표시한 인물)

 

 

물리적 성질 악티늄은 무른 은백색의 방사성 금속 원소이다. 가장 안정한 동위원소는 227Ac로, 이의 반감기는 21.77년이다. 강한 방사선을 내고 이에 의해 주위의 공기 분자가 이온화되므로, 어두운 곳에서는 푸른색 빛을 낸다. 20oC에서의 밀도는 10.07g/cm3이며, 녹는점은 1050oC이고, 끓는점은 3200oC로 추정된다. 결정은 면심입방(fcc) 구조를 갖는다.

 

동위원소와 방사성 붕괴

악티늄 동위원소들은 모두 방사성 붕괴를 한다. 질량수가 206~236인 31가지 동위원소들이 알려져 있는데, 이중에서 자연계에서 발견되는 것은 227Ac(t1/2=21.77년)와 228Ac(t1/2=6.13시간)의 2가지이다. 이들은 각각 235U의 붕괴 사슬(악티늄 계열)과 232Th 붕괴 사슬(토륨 계열)의 중간 생성물인데, 천연 악티늄의 거의 대부분은 227Ac이다. 악티늄 동위원소들 중 반감기가 상대적으로 긴 것들은 자연에서 발견되는 2 가지 동위원소들 외에 225Ac(t1/2=10 일), 226Ac(t1/2=29.37시간), 224Ac(t1/2=2.78시간), 229Ac(t1/2=62.7분)이 있으며, 나머지는 반감기가 10분 이내이다. 3 가지 핵 이성체(206m1Ac, 206m2Ac, 208mAc)가 알려져 있는데, 이들의 반감기는 0.1초보다 짧다. 질량수가 223이하인 동위원소들은 주로 α붕괴를 하고 프랑슘(Fr) 동위원소가 되며, 일부(2% 미만)는 β+붕괴 또는 전자포획을 하고 라듐(Ra) 동위원소가 된다. 224Ac는 90.9%가 β+붕괴를 하고 224Ra이 되나, 나머지는 α붕괴와 β-붕괴를 하고 각각 220Fr과 224Th이 된다. 225Ac는 거의 전적으로 α붕괴를 하고 221Fr이 되며, 226Ac는 83%가 β-붕괴를 하고 226Th이 되며 나머지 17%는 전자 포획을 하여 226Ra이 된다. 227Ac은 98.61%가 β-붕괴를 하여 227Th이 되며 나머지 1.38%는 α붕괴를 하고 223Fr이 된다. 질량수가 228이상인 동위원소들은 거의 모두가 β-붕괴를 하고 토륨 동위원소가 된다.

악티늄의 바닥상태 전자배치 <출처 : (cc)Pumbaa at Wikipedia.org>

 

225Ac의 α붕괴에 의해 생성되는 221Fr은 계속된 α붕괴로 217At, 213Bi 등을 거쳐 최종적으로 209Pb가 되며, 이 과정에서 225Ac 원자 1개당 4개의 α입자가 방출되는데(아래 그림 넵투늄 계열 참조), α입자는 생체 조직에서 투과 길이가 짧다. 따라서 이의 발생원인 225Ac를 암 세포에 부착시키면 암 세포만 파괴되고 다른 건강한 세포는 손상을 입지 않으며, 또한 225Ac의 반감기가 10일로 적당하게 길어, 방사선 암 치료에서 요구되는 여러 좋은 특성을 갖고 있다.

 

자연에서 ²²⁷Ac이 생성되는 악티늄 계열 붕괴 사슬(왼쪽)과 자연에서는 소멸되었으나, 인공 원소로 밝혀진 ²²⁵Ac이 생성되는 넵투늄 계열 붕괴 사슬(오른쪽). 한편, ²²⁸Ac은 토륨 계열 붕괴 사슬에서 ²³²Th의 α붕괴로 생성되는 ²²⁸Ra의 β^-붕괴로 생성된다. 자연에 존재하는 악티늄은 거의 대부분이 ²²⁷Ac이며, 우라늄 광석에 1톤당 약 0.2mg의 비율로 들어있다. <출처: (cc) Tosaka at wikimeda.org / BatesIsBack at Wikimedia.org>

 

 

