란타넘

부드럽고 뽑을 수 있는 은백색의 금속인 란타넘은 공기에 노출되면 빠르게 색이 변하며 칼로 자를 수 있을 만큼 무른 특징이 있으며, 란타넘족의 첫 번째 원소이다. 일반적으로 3가의 산화수를 지닌다. 인체 내에서 생물학적 기능을 하지 않고 특별한 독성을 보이지는 않지만, 일부 박테리아에게는 필수적이다. 스웨덴 화학자 모산데르(Mosander)에 의해 1839년 세륨 질산염의 불순물로서 처음 발견되었는데, 주로 세륨이나 다른 희토류 원소와 함께 발견되기 때문에, ‘숨겨진’이란 뜻을 갖는 고대 그리스어에서 따온 ‘lanthano’로부터 란타넘이라는 이름을 얻게 되었으며, 원소 기호는 'La'이다. 희토류 원소로 분류되기는 하지만, 란타넘은 지각에 존재하는 원소 중 28번째로 풍부한 원소이며, 이는 납보다 3배나 많은 양이며, 모나자이트나 희토류광과 같은 광물에 주로 포함되어 있는데, 이들 광물에 포함된 전체 란타넘족 원소 중 4분의 1을 차지한다. 화합물의 경우는 촉매, 유리 첨가제, 탄소 아크 조명, 라이터 및 토치의 점화 장치, 전자 음극, 전극 등 다양한 용도로 사용된다.

란타넘()

목차

란타넘족 원소 중 첫 번째 원소이며, 스칸듐, 이트륨, 악티늄과 같이 3족 원소에 속한 것으로 여겨지기도 한다. 이에 대해서는 약간의 이견이 있긴 하나, 란타넘의 57개 전자는 이들 원소와 마찬가지로 3개의 원자가 전자를 갖는 [Xe]5d¹6s²의 전자 구조로 배열되어 있다. 따라서 화학 반응에서 거의 대부분의 경우 5d와 6s 오비탈에 포함된 3개의 원자가 전자를 잃어 비활성 기체인 제논의 안정한 전자 구조를 갖게 되기에 궁극적으로 +3 이온을 형성하며, 일부 +2 산화 상태의 란타넘 화합물은 상대적으로 덜 안정하다. 강한 상자성을 가지는 다른 란타넘족 원소들과 달리 유일하게 4f 전자를 갖지 않는 란타넘은 약한 자성을 보인다. +3 산화 상태의 란타넘족 화합물들의 녹는점은 6s, 5d, 4f 전자들의 혼성화와 연관되어 있기에, 란타넘은 세륨 다음으로 녹는점이 낮으며(920 °C), 란타넘족 중에서 가장 낮은 휘발성을 갖는다.

란타넘 산화물()

란타넘족 원소들 중 원자 반지름이 가장 크며, 이들 중 가장 높은 반응성을 보이며, 공기 중에서 천천히 색이 변하며, 쉽게 연소되어 +3 산화 상태의 란타넘 산화물(La₂O₃)을 형성한다. 또한, 센티미터 크기의 란타넘 샘플은 일 년 안에 완전히 부식되는데, 이는 알루미늄이나 스칸듐, 이트륨의 산화물처럼 한번 형성된 그 층이 샘플의 표면을 보호하는 대신, 녹슨 철과 같이 쉽게 부스러져 떨어져 나가기 때문이다. 할로젠족 원소들과 실온에서 반응하여 트라이할로젠화물을 형성하며, 열이 가해지면 비금속인 질소, 탄소, 황, 인, 붕소, 셀레늄, 규소 및 비소와 함께 이성분 화합물을 형성한다. 또한, 물과 천천히 반응하여 란타넘 수산화물(La(OH)₃)을 형성하기도 한다. 묽은 황산 용액 속에서는 수화된 화합물[La(H₂O)₉]³⁺을 주로 형성하며 이때 La³⁺가 f 전자를 갖지 않는 특징 때문에 그 수용액은 무색이다.

자연계에서 발견되는 란타넘은 주로 안정한 ¹³⁹La와 방사성 동위원소인 ¹³⁸La로 구성되어 있으며, 이들 중 ¹³⁹La이 99.910%를 차지한다. 매우 희귀한 동위원소인 ¹³⁸La는 1.05 × 10¹¹년의 긴 반감기를 갖는다. 다른 동위원소들은 모두 인공적으로 합성되며, 6만 년의 반감기를 갖는 ¹³⁷La를 제외하면 대부분의 인공 동위원소들은 하루 미만이며, ¹³⁹La와 ¹⁴⁰La은 우라늄의 핵분열 부산물로서 생성되기도 한다.

