원자번호 101번의 원소 멘델레븀(mendelevium, Md)은 방사성 초우라늄 원소의 하나로, 1955년에 아인슈타이늄-253(253Es)에 헬륨 이온(He2+, α 입자)을 충돌시켜 동위원소 256Md를 합성함으로써 발견되었다. 원소 이름은 러시아 화학자 멘델레예프(Dmitri Mendeleev, 1834~1907)의 이름을 따서 지었는데, 그는 1869년에 처음으로 원소의 주기율표를 만들어 화학이 비로소 예측 가능한 학문으로 발전하는 계기를 마련한 인물이다. 이후, 이온가속기에서 다른 원소 표적과 이온들을 써서 여러 가지 다른 동위원소들도 합성되었는데, 가장 안정한 동위원소는 반감기가 51.5일인 258Md이다. 원자번호 100번인 페르뮴까지의 초우라늄 원소들은 원자로에서 보다 가벼운 악티늄족 원소(예로 238U, 239Pu) 표적에 중성자를 쪼여 만들어 질 수 있으나, 멘델레븀 이후의 원소들은 이 방법으로는 만들어지지 않으며 이온가속기에서 보다 가벼운 원소의 표적에 이온을 충돌시켜 만든다. 따라서 101번 이후의 원소들을 초페르뮴 원소(transfermium element)로 분류하기도 한다. 우리나라에서도 이제 이온가속기의 건설을 추진하고 있는데, 이는 새로운 원소 발견에 사용되기 보다는 다양한 동위원소 이온 빔을 만들어 여러 첨단 기초과학 연구에 사용될 예정이다. 멘렐레븀의 생산량은 극 미량으로 아직 실용적 용도는 없다. 멘델레븀의 발견, 물리·화학적 특성, 합성 등에 대해 보다 자세히 알아보기로 하자.
원자번호 101번, 멘델레븀
멘델레븀(mendelevium)1)은 원자번호 101번의 원소로, 원소 기호는 Md이다. 주기율표에서 악티늄족 원소의 하나이며, 9번째 초우라늄 금속 원소이고 첫 번째 초페르뮴 원소이다. 1955년에 미국 캘리포니아대학 버클리 캠퍼스의 방사선연구소에서 60인치(152cm) 사이클로트론(cyclotron)으로 원자번호 99번 원소인 아인슈타이늄(Es) 동위원소 253Es에 헬륨(He) 이온(α 입자)을 충돌시켜 동위원소 256Md(반감기 77분)를 처음으로 생성·확인하여 발견하였다.
- 수치로 보는 멘델레븀
- 멘델레븀은 질량수가 245~260인 16가지 동위원소가 알려져 있는데, 가장 안정한 것은 반감기가 51.5일인 258Md이며 이의 표준 원자 질량은 258.0984 g/mol이다. 입자 가속기에서 보다 가벼운 원소에 이온을 쪼여 만드는데, 연간 전세계 생산량은 수 마이크로 그램(
g)에 불과하다. 원자의 바닥상태 전자배치는 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p64f145d106s26p65f137s2([Rn]5f137s2)이다. 녹는점은 약 830℃로 추정되며, 끓는점과 밀도는 알려지지 않았다. 가장 안정한 산화상태는 +3이나, +2의 상태도 비교적 인정하며, +1의 상태도 있을 수 있다. 수용액에서는 주로 Md3+로 존재하며, 6 배위된 Md3+의 이온 반경은 89 pm(비교, Fm3+는 92.2 pm)로 추정되고 수화열은 -3654 kJ/mol로 계산되었다. 첫 번째 이온화 에너지는 635 kJ/mol이며, 폴링의 전기음성도는 1.3이다. 산성수용액에서 Md3+/Md2+, Md3+/Md, 그리고 Md2+/Md쌍의 표준환원 전위는 각각 -0.15V, -1.7V, -2.4V이다.
밤을 새워 수행한 실험에서 단지 17개의 원자들이 생성되었고, 이를 이온-교환 흡착-용출 방법으로 분리·확인하였는데, 한번에 원자 하나씩을 검출한 첫 번째 사례이다. 그리고 화학적 방법으로 분리하여 확인한 마지막 원소이다. 원소 이름은 주기율표를 처음 만들어 화학의 새 지평을 연 러시아 화학자 멘델레예프의 이름을 따서 지었다.
