홀뮴

원소 기호 Ho의 홀뮴은 원자 번호 67번의 희토류 원소로써 스웨덴 화학자 클레베(P. Cleve)에 의해 발견되었으며, 원소 이름은 스톡홀름시의 라틴어명인 'Holmia'에서 유래되었다. 홀뮴 산화물은 1878년 희토류 원소를 포함한 광석에서 처음으로 얻었으며, 연하고 무른 은백색을 띠며 반응성이 매우 좋으므로 홀뮴 금속을 자연계에서 찾기 어렵다. 실온의 건조한 공기 중에서는 비교적 안정하지만, 물과 반응하면 쉽게 부식되며 공기 중에서 가열하면 연소한다.

홀뮴은 모나자이트, 가돌리나이트 등과 같은 광물에서 발견되며, 일반적으로 이온-교환 방법을 통해 추출된다. +3 산화 상태의 홀뮴 화합물은 다른 여러 희토류 이온과 마찬가지로 형광을 나타내며, 이러한 특성을 이용해 특정 레이저나 유리 착색제 등에 사용된다. 홀뮴은 원소 중에서 가장 큰 자화율을 가지고 있어 고성능 자석에 활용되기도 하며, 중성자를 흡수할 수 있으므로 원자로 제어봉에 활용되기도 한다.

목차

순수한 홀뮴은 밝은 은빛 광택을 가지고 있으며, 상대적으로 부드럽고 무른 원소로써, 건조한 공기와 표준 상태에서는 안정적이다. 그러나 습한 공기와 고온의 환경에서는 빠르게 산화되어 황색 산화물을 형성한다. 산화 홀뮴은 주변 빛에 따라 색이 변화되어 보이는 특징을 갖는데 태양광 아래에서는 황갈색을 띠지만, 삼색광에서는 어븀 산화물과 마찬가지로 오렌지-빨강색을 띤다.

홀뮴()

대기 중에서는 상자성(paramagnetic)을 띠지만 19K 이하에서는 강자성(ferromagnetic)으로 변한다.

홀뮴 금속은 천천히 공기 중에서 변색되고 쉽게 산화되어 홀뮴(Ⅲ) 산화물을 형성한다.

4Ho(s) + 3O₂(g) → 2Ho₂O₃(s)

산화 홀뮴()

차가운 물과 천천히 반응하지만 뜨거운 물과는 빠르게 반응하여 수산화물을 형성한다.

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

홀뮴 금속은 할로젠과 반응하며 분홍색의 플루오린화 홀뮴이나 황색을 띠는 염화 홀뮴, 브로민화 홀뮴, 아이오딘화 홀뮴을 형성한다.

2Ho(s) + 3F₂(g) → 2HoF₃(s)

2Ho(s) + 3Cl₂(g) → 2HoCl₃(s)

2Ho(s) + 3Br₂(g) → 2HoBr₃(s)

2Ho(s) + 3I₂(g) → 2HoI₃(s)

또한 홀뮴은 묽은 황산에 쉽게 녹아 [Ho(OH₂)₉]³⁺ 착물을 형성하고 Ho(III) 이온을 포함하는 황색 용액을 형성한다. 용액 속에서 Ho³⁺은 9 개의 물 분자에 둘러싸여 있다.

2Ho(s) + 3H₂SO₄(aq) → 2Ho³⁺(aq) + 3SO₂^4-(aq) + 3H₂(g)

자연계에는 단 한 종류의 안정한 동위원소 ¹⁶⁵Ho이 존재하고, 그 외에는 일부 인공 방사성 동위원소가 알려져 있는데 이들 중 가장 안정한 ¹⁶³Ho은 반감기가 4570년이다. 이 외의 다른 방사성 동위원소의 반감기는 1.117일 이하이고, 대부분은 3시간 미만이다.

