Berkelium(Bk), 97-버클륨(Bk)

원자번호 97번의 원소 버클륨(berkelium, Bk)은 5번째로 발견된 초우라늄 원소이다. 원소 이름은 미국 캘리포니아주의 샌프란시스코 북동쪽 해안에 접해있는 도시 버클리(Berkeley)를 따서 지었다. 이 도시에는 캘리포니아대학 버클리 캠퍼스(University of California, Berkeley)가 있는데, 이곳에서 1940~1960년 사이에 버클륨을 포함한 무려 11가지의 초우라늄 원소들이 합성∙발견되었다. 버클륨은 1949년 말에 아메리슘-241(241Am)에 α입자를 쪼여 처음으로 합성·발견되었는데, 모든 동위원소들이 강한 방사선을 내는 은백색 방사성 금속 원소이다. 미국과 러시아에서 핵반응으로 소량 생산되는데 지금까지 미국에서 만들어진 양을 모두 다 합쳐도 겨우 1g을 약간 넘을 뿐이다. 보다 무거운 초우라늄 원소들의 합성을 비롯한 기초과학적 연구 외에 다른 용도는 아직 없다. 버클륨의 합성과 발견의 역사, 물리·화학적 특성 등에 대해 보다 자세히 알아보기로 하자.

 

 

원자번호 97번, 버클륨 버클륨(berkelium)1)은 원자번호 97번의 원소로, 원소 기호는 Bk이다. 주기율표에서 악티늄족 원소(actinide 또는 actinoid)의 하나이며, 다섯 번째 초우라늄 원소이다. 질량수가 235~254인 20가지 동위원소들이 알려져 있는데, 모두 방사성 붕괴를 하며, 가장 안정한 동위원소는 반감기가 1380년인 247Bk이고, 주로 생산되는 동위원소는 반감기가 330일인 249Bk이다.

 

 

버클륨을 비롯한 초우라늄 원소의 산실, 미국 캘리포니아대학 버클리 캠퍼스

버클륨의 원소정보

 

 

버클륨은 무른 은백색 금속으로, 결정은 1기압, 실온에서는 이중 육방밀집(double-hexagonal close packing) 구조를 가지나, 압력과 온도에 따라 구조가 다른 3가지 동소체들이 알려져 있다. 녹는점은 986℃이고 끓는점은 2900℃이며, 밀도는 14.78 g/cm3이다. 화학 반응성이 비교적 큰 금속이나, 공기 중에서 산화물 보호 피막이 만들어져 느리게 산화된다. 화합물에서는 +3과 +4의 산화상태를 가지며, 수용액에서는 +3의 상태가 보다 안정하다. 대부분의 산 수용액에 녹아 수소 기체를 발생시키고 Bk3+이 되는데, Bk3+는 녹색을 띤다. 수증기와도 잘 반응하며, 수소, 질소, 황, 할로겐 등 대부분의 비금속 원소들과 반응하여 이성분 화합물들을 만든다.   Am에 α입자를 쪼여 동위원소 243Bk(반감기 4.5시간)를 생성·확인함으로써 처음 발견되었다. 지금은 주로 미국과 러시아에서 플루토늄-239(239Pu)에 높은 선속의 중성자를 쪼여 249Bk(반감기 330일)를 만든다. 자연계에는 버클륨이 거의 존재하지 않으나 고농축된 우라늄 광상에 극 미량 존재할 수 있는데, 이는 238U나 239Pu로부터 일련의 중성자 포획과 β- 붕괴를 통해 아메리슘과 퀴륨 동위원소를 거쳐 생성된 것이다. 또 대기권 핵실험 지역이나 체르노빌(Chernobyl) 핵 발전소 사고 지역 등에서도 극 미량의 버클륨이 발견된다. 금속 버클륨은 삼플루오르화버클륨(BkF3) 또는 이산화버클륨 (BKO2)을 환원시켜 얻는다.   버클륨은 현재로는 기초과학 연구 외의 다른 용도는 없으며, 249Bk는 보다 무거운 여러 초우라늄 및 초악티늄족 원소들을 합성하는데 사용되었다.

