이터븀

원소 기호 Yb의 이터븀은 원자 번호 70으로 란타넘 계열 중 14번째 원소이다. 대부분의 그 계열 원소들이 안정적인 산화 상태가 3가이지만, 이터븀은 2가의 상태가 상대적으로 안정하다. 수용액 상에서는 란타넘 계열 화합물과 같이 9개의 물 분자로 둘러싸인 복합체를 형성하지만, 닫힌 전자 껍질 구조 때문에 밀도, 녹는점, 끓는점 등은 매우 다르다. 1878년에 스위스의 드마리악(J. C. G. de Marignac)은 어븀이 발견된 어비아(erbia) 광물로부터 이터비아(Ytterbia)라고 불리는 성분을 분리해 냈으며, 1953년에서야 순수하게 얻어졌다. 현재 이터븀은 주로 스테인리스강이나 활성 레이저 물질의 도핑 물질로 사용되고 있으며, 감마선의 주 공급원으로도 사용되고 있다.

이터비아()

목차

부드럽고 무르며 연성이 큰 이터븀은 밝은 은빛을 띠며 강한 무기산에 의해 쉽게 용해되지만 차가운 물과 느리게 반응하고 공기 중에서도 천천히 산화된다. 이터븀은 알파-형, 베타-형, 감마-형의 3개 동소체(allotrope)가 있으며, 이들의 변형 온도는 각각 -13 ℃와 795 ℃이다. 베타 동소체는 실온에서 존재하고, 고온에서는 감마 동소체가 안정하며, 알파 동소체는 저온에서 안정하다. 베타 동소체는 표준 상태에서 금속의 전기 전도성을 가지며, 약 16,000 기압에서는 반도체로 바뀌며, 39,000기압으로 압축 시 전기 저항은 10 배 증가하지만, 약 40,000 기압에서는 저항률의 약 10%로 떨어진다.

이터븀()

일반적으로 저온에서 반강자성(antiferromagnetic) 또는 강자성(ferromagnetic)의 자기적 성질을 갖는 다른 희토류 금속과 달리, 이터븀은 1.0 K 이상에서 상자성(paramagnetic)이며, 특히 알파 동소체는 반자성(diamagnetic)이다. 녹는점이 824 ℃이고 끓는점이 1196 ℃ 인 이터븀은 모든 금속 중에서 가장 좁은 범위에서 액체상으로 존재한다. 또한, 이터븀의 밀도는 6.90 g/cm³로 인접한 란타넘 계열 원소 툴륨 (9.32 g/cm³) 그리고 루테튬 (9.84 g/cm³)보다 현저히 낮으며, 녹는점과 끓는점 역시 그러한 원소들보다 훨씬 낮다.

이터븀 금속은 공기 중에서 서서히 변색하며 미세한 분말 형태일 경우 대기 중에서 쉽게 산화된다. 이터븀 분말과 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 헥사클로로에테인의 혼합물은 녹색의 불꽃을 내며 연소한다. 또한, 이터븀은 수소와 반응하여 다양한 조성의 수소화물을 형성하고, 물과 서서히 반응하지만 산 용액과는 빠르게 반응하면서 수소 기체를 방출한다. 이터븀은 강한 양전하를 띠며 차가운 물과 서서히 반응하지만, 뜨거운 물과는 매우 빠르게 반응하여 수산화 이터븀(III)을 형성한다.

2Yb(s) + 6H₂O(1) → 2Yb(OH)₃(aq) + 3H₂(g)

이터븀(Ⅲ) 이온은 근적외선 영역의 빛을 흡수하지만, 가시광선 영역의 빛은 흡수하지 않으므로 산화물 형태의 광물인 이터비아는 흰색이며 이터븀의 염도 색을 띠지 않는다. 이터븀은 묽은 황산에도 쉽게 녹아 무수물 형태의 이터븀(III) 이온을 포함하는 용액을 형성한다.