원자번호 101번 멘델레븀. 멘델레예프의 이름을 딴 원소. |
멘델레븀의 원소정보 |
멘델레븀의 동위원소는 질량수가 245~260인 16가지가 알려져 있는데, 이들은 보다 가벼운 초우라늄 원소나 비스무트 표적에 가속된 이온을 충돌시켜 합성되었다. 가장 안정한 동위원소는 반감기가 51.5일인 258Md이다. 처음의 실험에서는 256Md원자를 단지 17개 만들었으나, 뒤에는 한번 실험에서 수천 개의 원자, 그리고 지금은 수백만 개의 원자가 만들어진다. 그러나 이의 100배인 수억 개 원자가 만들어진다 하여도, 그 무게는 약 10-13 g에 불과하므로 앞으로도 무게를 잴 수 있거나 눈으로 볼 수 있는 양으로 얻어질 가능성은 거의 없다. 또 반감기가 짧아 여러 번 생산하여 모아 사용할 수도 없다. 전세계에서 1년에 만들어지는 총량은 수 마이크로 그램(μg) (1 μg= 1x10-6g)으로 짐작된다. 따라서 멘델레븀은 기초과학 연구 이외의 실용적 용도는 아직 없다.
멘델레븀은 극 미량만 만들어지기 때문에 아직 금속이나 화합물 형태로는 얻지 못하였고, 따라서 물리-화학적 특성들도 잘 알려져 있지 않다. 몇 가지 성질들이 예측되었는데, 은백색 내지 회색 고체로, 녹는점은 약 830℃로 추정되었다. 화학적으로는 다른 악티늄족 원소들과 마찬가지로, +3의 산화상태가 가장 흔하나, +2의 산화상태도 비교적 안정할 것으로 여겨지며, +1가 상태의 화합물도 있을 것으로 예측된다. 수용액에서는 주로 Md3+로 존재한다.
멘델레븀의 발견과 역사
시보그(Glenn T. Seaborg, 1912~1999)와 기오르소(Albert Ghiorso, 1915~2010)
멘델레븀은 1955년 2월에 미국 캘리포니아대학 버클리 캠퍼스(UC Berkeley)의 기오르소(Albert Ghiorso, 1915~2010), 하비(Bernard G. Harvey), 쇼핀(Gregory R, Choppin, 1927~), 톰프슨(Stanley G. Thompson, 1894~1953), 시보그(Glenn T. Seaborg, 1912~1999)에 의해 처음으로 합성·발견되었다. 이들 연구 그룹은 1940년에 원자번호 94번인 플루토늄(Pu)을 발견한 것을 시작으로 1953년에 원자번호 100번인 페르늄(Fm)을 발견하기까지 초우라늄 원소들을 연이어 발견하였다. 이들 94~100번 원소들은 원자로에서 플루토늄을 비롯한 보다 가벼운 초우라늄 원소에 중성자를 쪼여 만들 수 있으나, 다음 원소인 101번 원소는 같은 방법으로는 만들어지지 않는다.
이들 연구진은 101번 원소는 이보다 원자번호(즉 원자의 양성자 수)가 2 개 적은 아인슈타이늄(Es)에 원자번호가 2인 헬륨 이온(He2+, α 입자)을 충돌시켜 핵 융합시킴으로써 만들 수 있을 것이라 여기고, 이를 위한 세부적 조건들을 먼저 계산하고 예측하였는데 이는 다음과 같다. 아이다호(Idaho)주의 아르코(Arco)에 있는 재료시험로(Material Testing Reactor)에서 239Pu 표적에 중성자를 1년간 쪼이면 약 10억(109)개의 253Es 원자가 만들어질 것으로 계산되었으며, 이렇게 만든 253Es는 반감기가 20.47일 이므로, 239Pu 표적에서 분리한 후 101번 원소를 만드는데 사용할 때까지 약 1주일의 여유가 있는 것으로 예측되었다. 다음으로 253Es에 α 입자를 충돌시켜 101번 원자를 생성시키기 위해서는 당시 버클리의 60인치 사이클로트론(cyclotron: 전하를 띤 입자를 가속시키는 장치의 일종)에서 나오는 것보다 100배나 높은 밀도의 α 입자가 필요한 것으로 추정되었다. 이에 따라 사이클로트론을 초당 1014개의 강한 α 입자선을 낼 수 있도록 개량하였다. 또한 생성물인 101번 원자를 신속하게 분리하고 검출하는 방법도 고안하였다.
