Neptunium(Np), 93-넵투늄

원자번호 93번의 원소 넵투늄(neptunium, Np)은 첫 번째 초우라늄(transuraninium) 원소이다. 초우라늄 원소는 원자번호가 92인 우라늄(uranium, U)보다 더 큰 원자번호를 갖는 원소들을 말하는데, 이들은 모두 방사성 원소로 반감기가 지구의 나이보다 짧아 지구 생성시 만들어진 것들은 모두가 붕괴되어 지금은 지구 상에 존재하지 않으며, 모두 인공적인 핵반응을 통해 합성하여 발견된 것들이다. 넵투늄은 주기율표에서 행성 천왕성(Uranus)를 따서 이름지은 우라늄 바로 다음에 있으므로, 원소 이름을 천왕성 다음에 있는 행성 해왕성(Neptune)을 따서 지었다. 넵투늄은 238U에 중성자를 쪼여 239Np(반감기 2.355일)를 얻음으로써 1940년에 처음 발견되었는데, 이후 237Np(반감기 214.4만 년)가 합성·발견되었고, 우라늄 광석에서도 몇 가지 동위원소들이 발견되었다. 237Np는 사용 후 우라늄 핵 연료에서 분리하거나, 플루토늄(239Pu) 생산의 부산물로 얻는다. 237Np는 고에너지 중성자 검출 장치에 쓰이며, 우주탐사선 등에 사용되는 원자력 전지의 재료인 238Pu를 제조하는데도 사용된다. 또한 핵 분열될 수 있어 이론적으로는 핵 연료로도 사용 가능하다. 넵투늄의 발견과 역사, 물리·화학적 특성, 생산과 이용 등에 대해 보다 자세히 알아보기로 하자.

 

 

원자번호 93번, 넵투늄 넵투늄(neptunium)1)은 원자번호 93번의 원소로 원소 기호는 Np이다. 주기율표에서 악티늄족 원소(actinide 또는 actinoid)의 하나이며, 첫 번째 초우라늄원소이다. 모든 동위원소들이 방사성 붕괴를 하는 방사성 원소로, 가장 안정한 동위원소는 반감기가 214.4만년인 237Np이다. 보통 생산되어 사용되는 넵투늄은 237Np인데, 넵투늄이라 말할 때는 보통 이를 뜻한다. 237Np는 반감기가 길고 방사성 붕괴에서 방출되는 열과 방사능이 적어 취급에 큰 어려움은 없다.

 

원자번호 93번 넵튜늄.

넵투늄의 원소정보

 

 

넵투늄은 연성이 있는 은백색 금속으로, 악티늄족 원소 중에서는 플루토늄과 함께 녹는점(640oC)이 가장 낮으며, 밀도(20.45g/cm3)는 가장 크다. 끓는점은 3900oC로 높다. 최소한 구조가 다른 세가지 동소체가 알려져 있는데, 실온에서는 사방정(orthorhombic) 구조를 갖는다. 화학 반응성이 큰 금속으로, 산소, 수증기, 산과 잘 반응한다. 그러나 알칼리와는 반응하지 않는다. 화합물에서는 +3~+7의 여러 산화상태를 갖는데, 이들의 용액은 산화상태에 따라 각각 다른 색을 띤다. 용액에서 가장 안정한 산화상태는 +5이며, 고체에서는 +4의 산화상태가 보다 흔하다.   넵투늄은 인공적으로 합성되어 발견된 첫 번째 초우라늄 원소로, 1940년에 238U에 저속 중성자를 쪼여 239Np가 처음 합성되었으며, 곧 이어 238U에 고속 중성자를 쪼여 237Np가 합성되었다. 질량수가 237~240인 동위원소들이 우라늄 광석에서 미량 발견되는데, 이들은 원시 원소(지구 생성시 만들어진 원소)가 아니고, 광석에서 우라늄이 일련의 중성자 포획과 β- 붕괴를 일으켜 원소 변환이 일어나서 생긴 것들이다. 이와 같은 우라늄의 원소 변환은 우라늄 핵 연료를 사용하는 핵 반응로에서도 일어나 사용 후 핵 연료에 들어있게 된다. 237Np는 사용 후 핵 연료에서 분리하거나 플루토늄 생산의 부산물로 얻는데, 여기에 들어있는 237Np의 양이 연간 수십 톤이나 되며, 보통 kg 규모로 추출된다.   237Np는 핵분열이 될 수 있어 핵 무기나 원자력 발전의 연료로 사용될 수 있으나, 아직 이것으로 핵 무기를 제조한 적은 없는 것으로 여겨진다. 237Np는 또한 핵 반응로에서 사용되는 중성자 검출 장치에 사용되며, 중성자를 쪼여 238Pu를 제조하는데도 쓰인다. 238Pu는 우주탐사선 등에 탑재되는 원자력 전지에 사용된다.