홀뮴은 1878년 스위스의 소레(J. Soret)와 드라폰테인(M. Delafontaine)에 의해 처음 발견되었는데, 그들은 '원소-엑스(element-X)'라고 불리며 당시에는 알려지지 않았던 특정 원소의 분광학적인 특성을 관찰하여 그 존재를 알게 되었다. 이듬해 클레브는 모잔데르(C. G. Mosander)가 개발한 방법을 사용하여 우선 어븀 광석으로부터 모든 오염 물질을 제거하여 갈색과 녹색을 띠는 두 가지 새로운 산화물을 발견하였다. 그는 갈색 물질을 자신의 고향인 스톡홀롬의 라틴어 이름인 홀미아(holmia)로, 녹색 물질을 툴리아(thulia)라고 각각 명명했으며, 나중에 이들은 각각 홀뮴 산화물 그리고 툴륨 산화물로 밝혀졌다. 그 후 모즐리(H. Mosley)의 원자 번호와 관련된 연구 결과에 따라 홀뮴의 원자 번호는 66으로 지정되었다.

다른 희토류 원소와 마찬가지로 자연계에서는 원소 형태로 발견되지 않으며 주로 가돌리나이트, 모나자이트 등과 같은 희토류 금속을 다량 포함한 광물에서 다른 원소들과 함께 결합한 상태로 발견된다. 주요 채광 지역은 중국, 미국, 브라질, 인도, 스리랑카, 호주 등이며, 홀뮴 매장량은 40만 톤으로 추산된다. 홀미아는 지구의 지각의 1.4 ppm 정도를 차지하고 있는 것으로 알려져 있으며 56번째로 풍부한 원소이다.

현재는 중국 남부에서 발견되는 이온-흡착 점토로부터 주로 생산되고 있으며, 이 점토는 제노타임이나 가돌리나이트 등과 같이 다양한 희토류 금속을 포함하고 있는 광물들과 유사한 조성으로 희토류 금속들을 포함하고 있다. 이온-교환(ion exchange) 방법을 통해 상업적으로 추출하여 얻어지지만, 여전히 다른 희토류 금속과 분리하기는 어렵다. 홀뮴은 다른 희토류 금속보다 상대적으로 저렴하여 kg 당 1000 달러 정도이다.

레이저()

홀뮴은 모든 원소 중에서 가장 강한 자기력(10.6μB)을 가지기에 인공-자기장을 만드는 고성능 자석에 쓰이며, 특히 다양한 의료 장비에 사용된다. 또한, 핵분열로 인해 생성된 중성자를 흡수할 수 있으므로 원자로 제어봉으로도 사용되며, 고체-레이저의 구성 성분으로 활용되어 의료, 치과 및 섬유 광학 장비 등에 응용되기도 한다. 또한, 빛을 이용하여 거리 측정 및 물체 감지를 할 수 있는 라이다(LIDAR) 장치에 펄스레이저를 만드는 에너지 축적장치에 쓰이기도 한다.

유리에 착색제로 사용되어 황색이나 적색을 나타내는 원료로 쓰이는데 특히 산화 홀뮴이나 그 용액을 포함한 유리의 경우 200-900 nm 범위의 빛을 흡수하기 때문에 이를 광학 분광광도계의 보정을 위해 사용하기도 한다.

인체 내에서 생물학적 역할을 담당하지는 않지만, 홀뮴 염의 경우 신진대사에 영향을 줄 수도 있다. 일반적으로 사람은 연간 약 1 mg의 홀뮴을 섭취하지만 식물은 토양으로부터 쉽게 홀뮴을 흡수하지 못하기에 일부 야채에서는 매우 소량의 홀뮴이 발견된다. 다량의 홀뮴 염을 흡입, 섭취, 구강 투여나 주사로 투여하게 되면 인체에 심각한 손상을 일으킬 수 있지만, 장기간 동안 노출될 경우에 대한 생물학적 영향은 아직 연구되지 않았다. 산화 홀뮴을 과량 섭취하면 육아종(granuloma)이나 혈색소혈증(hemoglobinemia)을 일으킨다.