그들은 이와 같은 철저한 사전 검토와 준비를 마친 후 실제적인 실험에 들어갔다. 약 109개의 253Es 원자를 전기분해 방법으로 얇은 금박(gold foil) 표적에 입혔으며, 개량된 버클리의 사이클로트론으로 초당 6x1013개의 41 MeV α 입자를 0.05 cm2의 단면적에 쪼였다. 이 실험에서 핵심적인 사항은 기오르소가 고안한 반동기법(recoil technique, 되팀기법)인데, 이 기법에서는 253Es 원자들을 α 입자가 충돌하는 얇은 금박 표적의 뒷면에 입힘으로써 α 입자와 충돌한 원자가 표적에서 튀어나와 다른 금박(포획포일, catcher foil)에 잡히도록 고안하여 생성된 원자의 분리를 보다 용이하도록 한 것이다.
멘델레븀을 처음 발견한 증거인 기록계의 기록과 메모. 실험 날자 1955년 2월 19일이 보이고 3개의 신호에 ‘만세(Hooray’), ‘이중만세(Double Hooray)’, ‘3중 만세(Triple Hooray)’라 적은 것이 보인다. <출처: [The Transuranium Elements], G. T. Seaborg, 1958.>
1954년 9월에 수행한 첫 번째 실험에서 그들은 101번 원소의 붕괴에서 나오는 α 입자를 검출하고자 하였으나 실패하였다. 이에 대해 기오르소는 생성된 101번 원소가 전자포획을 하여 페르뮴(Fm) 동위원소가 되며, 이는 자발적 핵분열을 하기 때문일 것이라 해석하였다. 다시 새로운 253Es를 합성하고 1955년 2월에 두 번째 실험을 수행하였는데, 3시간 간격으로 총 9시간 동안 α 입자를 충돌시켰다. 매 3시간 동안의 쪼임 후에는 포획 포일을 꺼내 왕수에 녹이고 음이온-교환 수지를 통과시켜 금과 일부 다른 방사성 생성물을 제거하였다. 이렇게 처리한 용액을 다시 양이온-교환수지에 흡착시키고 α-히드록시아이소부틸산 암모늄(ammonium α-hydroxyisobutyrate) 용액을 용출액으로 사용하여 분리하였는데, 이때 용출 분획을 백금 원반에 모으고 이를 말린 후 이에서 나오는 방사선을 기록계로 기록하였다. 마침내 1955년 2월 19일 새벽에 3번째 백금 원반에서 101번 원소로부터 나오는 3개의 신호를 얻는데 성공하였다. 이 신호를 관찰한 쇼핀은 기쁨에 차서 기록계에 나타난 각 신호에 ‘만세(hooray)’, ‘이중 만세(double hooray)’, ‘삼중 만세(triple hooray)’라 적었다. 이 실험에서는 모두 17개의 원자가 생성되었음이 확인되었는데, 한 순간에 원자 1개씩을 검출한 최초의 결과이다. 그리고 이 실험에서 사용한 반동기법은 나중에 다른 무거운 원소들을 합성하고 발견하는데 중요하게 적용되었다.
뒤이어 수행한 연구에서, 253Es에 α 입자를 충돌시켜 만든 101번 원소는 질량수가 256이며, 반감기가 77분으로 주로 전자포획을 하여 256Fm이 되고, 256Fm은 반감기가 157.6분으로 주로 자발적 핵분열을 하는 것으로 밝혀졌다. 이는 기오르소가 예상했던 것과 같은 결과이다.
101번 원소의 이름은 주기율표를 처음 만든 러시아 화학자 멘델레예프(Dmitri Mendeleev, 1834~1907)의 이름을 따서 멘델레븀(mendelevium)으로 지었는데, 같은 해인 1955년에 국제순수·응용화학연맹(IUPAC)에 의해 승인되었다. 당시에는 동서 냉전 시대였기 때문에 시보그가 미국 정부를 설득하여 러시아 화학자의 이름을 따서 원소 이름을 짓는 것을 허락받는 것이 필요하였다. 원소기호는 처음에는 ‘Mv’로 하였으나, 1957년의 IUPAC 총회에서 ‘Md’로 변경되었다.