 

 

버클륨의 발견과 역사 버클륨은 1949년 12월에 미국 캘리포니아대학교 버클리 캠퍼스(UC Berkeley)의 시보그(Glenn. T. Seaborg, 1912~1999), 톰프슨(Stanley G. Thompson, 1894~1953), 기오르소(Albert Ghiorso, 1915~2010)에 의해 발견되었다. 그들은 버클리의 60인치 사이클로트론(cyclotron)을 써서 35 MeV의 α입자를 아메리슘-241(241Am)에 6시간 동안 쪼인 후, 생성된 243Bk(반감기 4.5시간)를 침전법과 이온교환 크로마토그래피 방법으로 분리하여 발견하였다. 버클륨은 넵투늄, 플루토늄, 퀴륨, 아메리슘에 이어 다섯 번째로 인공적으로 합성하여 발견한 초우라늄 원소이다.     이 실험에서 7 밀리그램(mg)의 순수한 241Am이 사용되었는데, 1944년에 처음 합성∙ 발견한 241Am을 버클륨 합성을 위한 출발 물질로 사용하는데 필요한 양 만큼 모으는데 5년이 걸린 셈이다. 1958년에는 미국 아이다호(Idaho)주의 아르코(Arco)에 있는 재료시험로(Material testing reactor)에서 약 8g의 239Pu에 5년간 중성자를 쪼여 약 0.6마이크로그램(μg)(0.6x10-6g)의 버클륨 동위원소 249Bk을 얻었는데, 이 때 98번 원소인 캘리포늄(Cf)도 비슷한 양으로 함께 얻어졌다. 1962년에는 4나노그램(ng)(4x10-9g)의 249Bk의 산화물 249BkO2를 사용하여 처음으로 버클륨 화합물의 구조를 결정하였으며, 1969년에는 BkF3를 약 1000℃에서 리튬(Li) 금속으로 환원시켜 눈으로 볼 수 있는 양(1mg 이상)의 금속 버클륨을 얻었고, 이를 사용하여 버클륨의 여러 성질들이 조사되었다.   버클륨이란 원소 이름은 미국 캘리포니아대학 버클리캠퍼스(University of California, Berkeley)가 있는 도시 버클리(Berkeley)에서 따온 것인데, 이 대학에서는 1940년과 1960년 사이에 버클륨을 포함하여 무려 11가지의 초우라늄 악티늄족 원소들이 발견되었다. 도시 이름을 따서 원소이름을 지은 것은 주기율표에서 버클륨 바로 위에 있는 터븀(terbium, Tb)이 이 원소를 비롯한 여러 란타넘족 원소들을 분리해낸 광석이 발견된 스웨덴의 마을 이름 이테르비(Ytterby)를 따서 이름지은 것을 본 딴 것이다.

 

 

물리적 성질

처음으로 얻은 금속 버클륨의 사진. 무게는 약 1.7마이크로그램(μg)이다.

버클륨은 무른 은백색이며, 강한 방사성을 내는 금속이다. 구조가 서로 다른 세가지 동소체들이 있는데, 1기압 실온에서는 이중 육방밀집(double-hexagonal close packing) 구조를 하는 α-형이 가장 안정하다. α-형을 가열하면 녹는점 부근에서 면심입방(fcc) 구조를 갖는 β-형으로 전이되는데, β-형은 실온에서는 준안정하며 느리게 α-형으로 변환된다. 실온에서 압력을 높이면 7 GPa(약 7만 기압)에서 β-형으로 전이되는데, 이때 3.66 kJ/mol의 열을 흡수한다. 압력을 더욱 높여 25 GPa이 되면 사방정(orthorhombic) 구조를 하는 γ-형으로 전환되는데, 이때에는 부피가 12% 감소한다. 녹는점은 986℃이고 끓는점은 2900℃이며, 밀도는 25℃에서 α-형은 14.78 g/cm3이고 β-형은 13.25 g/cm3이다. 실온에서는 상자성(paramagnetic)을 보이며, 34 K로 냉각하면 반강자성(antiferromagnetic) 상태로 전이된다.

 

 

동위원소 질량수가 235~254인 20가지의 버클륨 동위원소들이 알려져 있는데, 모두 방사성 동위원소이며 인공적으로 합성되었다. 반감기가 긴 동위원소들은 247Bk(반감기 1380년), 248Bk(반감기 9년), 249Bk(반감기 330일)이며, 나머지들은 반감기가 5일보다 짧다. 6가지의 준 안정한 핵 이성체들이 알려져 있는데, 반감기가 가장 긴 것이 248mBk(반감기 23.7시간)이고, 다른 것들은 반감기가 0.1초 이내이다. 248Bk보다 가벼운 동위원소들은 주로 β+ 붕괴를 하고 퀴륨(Cm) 동위원소가 되는데, 일부는 α붕괴를 하여 아메리슘(Am) 동위원소가 되기도 한다. 248Bk는 거의 100% α붕괴를 하고 244Am이 된다. 248Bk보다 무거운 동위원소들은 주로 β- 붕괴를 하여 캘리포늄(Cf) 동위원소가 되는데, 249Bk, 251Bk, 252Bk의 일부는 α붕괴를 하기도 한다. 238Bk, 240Bk, 242Bk, 247Bk, 249Bk의 극히 일부는 자체 핵분열을 한다.

