Curium(Cm), 96-퀴륨(Cm)

원자번호 96번의 원소 퀴륨(curium, Cm)은 강한 방사선을 내는 네 번째 초우라늄(transuranium) 원소인데, 초우라늄 원소 중에서 넵투늄(Np), 플루토늄(Pu) 다음인 세 번째로 합성·발견되었다. 1944년 여름에 미국의 시보그(Glenn. T. Seaborg) 연구팀이 플루토늄-239에 사이클로트론으로 가속된 α 입자를 쪼여 퀴륨-242를 처음으로 합성하여 발견하였으며, 방사능 연구를 개척한 퀴리 부부(Marie Curie와 Pierre Curie)를 기리기 위해 원소 이름을 퀴륨으로 지었다. 퀴륨 동위원소들은 우라늄 광석에서 우라늄-238의 핵 변환에 의해 극 미량 생성되어 존재하기도 하며, 대기권 핵 실험과 핵 발전소 사고 지역 인근에서 극 미량이 발견되기도 한다. 2011년 일본 후쿠시마 원전 사고 인근 지역에서도 퀴륨이 아메리슘과 함께 발견되었다. 퀴륨은 또한 원자력 발전 과정에서 우라늄과 플루토늄이 일으키는 일련의 중성자 흡수와 β- 붕괴로 생성되어 사용 후 핵 연료에도 들어있다. 생산하여 이용하는 동위원소는 주로 퀴륨-242와 퀴륨-244인데, 지금은 239Pu에 중성자를 쪼여 이들을 얻는다. 퀴륨 동위원소들은 방사성 붕괴를 통해 많은 열을 내어놓으므로 우주 탐사선 등에 탑재되는 방사성 동위원소 열전기 발전기(원자력 전지)에 쓰이며, 화성이나 달 표면 암석의 성분을 분석하는 장치인 α 입자 X-선 분광기에도 사용된다. 퀴륨의 발견과 역사, 물리·화학적 특성, 생산과 이용 등에 대해 보다 자세히 알아보기로 하자.

 

 

원자번호 96번, 퀴륨 퀴륨(curium)1)은 원자번호 96번의 원소로, 원소 기호는 Cm이다. 주기율표에서 악티늄족 원소(actinide 또는 actinoid)의 하나이며, 넵투늄(Np), 플루토늄(Pu), 아메리슘(Am) 다음의 네 번째 초우라늄원소이다. 모든 동위원소들이 방사성 붕괴를 하는 방사성 원소로, 가장 안정한 동위원소는 반감기가 1560만년인 247Cm이다.

 

원자번호 96번 퀴륨. 퀴리 부부의 이름을 딴 원소이다.

퀴륨의 원소정보

 

 