2Yb(s) + 3H₂SO₄(aq) + 18H₂O(l) → 2[Yb(H₂O)₉]³⁺(aq) + 3SO^2-₄(aq) + 3H₂(g)

주로 +3의 산화 상태를 가지지만, 때에 따라 +2 상태로 존재하는데, 이러한 현상은 란타넘 계열에서는 드문 경우이다. 그 이유는 +2의 산화 상태에서는 4f¹⁴의 원자가전자 배열을 가지면서 완전히 채워진 f-전자 껍질로 인해 더욱 안정적이기 때문이다.

노란색이나 녹색을 띠는 이터븀(II) 이온은 매우 강력한 환원제이며 물을 분해하여 수소 기체를 방출하고 수용액에는 무색의 이터븀(III) 이온만이 존재하게 된다. +2 상태의 사마륨과 툴륨도 이런 식으로 반응하지만, 유로퓸(II) 이온의 경우는 수용액에서도 안정하다. 또한, 이터븀 금속은 유로퓸이나 알칼리 토금속과 유사하게 암모니아에 용해되어 파란색 핵을 갖는 염을 형성한다.

이터븀의 화학 반응 특성은 다른 란타넘 계열 원소들과 유사하다. 또한 모든 할로젠과도 반응하여 흰색의 화합물을 형성한다.

2 Yb (s) + 3 X₂ (g) → 2 YbX₃ (s)

유로퓸, 사마륨, 툴륨과 마찬가지로 이터븀의 트라이할로젠 화합물은 수소나 아연 가루, 또는 이터븀 금속을 추가함으로써 다이할로젠 화합물로 환원시킬 수 있다. +2의 산화 상태는 오직 고체 상태에서만 발견되며, 알칼리 토금속 화합물들과 비슷한 방식으로 반응한다. 다이할로젠 화합물은 상온에서 트라이할로젠 화합물보다 산화가 잘 되며, 트라이할로젠 화합물과 이터븀 금속으로 분해된다.

3 YbX₂ → 2 YbX₃+ Yb (X = F, Cl, Br, I)

일부 할로젠 화합물은 유기 합성용 시약으로도 쓰이는데 삼염화 이터븀(YbCl₃)은 루이스 산으로써 디엘스-알더(Diels-Alder) 반응의 촉매로 쓰일 수도 있다. 또한, 트라이플루오린화 이터븀(YbF₃)은 비활성이고 무독성이므로 치아 시술용 재료나 엑스선 조영제로도 쓰인다.

자연계에는 ¹⁶⁸Yb, ¹⁷⁰Yb, ¹⁷¹Yb, ¹⁷²Yb, ¹⁷³Yb, ¹⁷⁴Yb, ¹⁷⁶Yb,과 같은 7가지의 안정한 동위원소가 존재하는데 하는데, 이들 중 가장 많이 사용되는 ¹⁷⁴Yb이 31.8% 존재한다. 현재까지 27개의 방사성 동위원소가 확인되었으며, 이들 중 ¹⁶⁹Yb로 반감기는 약 32.0일로 가장 안정하며, 이 외에 ¹⁷⁵Yb는 반감기 4.18일 그리고 ¹⁶⁶Yb는 반감기가 56.7시간이며, 나머지는 반감기가 2시간 미만이다. 이터븀은 또한 12개의 준안정 상태를 가지고 있으며, 그중 반감기 46초의 ^169mYb이 가장 안정하다.

모나자이트()

