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란타넘족
란타넘족(Lanthanides)은 원자번호 57 란타넘(La)에서 원자번호 71 루테튬(Lu)까지의 희토류 원소이다. 란타노이드나 란타니드, 란탄족이라고도 한다. 란탄족은 루테튬을 제외하고 모두 f-구역 원소에 속한다. 란타넘족은 성질이 서로 비슷하기로 유명한데, 두 원소를 가지고 같은 원소인지 다른 원소인지 사람들이 몇 년에 걸쳐 논쟁을 벌이기도 하였다.
악티늄족의 기호 Ac처럼 란타넘족도 La이라는 기호를 가지고 있다.
개요[편집]
란타넘족은 원자번호 57번부터 71번까지 15개의 원소다. Ln이라는 대표 기호로 표현한다. [Xe]6s²5d¹의 전자 배치를 가지는 란타넘과 그 이후에 7개의 4f 오비탈에 전자가 채워지는 란타넘족의 원자들은 3족 원소인 스칸듐, 이트륨과 유사한 성질을 가진다.
란타넘과 비슷한 원소라는 뜻에서 이렇게 부르는데, 란타넘을 제외하고 14원소를 가리킬 때도 있다. 어느 원소나 원광석(原鑛石)에서 분리시킬 때는 분별결정(分別結晶) 등을 몇 번 되풀이해야 하므로 이온교환수지에 의한 방법이 개발되기까지는 많은 과정이 필요하였다.
가장 바깥 전자껍질에 있는 원자가전자의 배열이 거의 같고, 이온반지름도 거의 같다. 원자번호순으로 나열했을 때 원자가전자가 증가하는 모양은 가장 바깥 껍질인 P껍질은 변함이 없고, O껍질도 거의 일정하며, 더 안쪽의 N껍질에 있는 4f 궤도에서 점차 전자수가 증가하는 것으로 나타난다. 이 때문에 전체적인 크기는 그다지 변하지 않고 원자핵의 전하가 1단위씩 증가함으로써 이온반지름은 조금씩 감소해 간다.
이와 같은 성질은 주기율표에서 같은 위치에 있는 악티늄족원소에서도 볼 수 있다. 그 결과 란타넘족 뒤에 오는 하프늄(Hf), 탄탈럼(Ta) 등은 다른 족의 경우와 달리 앞 주기인 지르코늄(Zr), 나이오븀(Nb)과 각각 거의 같은 이온반지름을 갖게 되어 각 원소 사이의 분리가 곤란하다. 이와 같은 란타넘족원소 및 악티늄족원소의 계열 속에서 볼 수 있는 이온반지름의 감소를 란타넘족수축(收縮) 및 악티늄족수축이라 한다.
란타넘족을 구성하는 원소의 전자배치[편집]
원소기호 이름 원자번호 전자배치 Ln³⁺ 이온반지름(pm) La 란타넘 57 [Xe]5d¹ ⁶s² 103 Ce 세륨 58 [Xe]4f¹ ⁵d¹ 6s² 102 Pr 프라세오디뮴 59 [Xe]4f³ 6s² 99 Nd 네오디뮴 60 [Xe]4f⁴ 6s² 98.3 Pm 프로메튬 61 [Xe]4f⁵ 6s² 97 Sm 사마륨 62 [Xe]4f⁶ 6s² 95.8 Eu 유로퓸 63 [Xe]4f⁷ 6s² 94.7 Gd 가돌리늄 64 [Xe]4f7 5d¹ 6s² 93.8 Tb 터븀 65 [Xe]4f⁹ 6s² 92.3 Dy 디스프로슘 66 [Xe]4f¹⁰ 6s² 91.2 Ho 홀뮴 67 [Xe]4f¹¹ 6s² 90.1 Er 어븀 68 [Xe]4f¹² 6s² 89 Tm 툴륨 69 [Xe]4f¹³ 6s² 88 Yb 이터븀 70 [Xe]4f¹⁴ 6s² 86.8 Lu 루테튬 71 [Xe]4f¹⁴ 5d¹ 6s² 86.1
란타넘족 원소들은 7개의 4f 오비탈이 부분적으로 채워진 바닥 상태 전자 구성을 둔다. 란타넘과 루테튬은 4f 오비탈에 전자가 없거나 가득 차 있지만, 3가 양이온을 안정적으로 형성하며, 일반적인 화학적 성질이 다른 란타넘족들과 유사하다.