 

 

넵투늄의 발견과 역사 멘델레예프(Dmitri Mendeleev)는 1871년에 독일에서 발표한 주기율표에서 우라늄 다음에 ‘-‘로 표시된 다섯 개의 칸을 두어 초우라늄 원소의 존재를 예언하였는데, 멘델레예프의 주기율표가 옳다는 것이 증명되면서 과학자들은 이들 자리에 들어갈 원소들을 발견하고자 노력하였다. 오래 동안 여러 사람들이 우라늄 다음의 93번 원소를 발견하였다고 보고하였으나 잘못된 것으로 판명이 나다가, 1940년에야 핵 반응으로 처음 합성·발견되어 넵투늄이란 이름이 붙여졌다.   93번 원소 발견의 잘못된 보고들 처음으로 93번 원소를 발견하였다고 주장한 사람은 체코슬로바키아의 코브릭(Odolen Koblic, 1897~1959)이다. 그는 1934년에 구운 피치블렌드를 씻은 물에서 소량의 물질을 추출하였는데, 이를 93번 원소로 여기고 원소 이름을 자신의 고향 보헤미아(Bohemia)를 따서 보헤뮴(Bohemium, 원소기호 Bo)으로 지었다. 그는 이 물질의 시료를 타케(Ida Tacke-Noddark, 1896~1978: 1925년에 원소 레늄을 발견한 과학자 중의 한 명)에게 보내 화학 분석을 의뢰하였는데, 타케는 화학적 및 분광학적 분석을 통해 이 물질이 텅스텐(W)과 바나듐(V)의 혼합물임을 확인하고 이를 코보릭에게 통보하였다. 같은 해 초에 이탈리아 물리학자 페르미(Enrico Fermi, 1901~1954: 인공 방사성 연구의 업적으로 1938년 노벨 물리학상 수상)는 우라늄에 중성자를 쪼여 93번과 94번 원소를 얻고자 하였으며, 이에 성공했다고 생각하고 93번 원소는 남부 이탈리아의 옛 그리스 이름 아우소니아(Ausonia)를 따서 아우소늄(ausonium, 원소기호 Ao)으로, 그리고 94번 원소는 이탈리아의 다른 이름 헤스페리아(Hesperia)를 따서 헤스페륨(hesperium)으로 지었다. 그러나, 그 해 9월에 타케가 이에 대해 의문을 제기하였으며, 페르미가 실제로 달성한 것은 핵 합성이 아니고 핵 분열이었음이 밝혀졌다. 1938년에는 루마니아 출신 물리학자 후루베이(Horia Hulubei, 1895~1972)와 프랑스 화학자 코시(Yvette Cauchois, 1908~1999)가 광물 시료에 들어있는 원소들의 스펙트라를 바탕으로 93번 원소를 발견했다고 주장하고, 원소 이름을 센(Seine) 강의 라틴어 이름 세카나(Sequana)를 따서 세카늄(sequanium, 원소기호 Sq)으로 지었는데, 이 주장은 93번 원소는 자연에 존재하지 않는다는 믿음에서 벗어났기 때문에 인정받지 못하였다. 그러나 이제는 93번 원소 넵투늄이 자연에도 극미량이지만 실제로 존재한다는 것이 밝혀졌으므로, 그들이 실제로 이 원소의 존재에 대한 증거를 발견하였을 가능성도 있다.   93번 원소의 핵 합성과 발견, 명명

