터븀

원소 기호 Tb인 터븀은 원자 번호 65의 원소로 은백색을 띠는 희토류 금속이며 칼로 깎아낼 수 있을 정도로 무른 특징을 보인다. 란타넘족의 아홉 번 째 원소이고 강한 양전기성을 지니고 있으며 금속의 경우 물과 반응하여 수소 기체를 발생시킨다. 1843년 스웨덴의 화학자인 모산데르에 의해 최초로 발견되었는데, 그는 처음에 터븀을 이트륨 산화물인 Y₂O₃의 불순물로 여겼고, 이트륨과 함께 스웨덴의 위테르뷔(Ytterby)라는 마을의 이름을 따서 원소를 명명하게 되었다. 또한, 이온-교환(ion-exchange) 기술을 활용하기 전까지는 순수한 형태로 분리하지 못하였다. 터븀은 주로 칼슘 플루오린화물(CaF₂), 칼슘 텅스텐산염(CaWO₄), 스트론튬 몰리브덴산염(SrMoO₃)처럼 고체 회로나 장비를 구성하는 물질에 첨가물로 쓰이기도 한다. 자기장에 노출되었을 때 팽창하거나 수축하는 합금인 테르페놀-D(Terfenol-D)의 주성분으로 쓰이기도 하여 해군의 음향 시스템이나 센서 등에 활용되기도 한다. 하지만 상업적인 용도로 생산되는 대부분의 터븀은 주로 녹색 인광체 합성에 쓰인다. 터븀 산화물은 형광등과 텔레비전, 모니터 등의 CRT에 쓰이며, 2가의 유로퓸을 포함한 청색 인광체 및 3가의 유로퓸을 포함한 적색 인광체와 결합하여 고효율의 실내 조명용 백색광을 만들어내는데 사용되기도 한다.

목차

터븀은 은백색의 희토류 금속으로 칼로 자를 수 있을 정도로 무르고 다른 란타넘족 원소들에 비해 상대적으로 공기 중에서 안정하다. 섭씨 1289 ℃를 기준으로 서로 다른 두 종류의 동소체로 존재하기도 한다. 많은 란타넘족 원소들의 경우 이온화할 때 주로 세 개의 전자까지 제거할 수 있는 반면에, [Xe]4f⁹6s²의 전자 배치를 갖는 터븀의 경우 전자가 네 개까지 제거된다 하더라도 여전히 전자가 절반 채워진 [Xe]4f⁷ 전자 구조가 추가적인 안정성을 갖게 되므로 강한 산화제에 의해 네 번째 전자까지 제거 가능하다.

터븀 ()

터븀 3가 양이온은 매우 밝은 형광을 띤 레몬색이며 쉽게 산화되는데, 이 때문에 연구에 사용하기 위해서는 순수한 원소 형태로 가공된 터븀 금속을 주로 사용한다. 원자 상태의 경우는 풀러렌(fullerene) 분자 속에 가두는 방식으로 분리할 수도 있다. 자기적 특성으로는 219 K 이하에서 강자성, 219 K 이상에서는 반강자성, 그리고 230 K 이상에서는 상자성을 띠는 것으로 알려져 있다.

터븀 화합물에서 가장 흔하게 발견되는 산화수는 3가이며 그 예로 삼산화 이터븀(Tb₂O₃)와 같은 산화물이 있다. 이산화 터븀(TbO₂)이나 테트라플루오린화 터븀(TbF₄)의 경우는 4가의 산화수를 갖기도 한다. 또한, 연소시 3가와 4가가 혼합된 터븀 산화물이 얻어지기도 한다.

8 Tb + 7 O₂ → 2 Tb₄O₇

용액 상태에서는 주로 3가의 양이온을 만드는데 이때 강한 양전기성을 보이며, 찬물과는 느리게, 뜨거운 물과는 빠르게 반응하여 터븀 수산화물을 만든다.

2 Tb + 6 H₂O → 2 Tb(OH)₃ + 3 H₂↑

또한, 할로겐족 원소들과 반응하여 흰색의 트리할로젠화물을 만든다.

2 Tb + 3 X₂ → 2 TbX₃ (X = F, Cl, Br, I)

묽은 황산 용액에는 용해되어 연분홍빛의 터븀 3가 양이온 용액을 만들며 [Tb(H₂O)₉]³⁺ 상태로 존재한다.

2 Tb (s) + 3 H₂SO₄ → 2 Tb³⁺ + 3 SO₂^4- + 3 H²↑

질산터븀.jpg()

터븀은 질소, 탄소, 황, 인, 붕소, 셀레늄, 규소, 비소 같은 원소들과 고온에서 반응하여 다양한 종류의 이성분 화합물(TbH₂, TbH₃, TbB₂, Tb₂S₃, TbSe, TbTe, TbN)을 만든다. 이러한 이성분 화합물을 구성하는 터븀 이온들은 대개 3가나 2가의 산화수를 갖는데, 2가의 터븀 할로젠화물들은 3가의 터븀 할로젠화물을 탄탈륨 튜브 안에서 터븀 금속과 함께 넣고 어닐링(annealing)하여 얻는다. 또한 삼염화 이터븀 Tb₂Cl₃을 섭씨 800 ℃에서 어닐링하여 염화 터븀(TbCl)으로 환원시킬 수도 있다. 4가의 터븀이 포함된 플루오린화물은 강력한 플루오르 첨가제로써, 가열되었을 때 순수한 플루오린 원자를 방출하기도 한다.