특징[편집]
가장 바깥 전자껍질에 있는 최외각전자의 배열이 거의 같고, 이온반지름도 거의 같다. 원자번호순으로 나열했을 때 원자가전자가 증가하는 모양은 가장 바깥 껍질인 P껍질은 변함이 없고, O껍질도 거의 일정하며, 더 안쪽의 N껍질에 있는 4f 궤도에서 점차 전자수가 증가하는 것으로 나타난다. 이 때문에 전체적인 크기는 그다지 변하지 않고 원자핵의 전하가 1단위씩 증가함으로써 이온반지름은 조금씩 감소해 간다.
이 원소들은 희토류의 대부분을 차지한다.
이런 (란타넘을 제외한) 란타넘족들은 원자번호가 짝수인 것들은 많이 존재하고, 홀수인 것들은 적다.
란타넘족쯤 되면 화학과보다 물리학과에서 볼 확률이 더 높다. 무기화학에서도 보통 전이금속 위주로 다루고, 란타넘족 원소의 성질은 응집물질물리학에서 다룰만한 주제들이 대부분이다. 네오디뮴 자석이나 육붕화사마륨처럼 응집물질물리학에서 주목할만한 물질들 중 란타넘족 원소가 포함된 화합물이 많기 때문이다.
란타넘족 원소의 성질[편집]
란타넘족 원소들은 이온화되어 +3가의 산화 상태를 쉽게 형성한다. 주기율표의 3족에 위치하는 스칸듐, 이트륨과 화학적 성질이 유사하다. 이런 유사한 화학적 성질로 인하여 자연계 광물에서 서로 혼합되어 있는 경우가 많으며 그 분리 정제가 매우 까다롭다. 예를 들어, 프라세오디뮴과 네오디뮴은 특히 그 분리가 어려워 오랜 기간 같은 원소로 알려져 있었다. 일부 원소의 경우는 +2와 +4의 산화수도 가질 수 있다. 7개에 이르는 f 오비탈의 전자 배치에서 최대 7개에 이르는 홀전자 배치를 한다. 이는 란타넘족 원소들이 일반적으로 보여주는 큰 자기 모멘트의 이유이다.
란타넘족 수축[편집]
란타넘의 원자 번호 증가에 따라 핵의 양성자 수와 전자 수가 같이 증가한다. 란타넘족은 전자가 최외곽 오비탈이 아닌 내부의 f-오비탈에 쌓인다. 하지만 f-오비탈의 전자에 의한 핵전하의 가림 효과는 그렇게 효과적이지 못하며 그에 따라 유효 핵전하의 증가 정도가 빠르게 증가한다. 이와 관련된 효과를 란타넘족 수축 현상이라 한다. 란타넘족의 3+ 이온 반지름이 원자 번호 증가에 따라 규칙적으로 감소하는 것과 55주기와 6주기 전이 금속의 원자 반지름의 유사성 등이 란타넘족 수축 현상으로 설명된다. 특히 원자 번호 40의 지르코늄과 72번의 하프늄의 원자 반지름은 각각 159 pm와 156 pm로 주기가 바뀌었음에도 불구하고 원자 크기의 변화가 없는 현상이 4f 오비탈 전자들의 비효율적인 핵전하 가림 효과 때문이다.
란타넘족 원소의 용도[편집]
매년 15,000톤의 란타넘족 원소가 촉매, 영구자석, 유리 제품 제조에 사용된다. 최근 하이브리드 자동차의 배터리와 자석, 초전도체 제조, 레이저 발생기, 발광 소재 등 첨단 산업의 주요 원료로 그 활용도가 확장 중이다.
희토류 원소[편집]
스칸듐, 이트륨, 그리고 15개의 란타넘족 원소를 통칭하여 희토류 원소(rare earth element)라 부른다. 화학적 성질이 유사하며, 광물에 함께 존재하기 때문이다. 희토류라는 이름 때문에 지구상에 존재 비율이 희박한 것으로 생각할 수 있지만, 프로메튬을 제외하면 다른 원소에 대비 상대적으로 풍부하게 분포한다. 세륨의 경우는 구리와 그 양이 비슷하다. 하지만 채굴하는 광물의 형태로는 희귀하며, 그 분리 정제가 어려워 그 이름을 가지게 되었다. 첨단 소재의 필수 원료로서 그 수요가 증가하며 그에 따른 희토류 원소들의 가치가 높아지고 있다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