93번 원소 넵투늄은 1940년에 미국 캘리포니아대학교 버클리 캠퍼스(UC Berkeley)의 맥밀런(Edwin M. McMillan, 1907~1991)과 에이벨슨(Phillip H. Abelson, 1913~2003)에 의해 확실하게 합성·발견되었다. 맥밀런은 우라늄 표적에 사이클로트론(cyclotron)에서 생성된 저속 중성자를 쪼이면 새로운 β- 선이 나오는 것을 관찰하였는데, 에이벨슨은 이 β- 선이 새로운 원소에서 나오는 것이며, 이 새로운 원소는 원자번호는 93번이고 질량수는 239임을 밝혔다. 이 동위원소의 반감기는 2.355일이다. 그들은 이 원소가 주기율표에서 행성 천왕성(Uranus)를 따서 이름지어진 우라늄 바로 다음에 있으므로, 그 이름을 태양계에서 천왕성 바로 다음에 있는 행성 해왕성(Neptune)을 따서 넵투늄(neptunium)으로 지었다. 이 동위원소(239Np)는 238U가 중성자를 흡수하여 생성된 239U의 β- 붕괴로 생성되고, 이는 다시 β- 붕괴를 하여 239Pu가 된다.     보다 긴 수명의 동위원소 237Np는 1942년에 같은 대학교의 시보그(Glenn. T. Seaborg, 1912~1999)와 월(Arthur. C. Wahl, 1917~2006)에 의해 합성·발견되었다. 그들은 238U표적에 60인치 사이클로트론으로 가속된 고속 중성자를 충돌시켜 만들고 수백 밀리그램(mg)의 넵투늄을 분리하였으며, 이를 사용하여 여러 성질들을 밝혀냈다. 1944년에는 순수한 넵투늄 화합물로 산화넵투늄(NpO2)을 수 mg을 얻었다. 맥밀런과 시보그는 초우라늄 원소들을 발견한 공적으로 1951년 노벨 화학상을 공동 수상하였다.

우라늄에서 239Np를 핵 합성한 맥밀런(Edwin M. McMillan, 1907~1991, 오른쪽) 과 237Np를 핵 합성한 시보그(Glenn. T. Seaborg, 1912~1999, 왼쪽). 이들은 초우라늄 원소들을 발견한 공적으로 1951년 노벨 화학상을 공동 수상하였다. <출처: www.lbl.gov>

 

시보그는 1947년에 237Np의 생성과 방사성 붕괴의 특성을 바탕으로 이 동위원소가 우라늄을 포함하는 광석에 극미량 들어있어야 한다고 추론하였는데, 콩고 민주 공화국에서 산출된 피치브렌드 농축물에서 1952년에 실제로 발견되었으며, 가능한 237Np/238U의 최대 질량 비는 1.8x10-13로 계산되었다. 237Np가 발견됨에 따라, 이에서 시작되는 방사성 동위원소의 붕괴 사슬인 넵투늄 계열(4n+1계열)이 발견되었다.

 

 

물리적 성질

2002년 미국 로스앨러모스(Los Alamos) 국립연구소에서 넵투늄의 임계 질량(약 60kg)을 구하는데 쓰인 니켈로 싼 넵투늄 구.

넵투늄은 연성이 있는 은백색 금속으로, 결정은 최소한 3가지 동소체로 존재한다. 낮은 온도에서는 사방정(orthorhombic) 구조를 갖는 α-Np가 안정한데, 이의 밀도는 20.45 g/cm3로 악티늄족 원소 중에서는 가장 크고, 모든 천연 원소 중에서는 5번째로 크다. 280oC 이상에서는 정방정(tetragonal) 구조를 하는 β-Np이 안정하고 이의 밀도는 19.36 g/cm3(313oC)이며, 577oC 이상에서는 입방(cubic) 구조(γ-Np)를 하고 이의 밀도는 18 g/cm3(600oC)이다. 녹는점은 640oC로 플루토늄의 녹는점과 거의 같으며, 악티늄족 원소 중에서는 가장 낮다. 끓는점은 3900oC로, 모든 원소 중에서 액체로 존재하는 온도 범위가 가장 넓다. 원자 반경은 150pm로, 악티늄족 원소 중에서 가장 작다. 5개의 짝짓지 않은 전자를 가지고 있으므로, 상자기성(paramagnetic)이다.