현재까지 36개의 방사성 터븀 동위원소가 발견되었으며, 이들 중 가장 무거운 동위원소는 ¹⁷¹Tb이고 가장 가벼운 동위원소는 ¹³⁵Tb이다. 자연계에서 발견되는 동위원소 중 유일하게 안정한 동위원소는 ¹⁵⁹Tb이며 인공적으로 합성된 방사성 동위원소 중 가장 안정한 것은 ¹⁵⁸Tb인데 반감기가 180년이다. ¹⁵⁷Tb의 경우 71년의 반감기를 갖지만 나머지 동위원소들은 주로 3개월 미만의 반감기를 가진다. 특히 이들 중 대다수는 30초 미만의 상대적으로 짧은 반감기를 보이기도 한다.

모산데르()

터븀은 1843년 스웨덴의 화학자 모산데르에 의해 발견되었다. 그는 이트륨 산화물인 이트리아(Y₂O₃)에서 불순물을 발견했고 이것이 나중에 터븀으로 밝혀졌다. 그 후 이온-교환 기술이 사용된 후에 비로소 순수한 상태로 정제될 수 있었다. 모산데르는 최초로 이트리아를 세 가지 다른 물질로 분리해냈는데 이들이 바로 이트리아, 어비아, 테르비아이며, 특히 분홍색을 띠는 화합물인 테르비아의 경우 화합물에 포함된 어븀 원소에 의해 이러한 분홍색이 나타난다고 밝혀지기도 했다. 터븀을 포함하고 있는 어비아는 원래 용액 상에서 무색의 화합물이지만, 실제 터븀의 불용성 산화물은 옅은 갈색을 띠고 있다.

이후 연구자들은 양도 적고 무색인 어비아를 찾아 내는데 어려움을 겪었다. 하지만 수용성의 분홍색 부분은 상대적으로 관측하기 용이했다. 어비아가 과연 존재하는지에 대해 논쟁이 일기도 하였으며 이러한 혼란 속에서 연구자들은 결국 본래 화합물의 명칭까지 서로 뒤바꾸게 되어 분홍색 부분을 어븀을 포함한 부분으로 정하게 되었다. 그 이후에도 이렇게 바뀐 명칭은 꽤 오랫동안 사용되었고, 오늘날 그 이유를 추측해 보면 아마도 그 당시 연구자들이 이트리아로부터 세리아를 분리하는 과정에서 미처 세리아가 포함된 침전물 속에 있던 터븀을 발견하지 못했기 때문일 것이라고 생각하고 있다. 그 이후 이러한 혼합물에서 다른 종류의 희토류 원소들이 분리될 때마다, 어느 정도의 갈색 터븀 산화물이 함께 검출되었지만, 마침내 갈색 터븀 산화물은 순수한 형태로 분리해 낼 수 있게 되었다.

터븀은 모나자이트(monazite), 제노타임(xenotime), 유크세나이트(euxenite) 등과 같은 광물 속에서 다른 희토류 원소들과 함께 발견된다. 지각에 포함되어있는 터븀의 총 비율은 1.2 mg/kg으로 추정된다. 현재 가장 높은 터븀 함량을 자랑하는 광물은 중국 남부에서 발견되는 이온 흡착 점토이지만, 소량의 터븀이 포함되어 있는 자연계에서는 보통 다른 란탄족 원소들과 섞여있는 상태로 모나자이트(monazite)나 희토류광(Bastnäsite)과 같은 광물들에서 주로 발견되며 원소 상태로 발견되는 경우는 없다. 현재 세계의 주된 터븀 생산량은 희토류광(Bastnäsite)에서 얻어지고 있다.

칼슘 플루오린화물(CaF₂), 칼슘 텅스텐산염(CaWO₄), 스트론튬 몰리브덴산염(SrMoO₃)의 첨가물로 이용되며 고온에서 작동되는 연료 전지의 결정 안정체로써 지르코니아(ZrO₂)와 함께 사용되기도 한다. 또한, 터븀은 합금 제조 및 전자 장치 생산에도 사용된다. 특히 자기장 하에서 수축, 팽창하는 자기 변형률이 매우 큰 테르페놀-D(Terfenol-D)는 터븀의 합금으로써 구동기, 해군 음향 시스템, 센서 및 자기각 운동량 장치 등에 사용되기도 한다. 터븀 산화물의 경우는 형광 램프 및 컬러 TV 튜브의 녹색 인광체에 사용되기도 하는데 이러한 녹색 인광체는 2가의 유로퓸 청색 형광체와 3가의 유로퓸 적색 형광체와 결합하여 삼색광 조명 기술을 구현하는데 쓰이기도 한다. 이러한 삼색광 조명은 백열 조명에 비해 전기 에너지당 훨씬 높은 광출력을 제공하므로써 에너지 소비량 감소에 도움을 준다고도 알려져 있다.