퀴륨은 금속 광택이 나는 은백색 금속으로 비교적 단단하며, 악티늄족 원소로는 녹는점(1340℃)과 끓는점(3110℃)이 비교적 높고, 밀도(13.51 g/cm3)가 크다. 결정은 1기압 실온에서는 이중 육방밀집(double-hexagonal close packing) 구조를 가지며, 압력에 따라 구조가 변한다. 자기적 성질은 실온에서는 상자기성(paramagnetic)을 가지나, 금속과 화합물들이 구조에 따라 특이한 자기적 성질을 보인다. 화학적 성질은 아메리슘이나 란타넘족 원소들과 비슷하다. 화합물에서는 주로 +3과 +4의 산화 상태를 갖는데, +3가 상태가 보다 안정하고 +4가 상태는 이산화퀴륨(CmO2), 사플루오르화퀴륨(CmF4) 등의 몇 가지 고체상 화합물에서 관찰된다.   퀴륨은 인공적으로 합성되어 발견된 원소이나, 질량수가 242~249인 여러 동위원소들이 우라늄 광석에 극 미량 존재하는데, 이들은 다음의 여러 경로로 생성된다. 244Cm은 자연에 존재하는 원시 동위원소 244Pu가 β- 붕괴로 244Am이 된 후, 다시 β- 붕괴를 하여 생성되며, 242Cm, 244Cm, 245Cm은 자연에 극 미량 존재하는 아메리슘 동위원소 242Am, 244Am, 245Am가 β-붕괴를 하여 각각 생성된다. 그리고 242Cm가 중성자 포획을 하여 243Cm이 생성되며, 이후 연속적인 중성자 포획을 거쳐 질량수가 246~249인 퀴륨 동위원소가 만들어진다. 퀴륨은 또한 원자력 발전 핵 반응로에서 238U 또는 239Pu(238U가 1개의 중성자를 흡수한 후 두 번의 β- 붕괴 과정을 거쳐 생성됨)의 다단계 중성자 흡수와 β- 붕괴 과정을 통해 만들어져 사용 후 핵 연료에 1톤당 20~30g정도 들어있는데, 대부분이 243Cm과 244Cm이다. 이와 같은 퀴륨 합성 과정은 고농축된 우라늄 광석에서도 일어날 수 있다. 또 대기권 핵실험이나 핵 발전소 사고 지역 등에서 극 미량의 퀴륨이 발견되는데, 2011년에 사고가 난 일본 후쿠시마 원전 주변 지역에서도 퀴륨이 아메리슘과 함께 발견되었다. 한편, 소량의 퀴륨은 핵 반응로에서 합성하여 얻는다. 금속 퀴륨은 삼플루오르화퀴륨(CmF3)을 바륨(Ba) 또는 리튬(Li)으로 환원시켜 얻는다.   퀴륨 동위원소 중에서 주로 생산·사용되는 것은 242Cm(반감기 162.8일)와 244Cm(반감기 18.1년)이다. 이들은 강한 α입자(에너지 약 6 MeV) 방출원이고 방사능 붕괴 시 상당한 양의 열을 내어 놓는 특성이 있어 방사성 동위원소 열전기 발전기(radioisotope thermoelectric generator, 원자력 전지)에 사용될 수 있으며, 화성이나 달 표면의 암석 조성을 분석하는 α입자 X-선 분광기의 α입자 발생원으로도 사용되는데, 특히 244Cm가 반감기가 길어 이 목적에 적합하다. 한편, 242Cm은 널리 사용되는 원자력 전지의 재료인 238Pu 생산에 사용될 수 있다. 여러 퀴륨 동위원소들이 보다 무거운 인공 원소들의 합성에 대한 출발 물질로 사용된다.

 

 

퀴륨의 발견과 역사 퀴륨은 1944년 여름에 미국 캘리포니아대학교 버클리 캠퍼스(UC Berkeley)의 시보그(Glenn. T. Seaborg, 1912~1999), 제임스(Ralph. A. James), 기오르소(Albert Ghiorso, 1915~2010)에 의해 처음으로 합성·발견되었다. 그들은 사이클로트론(cyclotron)에서 32 MeV 에너지로 가속된 α입자를 백금(Pt)박 위에 입힌 239PuO2에 쪼인 후, 생성물을 시카고 대학의 야금연구소(Metallurgical Laboratory, 현재의 Argonne National Laboratory)에서 분리하고, 이에서 나오는 α입자의 특성으로 242Cm가 만들어졌음을 확인하였다. 그들은 처음에는 242Cm 의 반감기가 150일이라고 하였으나, 나중에 162.8일로 바로 잡았다. 그리고 얼마 후인 1945년 3월에는 비슷한 핵 반응으로 또 다른 퀴륨 동위원소 240Cm을 합성하였다.     이들은 또 α입자대신 중성자를 239Pu에 쪼여 아메리슘-241(241Am)을 만들었다. 퀴륨(curium)이란 원소 이름은 라듐을 발견하고 방사능 연구를 개척한 퀴리(Curie) 부부를 기리기 위해 지었는데, 이는 주기율표 상에서 바로 위에 있는 64번 원소 가돌리늄(Gadolinium, Gd)을 이트륨(Y)을 발견하여 희토류 원소의 화학을 개척한 가돌린(Johann Gadolin, 1760~1852)을 기리기 위해 그의 이름을 따서 지은 전례를 따른 것이다. 원소 기호는 Cm이라 정했는데, ‘curium’에서 만들 수 있는 원소기호 중 Cu과 Cr는 이미 구리와 크로뮴에 사용되었고, Ci는 방사능 측정 단위에 사용되었기 때문에 다른 선택의 여지가 별로 없었던 데다가 ‘m’은 퀴리 부인의 이름 ‘Marie’에서 따온 것이어서 매우 타당한 선택으로 여겨졌다.   퀴리 부부. 퀴륨은 라듐을 발견하고 방사능 연구를 개척한 퀴리 부부를 기리기 위해 붙여진 원소 이름인데, 원소기호 Cm의 ‘m’은 퀴리 부인의 이름 ‘Marie’에서 따왔다.     퀴륨의 발견은 제2차 세계대전시 미국의 원자탄 개발 사업인 맨해튼 계획과 밀접하게 연관되어 있어 비밀에 붙여졌는데, 종전 후인 1945년에 비밀이 해제되었다. 시보그는 이 원소의 발견을 아메리슘의 발견 사실과 함께 미국의 어린이 라디오 퀴즈 쇼(Quiz Kids)에서 처음으로 공표하고, 5일 후인 1945년 11월 11일 미국화학회 모임에서 공식적으로 발표하였다.   1947년에 같은 대학의 워너(Louis B. Werner, 1921~2007)와 펄만(Isadore Perlman, 1915~1991)은 241Am에 중성자를 쪼인 시료를 처리하여 30 마이크로그램(μg)의 242Cm의 수산화물 242Cm(OH)3를 얻었다. 1950년에는 극 미량의 CmF3가 얻어졌으며, 1951년에는 CmF3를 바륨(Ba)으로 환원시켜 금속 퀴륨을 처음으로 얻었다.

