탄탈럼

스위스의 드 마리낙은 1864년 높은 온도에서 오염화 탄탈럼과 수소의 반응으로부터 탄탈럼을 최초로 얻었으나, 좀더 순수한 상태의 이 새로운 원소는 1903년 독일의 폰 볼턴이 탄탈라이트로부터 얻은 침전물과 소듐의 환원 반응으로 얻었다. 2 가지의 동소체를 가지는 탄탈럼은 공기 중에서 잘 산화되지 않으며, +5 산화 상태가 가장 흔하다. 스웨덴의 에셰베리는 핀란드의 탄탈라이트 광석에서 탄탈럼을 발견하였으며, 원소 이름을 제우스의 아들 '탄탈루스'에서 따온 ‘Tantalum’으로 명명하였다. 전해 축전기의 금속 박 제조, 휴대전화, 개인 컴퓨터, 자동차 및 항공기, 실험 기구 및 화학 공정 장치의 재료로 쓰인다. 단단하고, 녹는점이 높고, 생체 적합성이 좋고, 쉽게 산화되지 않는 탄탈럼 합금은 항공기의 발전 터빈, 수술 도구, 인공 뼈와 임플란트용 나사, 진공관의 전극과 그리드, 고온 진공로 내벽의 부품 재료로 사용된다.

고순도 탄탈럼 결정()

목차

1864년에 드 마리낙(J. C. G. de Marignac)은 오염화 탄탈럼(TaCl₅)을 수소 기체 하에서 가열하여 금속 탄탈럼을 최초로 얻었으나, 좀 더 순수한 탄탈럼은 1903년에 독일의 폰 볼턴(W. von Bolton)이 헵타플루오린화 포타슘 탄탈럼(K₂TaF₇) 침전물과 소듐의 환원 반응으로 얻었다. 단단하지만 부서지기 쉬운 준안정한 β-형과 이를 750~775 도로 가열하면 전기와 열을 잘 통하면서 비교적 연성이고 무른 α-형의 두 동소체가 있다.

일반적으로 탄탈럼을 분리하는 과정은 나이오븀의 그것과 유사한데, 탄탈라이트 광석을 분쇄하고, 부유 및 강한 자력으로 선광한 후 농축시켜, 다른 광물을 제거하는 것으로부터 시작한다. 남은 오산화 나이오븀(Nb₂O₅)과 오산화 탄탈럼(Ta₂O₅) 혼합물을 묽은 플루오린 산과 반응시켜 물에 녹지 않는 헵타플루오린화 탄탈럼산(H₂TaF₇)으로 바꾼 후, 메틸 아이소뷰틸 케톤(methyl isobutyl ketone)으로 추출한 층에 암모니아 용액을 가해 오산화 탄탈럼을 얻는다. 탄탈럼은 오산화 탄탈럼을 탄소 또는 알루미늄과의 환원 반응으로, 혹은 이 산화물을 오염화 탄탈럼(TaCl₅)으로 변화시킨 후 수소 또는 알칼리 토금속과의 환원 반응으로 얻는다.

컬럼바이트, 탄탈라이트, 콜탄(coltan, columbite-tantalite) 등의 광석에 주로 매장되어 있으며, 사마스카이트(samarskite, (Y,Ce,U,Fe)₃(Nb,Ta,Ti)₅O₁₆))와 퍼거소나이트(fergusonite) 광석에도 약간 들어있다. 호주, 브라질, 중국, 모잠비크에 주로 매장되어 있으며, 르완다, 호주, 모잠비크 등에서 생산된다.

1802년에 스웨덴의 에셰베리(A. K. Ekelberg)는 컬럼바이트(columbite, (Fe,Mn)(Nb,Ta)₂O₆)와 유사한 핀란드 광산 탄탈라이트(tantalite, (Fe,Mn)Ta₂O₆) 광석에서 컬럼비아 산화물과 유사한 성질을 가지는 탄탈럼 산화물을 발견하였다. 이 원소는 나이오븀과 거의 성질이 같으나 산에는 녹이기 어려웠기에, 지옥의 물 속에 있으면서도 목이 말라 물을 마시려고 하기만 하면 수위가 내려가 마시지 못하는 벌은 받은 제우스의 아들 ‘Tantalus’와 금속을 나타내는 접미어와 합하여 ‘Tantalum’으로 명명하였으며, 원소 기호는 ‘Ta’이다.

