이트륨

이트륨은 원소 기호는 Y, 원자 번호가 39번인 원소이다. 중성 상태에 있는 이트륨의 바닥 상태 전자 배치는 [Kr] 4d¹5s²이다. 이트륨은 화학적으로 란탄족과 유사한 반응성을 나타내는 은색 금속 광택을 띠는 전이 금속이며, '희토류(rare-earth element)'로 분류된다. 이트륨은 거의 항상 희토류 계통의 란탄족 원소와 같이 발견되며 자연계에서는 독립적으로 발견되는 예는 없다. ⁸⁹Y이 지표에서 발견되는 유일한 동위원소이며 안정한 동위원소이다. 1787년에 아레니우스(Carl Axel Arrhenius)가 스웨덴의 이테르비(Ytterby) 근처에서 새로운 광물을 발견했고, 발견한 동네의 이름을 따라 이테르바이트(ytterbite)라고 명명하였다. 2년 후, 요한 가돌린(Johan Gadolin)이 아레니우스의 시료에서 이트륨의 산화물을 발견하였고, 에케베리(Anders Gustaf Ekeberg)가 새롭게 발견된 산화물을 이트리아(yttria)라고 명명하였다. 원소 상태의 이트륨은 1828년 뵐러(Friedrich Wöhler)에 의해서 최초로 분리되었다.

이트륨의 가장 중요한 산업적 이용은 발광 다이오드(light emitting diode, LED)나 인광체로의 응용이며, 특히 CRT (cathode ray tube) 디스플레이의 적색 인광체로 사용되어 왔다. 또한, 이트륨은 전극, 전해질, 여과기, 레이저, 초전도체 등을 만드는 데 사용되고 있으며, 의학적 응용에도 사용된다.

목차

1787년 육군 중위 겸 시간제 화학자인 칼 악셀 아레니우스(Carl Axel Arrhenius)가 스웨덴 이테르비(Ytterby) 근처의 채석장에서 무겁고 검은 바위를 발견했다. 이것이 텅스텐을 함유한 미지의 광물이라 생각하여 발견한 동네의 이름을 따라 이테르바이트(Ytterbite)라 명명하고 분석을 위해 여러 화학자에게 샘플을 보냈다.

1789년 요한 가돌린(Johan Gadolin)이 아레니우스의 샘플에서 새로운 산화물을 확인하고, 1794년에 분석 결과를 발표했다. 1797년 안데르스 구스타프 에케베리(Anders Gustaf Ekeberg)가 가돌린의 분석을 확인하고, 새로운 산화물을 이트리아(yttria)라 명명하였다.

앙투앙 라부아지에(Antoine Laboisier)가 화학 원소에 대한 최초의 근대적 정의를 개발한 지 수십 년 후, 산화물이 원소로 환원될 수 있다고 믿게 되었고, 따라서 새로운 산화물의 발견은 새로운 원소의 발견과 같은 의미를 가진다고 할 수 있다.

1843년 칼 구스타프 모산데르(Carl Gustaf Mosander)는 이트리아가 하나의 산화물이 아니라 흰색의 산화 이트륨, 황색의 산화 터븀, 장미색의 산화 어븀을 포함하고 있다는 것을 알아내었다. 1878년 드 마리냐크(Jean Charles Galissard de Marignac)가 네 번째 산화물인 산화 이터븀을 발견했다. 나중에 이 산화물들은 원소로 분리되었고, 각 원소는 발견된 마을인 이터비(Ytterby)의 이름을 따 이트륨(Yttrium), 터븀(Terbium), 어븀(Erbium), 이터븀(Ytterbium)이라 명명되었다.

이후 수십 년 동안 이트리아에서 7개의 새로운 금속이 발견됨에 따라 이트리아는 산화물이 아니라 광물인 것으로 밝혀졌다. 마틴 하인리히 클랩로스(Martin Heinrich Klaproth)는 가돌린을 기리기 위해 이트리아의 이름을 가돌리나이트(Gadolinite)라 바꾸었다. 1828년 프리드리히 뵐러(Friedrich Wöhler)가 무수 이트륨 클로라이드를 포타슘과 같이 가열하여 환원함으로써 최초로 분리했다.

1987년 이트륨 바륨 구리 산화물이 고온 초전도체라는 것이 밝혀졌다. 초전도 현상을 띠는 두 번째 물질이고, 질소의 끓는점보다 높은 온도에서 초전도 현상을 띠는 최초의 물질이다.

이트륨은 무르고, 은색의 광택을 띠며, 결정질의 전이 금속이다. 녹는점은 1526 ℃이고, 끓는 점은 2930 ℃이며, 실온 밀도는 4.472 g/cm³이고, 녹는점에서 액체의 밀도는 4.24 g/cm³이다. 온도에 상관없이 육방조밀격자(hcp) 구조를 하고, 상자성(paramagnetic)을 갖는다.

이트륨은 자연계에서 ⁸⁹Y로만 존재하며, 이는 안정하다. 질량수가 76에서 108사이에 있는 32가지의 인공 동위원소가 발견되었다. 동위원소 중 불안정하여 반감기가 짧은 것은 ¹⁰⁶Y(150나노초), ⁷⁶Y(200나노초)이고, 비교적 안정하여 반감기가 긴 것은 ⁸⁸Y(106.6일), ⁹¹Y(5.85일), ⁸⁷Y(79.8시간), ⁹⁰Y(64시간)이다. 나머지 동위원소들은 하루나 한 시간 정도의 반감기를 갖는다. 질량수가 88보다 작은 동위원소들은 양전자 방출에 의해 붕괴되어 스트론튬(원자번호 38번)의 동위원소를 형성하고, 88보다 큰 동위원소들은 전자 방출로 붕괴되어 지르코늄(원자번호 40번)의 동위원소를 형성한다. 또한, 준안정(들뜬) 이성질체가 20개 존재한다. 대부분이 바닥 상태보다 불안정하지만, ^78mY, ^84mY, ^85mY, ^96mY, ^98m1Y, ^100mY, and ^102mY는 바닥 상태보다 안정하여 긴 반감기를 가지며 이들 이성질체는 핵 이성질체 전이가 아니라 베타 붕괴를 한다.