 

 

물리적 성질

퀴륨은 아주 강한 방사선을 내어 어두운 곳에서는 자주 빛을 낸다. <출처: ITU/Wikipedia>

퀴륨은 금속 광택이 나는 은백색 금속으로, 단단하고 잘 부서지는 편이다. 강한 방사선을 내는 원소로, 금속과 화합물들은 어두운 곳에서 빛을 낸다. 녹는점은 1340℃로 악티늄족 원소 중에서는 토륨(Th)과 프로탁티늄(Pa) 다음으로 높고, 끓는점은 3110℃로 플루토늄(Pu) 이전의 악티늄족 원소들보다는 낮다. 밀도는 13.51 g/cm3이다. 결정 구조가 서로 다른 α-, β-, γ-형의 세가지 동소체가 알려져 있는데, 이들을 각각 퀴륨(Cm) I, II, III 상이라 부르기도 한다. 실온, 대기압에서 안정한 α-형은 이중육방밀집(double-hexagonal close packing) 구조를 갖는데, 실온에서 압력을 높이면 23GPa(약 23만 기압)에서 면심입방(fcc) 구조를 하는 β-형으로, 그리고 43GPa에서 사방정(orthorhombic) 구조의 γ-형으로 전이된다. 퀴륨은 실온에서 상자기성(paramagnetic: 자기화율이 양의 값을 가져 자기장에 끌리는 성질)을 보이는데, 구조에 따라 다소 특이한 자기적 성질을 보인다.

 

예로, α-형을 65~52K로 냉각시키면 반강자성(antiferromagnetic: 자기모멘트가 서로 반대 방향으로 배열되어 전체 자기모멘트가 0이 되는 물질의 상태)으로 변환되며, β-형은 약 205K에서 준강자성(ferrimagnetic: 자기모멘트가 서로 반대 방향으로 배열되나, 완전히 서로 상쇄되지 않아 약간의 자발적 자기화가 남아있는 상태)으로 변환된다. 그리고 질소족 원소와의 화합물들을 냉각하면 강자성(ferromagnetic: 자기모멘트가 서로 나란히 배열되어 자기장을 제거한 후에도 자기화가 남아있는 상태로 영구자석이 되는 성질)으로 변환되는데, 전이온도는 244CmN와 244CmAs은 109K, 248CmP는 73K, 248CmSb는 162K이다. 전기비저항은 실온에서 약 125Ω·cm인데, 60K 이하에서는 온도가 높을수록 증가하나, 그 이후에는 거의 일정한 값을 보인다. 방사성 붕괴에서 방출되는 α입자의 작용으로 시간이 지날수록 결정의 결함이 많아지고 따라서 전기비저항이 시간당 약 10Ω·cm씩 커진다.