지각에 1.7x10^-4 % 있으며 5족 원소 탄탈럼은 ^180mTa(0.012 %)과 ¹⁸¹Ta(99.988 %)의 2 가지의 천연 동위원소와 질량수 155~190의 방사성 동위원소 3 가지가 알려져 있다. 밀도는 상온에서는 16.69 g/cm³, 액체 상태에서는 15 g/cm³, 녹는점은 3017 도, 끓는점은 5458 도이며, -1~+5의 산화 상태를 가진다. 오산화 탄탈럼, 흰색 고체인 펜타플루오린화 탄탈럼(TaF₅), 오염화 탄탈럼 등과 같이 +5 상태가 가장 안정하다. 사합체로 존재하는 펜타플루오린화 탄탈럼과는 달리, 이합체인 오염화 탄탈럼은 쉽게 가수 분해하여 삼염화 옥시 탄탈럼(TaOCl₃)으로 바뀐다. 흥미있는 사실은 펜타브로민화 탄탈럼(TaBr₅)은 노란색이나, 펜타아이오딘화 탄탈럼(TaI₅)은 갈색이며, 이러한 +5 상태의 할로젠화물은 일반적으로 가열된 탄탈럼 금속과 해당되는 할로젠 원소의 직접 반응으로 얻는다. 공기 중에서는 잘 산화되지 않으며, 저온에서는 왕수에도 녹지 않으나, 높은 온도에서의 강산과 알칼리에는 녹는다.

에너지를 저장하거나, 직류를 차단하고 교류를 통과시키는 여과기의 역할을 축전기가 담당하는데, 특히 금속 박이 양극, 산화물 피막이 유전체, 전해액이 음극으로 각각 이루어진 전해 축전기의 금속 박 제조에 탄탈럼이 쓰인다. 크기와 무게가 작고 안정성이 높아 휴대전화, 개인 컴퓨터, 자동차 및 항공기 등의 전자 재료로도 사용된다. 탄탈럼은 집적 회로 제작에서 박막 저항체와 확산 장벽용으로, 고출력 저항체로, 내산화성이 좋아 실험 기구 및 화학 공정 장치의 재료로도 쓰인다.

탄탈럼 축전기()

탄탈럼 합금은 강하고 녹는점이 높아 항공기의 발전 터빈에 사용되며, 내부식성이 매우 커서 화학 장치, 용기 제조 및 실험 도구 제작에 적합하며, 생체 적합성이 높아 수술 도구, 인공 뼈, 임플란트용 나사 등의 재료로 쓰인다. 또 녹는점이 높고 산화가 잘 되지 않기에 진공관의 전극과 그리드, 고온 진공로 내벽, 내부식성 부품 재료로 사용된다.

오산화 탄탈럼은 카메라 렌즈용 고굴절 유리 및 근자외선에서 적외선에 걸친 빛을 거의 흡수하는 코팅 재료로 쓰인다. 진공 또는 비활성 기류 하에서 탄탈럼을 흑연 가루와 함께 가열하거나 오산화 탄탈럼을 탄소에 의해 환원 반응으로 얻은 탄화 탄탈럼(TaC)은 다이아몬드보다 단단하며 내화물 및 초전도체로 사용된다. 통신 시스템에서 표면 탄성파 필터용으로 탄탈산 리튬(LiTaO₃)이 영상 진단 장치에서 X-선을 증폭시키는 용도로 탄탈산 이트륨(YTaO₄)이 각각 쓰인다. 탄탈럼은 인체의 필수 원소가 아니며, 생물학적 역할과 독성에 대해서는 알려져 있지 않으나, 피부 발진을 일으킨다는 보고가 있다.¹⁾

1. Retrieved on 2017-12-22.