 

 

화학적 성질

버클륨은 화학 반응성이 비교적 큰 금속이다. 실온에서도 공기나 산소에 의해 산화되나, 산화물 보호 피막이 만들어지기 때문에 산화 속도는 느리다. 대부분의 산에 녹아 수소를 발생시키고 +3가 상태의 이온이 되는데, 염산(HCl)에 녹을 때의 표준 엔탈피 변화는 -600kJ/mol로 열을 방출한다. 물과도 반응하여 수소를 발생시킨다. 수소(H2)와 수소화물을 잘 만들고, 가열하면 용융 금속이나 대부분의 비금속 원소와도 이성분 화합물을 만든다. 할로겐화물의 경우, 플루오르화물은 물에 잘 녹지 않으나, 다른 할로겐화물은 물에 녹는다. 화합물에서는 주로 +3과 +4의 산화상태를 갖는다. 수용액에서는 +3의 상태가 보다 안정한데, Bk3+는 브롬산염, 크롬산염, 오존 등에 의해 Bk4+로 산화된다. 수용액에서 Bk4+는 Ce4+와 비슷한 안정성을 갖는다. Bk3+는 녹색을 띠며 652nm와 742nm의 형광 피크를 보이는 반면, BK4+ 이온은 노랑색이다. 산성 수용액에서 Bk4+/Bk, Bk3+/Bk, Bk4+/Bk3+의 표준 환원전위(Eo)는 각각 -1.05 V, -2.01 V. 1.67 V이다.

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

 

 

버클륨의 합성과 분리 가장 중요한 버클륨 동위원소는 249Bk인데, 이는 높은 선속의 동위원소 반응로(high flux isotope reactor: HFIR)에서 플루토늄-239(239Pu)에 중성자를 장기간 쪼이면 아메리슘(Am)과 퀴륨(Cm) 동위원소를 거쳐 만들어진다. 미국 테네시(Tennessee)주에 있는 오크릿지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory, ORNL)와 러시아 디미트로프그라드(Dimitrovgrad)의 원자로연구소(Research Institute of Atomic Reactors)에서 주로 만드는데, 238U에서 239Pu를 거쳐 249Bk로 핵 합성되는 과정은 다음과 같다.     여기서 (n,γ)는 중성자를 포획하여 핵 변환이 일어나면서 γ-선이 방출됨을 나타내며, 화살표 아래의 숫자는 반감기이다. 핵 반응로에서는 생성된 249Bk가 또 다른 중성자를 흡수하여 250Bk(반감기 3.2시간)가 생성되기도 하는데, 이는 비교적 빠른 속도로 β- 붕괴를 하고 캘리포늄-250(250Cf)로 전환된다.     다음으로 중요한 동위원소는 반감기가 1380년으로 가장 긴 247Bk인데, 이는 239Pu에 중성자를 쪼여서는 거의 만들어지지 않는다. 대신에 244Cm에 고에너지 α입자를 쪼여 만드는데, 다음의 두 경로로 생성된다.     이들 외에도 242Bk와 248Bk 가 합성되었는데, 242Bk는 235U에 11B, 238U에 10B, 232Th에 14N 또는 15N를 쪼여 1979년에 만들어졌으며, 248Bk는 퀴륨 동위원소 혼합물에 24 MeV의 α입자를 쪼여 1956년에 만들어졌다.   중성자나 α입자 등을 쪼인 표적 물질에서 생성된 버클륨을 분리해 내는 것은 상당히 어렵고 복잡하다. 이에는 이온 교환 크로마토그래피와 용매 추출 등의 분리 과정, +3가 상태에서 +4가 상태로의 산화, +3가 상태로의 재환원 과정 등이 이용된다. 금속 버클륨은 BkF3 또는 BkF4를 높은 온도에서 용융된 금속 리튬(Li)으로 환원시키거나, 또는 BkO2를 금속 토륨(Th) 또는 란타넘(La)으로 환원시켜 얻을 수 있다. 1967년 이후 미국 오크릿지 국립연구소에서 만든 249Bk의 양은 1g이 조금 넘는 것으로 여겨지며, 생산비용은 대략 미화 $185/mg이었다.   버클륨을 생산해온 미국 오크릿지 국립연구소의 높은 선속 동위원소 반응로 시설 조감도.