 

 

동위원소

퀴륨은 질량수가 232~252인 21가지의 동위원소들이 알려져 있는데, 모두 방사성 동위원소이며 인공적으로 합성되었다. 반감기가 비교적 긴 동위원소들은 247Cm(반감기 1.56x107년), 248Cm(반감기 3.40x105년), 245Cm(반감기 8500년), 250Cm(반감기 8300년), 246Cm(반감기 4760년), 243Cm(반감기 29.1년), 244Cm(반감기 18.1년), 242Cm(반감기 162.8일)이며, 나머지들은 반감기가 33일보다 짧다. 4가지의 준 안정한 핵 이성체들이 알려져 있는데, 모두 반감기가 0.05초 이내이다. 질량수가 242~248사이인 동위원소와 250Cm은 자발적 핵분열을 하고 자기 지속적 핵 연쇄반응을 일으켜 핵 연료로 사용할 수 있다. 특히 질량수가 홀수인 동위원소들이 중성자를 잘 흡수하여 연쇄 반응의 임계질량이 적은데, 반사판으로 강철을 사용한 경우는 임계질량이 3~4kg이고, 물을 사용한 경우는 245Cm은 59g, 243Cm은 155g, 247Cm은 1.55kg이다. 그러나 많은 양을 얻기가 어렵고 가격이 비싸 실제로 핵 연료로 사용된 적은 아직 없으나, 245Cm과 247Cm은 휴대형 핵무기에 사용될 수 있을 것으로 여겨지고 있다.

퀴륨의 바닥상태 전자배치 <출처: (cc) Pumbaa at Wikimedia.org>

 

 

249Cm보다 가벼운 동위원소들은 주로 α붕괴를 하여 플루토늄(Pu) 동위원소가 되며, 일부는 전자포획 또는 β+ 붕괴를 하고 아메리슘(Am) 동위원소가 된다. 249Cm, 251Cm, 252Cm는 주로 β- 붕괴를 하고 버클륨(Bk) 동위원소가 되며, 250Cm는 80%가 자발적 핵분열, 11%는 α붕괴, 그리고 9%는 β- 붕괴를 한다.

 

 

화학적 성질 퀴륨은 다른 악티늄족 원소들과 마찬가지로 화학반응성이 비교적 크며, 화학적 성질은 란타넘족 원소나 아메리슘과 비슷하다. 미량의 산소와도 잘 반응하며, 가열하면 대부분의 비금속 원소들과 반응한다. 산에는 잘 녹으나, 알칼리와는 잘 반응하지 않는다. 화합물에서는 주로 +3과 +4의 산화 상태를 갖는데, +3의 상태가 보다 안정하며 +4가 상태는 이산화퀴륨(CmO2), 사플루오르화퀴륨(CmF4) 등의 몇 가지 고체상태 화합물에서만 관찰된다. 수용액에서 Cm3+ 이온은 무색내지 연한 초록색이며, Cm4+ 이온은 연한 노랑색이다. Cm3+ 이온의 흡수 스펙트럼은 375.4, 382.2, 396.5nm에서 피크를 보이며, 이 용액에 자외선을 쪼이면 590~600nm 영역의 주황색 형광이 나오는데, 형광 특성은 이온의 주위 환경(예로 착화합물의 배위자)에 따라 달라진다. 산성 수용액에서 Cm4+/Cm및 Cm3+/Cm의 표준 환원전위(Eo)는 각각 -0.75V와 -2.06V이다.

 

 

