가돌리늄

원소 기호 Gd의 가돌리늄은 원자 번호 64의 원소로 은백색을 띠며 연성과 전성을 갖는 희토류 금속이다. 자연계에서는 주로 산화물 형태로 존재하며, 분리되더라도 주로 다른 희토류 금속을 불순물로 포함하고 있다. 가돌리늄은 1880년 드 마리낙(J. C. G. de Marignac)에 의해 산화물의 형태로 최초로 발견되었으며, 화학자 가돌린(J. Gadolin)의 이름을 따라 명명되었다. 순수한 금속 가돌리늄은 1886년경에 화학자 보드랑(P. Boisbaudran)에 의해 처음으로 분리되었다.

미량의 가돌리늄을 철이나 크로뮴과 같은 금속과 혼합하면 이들 금속의 안정성과 가공성을 고온에서 크게 향상할 수 있다. 또한, 금속이나 염 형태일 때 중성자를 흡수하는 특성을 가지므로, 방사선 촬영이나 원자로 차단에 활용되기도 한다. 그 외에 가돌리늄 염은 다양한 용도의 형광체로 사용되기도 하며, 킬레이트 화합물은 자기공명영상(magnetic resonance imagind, MRI) 촬영용 조영제로도 쓰인다.

목차

가돌리늄은 연성과 전성을 갖는 은백색의 금속으로, 실온에서는 육방 조밀 채움의 α-형 구조를 갖지만, 1235 °C 이상의 고온에서는 체심입방구조의 β-형 구조로 변형된다.

Gd()

20 °C 이하에서는 강자성이나, 그 온도 이상에서는 강한 상자성을 나타낸다. 또한 자기장에 노출되면 온도가 증가하고, 자기장이 사라지면 온도가 감소하는 자기열량 효과(magnetocaloric effect)를 보이기도 하는데, Gd₈₅Er₁₅의 경우 온도를 5 °C 까지 낮출 수 있고, Gd₅(Si₂Ge₂)의 경우에는 -188.2 °C의 매우 낮은 온도에서 강한 자기열량 효과를 나타내기도 한다. 또한 Gd₅(Si_xGe_1-x)₄의 경우도 상온 부근에서 그러한 효과를 보인다. 가돌리늄 원자는 풀러렌 분자에 넣어 분리할 수 있으며 이를 투과 전자 현미경(transmission electron microscope) 등으로 관찰할 수 있다.

가돌리늄은 대부분의 원소와 결합하여 가돌리늄(III) 화합물을 형성한다. 특히 고온에서는 질소, 탄소, 황, 인, 붕소, 셀레늄 등과 결합하여 이원자 분자 화합물을 형성하기도 한다. 금속 상태일 때는 다른 희토류 원소들과 달리 건조한 공기 중에서 비교적 안정하지만, 습한 공기 중에서는 빠르게 변색되어 산화 가돌리늄(Gd₂O₃)을 형성한다.

4Gd(s) + 3O₂(g) → 2Gd₂O₃(s)

여러 금속의 산화물을 원소 상태로 환원시키는 강력한 환원제로 작용하며, 물과 반응하여 수산화 가돌리늄을 형성하기도 한다.

2Gd(s) + 6H₂O(l) → 2Gd(OH)₃(l) + 3H₂(g)

또한, 가돌리늄 금속은 약 200°C에서 할로겐(X₂)과 반응한다.

2Gd(s) + 3X₂(g) → 2GdX₃(s)

대부분의 화합물에서 가돌리늄은 +3의 산화 상태를 보이며, 특히 4 종류의 할로젠 화합물에 있어서, 황색인 아이오딘화물을 제외한 다른 화합물들은 모두 흰색이다. 삼염화 가돌리늄(GdCl₃)이 일반적으로 가장 많이 사용된다.

산화물은 산에 용해되어 질산 가돌리늄과 같은 염을 생성한다.

대부분의 란탄족 이온과 마찬가지로 가돌리늄 이온 역시 큰 배위수를 갖는 복합체를 형성하는데, 이러한 특성은 8자리 킬레이트 리간드인 DOTA와의 화합물을 형성하는 것으로 확인할 수 있다. [Gd(DOTA)]^-를 포함한 염은 MRI 촬영에 활용된다. 또한, 환원된 상태의 가돌리늄 화합물도 알려져 있는데, +2 산화 상태의 가돌리늄 할로젠 화합물은 +3 상태의 화합물을 금속 가돌리늄과 함께 탄탈럼 용기에 넣어 가열하여 얻을 수 있고, 삼염화 다이가돌리늄()Gd₂Cl₃)은 800 ℃에서 열처리를 통해 +1 상태의 염화 가돌리늄(GdCl)으로 환원될 수 있다.