 

 

버클륨의 용도 버클륨은 현재로는 기초과학 연구 이외의 다른 용도는 없다. 249Bk는 보다 무거운 초우라늄 및 초악티늄족 원소들을 합성하는 표적 물질로 흔히 사용되었는데, 예로 중성자를 쪼여 250Cf를 합성하는데, 18O를 쪼여 원자번호 103번의 로렌슘 동위원소 260Lr를 생성하는데, 14N을 쪼여 원자번호 104번의 러더포듐 동위원소 260Rf를 만드는데, 그리고 22Ne을 쪼여 원자번호 107번의 보륨 동위원소 267Bh와 266Bh를 합성하는데 사용되었다. 또한 미국과 러시아 공동 핵 연구팀은 2009년에 249Bk에 칼슘-48(48Ca) 이온을 150일간 쪼여 원자번호 117번의 우눈셉튬(Uus) 동위원소를 처음으로 생성시키기도 하였다. 한편, 247Bk는 중성자에 의해 핵 분열되므로 핵 연료로 사용될 수 있으나, 임계질량이 생산되는 양보다 월등히 커서 실용화될 가능성은 거의 없다.   미국과 러시아의 공동 연구로 우눈셉튬(Uus, 원자번호 117) 원자 6개를 발견하는데 사용된 버클륨-249(녹아 있음) 표적. 이 표적에 48Ca 이온을 150일간 쪼인 후 우눈셉튬이 생성되었음을 확인하였다.

 

 

버클륨 화합물 버클륨은 산화상태가 주로 +3과 +4인 화합물들을 만드는데, +3가 상태가 보다 안정하다. 잘 알려진 화합물로는 산화물과 할로겐화물이 있으며, 이들 외에도 여러 염, 비금속 원소들과의 화합물, 유기-버클륨 화합물들이 알려져 있다. 그러나 버클륨 원소 자체가 아주 희귀하고 화합물들의 용도도 없어 화합물들의 성질들은 잘 조사되지 않았다.   산화물 버클륨의 산화물은 갈색의 BkO2와 황록색의 Bk2O3가 알려져 있다. BkO2는 옥살산버클륨(III)(Bk2(C2O4)3)이나 수산화버클륨(III)(Bk(OH)3)를 공기 중에서 태우거나, 금속 버클륨과 산소와의 반응에서 얻을 수 있다. Bk2O3는 BkO2를 수소(H2)로 환원시키면 얻어지는데, 녹는점이 1920℃이다. Bk2O3는 낮은 온도에서는 체심입방(bcc) 구조를 가지며, 1200℃로 가열하면 단사정(monoclic) 구조로 변환되고, 1750℃에서 육방정(hexagonal) 구조로 전환되는데, 이와 같은 3가지 구조로의 변환은 악티늄족 원소(An)의 산화물(An2O3)에서 흔히 일어나는 현상이다.   할로겐화물 버클륨의 할로겐화물은 BkF4, BkX3(X=F, Cl, Br, I)가 알려져 있다. BkF4는 BkF3를 F2와 가열하면 얻어지는 노랑색 고체이다. BkF3는 Bk2O3 또는 BkO2를 HF와 반응시켜 얻는 노랑색 고체인데, 리튬 등의 금속으로 환원시켜 금속 버클륨을 얻는데 사용되었다. BkCl3(녹는점 603℃, 녹색)은 1962년에 진공의 석영관에서 Bk2O3를 HCl기체와 500℃이상으로 가열하여 처음 만들어졌다. 결정은 낮은 온도에서 육방정(hexagonal) 구조를 갖는데, 녹는점 부근으로 가열하면 사방정(orthorhombic) 구조로 변한다. BkBr3와 BkI3는 모두 노랑색 고체인데, Bk2O3를 각각 HBr, HI 기체와 가열하면 만들어진다. BkBr3는 배위수가 6과 8인 두 가지 형태가 있는데, 배위수가 8인 형태가 덜 안정하며 약 350℃로 가열하면 배위수가 6인 형태로 변환된다. 또한 세슘(Cs) 이온과의 복합 염화물 Cs2NaBkCl6와 Cs2BkCl3도 알려져 있는데, 이들은 Bk(OH)3(또는 Bk(OH)4), 염산, 염화세슘(CsCl), 염화소듐(NaCl)을 포함하는 수용액을 냉각시키면 침전으로 얻어진다.   기타 화합물 버클륨은 수소(H2) 기체와 250℃ 이상에서 반응하여 수소화물 BkH2+x(x는 0~1)를 만든다. 또 15족 원소들과 BkX(X= N, P, As, Sb) 형태의 화합물들을 만드는데, 이들은 BkH3나 금속 버클륨을 해당되는 원소와 600℃이상의 고진공에서 반응시키면 얻어진다. 또한 황화물도 알려져 있는데, 버클륨과 황을 직접 반응시키거나, BkO2를 H2S/CS2 혼합 증기와 1130℃에서 반응시키면 황화버클륨(Bk2S3)이 얻어진다. 앞서 언급된 할로겐화물 외에도, +3가 상태의 여러 버클륨 염(인산염, 질산염, 옥살산염, 황산염)이 수화물 형태로 알려져 있으며, 옥시황화물(Bk2O2S)과 옥시황산염(Bk2O2SO4)도 알려져 있다. 그리고 BkCl3를 Be(C5H5)2(C5H5은 사이클로펜타다이엔)과 70℃에서 반응시키면 3각형의 버클륨 메탈로센(metallocene) 착물((C5H5)3Bk)이 만들어지는데, 이 화합물은 250℃에서도 안정하다.