퀴륨의 합성과 분리 퀴륨 동위원소들은 우라늄 핵 연료의 연소 과정에서 생성되어 사용 후 핵 연료에 소량 들어있으나, 보통 이에서 직접 분리해서 얻지는 않으며, 핵반응을 통해 합성해서 얻는다. 즉, 핵 반응로에서 238U에 중성자를 쪼여 얻거나 사용 후 핵 연료에서 분리한 239Pu의 핵 반응을 통해 주로 242Cm과 244Cm을 합성하여 얻는데, 242Cm이 얻어지는 과정은 다음과 같다. 239Pu가 2개의 중성자를 포획하여 생성된 241Pu는 β- 붕괴를 하고 241Am이 되며, 이는 다시 1개의 중성자를 포획하여 242Am이 된 후 β- 붕괴를 하여 242Cm이 된다.     여기서 (n,γ)는 중성자를 포획하여 핵 변환이 일어나면서 γ-선이 방출됨을 나타낸다. 한편, 244Cm을 얻기 위해서는 모두 5개의 중성자가 흡수되어야 하므로 239Pu에 훨씬 높은 밀도의 중성자 속(flux)을 쪼여야 하는데, 244Cm이 만들어지는 핵 반응은 다음과 같다.     244Cm은 반감기가 18.12년으로 α붕괴를 하고 240Pu가 되나, 일부는 또 다시 중성자를 흡수하여 질량수가 더 큰 퀴륨 동위원소들이 된다. 그러나 생성되는 양이 아주 소량인데다가 여러 퀴륨 동위원소들이 함께 만들어져서 각각의 동위원소들을 분리시키는 것이 아주 어렵기 때문에 특정 동위원소만 선별적으로 얻을 수 있는 방법을 사용하기도 한다. 예로, 245Cm은 버클륨-249(249Bk, 반감기 330일)의 β- 붕괴에서 생성되는 캘리포늄-249(249Cf, 반감기 351년)의 α붕괴 생성물로 얻으며, 248Cm은 252Cf(반감기 2.645년)의 α붕괴 생성물로 얻는다.   금속 퀴륨은 물과 산소가 없는 조건에서 삼플루오르화퀴륨(CmF3)을 금속 바륨(Ba) 또는 리튬(Li)으로 환원시켜 얻거나, MgCl2/MgF2 용융염에서 CmO2를 Mg-Zn합금으로 환원시켜 얻을 수 있다.   CmF3 + 3 Li → Cm + 3 LiF   지난 수십 년간 핵 반응로에서 소량씩 생산·분리한 242Cm과 244Cm의 양이 수 킬로그램 축적되어 있고, 더 무거운 동위원소들은 수 그램 또는 수 밀리그램이 축적되어있는 것으로 여겨지고 있는데, 248Cm은 252Cf에서 연간 35-50mg이 만들어진다고 한다. 242Cm과 244Cm의 가격은 미화 $160~185/mg이라는 자료도 있고, 242Cm은 $2000/g, 244Cm은 $170/g이라는 자료도 있다.   퀴륨 금속. 석영 모세관 안의 유황 위에 놓여져 있다. <출처: A. Kronenberg, http://www.kernchemie.de/>

 

 