 

 

동위원소

질량수가 225~244인 20가지의 넵투늄 동위원소들이 알려져 있는데, 이들은 모두 방사성 동위원소이며 인공적으로 합성되었다. 가장 안정한 동위원소는 237Np(반감기 214.4만년)이며, 이와 236Np(반감기 15.4만년), 235Np(반감기 396.1일)를 제외한 동위원소들의 반감기는 4.5일 보다 짧다. 4가지의 준 안정한 핵 이성체들이 알려져 있는데, 반감기가 가장 긴 것이 236mNp(반감기 22.5시간)이다. 4가지 동위원소(237Np. 238Np, 239Np, 240Np)가 자연에서 발견되었는데, 237Np은 자연에 미량 존재하는 237U의 β- 붕괴와 아메리슘-241(241Am)의 α 붕괴로 생성되고, 238Np은 237Np가 중성자를 포획하여 만들어지며, 239Np은 238U가 중성자를 포획한 후 β- 붕괴를 하여 생성되고, 240Np은 239Np가 중성자를 포획하여 만들어진다.   가장 안정한 동위원소인 237Np보다 가벼운 동위원소들은 주로 전자포획(또는 β+ 붕괴)을 하고 우라늄 동위원소가 되고 일부는 α 붕괴를 하여 프로탁티늄(Pa) 동위원소가 되는데, α붕괴의 비율은 대체로 질량수가 작을수록 크다. 237Np보다 무거운 동위원소들은 주로 β- 붕괴를 하고 플루토늄(Pu) 동위원소가 된다. 237Np는 극히 일부(2x10-10%)가 자발적 핵분열을 하나, 거의 대부분은 α 붕괴를 하고 233Pa이 되며, 최종적으로는 209Bi와 205Tl이 된다. 이 붕괴 과정을 넵투늄 붕괴 계열이라 하는데, 다른 방사성 붕괴 계열이 납(Pb)으로 끝나는 것과 대조적이다.

넵투늄-237의 방사성 붕괴 사슬(넵투늄 계열). 일부 자료에는 237Np앞에 241Pu-241Am을 붙이기도 한다.

 

 

화학적 성질

넵투늄의 바닥상태 전자배치 <출처:Greg Robson at wikimedia.org>

넵투늄은 화학 반응성이 큰 금속으로, 거의 대부분의 비금속 원소들과 반응한다. 공기 중에서는 실온에서는 비교적 안정하나, 50oC에서 산화되어 표면에 산화물 피막이 형성되면서 흐려지며, 분말은 자연 발화할 수도 있다. 끓는 물 또는 수증기와 반응하여 산화물이 되고 수소를 발생시키는데, 수소와는 쉽게 수소화물(NpH3.6~3.8)을 만든다. 산 특히 염산에 잘 녹으며, 알칼리와는 반응하지 않는다. 화합물에서는 +3~+7의 여러 산화상태를 갖는데, 용액에서 가장 안정한 산화상태는 +5이고, 고체 상태에서는 +4의 상태가 보다 흔하다. +4가 상태의 넵투늄은 과망가니즈 용액이나 다른 강한 산화제에 의해 +6가 상태로 쉽게 산화된다. 또 질소 분위기 하에서 전기 환원시키면 +3상태가 되는데, +3상태는 공기에 의해 +4가 상태로 산화된다. Np(OH)3는 물에 녹지 않으며, 과량의 알칼리에도 녹지 않는다. 여러 산화 상태의 화학종들이 용액에서 함께 관찰될 수 있는데, 이들은 각각 독특한 색을 띤다. Np3+는 보라색, Np4+는 황록색, NpO2+는 산성 용액에서는 녹색이고 알칼리 용액에서는 노랑색, NpO22+는 붉은색이며, +7가 상태는 녹색(알칼리 용액) 또는 적갈색(산성 용액)이다. 산성 수용액에서 Np4+/Np및 Np3+/Np의 표준 환원전위(Eo)는 각각 -1.30V와 -1.79V이다.   Np3+ + 3 e-  Np           Eo = -1.79 V Np4+ + 4 e-  Np           Eo = -1.30 V

 

 

