루테튬

은백색을 띠는 금속인 루테튬은 건조한 공기 중에서는 부식이 잘 되지 않는 내식성(corrosion resistance)을 보이지만 습한 공기 중에서는 곧바로 부식된다. 루테튬은 란타넘족 원소들 중 마지막 원소이며, 때에 따라 6주기 전이 금속 원소 중 첫 번째 원소로 여겨지나 보통은 란타넘족 원소로 분류한다. 란터넘 원소 중에서 크기는 가장 작으며 밀도와 녹는점, 경도는 가장 높은 것으로 알려져 있다. 금속 상태일 경우는 150 ℃ 정도에서 쉽게 산화되어 산화물 형태로 존재하며, 이 경우 물과 이산화 탄소를 쉽게 흡수하는 특징을 보인다. 희소성과 높은 가격으로 인해 널리 쓰이지는 못하지만 정유 산업에서 촉매로 사용되기도 한다.

목차

[Xe] 4f¹⁴5d¹6s²의 전자 배치를 가지며, 화학 반응에서 최외곽 전자 6s 전자 두 개와 5d 전자 하나를 잃어 +3의 산화 상태로 존재하는 루테튬은 란타넘족 원소들 중 가장 작은 원소이며, 가장 높은 밀도, 녹는점, 경도를 지닌다.

항상 +3 루테튬 양이온을 포함하며, 수용액에서 아이오딘화물을 제외한 대부분의 루테튬 염들은 무색을 띠지만, 건조하면 백색의 결정 고체를 형성한다. 질산염, 황산염, 아세트산염 등은 결정을 형성할 때 수용성 수화물을 형성하는 반면, 산화물이나 수산화물, 플루오르화물 등은 불용성 염이다.

금속 상태의 루테튬은 표준 상태의 대기 중에서 약간 불안정하며, 약 150 ℃에서 쉽게 연소되어 산화된다. 이러한 산화물들은 물과 이산화 탄소를 흡수하는 것으로 알려져 있는데, 밀폐된 공간에서 대기 중에 있는 이들 물질을 제거하는데 사용될 수도 있다. 루테튬과 물이 반응하여 루테튬 수산화물을 만드는 경우에도 비슷한 현상이 관찰된다. 루테튬은 할로젠족 원소들과 반응하여 트라이할로젠화물을 만드는 것으로 알려져 있으며, 플루오린화물을 제외한 나머지 모두 수용성이다. 또한, 약산과 묽은 황산 용액에 쉽게 용해되며 무색의 루테튬 이온을 포함하는 수용액을 만든다. 이 수용액 중에서 루테튬 이온은 7~9 개의 물 분자와 배위하여 존재하므로 평균 [Lu(H₂O)_8.2]³⁺ 상태를 유지하게 된다.

2 Lu(s) + 3 H₂SO₄(aq) → 2 Lu³⁺(aq) + 3 SO^2–₄(aq) + 3 H₂(g)↑

루테튬()

자연계에서는 ¹⁷⁵Lu과 ¹⁷⁶Lu의 두 가지 종류의 루테튬 동위원소가 발견되는데, 이 중 ¹⁷⁵Lu만이 안정하여 실제로는 오직 한 종류가 자연계에 존재한다. ¹⁷⁶Lu은 베타 붕괴를 일으키며 3.78 × 1010년의 반감기를 갖고, 이로 인해 자연에서 발견되는 루테튬의 2.5%를 차지한다. 현재까지 인공적으로 합성된 32개의 루테튬 방사성 동위원소가 알려져 있으며, 이 중 가장 안정한 동위원소는 ¹⁷⁴Lu와 ¹⁷³Lu로 각각 3.31년과 1.37년의 반감기를 갖고, 나머지 방사성 동위원소들은 모두 9일 이하이며, 이들 중 대부분은 30분 이하이다.

루테튬이란 명칭은 프랑스의 라틴어 'Lutetia'에서 유래되었으며, 이 원소는 1907년 프랑스 과학자 우르뱅(G. Urbain), 오스트리아 광물학자 벨스바흐(C. A. Welsbach), 미국 화학자 제임스(C. James)에 의해 각각 독립적으로 발견되었다. 이들은 이터비아에서 한 가지 불순물을 발견했고, 이 중 우르뱅과 벨스바흐는 이를 어떻게 명명할 것인지를 두고 논쟁을 벌였으며, 결국 국제 원자량 위원회의 중재로 1909년 우르뱅이 제안한 명칭을 공식 명칭으로 삼기로 결정되었다. 그러나 이후로도 독일의 화학자들은 한동안 벨스바흐가 제안한 카시오페이움(cassiopeium)이란 명칭을 사용하였다.

모나자이트()

루테튬은 다른 원소들과 분리하기 매우 어려우며, 루테튬을 추출할 수 있는 주된 상업적 원료는 모나자이트(monazite) 광석을 가공한 일부 부산물 정도이지만, 이 광석조차 0.0001%에 불과한 루테튬 함량을 보이고 있으며, 현재까지는 루테튬이 주된 비중을 차지하는 광물은 보고된 바가 없다. 루테튬은 전체 지각 중에서 0.5 mg/kg로 포함되어 있는데 주된 채광지인 중국, 미국, 브라질, 인도, 스리랑카, 호주 등에서 주로 산화물의 형태로 생산된다. 세계의 연간 루테튬 생산량은 10 톤에 달하는데, 순수한 루테튬 금속은 그 희귀성 때문에 희토류 금속 중 가장 가격이 높은 것으로 알려져 있으며, 금 가격의 1/4 정도에 해당한다.

비록 그 특유의 희소성과 높은 가격으로 여러 분야에 널리 활용되고 있지는 않지만, 루테튬은 정유 산업 분야에서 촉매로 사용되기도 하고 알킬화 반응, 수화 반응, 중합 반응 등에 쓰이기도 한다. 또한, 루테튬 알루미늄 가넷(Al₅Lu₃O₁₂)은 고굴절률 액침 노광(high refractive index immersion lithography) 공정에 쓰이는 렌즈의 소재로 제안되기도 했으며, LED 전구에 들어가는 인광체로도 사용된다. 자기 버블 기억 장치(magnetic bubble memory)의 소재인 가돌리늄 갈륨 가넷(gadolinium gallium garnet)에도 소량의 루테튬이 도판트로 쓰이는 것이 알려져 있다.

다른 희토류 금속에 비해 상대적으로 낮은 독성을 보이기는 하지만, 루테튬 역시 주의해야 할 만큼의 독성은 지니고 있다. 특히 루테튬 플루오린화물은 흡입 시 매우 위험하며, 피부에 접촉 시 자극을 일으킬 수 있으며, 산화물도 유사한 독성을 보인다. 루테튬 질산염에 열이 가해지면 연소하거나 폭발할 수도 있다. 다른 희토류 금속들과 마찬가지로 특별한 생물학적 기능이 밝혀지지는 않았으나, 인체, 특히 골격 내에 축적된다는 사실이 밝혀졌으며, 간과 신장에도 소량이 존재하는 것으로 알려져 있다.