퀴륨의 용도 퀴륨의 가장 중요한 용도는 화성, 달 등의 표면 암석을 분석하는 α입자 X-선 분광기에 쓰이는 것이며, 이외에도 다른 인공 원소들을 합성하는 출발물질로 쓰이거나, 원자력 전지의 재료로 사용되기도 한다.     α입자 X-선 분광기 퀴륨 동위원소 244Cm와 242Cm는 α입자 X-선 분광기(Alpha(α) particle X-ray spectrometer, APXS)의 α입자 방출원으로 사용된다. 이 분광기는 방사능 방출원에서 나오는 α입자와 X-선(γ-선)을 시료에 쪼여 산란된 α입자의 에너지와 형광을 분석함으로써 시료 표면의 화학적 조성을 분석하는 것으로, 수소(H), 헬륨(He), 리튬(Li)을 제외한 모든 원소들을 정량적으로 검출할 수 있다. 이 기기는 소형이고 전력 소모가 적어 무인 우주 탐사에 주로 이용된다. 244Cm을 사용한 APXS는 화성 표면 탐사를 위한 소저너(Sojourner rover: 1997년에 화성 착륙), 오퍼투니티(Opportunity rover: 2004년에 착륙), 스피릿(Spirit rover: 2004년에 착륙), 화성과학실험실(Mars Science Laboratory: 2012년에 착륙) 등에 설치되었으며, 또한 혜성 탐사선 로제타호(Rosetta: 유럽우주기구가 2004년에 발사한 우주선)의 파일리 착륙선(Philae comet lander, 2014년에 추류모프–게라시멘코(Churyumov Gerasimenko) 혜성에 착륙 예정)에도 설치되었다. 그리고 보다 반감기가 짧은 242Cm을 사용한 분광기는 달 표면 탐사선 서베이어 5-7호(Surveyor 5-7: 1967-1968년에 발사)에 설치되었었다.   1997년에 화성에 착륙한 화성 탐사선 마스 패스파인더(Mars Pathfinder)의 탐사 로봇 소저너(Sojourner rover, 왼쪽)와 소저너에 설치된, 244Cm을 사용한 α-입자 X-선 분광기(오른쪽). 이와 같은 분광기는 화성과 달 표면에 있는 암석의 조성과 구조를 분석하는데 이용되었다.   다른 인공원소의 합성 재료 242Cm은 α붕괴로 238Pu가 되므로 238Pu의 생산에 사용될 수 있는데, 238Pu는 인공심장 박동기, 우주탐사선 등의 에너지원으로 사용되는 플루토늄 원자력 전지에 널리 사용되는 유용한 원소이다. 238Pu를 237Np에 중성자를 쪼이거나 238U에 중수소를 쪼여 만들 경우에는 항상 강한 γ-선을 방출하는 236Pu가 부산물로 함께 생성되나, 242Cm에서는 이와 같은 부산물이 생기지 않는 장점이 있다. 퀴륨은 또한 보다 무거운 초우라늄 원소들을 합성하는 출발물질로 사용된다. 예로, 242Cm에 α입자를 쪼이면 원자번호 98번의 캘리포늄 동위원소 245Cf가 생성되며, 248Cm에 18O을 쪼이면 원자번호 106번의 시보귬 동위원소 265Sg가 생성되고, 248Cm에 26Mg를 쪼이면 원자번호 108번의 하슘 동위원소 269Hs와 270Hs가 만들어진다.   원자력 전지 242Cm(반감기 162.8일), 243Cm(반감기 29.1년), 244Cm(반감기 18.1년)은 강한 α입자 방출원이며, 방사능 붕괴 시 각각 120W/g, 1.6W/g, 3W/g의 열을 내어놓는데, 이는 238Pu(반감기 87.7년)가 붕괴 시 내어놓는 열 0.56W/g보다 월등히 크다. 따라서 이들 큐륨 동위원소들은 방사성 동위원소 열전기 발전기(Radioisotope thermoelectric generator, RTG: 원자력 전지)의 열원으로 우주 탐사선 등에 사용될 수 있는데, 이 목적으로는 244Cm가 주로 사용된다. 그러나 퀴륨이 희귀한데다가 자발적 핵분열로 유해한 γ-선과 중성자도 방출하므로 이들을 차단시키는 것이 필요하므로(α선은 쉽게 차단된다) 사용에 제한을 받는다. 1997년에 착륙한 화성 탐사선 마스 패스파인더(Mars Pathfinder)의 일부 기기의 동력원으로 퀴륨 원자력 전지가 사용되었으나, 지금은 대부분의 원자력 전지에 238Pu를 사용한다.

 

 

퀴륨 화합물 퀴륨은 산화상태가 +3과 +4인 화합물들을 주로 만드는데, +3의 상태가 보다 안정하다. 주요 화합물로는 산화물과 할로겐화물이 있는데, 희귀하고 용도가 제한되어 있어 성질들은 잘 알려져 있지 않다.   1947년에 분리된 최초의 퀴륨 화합물인 242Cm(OH)3. 침전이 모세관 안에 있는 용액에 분산되어 있다. <출처: G. T. Seaborg>   산화물 퀴륨의 산화물은 CmO2와 Cm2O3가 있다. CmO2는 검은색 고체로, 옥살산퀴륨(Cm2(C2O4)3), 질산퀴륨(Cm(NO3)3) 또는 수산화퀴륨(Cm(OH)3)을 순수한 산소에서 태우면 얻어진다. CmO2를 진공에서 600~650℃로 가열하거나 수소(H2)로 환원시키면 흰색 고체인 Cm2O3가 얻어진다. 이들 산화물들은 물에 녹지 않으나 산에는 녹는다. 금속 퀴륨을 산소와 반응시키면 CmO2와 Cm2O3가 모두 생성되는데, 금속 표면 층에서 CmO도 발견되었다는 보고도 있다. 또한 바륨(Ba)과 같은 +2가 금속(M)과의 삼성분 산화물(MCmO3)도 알려져 있다.   할로겐화물 퀴륨의 할로겐화물은 CmF4와 CmX3(X=F, Cl, Br, I)가 알려져 있다. CmF4는 갈색 고체로, 고체 CmF3를 F2와 가열하면 얻어진다. 삼할로겐화물(CmX3)들은 모두 흰색의 고체이다. CmF3(녹는점 1406℃)은 Cm3+ 용액에 F-을 첨가하여 침전시키거나, CmO2 또는 Cm2O3를 HF와 반응시키면 얻을 수 있다. 바륨(Ba) 또는 리튬(Li)으로 환원시켜 금속 퀴륨을 얻는데 사용되었다. 다른 삼할로겐화물(CmX3, X=Cl, Br, I)들은 CmO2 또는 Cm2O3를 해당하는 HX를 반응시켜 만들 수 있다. 또 CmCl3(녹는점 695℃)은 Cm(OH)3를 HCl 기체와 반응시켜 얻을 수 있으며, CmBr3(녹는점 625℃)와 CmI3는 CmCl3를 각각 NH4Br, NH4I와 약 400~450℃에서 반응시켜 만들 수도 있다. CmCl3는 수증기에 의해 가수분해되어 CmOCl이 될 수 있다.   기타 화합물 퀴륨은 수소와 반응하여 CmH3 형태의 수소화물을 만든다. 또 높은 온도의 진공에서 기체상의 황(S), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te)과 반응하여 각각 황화물, 셀렌화물, 텔루르화물을 만드는데, 이들은 보통 화학적 조성이 정수비가 아닌 비화학양론적 화합물들로 얻어진다. 그리고 Cm 금속 자체 또는 CmH3를 고온에서 15족(질소족) 원소와 반응시키면 CmX(X= N, P, As, Sb) 형의 닉타이드화물 (pnictide)들이 만들어진다.