물리 및 화학적 성질
멘델레븀은 반감기가 비교적 짧으며 강한 방사선을 내고 화학 반응성이 큰 금속 원소이다. 얻어지는 양이 매우 적어 아직 순수한 원소 상태의 금속이나 고체 화합물을 얻지 못하였으며, 따라서 방사성 붕괴 성질 이외의 성질들은 거의 알려져 있지 않다. 다만 몇 가지 물리·화학적 성질들이 멘델레븀의 분리 과정과 극 미량을 사용한 실험으로 밝혀졌거나 이론적 계산으로 추측되고 있다. 멘델레븀은 은백색 또는 회색 금속으로 녹는점은 약 830℃로 예측되며, 공기, 수증기, 산과 잘 반응할 것으로 짐작된다. 밀도나 끓는점 등은 아직 알려지지 않았다. 다른 악티늄족 원소들과 마찬가지로, 가장 안정한 산화상태는 +3이나 +2의 상태도 비교적 안정하다. 수용액에서는 주로 Md3+ 이온으로 존재하며, 양이온 교환 크로마토그래피로 분리시킬 때 페르뮴 양이온(Fm3+)보다 먼저 용출된다. Md3+의 이온 반경은 89 pm(Fm3+는 92.2pm)로 추정되며, 수화열은 -3654 kJ/mol로 계산되었다. 대응하는 +3상태의 란타넘족 화합물과 정량적으로 함께 침전되는 것으로 보아, Md3+의 수산화물(Md(OH)3)과 플루오르화물(MdF3)은 물에 녹지 않는 것으로 여겨진다. 수용액에서 Md3+ 이온은 환원제에 의해 Md2+로 환원될 수 있으며, 물-에탄올 용매에서는 Md+로 환원될 수도 있다. 그러나 Md4+로 산화되지는 않는다. 산성수용액에서 Md3+/Md2+, Md3+/Md, 그리고 Md2+/Md쌍의 표준환원 전위는 각각 -0.15V, -1.7V, -2.4V이다.
멘델레븀의 바닥상태 전자배치
동위원소와 방사성 붕괴 성질
멘델레븀(Md)의 동위원소는 질량수가 245~260인 16가지가 알려져 있는데, 모두 방사성 동위원소이다. 노벨륨-259(259No)의 전자포획 생성물로 처음 발견된 259Md를 제외하고는 모두 보다 가벼운 원소에 이온을 충돌시켜 인공적으로 합성하여 발견되었다. 가장 안정한 동위원소는 반감기가 51.5일인 258Md이고 이의 원자량은 258.0984 g/mol이며, 처음 합성된 동위원소는 256Md(반감기 77분)이다. 반감기가 비교적 긴 동위원소들은 이들 외에 260Md(반감기 31.8일), 257Md(반감기 5.52시간), 259Md(반감기 1.60시간)이며, 나머지 동위원소들은 반감기가 30분 이내이다. 5가지 핵 이성체가 알려져 있는데, 반감기가 가장 긴 것은 258mMd(반감기 57분)이다. 모든 동위원소들은 일부가 α 붕괴를 하고 아인슈타이늄(Es) 동위원소가 되는데, 258Md는 거의 전적으로 α 붕괴를 한다. 그리고 대부분의 동위원소들이 부분적으로 β+ 붕괴 또는 전자포획을 하고 페르뮴(Fm) 동위원소가 되는데, 이들 변환 비율은 256Md와 257Md가 각각 89%(α 붕괴 비율은 11%)와 84.8%(α 붕괴 비율은 15.2%)로 특히 높다. 또한, 258Md의 0.0015%와 258mMd의 10%는 β- 붕괴를 하고 원자번호 102인 노벨륨이 되기도 한다. 한편, 대부분의 동위원소들이 부분적으로 자발적 핵분열을 하는데, 그 비율은 259Md와 260Md가 각각 98.7%와 85%로 특히 크다.
멘델레븀의 합성
멘델레븀은 인공 원소이며, 극 미량이 생산되어 기초과학 연구에 사용되는데, 연간 전세계 생산량은 수 마이크로 그램(μg)에 불과하다. 처음 합성된 동위원소 256Md는 버클리의 60인치 사이클로트론에서 253Es 표적에 41 MeV의 α 입자선을 충돌시켜 만들었다. 이 합성에서 독특한 것은 반동기법인데, 이는 253Es를 금박 표적 뒷면에 입혀 이와 α 입자가 충돌하여 생성된 256Md이 표적에서 튀어나와 포획 포일에 잡히게 함으로써, 생성된 원소를 포획 포일의 처리를 통해 보다 용이하게 분리∙확인할 수 있도록 한 것이다.
멘델레븀 합성에 사용된 반동기법 모형도. 금박 뒷면에 입혀진 253Es에 α 입자가 충돌∙융합되어 256Md가 되고, 이 256Md은 반동으로 튀어나와 포획 포일에 부착된다. 일정시간 동안 α 입자선을 쪼인 후 포획 포일을 처리하여 생성된 원소를 분리∙확인한다.
다른 멘델레븀 동위원소들도 입자 가속기에서 가벼운 원소의 표적에 이온들을 충돌시켜 유사한 방법으로 합성되었다. 예로, 245Md, 246Md, 247Md는 비스무트-209(209Bi)에 아르곤-40(40Ar) 이온을 충돌시켜 만들었으며, 248Md와 249Md는 아메리슘-241(241Am)에 탄소-12(12C) 이온을 충돌시켜 합성하였는데, 이들의 핵 반응식은 다음과 같다.