화학적 성질 악티늄의 화학적 성질은 란타넘(La)과 비슷하나, 란타넘보다 좀더 염기성이고 강한 전기 양성을 갖는다. 대부분의 란타넘 및 악티늄족 원소들과 마찬가지로, 화합물에서는 주로 +3의 산화상태를 가지나, +2가 화합물인 수소화악티늄(AcH2)도 알려져 있다. 공기 중의 산소, 습기와 빠르게 반응하여 회백색의 산화악티늄(Ac2O3) 피막이 만들어지는데, 이는 더 이상의 산화를 막는 보호막 역할을 한다. 그러나 공기 중에서 태우면 전체가 Ac2O3가 된다. 실온에서 할로겐과 반응하여 할로겐화악티늄(AcX3)이 되며, 높은 온도에서는 다른 비금속 원소들과도 반응한다. 미세한 가루를 사용하거나 높은 온도에서는 물과 반응하여 수소를 발생시킨다. 묽은 산에 녹으며, 강산과의 염은 물에 잘 녹으나, 약산(예로, HF, H3PO4, H2C2O4, H2CO3)과의 염들은 물에 약간 녹거나 거의 녹지 않는다. Ac3+ 이온은 비활성 기체인 라돈(Rn)과 같은 전자배치를 가지며, 용액에서 색을 띠지 않는다. 산성 수용액에서 Ac3+/Ac의 표준 환원 전위(Eo)는 -2.13V이다.   Ac3+ + 3 e- = Ac         Eo = -2.13 V

 

 

악티늄의 생산 227Ac는 초기에는 우라늄 광석에서 분리하였다. 그러나 들어있는 양이 매우 적고 또 란타넘족 원소들과 성질이 아주 비슷하여 이를 순수한 상태로 분리하는 것이 극히 어렵기 때문에, 지금은 핵 반응로에서 226Ra에 열 중성자를 쪼여 인공적으로 합성하는데, 보통 밀리그램 단위로 얻는다.

 

 

이 반응의 수율은 라듐 무게를 기준으로 할 때 약 2%이며, 2개의 중성자 흡수에 의한 228Ac도 소량 생성된다. 반응 후 질산으로 녹인 후, 용매 추출 방법이나 이온 교환 방법으로 227Ac를 분리한다.

 

섬우라늄광(uraninite). 악티늄은 우라늄 광석 1톤당 약 0.2mg의 비율로 들어있는데, 섬우라늄광에 보다 높은 농도로 들어있다. <출처: (cc) Rob Lavinsky / iRocks.com>

방사성 암 치료에 α입자 요법제로 유용하게 쓰일 것으로 크게 기대되는 225Ac는 226Ra에 20-30MeV로 가속된 중수소 이온(2D+)을 충돌시켜 2000년에 처음 합성되었다. 수년 전까지의 연간 생산량은 약 600 mCi(약 1 x10-5g)로, 방사성 의약품 개발 연구 등에 대한 수요인 약 7500 mCi(2009년 기준)에 크게 미치지 못하였고, 가격도 1 mCi당 미화 $1200(2003년 기준)으로 아주 높았다. 이에 따라 새로운 225Ac 생산 방법들이 개발되었는데, 이의 한 가지는 1970년대의 경수로 증식로 프로그램에서 사용하고 남은 폐 연료에 들어있는 233U에서 이의 전구물질인 229Th를 분리하는 것인데, 225Ac는 229Th(반감기 7340년)의 α붕괴에서 생성된 225Ra(반감기 14.9일)의 β-붕괴로 생성된다(그림 넵투늄 계열 참조). 225Ac의 분리에는 앞서 언급된 227Ac와 같은 분리 방법이 이용될 수 있다.   금속 악티늄은 AcF3를 1100~1300oC의 진공에서 리튬(Li) 증기로 환원시켜 얻을 수 있다.