 

 

생물학적 역할, 독성, 주의 사항 버클륨은 인공 원소로 생물학적 역할은 없으며, 핵 시설이나 연구실 밖에서 원자 몇 개를 접할 기회도 거의 없다. 그러나 방사선을 방출하므로 매우 위험하며, 취급하는 경우는 이에 노출되지 않도록 주의하여야 한다. 249Bk의 최대 인체 허용량은 0.4 ng(0.4x10-9 g)이다. 동물 실험 결과에 따르면, 쥐에 섭취시킨 버클륨의 약 0.01%만 혈액으로 유입되는데, 이의 65%는 뼈에 축적되어 약 50년간 남아있고, 25%는 폐에 축적되며(생물학적 반감기 약 20년), 0.01~0.035%는 난소와 고환에 들어가 영원히 남아있게 되고, 나머지 10%는 배설되는 것으로 여겨진다. 버클륨이 들어간 생체 기관에서는 방사선에 의해 암이 유발될 수 있으며, 적혈구가 손상을 입을 수 있다.

 

 

1. 수치로 보는 버클륨

   버클륨 동위원소 중에서 가장 안정한 것은 ²⁴⁷Bk인데, 이의 반감기는 1380년이고 표준 원자 질량은 247.0703 g/mol이다. 보다 무거운 원소를 합성하는 출발물질로 널리 사용되는 동위원소는 ²⁴⁹Bk인데, 이의 반감기는 330일이다. 원자의 바닥상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁶4f¹⁴5d¹⁰6s²6p⁶5f⁹7s²([Rn]5f⁹7s²) (또는 5f⁹7s²대신 5f⁸6d¹7s²)이다. 결정 구조가 다른 α, β, γ-형의 3가지 동소체가 알려져 있는데, 실온, 1기압에서 안정한 것은 α-형이며, 실온에서 압력을 높이면 7 GPa에서 β-형으로 전환되고, 25 GPa에서 γ-형으로 전이된다. 녹는점은 986℃, 끓는점은 2900℃, 25℃에서의 밀도는 α-형은 14.78 g/cm³이고 β-형은 13.25 g/cm³이다. 염산에 대한 용해열은 -600 kJ/mol이다. 화합물에서는 +3과 +4의 산화상태를 가지는데, +3가 상태가 더 안정하다. 첫 번째 이온화 에너지는 601 kJ/mol 이며, 폴링의 전기음성도는 1.3이다. 원자반경은 170 pm이고, 6배위된 Bk⁴⁺의 이온반경은 83 pm, Bk³⁺의 이온반경은 96 pm이다. 산성 수용액에서 Bk⁴⁺/Bk, Bk³⁺/Bk, Bk⁴⁺/Bk³⁺의 표준 환원전위(E^o)는 각각 -1.05 V, -2.01 V, 1.67 V이다.

 

 

 

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  2013.08.27

 

Berkelium Atomic Weight   247[note] Density   14.78 g/cm3 Melting Point   1050 °C[note] Boiling Point   N/A Full technical data Berkelium is named after its place of discovery--the University of California at Berkeley. It has no applications, and, while an isotope with a half-life of 1380 years exists, no one seems to be making any. Scroll down to see examples of Berkelium.