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또한 250Md, 251Md, 252Md, 253Md는 243Am에 12C 또는 13C 이온을 충돌시켜서 합성되었다.
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그리고 254Md, 255Md, 256Md은 253Es에 α 입자를 충돌시켜 생성하였다.
257Md는 캘리포늄-252(252Cf)에 붕소-11(11B) 이온을, 그리고 258Md는 255Es에 α 입자를 충돌시켜 합성되었다.
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259Md는 퀴륨-248(248Cm)에 18O 이온을 충돌시켜 만들어진 259No의 전자포획으로 생성되었으며, 마지막으로 260Md는 254Es에 18O 또는 22Ne 이온을 충돌시켜 합성되었다.
이런 방법으로 생성시킨 멘델레븀 원자들을 포획 포일에서 분리시키기 위해서는, 우선 포획 포일을 산으로 처리하거나 왕수에 녹여 용액 상태로 만든다. 이에서 멘델레븀을 분리하는 데는 여러 가지 방법이 사용되는데, 한가지 방법은 처음 256Md를 분리해서 발견했을 때 사용한 이온교환 크로마토그래피를 사용(위에 기술한 ‘멘델레븀의 발견과 역사’ 항 참조)하는 것이며. 다른 한가지 방법은 비스-(2-에틸헥실)인산(bis-2-ethylhexyl)phosphoric acid: HDEHP)을 정지상(stationary phase)으로 하고 질산 수용액을 이동상(mobile phase)으로 하는 용매추출 크로마토그래피(solvent extraction chromatography)를 사용하여 분리하는 것이다.
1960년대의 입자가속기. 멘델레븀 이후의 원소들은 입자 가속기에서 보다 가벼운 원소에 이온을 충돌시켜 만든다. <출처: (cc) Martin Conway>
멘델레븀의 이용
멘델레븀은 아주 극 미량만 만들어지고 또 반감기가 비교적 짧아 현재는 기초과학 연구 이외의 다른 용도는 없으며, 앞으로도 실용적 목적으로 사용될 가능성이 거의 없다. 256Md는 수용액에서 이 원소의 화학적 성질을 조사하는데 가끔 사용된다.
멘델레븀 화합물
멘델레븀은 아직 분리된 화합물이 없다. 산화물도 Md2O3일 것으로 여겨지나, 아직 실험적으로 확인되지 않았다. 용액에서는 +3가 상태가 가장 안정하고 +2가 상태도 비교적 안정한 것으로 짐작된다. 수용액에서는 Md3+ 이온으로 주로 존재한다. 수산화물(Md(OH)3)과 플루오르화물(MdF3)은 +3가 상태의 란타넘족 원소 화합물과 함께 침전되는 사실로 미루어 물에 녹지 않을 것으로 여겨진다.
- 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.
- 저자의 책 보러가기인물정보 더보기
주석
- 1수치로 보는 멘델레븀
- 멘델레븀은 질량수가 245~260인 16가지 동위원소가 알려져 있는데, 가장 안정한 것은 반감기가 51.5일인 258Md이며 이의 표준 원자 질량은 258.0984 g/mol이다. 입자 가속기에서 보다 가벼운 원소에 이온을 쪼여 만드는데, 연간 전세계 생산량은 수 마이크로 그램(g)에 불과하다. 원자의 바닥상태 전자배치는 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p64f145d106s26p65f137s2([Rn]5f137s2)이다. 녹는점은 약 830℃로 추정되며, 끓는점과 밀도는 알려지지 않았다. 가장 안정한 산화상태는 +3이나, +2의 상태도 비교적 인정하며, +1의 상태도 있을 수 있다. 수용액에서는 주로 Md3+로 존재하며, 6 배위된 Md3+의 이온 반경은 89 pm(비교, Fm3+는 92.2 pm)로 추정되고 수화열은 -3654 kJ/mol로 계산되었다. 첫 번째 이온화 에너지는 635 kJ/mol이며, 폴링의 전기음성도는 1.3이다. 산성수용액에서 Md3+/Md2+, Md3+/Md, 그리고 Md2+/Md쌍의 표준환원 전위는 각각 -0.15V, -1.7V, -2.4V이다
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Mendelevium
Mendelevium lives for 51 days and has no uses. Dmitri Mendeleev invented the periodic table and lives forever. So far all of the elements named after people have proved to be less important than the people. Scroll down to see examples of Mendelevium. | ||||||||||||||||
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