 

 

악티늄의 용도 악티늄은 희귀하며 값이 비싸고 강한 방사선을 내기 때문에 산업적 이용은 제한적이다. 그러나 이의 방사성 붕괴를 이용한 중성자원이나 방사성 동위원소 열 발전기에 쓰일 수 있으며, 방사성 암 치료제로 개발되고 있다.   중성자원과 방사성 동위원소 열전기 발전기 227Ac(반감기 21.77년)과 베릴륨(Be) 산화물의 혼합체는 중성자원으로 사용된다. 이는 227Ac의 β-붕괴에 의해 생성된 227Th과 227Th의 딸 원자핵들이 α()입자를 방출하면 Be이 이 α입자를 포획하고 중성자를 방출하는 것을 이용하는 것인데, 이 중성자원은 흔히 사용되는 아메리슘-베릴륨(Am-Be) 또는 라듐-베릴륨(Ra-Be) 중성자원에 비해 더 많은 중성자를 방출한다.

 

 

중성자원은 흙에 포함된 수분 함량 측정 등에 사용되며, 따라서 고속도 건설 등에서 중요하게 이용된다. 또한, 227Ac의 방사성 붕괴에서 방출되는 열은 방사성 동위원소 열전기 발전기(원자력 전지)에 사용될 수 있다.   α입자 요법 방사성 암 치료제 225Ac를 이용한 α입자 요법 방사성 암 치료제는 앞으로 이용이 크게 기대되는데, 이는 225Ac의 반감기가 10일로 적당하고, 붕괴 과정에서 원자 1개당 4개의 α입자가 방출되는데(딸 원자핵이 방출하는 것 포함), α입자는 투과 거리가 짧아 225Ac에 인접한 암 세포는 파괴하나 정상 세포는 손상시키지 않는 장점이 있기 때문이다. 악티늄이 뼈나 간에 축적되어 이들의 정상 세포를 손상시키는 것을 막고 특정 암세포에만 전달되도록 하기 위해, Ac3+를 HEHA나 DOTA와 같은 강한 킬레이트제와 결합시키고 이를 단일클론항체(monoclonal antibody, 하나의 항원에만 특이적으로 결합하는 항체)에 연결한 것들이 개발되고 있다. 이와 같은 225Ac를 사용한 α-면역요법은 암 세포의 미소전이 질환과 백혈병, 림프종과 혈액 세포 암에 특히 효과가 있을 것으로 기대되며, 동물 실험 결과 난소암, 전립선암, 신경모세포종(neuroblastoma) 등에도 효과가 있는 것으로 밝혀졌다.

 

²²⁵Ac 방사성 항암제에 사용되는 킬레이트제 DOTA와 HEHA의 구조

 

 

악티늄 화합물 악티늄은 란타넘(La)처럼 여러 +3가 상태의 화합물을 만들 수 있으며, 수소와는 +2가 상태의 수소화물 AcH2를 만든다. 그러나 알려진 악티늄 화합물은 많지 않으며, 용도도 거의 개발되지 않았다.   산화물 악티늄을 공기 중에서 태우면 흰색의 산화악티늄(Ac2O3)이 만들어진다. Ac2O3는 또한 진공에서 수산화악티늄(Ac(OH)3)을 500oC에서 가열하거나, 옥살산악티늄(Ac2(C2O4)3)을 1100oC에서 열 분해시켜서도 얻어진다. Ac2O3 또는 Ac(OH)3를 산에 녹이면 무색의 Ac3+ 용액이 되는데, 이 용액을 증발시키면 악티늄 염이 얻어지고, 이 용액에 알칼리를 가하면 Ac(OH)3가 침전된다.   할로겐화물과 옥시할로겐화물 악티늄을 할로겐 또는 할로겐화 수소와 반응시키거나, Ac2O3를 할로겐화 수소산에 녹이면 할로겐화악티늄(AcX3: X=F, Cl, Br)이 얻어진다. 이외에도 AcF3는 Ac(OH)3를 700oC에서 HF와 반응시켜 얻을 수 있으며, AcCl3는 Ac2O3 를 250oC에서 NH4Cl과 반응시키거나 Ac2O3 또는 Ac2(C2O4)3를 950oC에서 CCl4와 반응시켜 얻을 수 있고, AcBr3는 Ac2O3를 750oC에서 AlBr3와 반응시켜 얻을 수 있다. AcF3는 물에 녹지 않으나, 다른 것들은 물에 잘 녹는다. AcF3를 900~1000oC에서 NH4OH로 처리하면 옥시플루오르화악티늄(AcOF)이 얻어지며, AcBr3를 500oC에서 NH4OH와 반응시키면 AcOBr이 얻어진다. AcOCl은 AcCl3 용액을 HCl, NH3와 함께 태우면 만들 수 있다.