 

 

생물학적 역할, 독성, 주의 사항 퀴륨의 생물학적 역할은 없으며, 인공 원소이기 때문에 핵 시설이나 연구실 밖에서 접촉할 기회도 거의 없다. 그러나 강한 방사선을 방출하는 위험한 원소로, 취급하는 경우에는 방사선에 노출되지 않도록 하는 주의가 필요하다. 동물 실험 결과에 따르면 생체에 들어간 퀴륨은 골수에 농축되고, 이의 강한 방사선은 적혈 세포를 손상시키는 것으로 나타났다. 암을 유발할 수도 있다.

 

 

 

1. 수치로 보는 퀴륨

   퀴륨 동위원소 중에서 가장 안정한 것은 반감기가 1,560만년인²⁴⁷Cm이며, 이의 표준 원자 질량은 247.0703g/mol이다. 실용적으로 주로 사용되는 동위원소는 반감기가 각각 162.6일과 18.1년인 ²⁴²Cm와 ²⁴⁴Cm이다. 원자의 바닥상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁶4f¹⁴5d¹⁰6s²6p⁶5f⁷6d¹7s²([Rn]5f⁷6d¹7s²)이다. 인공원소로, 플루토늄-239에 중성자를 쪼여 만들며, 사용 후 핵연료 1톤당 약 20~30g이 들어 있다. 결정 구조가 서로 다른 α, β, γ-형의 3가지 동소체가 있는데, 실온에서 α-β 전이는 23GPa에서, 그리고 β-γ 전이는 43GPa에서 일어난다. 녹는점은 1340℃, 끓는점은 3110℃, 25℃C에서의 밀도는 13.51g/cm³이다. 녹음열은 약 15 kJ/mol이다. 화합물에서는 주로 +3과 +4의 산화상태를 갖는데, +4의 상태는 몇 가지 고체상태 화합물에서만 관찰된다. 첫 번째 이온화 에너지는 581kJ/mol이며, 폴링의 전기음성도는 1.3이다. 실온에서 전기비저항은 약 125 μΩ·cm이다. 원자반경은 174pm이고, 6배위된 Cm⁴⁺의 이온반경은 85pm, Cm³⁺의 이온반경은 97.5pm이다. 산성 수용액에서 Cm⁴⁺/Cm와 Cm³⁺/Cm의 표준 환원전위(E^o)는 각각 -0.75V와 -2.06V이다.

 

 

 

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  2013.08.19

Curium Atomic Weight   247[note] Density   13.51 g/cm3 Melting Point   1345 °C Boiling Point   3110 °C Full technical data Curium is named after Marie and Pierre Curie, who discovered radium and polonium, but not curium. It has some specialized applications in research, but is not generally available outside a few institutions. Scroll down to see examples of Curium.