넵투늄의 합성과 분리 237Np은 사용 후 우라늄 핵 연료에서 분리해서 얻거나 플루토늄(239Pu) 생산의 부산물로 얻는다. 우라늄 핵 연료에서 237Np가 생성되는 과정은 다음과 같다. 핵 연료에 들어있는 235U과 238U에 중성자를 쪼이면 235U는 중성자를 흡수하여 236U가 되는데, 이의 대부분은 핵 분열하나, 일부는 다시 중성자를 포획하여 237U(반감기 6.75일)가 되며, 238U는 아주 큰 에너지의 중성자에 의해 한 개의 중성자를 잃고 237U가 된다. 이렇게 235U과 238U에서 생성된 237U는 β- 붕괴를 하여 237Np가 된다. 또한 237Np는 아메리슘-241(241Am)의 α 붕괴로도 생성된다.   238U + 1n → 237U + 2 1n; 237U → 237Np + β-   따라서 사용 후 우라늄 핵 연료에는 제법 많은 양의 237Np가 들어있다. 1,000 MW 경수로 원자로에서 연간 약 25톤의 사용 후 핵 연료가 배출되는데, 이에는 보통 약 10kg(무게 비로 약 0.05%)의 237Np가 포함되어 있으며, 약 200kg의 239Pu도 들어있다. 239Pu는 핵 무기 제조나 핵 연료로 사용되는 중요한 원소로, 여기서 분리해서 사용할 수도 있으나, 보통 핵 반응로에서 238U에 중성자를 쪼여 만들며, 이때 237Np도 함께 생성된다.   연간 배출되는 사용 후 핵 연료와 플루토늄 생산 후의 찌꺼기에 들어있는 237Np의 양은 전세계적으로 50톤이 넘는 것으로 추정되고 있는데, 여기서 237Np를 분리하는 데는 사용 후 핵 연료에서 플루토늄을 분리하는데 흔히 사용되는 플루토늄/우라늄 추출(PUREX) 공정의 방법을 사용할 수 있다. 이에서는 보통 시료를 질산에 녹인 후 이온크로마토그래피와 용매 추출로 분리하는 방법을 사용하는데, 분리된 넵투늄은 보통 옥살산 염을 거쳐 이산화넵투늄(NpO2)으로 전환되어 정제된다. 금속 넵투늄은 삼플루오르화넵투늄(NpF3)을 1200oC에서 바륨(Ba) 또는 리튬(Li)으로 환원시켜 얻는다. 금속 237Np와 237NpO2는 미국 오크릿지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)를 통해 구입할 수 있다.

 

물 속에 보관 중인 사용 후 핵 연료 봉. 넵투늄은 우라늄 원자력 발전 과정에서 연간 수십 톤이 만들어져 이와 같은 사용 후 핵 연료에 들어있게 된다. <출처: US. DoE>

 

 

넵투늄의 용도 넵투늄과 이의 화합물의 상업적 용도는 아직 없고 극히 제한적으로 쓰이는데, 237Np는 고속 중성자 검출기와 원자력 전지용 238Pu 생산에 사용된다. 또한, 이론적으로는 핵 무기 제조와 핵 연료에 사용할 수 있다.   238Pu 생산의 전구 물질 237Np에 중성자를 쪼이면 238Pu가 만들어진다.

 

 

여기서 생산된 238Pu는 반감기가 87.74년으로 α 입자를 방출하고 234U가 되면서 1g당 0.57W의 열을 내어놓는다. 따라서 238Pu는 방사성 동위원소 열전기 발전기(radioisotope thermoelectric generator, RTG: 원자력 전지)의 열원으로 사용되는데, 이 전지는 작고 가벼우며 수십년간 사용할 수 있어 우주탐사선, 심장 박동기 등의 전원으로 사용된다. 238Pu는 사용 후 핵 연료에도 들어있으나, 분리가 어려워 보통 위의 핵 반응으로 합성하여 사용한다.   중성자 검출기 237Np는 중성자에 의해 핵 변환이 잘 되므로, 중성자 검출기에 사용되는데, 특히 고속 중성자 검출에 민감하다. 중성자 검출기는 원자로 장치, 특수 핵 물질 검출 장치, 입자물리학 연구 등에 사용된다.   핵 무기와 핵 연료 237Np는 235U나 239Pu와 마찬가지로 핵 분열이 될 수 있는 물질로, 이론적으로는 고속 중성자 핵 반응로와 핵 무기의 연료로 사용할 수 있다. 핵 폭탄으로의 임계질량(지속적 연쇄 반응에 필요한 최소 질량)은 약 60kg(235U는 52kg, 239Pu는 10kg)인 것으로 2002년에 구해진 바 있다. 1940년대 초반에는 넵투늄 핵 폭탄과 핵 반응로에 대해 많은 관심이 일기도 하였으나, 다른 두 핵 연료(우라늄과 풀루토늄)에 비해 장점이 없는 것으로 알려져 이후 관심이 크게 줄어들었으며, 지금까지 237Np를 사용한 핵 무기는 제조된 적이 없는 것으로 여겨지고 있다.