 

 

생물학적 역할, 독성, 주의 사항 악티늄의 생물학적 역할은 없으며, 핵 시설이나 특수 연구실을 제외하면 악티늄을 접할 기회도 없다. 악티늄은 강한 방사성 원소로 위험하므로, 취급하는 경우는 특수 시설을 이용해야 한다. 염화악티늄(AcCl3) 용액을 쥐에 주사한 결과, 악티늄의 약 33%는 뼈에, 약 50%는 간에 축적되는 것이 관찰되었다. 악티늄에서 방출되는 방사선은 세포를 파괴하거나 손상시킬 수 있으며, 방사선은 암, 면역체계 손상, 유산, 불임 등의 여러 질환을 유발하는 것으로 알려져 있다.

 

 

 

1.  수치로 보는 악티늄

   자연계에 존재하는 악티늄은 주로 ²²⁷Ac이며, 이의 표준 원자 질량은 227.0278g/mol이다. 원자의 바닥상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁶4f¹⁴5d¹⁰6s²6p⁶6d¹7s² ([Rn]6d¹7s²)이다. 지각에는 대략 0.0005 ppt(1ppt= 1조분의 1)의 무게 비로 들어 있을 것으로 추정된다. ²²⁷Ac(반감기 21.77년)는 우라늄 광석 1톤당 약 0.2mg, 그리고 ²²⁸Ac(반감기 6.13시간)는 토륨 광석 1톤당 약5x10^-8g의 비율로 들어있는 것으로 추정된다. 녹는점은 1050^oC, 끓는점은 3200^oC, 20^oC 밀도는 10.07 g/cm³이다. 녹음열과 증발열은 각각 14 kJ/mol과 400 kJ/mol이다. 화합물에서는 주로 +3의 산화 상태를 가지며, 첫 번째와 두 번째 이온화 에너지는 각각 499 kJ/mol과 1170 kJ/mol이며, 폴링의 전기음성도는 1.1이다. 공유 결합 반경은 215 pm이고, 6배위된 Ac³⁺의 이온반경은 112 pm이며, 산성 수용액에서 Ac³⁺/Ac 표준 환원 전위는 -2.13V이다. ²²⁵Ac는 암의 방사선 치료제로 주목을 받고 있는데, 반감기는 10일이고, 이와 딸 원자핵에서 4개의 α입자가 방출된다.

2.  악티늄족 원소(악티늄계열 원소, actinoid 또는 actinide)

   원자번호 89번의 악티늄(Ac)에서 103번 로렌슘(Lr)까지의 15가지 금속 원소를 말하는데, 가끔은 악티늄을 뺀 14가지 원소를 말하기도 한다. 가끔 전이금속으로도 분류된다. 악티늄족이란 이름은 이들 원소들의 성질이 모두 악티늄과 비슷하기 때문에 붙여졌다. 이들은 가장 바깥 전자껍질에 2개의 7s 전자를 갖고 있으며, 원자번호가 커질수록 5f 전자가 차례로 더 많이 채워 지는데, 악티늄과 토륨은 5f 대신에 6d 전자가 채워지고, 로렌슘은 5f 전자가 모두 채워져 있으므로 6d 전자가 채워진다. 4f 전자가 차례로 채워지는 란타넘족 원소와 성질이 유사하다. 가장 안정한 산화상태는 +3이나 다른 산화상태를 갖기도 한다. 모두 방사성 원소이며, 93번 넵투늄 이후의 원소들은 인공적으로 합성되었다.

 

 

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  2013.06.11

 

Actinium Atomic Weight   227[note] Density   10.07 g/cm3 Melting Point   1050 °C Boiling Point   3200 °C Full technical data Invisibly tiny amounts of actinium occur in some radioactive minerals, hence this picture of a radioactive rock. Actinium is used in thermoelectric generators, where its short half-life lets it generate intense heat. Scroll down to see examples of Actinium.