모산데르()

스웨덴의 광물학자 크론스테트(A. Cronstedt)는 1751년 바스트너스(Bastnas)의 한 광산에서 훗날 세라이트로 명명된 광물을 최초로 발견하였다. 철기 제조업자인 히신거(B. Hisinger)는 1803년에 베르셀리우스(J. Berzelius)와 함께 이 광물로부터 새로운 산화물을 분리해내는데 성공하여, 그것을 왜소행성 세레스(Ceres)의 이름을 따와 세리아(ceria)라고 명명하였다. 1839년에서 1843년 사이에 외과 의사이자 화학자인 모산데르(C. Mosander)가 세리아는 여러 산화물의 혼합물이라는 사실을 밝혀냈고, 이로부터 2개의 산화물들을 분리해내는데 성공했으며, 이들을 각각 란타나(lanthana)와 디디미아(didymia)라고 명명하였다.

이들을 분리해 내기 위해 그는 세륨 질산염 표본을 공기 중에서 가열하여 산화물 상태로 변화시킨 후, 묽은 질산으로 처리하여 이 산화물을 부분적으로 녹여냈다. 이렇게 얻은 용액을 분리해내고 옥산살 소듐을 더해 침전물을 생성시킨 후 이를 가열하여 연한 벽돌색의 산화물을 얻는데 성공했다. 란타넘의 성질이 세륨과 매우 흡사하고 그 염과 함께 발견되었기에, 그리스어로 ‘숨겨진’이란 뜻의 '란타노'로부터 이름을 따와 란타넘이라고 명명하게 되었다. 보다 순수한 란타넘 금속은 1923년이 되어서야 처음으로 분리되었다.

미시메탈()

니켈-금속 수소화물 전지의 음극에 란타넘 화합물(La(Ni_3.6Mn_0.4Al_0.3Co_0.7)이 사용되지만, 다른 란타넘족 원소에 비해 란타넘의 추출 비용이 많이 들기 때문에 순수한 란타넘 대신 50%의 란타넘 함량을 갖는 미시메탈(mischmetal)이 사용된다. 또한, 라이터돌로 쓰이는 자연 발화성 미시메탈 합금은 25~45%의 란타넘을 포함하고 있다. 수소 저장 합금들도 란타넘을 포함하고 있는데, 이러한 합금들은 흡착 반응을 통해 자신 부피의 400배가 넘는 수소 기체를 저장할 수 있다. 이러한 반응은 언제나 열에너지를 방출하기 때문에 에너지 전환 시스템에 쓰일 수 있는 가능성도 있다. 란타넘의 산화물과 붕소화물은 강한 전자 방출성을 갖고 있어 전자 진공관에 들어가는 열음극의 재료로 쓰이기도 한다. 붕소화 란타넘(LaB₆) 결정은 높은 휘도와 긴 수명을 지니는 열전자 방출원으로써 전자 현미경 및 홀 효과 추진기에 쓰인다. 3가 란타넘 산화물(La₂O₃)은 유리의 알칼리 저항성을 높여주며, 이 때문에 적외선 흡수 유리나 카메라, 망원경 렌즈 등 특별한 광학 유리 제조에 사용된다. 란타넘 플루오린화물(LaF₃)은 ZBLAN이라는 고함량의 플루오린화물을 포함하는 유리의 필수 구성 요소이며, 이 유리는 적외선 범위의 파장에 대한 높은 투과율을 보이기 때문에 섬유 광통신 시스템에 사용된다.

세륨이 첨가된 란타넘 브로민화물과 란타넘 염화물은 높은 광수득률과 최고의 에너지 분해능, 빠른 반응 속도를 보여 신틸레이터(scintillator)로 쓰이는데, 이는 고온에서 사용하기에 용이하며, 이미 중성자와 감마파 측정 등 상업적 용도로 광범위하게 쓰이고 있다. 란타넘 산화물이 첨가된 텅스텐은 방사성 토륨을 대체하여 가스 아크 용접 전극에 사용된다.

란타넘은 중간 정도의 독성을 지니고 있기 때문에 주의 깊게 다뤄져야 하며, 용액의 경우 인체에 주입되면 고혈당, 저혈압, 비장 이상과 간의 변성을 초래할 수 있다. 탄소 아크 조명으로 사용되는 란타넘을 비롯한 희토류 금속 산화물 및 플루오린화물에 노출되면 진폐증이 발생되기도 하였다. 3가 란타넘 양이온의 크기는 2가 칼슘 양이온과 비슷하므로 의학 연구에서 이 양이온을 대체하여 사용되기도 한다. 란타넘은 다른 란타넘족 원소들과 마찬가지로 인체의 신진대사에 영향을 끼치고, 콜레스테롤 수치와 혈압을 낮추며, 식욕을 감소시킬 뿐만 아니라 혈액 응고를 억제한다. 뇌에 주입되면 모르핀과 유사한 진통 작용을 일으키나 그 자세한 원리는 밝혀진 바가 없다.