 

 

넵투늄 화합물 넵투늄은 산화 상태가 +3~+7인 화합물들을 만든다. 용액에서 가장 안정한 산화상태는 +5이고, 고체 상태에서는 +4의 상태가 보다 흔하다. 산화물, 넵투닐(neptunyl) 착화합물, 할로겐화물들이 알려져 있다.

 

용액에서 산화 상태에 따라 여러 가지 색깔을 띠는 넵투늄 이온

 

 

산화물 넵투늄의 산화물은 NpO3, Np2O5, NpO2, Np2O3가 알려져 있는데, 이중에서 가장 안정한 것은 NpO2이다. NpO2는 Np4+ 용액에 옥살산을 가해 만든 옥살산  염을 열 분해시켜  얻는다.  녹는점이  약2800oC이며,  녹색을 띠고,  F- 이온이  있으면 진한  질산에  녹는다.  NpO3는 Np(OH)4를 오존(O3)과 함께 가열하면 NpO3·H2O 형태로 얻어지는데, NpO3·H2O는 진공에서 300oC로 가열하면 진한 갈색의 Np2O5가 된다. Np2O3는 산소(O2)가 금속 넵투늄과 반응하면 금속 표면에 NpO3와 함께 생성된다. 이들 외에도 혼합 산화물 Np3O8이 알려져 있다. 넵투닐 착화합물  넵투늄은, 우라늄이나 플루토늄과 마찬가지로, +5와 +6의 산화상태에서 [O=Np=O]n+(NpO2n+: n=1 또는 2) 형태의 다이옥소(dioxo) 또는 넵투닐(neptunyl) 이온을 잘 만든다. 이들 이온은 OH-, NO2-, NO3-, CO32-, SO42-와 같은 O-주게와 착이온 또는 착화합물을 잘 만든다.   할로겐화물 넵투늄의 할로겐화물은 NpF6, NpF5, NpX4(X=F, Cl, Br), NpX3(X=F, Cl, Br, I)가 알려져 있다. NpF6는 NpX3 또는 NpF4를 F2와 같은 강력한 플루오르화 시약과 반응시켜 만드는데, 주황색이고 녹는점은 54.7oC이며 끓는점은 55.18oC이다. 6배위체의 팔면체 구조를 갖는다. 강력한 산화제이며, 습기에 아주 민감하고 쉽게 옥소플루오르화물(NpO2F2)이 된다. NpF5는 NpF6를 NaF와 가열하면 NaF·NpF5 형태로 얻어지는데, 푸른색을 띤다. 7배위체의 5각 이중 피라미드 구조를 가지며, 물에 의해 쉽게 가수분해된다.   NpF4는 NpO2를 산소 존재 하의 HF에서 가열하면 얻어지는데, 녹색 물질로 물에 녹지 않는다. 8배위체로 사각 안티프리즘 구조를 갖는다. NpCl4(적갈색, 녹는점 517oC)은 NpO2를 CCl4 등의 염화탄화수소에서 가열하면 얻을 수 있는데, 물과 극성 용매에 녹으며 8배위체의 정12면체 구조를 갖는다. NpBr4(적갈색, 녹는점 464oC)는 금속 Np와 Br2 간의 반응으로 얻을 수 있으며, 물과 극성 용매에 녹고 7배위체의 5각 이중 피라미드 구조를 갖는다.   삼할로겐화물 NpX3는 4가지 모두가 알려져 있는데, NpF3, NpCl3, NpBr3는 9배위체의 세모자 쓴 삼각 프리즘 구조를 가지며, NpI3는 8배위체의 두모자 쓴 삼각 프리즘 구조를 갖는다. NpF3(보라색)는 NpO2를 수소 존재 하의 HF에서 가열하면 얻어지는데, Ba 또는 Li으로 환원시켜 금속 Np를 얻는데 사용된다. NpCl3(녹색, 녹는점 800oC)와 NpBr3(녹색)는 넵투늄의 수소화물을 해당하는 HX와 가열하면 얻을 수 있다. 그리고 NpI3(보라색, 녹는점 760oC)는 금속 Np를 I2와 가열하면 얻어진다.   기타 화합물 넵투늄을 50oC에서 수소와 반응시키면 흑색의 수소화물(NpH3.6~3.8)이 만들어진다. 또한 몇 가지 유기 넵투늄 화합물들도 합성되었는데, NpCl3를 Be(C5H5)2((C5H5)-는 사이클로펜타다이에닐 음이온)와 반응시키면 Np(C5H5)3가 얻어지며, NpCl4를 K(C5H5)와 반응시키면 Np(C5H5)4가 얻어진다. 그리고 NpX4를 3당량의 M(C5H5)(M은 알칼리 금속)과 반응시키면 Np(C5H5)3X를 얻을 수 있다. 또한 NpCl4를 K2C8H8((C8H8)2-는 사이클로옥타테트라에닐 -2가 음이온)와 반응시켜 Np(C8H8)2를 합성하기도 하였다.