이트륨 ()

벌크 형태의 순수한 이트륨은 표면에 형성되는 보호 산화물의 부동태화(passivation)에 의해 공기 중에서 비교적 안정하다. 그러나 미세하게 분화되면 공기 중에서 매우 불안정하며 400 ℃에서 발화하고, 1000 ℃에서 질소와 반응하여 질화 이트륨을 형성한다. 중성 상태에 있는 이트륨의 전자배치는 [Kr] 4d¹5s²이며, 일반적으로 4d오비탈과 5s오비탈에 있는 원자가 전자 3개를 모두 내놓음으로써 +3의 산화상태를 갖는 다양한 무기 화합물을 형성한다. 이트리아라고 알려진 산화 이트륨(Y₂O₃)이 가장 대표적인 예라고 할 수 있다.

이트륨은 물과 반응하여 산화 이트륨을 형성한다. 대부분의 강산과 반응하지만, 고농도의 질산이나 플루오린화 수소산과는 반응하지 않는다. 200 ℃ 이상의 온도에서 할로젠과 반응하여 삼할로젠화물을 만들고, 탄소, 인, 셀레늄, 규소, 황 모두와 반응하여 이원성 화합물을 형성한다. 플루오린화물, 수산화물, 옥살산염은 물에 녹지 않고, 브롬화물, 염화물, 요오드와물, 질산염, 황산염은 모두 물에 녹는다. 이트륨 3가 양이온이 d오비탈과 f오비탈에 전자가 없어 용액 상에서 색깔을 띠지 않는다.

이트륨은 화학적으로 란탄족 원소와 매우 유사하므로 전통적으로 스칸듐, 란타족 원소와 함께 희토류 원소로 분류되었다. 다른 희토류 원소들과 마찬가지로 희토류광에서 얻는데, 이트륨의 경우 주로 모나자이트와 제노타임에서 얻고, 이들 광석의 이트륨 함량은 각각 2%, 60% 정도이다. 정제 과정은 다른 희토류 원소들의 경우와 거의 같다.

대표적인 방법은 산화물을 황산에 용해한 후, 이온 교환 크로마토그래피로 분별하는 것이다. 옥살산을 넣으면 옥살산 이트륨이 침전되고, 이를 산소 조건에서 가열하면 산화 이트륨이 되고, 플루오린화 수소산과 반응시켜 플루오린화 이트륨을 얻는다. 사차 암모늄염을 이용하여 추출하면 이트륨은 물층에 남게 된다. 음이온으로 질산염을 사용하면 가벼운 란탄족 원소를 제거할 수 있고, 티오시안산염을 사용하면 무거운 란탄족 원소를 제거할 수 있다. 이러한 방법으로 99.999% 순도의 이트륨 염을 얻을 수 있다.

산화 이트륨의 생산량은 2001년에 600톤에서 2014년에 7000톤으로 증가했으며 2014년 전체 광석 매장량은 약 50만 톤 이상으로 예상한다. 대부분 호주, 브라질, 중국, 인도, 미국에 분포되어 있다. 산화 이트륨에 비해 이트륨 금속의 생산량은 불과 몇 톤 내외로 매우 적다. 이때 이트륨 금속은 칼슘과 마그네슘의 합금으로 된 금속 스펀지로 불화 이트륨을 환원시켜 얻는다.

산화 이트륨(Y₂O₃)이나 산화 황화 이트륨(Y₂O₂S) 등의 이트륨 화합물은 그 자체로 발광하지는 않는다. 하지만, 전자총으로부터 에너지를 수집하여 이를 발광체로 통과시키는 역할을 하므로 란탄족 양이온을 도핑하기 위한 모체로 이용된다. 유로퓸(III) 양이온(Eu³⁺)이 도핑된 이트륨 격자는 브라운관 TV의 적색 인광 물질으로 사용되었고, 터븀(III) 양이온(Tb³⁺)이 도핑된 이트륨 격자는 녹색으로 발광한다. 또한, 이트륨 알루미늄 가넷(Yttrium Aluminium Garnet)은 백색광 LED의 중요한 인광체이다.

이트륨은 1987년 알라바마 대학교와 휴스톤 대학교에서 개발한 이트륨 바륨 구리 산화물 초전도체(YBa₂Cu₃O₇, 일명 YBCO)의 주요 성분이다. 이 초전도체는 액체 질소의 끓는점(77 K)보다 높은 99 K에서 초전도 현상을 나타내는 최초의 물질이다. 기존의 초전도체는 더 낮은 온도에서 초전도현상이 나타났기 때문에 액체 헬륨이 필요한 반면 이트륨 바륨 구리 산화물은 훨씬 저렴한 액체 질소만 있으면 되므로 비용이 적게 들어가는 장점이 있다. 현재 이트륨 바륨 구리의 비율을 달리하여 더 높은 온도에서 초전도 현상이 나타나는 초전도체를 만들기 위한 연구를 하고있다.

이트륨의 생물학적 역할은 보고되지 않았지만, 사람이나 동물에게 독성이 있어 폐나 간의 질병을 유발한다고 알려져 있다.