자연적으로 발생하는 가돌리늄 동위원소에는 6개의 안정적인 동위원소인 ¹⁵⁴Gd, ¹⁵⁵Gd, ¹⁵⁶Gd, ¹⁵⁷Gd, ¹⁵⁸Gd, ¹⁶⁰Gd과 방사성 동위원소인 ¹⁵²Gd이 포함되며, 이들 중 ¹⁵⁸Gd가 24.8%로 가장 풍부하다. 29개의 방사성 동위원소 중에서는 자연적으로 발생하는 가장 안정한 ¹⁵²Gd의 반감기가 약 1.08 × 10¹⁴년이고, ¹⁵⁰Gd의 반감기는 약 1.79 x 10⁶년이다. 나머지 방사성 동위원소들의 반감기는 모두 최대 75년 이하이며, 이들 중 대부분의 반감기는 25초 미만이다.

가돌리늄 원소 이름은 핀란드의 화학자이자 지질학자인 가돌린의 이름을 딴 광물 가돌리나이트(Gadolinite)에서 유래되었다.

가돌리나이트 ()

요한가돌린()

1880년 스위스의 화학자인 드 마리낙은 가돌리나이트와 세라이트(cerite)에서 가돌리늄으로부터 발생되는 스펙트럼선을 관찰하였다. 그는 세라이트로부터 가돌리늄 산화물을 분리해내는 데 성공하였으며, 이 산화물을 가돌리니아(gadolinia)라고 명명하였다. 이로 인해 그가 가돌리늄을 발견한 최초의 인물로 정해졌다. 1886년 프랑스 화학자 부아보드랑이 가돌리니아로부터 가돌리늄 금속을 분리하는데 성공했다.

가돌리늄은 모나자이트(monazite)나 희토류광(bastnäsite)과 같은 산화물 형태로 다양한 광물에 포함되어 있으며, 금속 자체로는 반응성이 너무 좋아 순수한 상태로 자연계에 존재하지는 않는다. 주요 채광 국가로는 중국, 미국, 브라질, 스리랑카, 인도와 호주 등이 있으며, 매장량은 백만 톤 이상일 것이라 예상되고, 년간 전 세계 생산량은 약 400톤이다.

조영제()

다양한 용도로 사용되는 가돌리늄에 있어서, 특히 ¹⁵⁷Gd 경우 중성자를 이용한 치료에서 종양을 표적으로 삼는 데 사용된다. 또한, 중성자 방사촬영법(neutron radiography)에 사용하면 효과적이며 원자로의 차단에도 사용된다. 핵 추진 잠수함에는 가연성 독물(burnable poison)로 사용되기도 하며, 1% 정도의 가돌리늄이 철, 크로뮴 또는 이들의 합금과 혼합될 경우 고온에서 산화되는 것을 막아주고 금속의 가공성을 향상하는 특성을 지니고 있다.

금속 가돌리늄은 상온에서 상자성을 띤다. 이러한 특성을 이용하여 가돌리늄을 포함한 유기 착물 및 화합물은 정맥 조영제로 활용되어 MRI 영상을 향상하는 효과를 가져온다. 가돌리늄이 채워진 탄소 나노튜브는 일반적인 가돌리늄 조영제보다 40배 이상 더 효과적인 것으로 알려져 있다.

산화물 형태인 Gd₂SiO₅는 양전자 방출 단층촬영(positron emission tomography)이나 중성자 검출과 같은 의학용 영상 촬영에 사용되며, 컬러 TV의 녹색 형광체를 제조하는 데 사용하기도 한다. 휴대용 X-선 영상 시스템뿐만 아니라 X-선 흡수량 측정 또는 골다공증 검사를 위한 감마선의 소스로 사용되는 가돌리늄 갈륨 가넷 (gadolinium gallium garnet, Gd₃Ga₅O₁₂)은 모조 다이아몬드와 컴퓨터의 버블 메모리(bubble memory)를 만드는 데 활용된다. 또한, 고체 산화물 연료전지의 전해질로도 쓰일 수 있으며, 이를 위해 산화 세륨 등에 도판트로 사용하면 연료 전지의 생산 효율을 높일 수 있다.

자유 이온 상태의 가돌리늄은 독성이 높지만, 킬레이트 화합물 형태인 MRI 조영제는 대부분 안전한 것으로 알려져 있다. 설치류에 대한 독성 연구에 따르면 가돌리늄이 킬레이트화되면 자유 이온 상태일 때에 비해 독성이 100배 정도 줄어든다고 알려져 있다. 따라서 인간에 대한 가돌리늄계 조영제의 독성은 킬레이트 강도에 달려 있다고 여겨진다. 동물에서 관찰되는 가돌리늄 이온의 독성은 칼슘-이온 채널이 관련된 과정에 관여하여 발생한다. 약 100-200 mg/kg이면 50%의 치사율을 보이지만, 저용량 노출에 대한 독성은 아직 보고된 바 없다.