이터븀은 다른 희토류 원소와 마찬가지로 다양한 광물에서 발견되는데 대부분은 모나자이트(manazite)로부터 채굴하여 상업적으로 이용한다. 또한 육세나이트(euxenite)와 제노타임(xenotime)에서도 발견되는데 이들의 주요 채광지역은 중국, 미국, 브라질, 인도, 스리랑카와 호주 등이다. 이터븀의 매장량은 대략 백만 톤 정도로 추정되며 일반적으로 다른 희토류 원소와 분리하기 어렵지만, 20세기 후반에 개발된 이온-교환 및 용매 추출 기술 덕에 그 과정이 보다 쉬워졌다. 즉 모나자이트나 제노타임과 같은 광물을 산에 용해한 후, 이 용액을 다른 란타넘 계열 원소들이 서로 다르게 결합할 수 있는 수지에 적용한 후 착화제를 사용하여 용해하면, 이들 원소 사이에 나타나는 각기 다른 유형의 결합으로 인해 화합물을 이온-교환 방식을 통해 다른 란타넘 계열 원소들과 분리한다. 이터븀은 이 방법 이외에도 소듐 아말감을 이용한 환원 방법을 통해 다른 희토류 원소와 분리할 수 있다. 지구의 지각에는 3 mg/Kg이 포함되어 있는데 이는 란타넘 계열 원소 주변에 위치한 툴륨이나 루테늄보다 훨씬 풍부하나, 세계적으로 이터븀의 생산량은 연간 약 50톤에 불과하다.

1878년 스위스의 드마리악(J.C.G. de Marignac)은 가돌리나이트 표본을 검사하던 중 어비아라고 알려진 새로운 성분을 발견했고 그것을 이터비아라고 명명했다. 그는 이터비아가 새로운 원소로 이루어진 화합물이라고 생각했으며, 프랑스의 우르뱅(G. Urbain)은 1907년 이 이터비아에서 두 가지 화합물을 분리해냈고, 이것을 각각 네오이터비아와 루테시아라고 명명했다. 네오이터비아는 이후 이터븀으로 그리고 루테시아는 루테튬으로 밝혀졌다. 오스트리아의 벨스바흐(C. Welsbach) 역시 독자적으로 이 원소들을 이터비아로부터 분리해내는 데 성공했고, 그 두 화합물을 각각 알데바라늄과 카시오페이움으로 명명했다. 또한 미국의 제임스(C. James)도 같은 시기에 이 원소들을 분리해낸 사람 중 한 명이었다. 우르뱅과 벨스바흐는 출판 결과를 놓고 서로를 고소할 지경에 이르렀으며, 이 분쟁에서 우르뱅이 1909년 승리하였다.

원자시계()

¹⁶⁹Yb은 32일의 반감기를 가지며 휴대용 X-선 장비의 광원으로도 쓰이는데, 이는 이터븀에서 발생하는 감마선 역시 X-선과 마찬가지로 인체의 부드러운 연조직은 통과하나 뼈와 같은 고밀도의 인체 조직을 통과하지 못하기 때문이다. 또한, ¹⁶⁹Yb 화합물은 핵의학에도 활용되어 암 치료를 위한 근접상사선 치료법(brachytheraphy)에도 사용되고 있다.

미국 NIST에서 개발된 이터븀 원자시계는 1μK으로 냉각된 10,000개의 ¹⁷⁴Yb 원자를 이용하며 소수점 아래 17자리까지 정확하게 나타낼 수 있어 현존하는 가장 안정적이고 정확한 원자시계로 알려져 있다.

이 외에 스테인리스강의 강도 및 기계적 특성을 향상하는 첨가 물질로도 사용되고 있으며, Yb³⁺ 형태로 레이저의 활성 매질에 첨가되어 고출력 레이저나 파장-가변 고체 레이저에 사용되기도 한다. 또한, 이터븀이 첨가된 고출력 이터븀-야그(Yb: ytterbium aluminum garnet, Yb: YAG) 레이저는 기존의 네오디뮴-야그([Nd:YAG)] 레이저나 아르곤 레이저를 대체할 수 있다고 알려져 있다.

이터븀은 비교적 화학적으로 안정한 원소이지만, 공기나 수분과의 접촉을 피하고자 밀봉 용기나, 수분이 제거된 비활성 기체 속에 보관하는 것이 일반적이다. 모든 이터븀 화합물은 심각한 독성 물질로 취급되기도 하나, 그 위험성이 미미하다는 연구 결과들도 존재한다. 한편, 피부나 안구에 자극을 주고 기형을 유발하기도 한다고 알려져 있다. 이터븀 금속 가루는 인화성을 가지며, 그 연기는 매우 해롭다.