 

 

생물학적 역할, 독성, 주의 사항 넵투늄은 생물학적 역할이 없으며, 핵 시설이나 연구실을 제외하면 이와 접촉할 가능성도 없다. 동물 실험 결과에 따르면, 넵투늄은 소화기관을 통해서는 흡수되지 않으며, 주사한 경우는 뼈에 축적되고 느리게 방출됨을 보였다. 237Np는 방사능과 열 방출 양이 작아 취급하는데 크게 위험하지는 않으며 이에 의한 건강상 위험도 아직 관찰되지 않았으나, 방사성 물질은 본질적으로 위험하기 때문에 조심스럽게 취급하는 것이 필요하다.

 

 

 

1. 수치로 보는 넵투늄

   넵투늄 동위원소 중에서 자연계에 주로 존재하며 생산되는 것은 ²³⁷Np이며, 이의 반감기는 214.4만년이고 표준 원자 질량은 237.0482g/mol이다. 원자의 바닥상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁶4f¹⁴5d¹⁰6s²6p⁶5f⁴6d¹7s²([Rn]5f⁴6d¹7s²)이다. 우라늄 광석에 최대로 ²³⁸U 5x10¹²개당 1개의 비율로 들어있다. 녹는점은 640^oC, 끓는점은 3900^oC, 20^oC에서의 밀도는 20.45 g/cm³이다. 녹음열과 증발열은 각각 3.2 kJ/mol과 336 kJ/mol이다. 화합물에서는 +3~+7의 산화상태를 갖는데, 용액에서는 +5가 상태가 가장 안정하고, 고체에서는 +4의 산화상태가 보다 흔하다. 첫 번째 이온화 에너지는 604.5 kJ/mol 이며, 폴링의 전기음성도는 1.36이다. 최소한 3가지 동소체로 존재하는데, 낮은 온도에서는 사방정(orthorhombic) 구조, 280^oC~577^oC에서는 정방정(tetragonal) 구조, 그리고 577^oC 이상에서는 입방(cubic) 구조를 갖는다. 전기 비저항은 22^oC에서 1220 nΩ·m이고 열전도도는 6.4 W·m^-1·K^-1이다. 원자반경은 150pm이고, 6배위된 Np⁴⁺의 이온반경은 87pm, Np³⁺의 이온반경은 101pm이다. 산성 수용액에서 Np⁴⁺/Np와 Np³⁺/Np의 표준 환원전위(E^o)는 각각 -1.30V와 -1.79V 이다. 원자력 발전과 플루토튬 생산의 부산물로 연간 수십 톤이 만들어지나, 분리되는 양은 kg 규모이다.

 

 

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  2013.07.17

Neptunium Atomic Weight   237[note] Density   20.45 g/cm3 Melting Point   644 °C Boiling Point   4×103 °C Full technical data Traces of neptunium have been found in uranium minerals like this sample, but not enough that you could ever see it. Neptunium is highly radioactive and has only a few exotic applications in nuclear research. Scroll down to see examples of Neptunium