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스칸듐
스칸듐(scandium)은 원자번호 21번의 원소로, 원소기호는 Sc이다. 주기율표에서는 3족(3B족)에 속하는 은백색의 전이금속이며, 희토류 원소의 하나다. 비활성 기체인 아르곤에 비해 3개의 전자를 더 갖고 있어, 쉽게 3개의 전자를 잃고 +3의 산화 상태를 갖는 화합물을 만든다. 스칸듐은 멘델레예프가 1869년에 주기율을 발표할 때 예언하였던 에카붕소로, 1879년에 스웨덴의 닐손(Lars F. Nielson, 1840~1899)에 의해 발견되었다.
스칸듐은 아주 희귀하지는 않으나, 특정 광물에 집중적으로 존재하기 보다는 800종 이상의 광물에 산재되어 있다. 지각에서 약 25ppm(0.0025%) 농도로 존재하는데, 이는 코발트(Co)의 존재량과 비슷하다. 대부분의 희토류 광석과 우라늄 및 텅스텐 광석에 소량 들어있는데, 스칸듐이 많이 포함된 광석은 토르트바이타이트(thortveitite: (Sc,Y)2Si₂O₇, 약 30~40%의 Sc2O₈ 포함)와 콜벡카이트(kolbeckite: ScPO₄∙2H₂O)로 이들은 노르웨이의 특정 지역에 주로 매장되어 있다. 스칸듐은 그 자체만을 광석에서 직접 얻기 보다는 우라늄과 텅스텐 생산의 부산물로 얻으며, 연간 생산량은 Sc₂O₃로 따져서 약 2톤에 불과하다.
스칸듐은 생산량도 적고 또 금속 상태로 얻기도 어려워 값이 비싸 다량 사용되지는 않으나, 산업적 이용은 점차 늘고 있다. 알루미늄 등과 합금을 만들어 항공기 부품, 경주용 자전거 뼈대 등 경주용 운동 기구에 사용되며, 스칸듐 할로겐 화합물은 태양 빛과 비슷한 밝은 빛을 내는 램프에 사용된다. 자동차 부품 및 연료전지 등에도 사용 중이다. 스칸듐 화합물은 알루미늄과 이트륨 화합물의 중간 정도의 성질을 보이며, 스칸듐과 마그네슘은 성질이 비슷한 대각선 관계(diagonal relationship)를 보인다.
개요[편집]
스칸듐은 은백색의 전이 금속이며 역사적으로 이트륨과 란타넘족 원소들과 함께 희토류로 분류되기도 하였다. 1879년 스칸디나비아반도에서 유래된 육세나이트(euxenite)와 가돌리나이트(gadolinite) 광물의 분광 분석 연구를 통해 최초로 발견되었다.
스칸듐은 주로 희토류나 우라늄 화합물에 포함되어 있으며 세계적으로 몇몇 광산에서 이러한 광물로부터 추출된다. 스칸듐은 널리 쓰이지 않고, 순수한 금속 형태로 존재하기 때문에 얻기가 어려워 1937년에서야 최초로 분리되었다. 실용적인 용도로 쓰이기 시작한 것은 1970년대 이후이며, 알루미늄에 스칸듐을 첨가한 합금의 강도가 증가하는 현상이 발견된 이후 합금을 제조하는 데 주로 이용되고 있다.
스칸듐 화합물은 알루미늄과 이트륨의 중간적 특성을 보인다. 스칸듐은 마그네슘과 유사한 화학적 성질을 보이는데 이는 베릴륨과 알루미늄처럼 대각선 관계(diagonal relationship)가 성립하기 때문이다. 스칸듐은 그룹 3족에 속하는 원소로서 화합물의 형성 시 주로 +3의 산화수를 갖는다.
역사와 분리∙발견[편집]
1869년 3월 18일에 러시아의 멘델레예프는 화학의 역사상 가장 위대한 발견 중의 하나를 하였다. 그는 당시까지 알려진 63개 원소의 원자량과 성질을 종합∙분석하여 원소들이 어떻게 서로 연관되는 가를 보이는 주기율, 즉 주기율표를 제시하였다. 이때 그는 2개의 원소(베릴륨과 칼슘)에 대해서는 기존에 확립된 원자량을 새롭게 바꾸었으며 (다른 여러 개의 원소에 대해서는 확립된 원자량에 의문을 제기하였다), 당시에 아직 발견되지도 않은 원소들에 대해 빈칸으로 남겨두었는데 4개의 미지 원소들에 대해서는 각각의 원자량과 몇 가지 성질을 예언하였다. 2년 후에 그는 보완된 주기율표를 발표하였는데, 이 때는 무려 17가지 원소에 대해 기존의 확립된 원자량을 변경하였으며, 처음에 예언했던 4개의 원소 외에 10 개의 원소들을 추가로 예언했고, 우라늄보다 원자량이 큰 초우라늄 원소 5개를 예언하였다. 화학자들은 '과연 아직 발견되지도 않은 원소들을 예측할 수 있을까?'라고 반신반의하는 한편, 그의 예언에 매료되었다. 이후 멘델레예프가 변경한 원자량이 모두 타당하다는 것이 밝혀지고, 그가 예언한 원소들이 속속 발견되면서 화학은 비로소 예측 가능한 학문으로 나아가게 되었다. 멘델레예프가 예언한 원소 중의 하나가 원자량이 45이고 성질은 붕소(B)와 비슷할 거라고 예측했던 에카붕소이다.
이 에카붕소는 1879년에 스웨덴에서 광물 분석에 종사했던 닐손에 의해 처음 발견∙확인되었다. 광산업과 광물질의 연구∙분석에 오랜 전통을 갖고 있던 스웨덴의 과학자들은 1735년에 코발트(Co)를 발견한 것을 시작으로 무려 19가지의 새로운 금속 원소를 처음 발견하였다. 닐손은 1879년에 에르븀(Er; erbium)이 처음 분리∙발견되었던 가돌리나이트(gadolinite)에서 얻은 산화물 중에서 이터븀(이테르븀; Yb; ytterbium)과 비슷한 성질을 보이는 원소를 발견하고는 스펙트럼을 통해 이것이 새로운 원소임을 확인하였다. 그는 육세나이트(euxenite) 광석에서도 이 원소를 발견하였는데, 이 새로운 원소의 이름을 자신의 조국이 속한 지역이면서 또한 해당 광물이 있는 스칸디나비아(Scandinavia)에서 따서 스칸듐(scandium)으로 제안하였다.
닐손이 처음에는 스칸듐 산화물의 화학식을 ScO로 간주하고, 원자량이 90 이하라고 한 것으로 보아 그 당시에는 멘델레예프의 에카붕소에 대한 예언을 알지 못하고 있었던 것으로 짐작된다. 그러나 동료인 클레베(Per Teodor Cleve, 1840~1905)가 산화스칸듐을 분석하여 이 원소가 에카붕소라는 것을 확인하고, 이를 멘델레예프에게 알렸다: 클레베는 같은 해에 원자번호 67인 홀뮴(Ho; Holmium)과 69인 툴륨(Tm; thulium)을 발견하였다. 닐손은 이듬해 논문에서 산화물의 화학식을 Sc₂O₃로, 그리고 원자량을 멘델레예프가 예측했던 45와 아주 가까운 44로 바로 잡았다.
닐손이 얻은 것은 순수한 금속 스칸듐이 아니고 스칸듐의 산화물이다. 금속 스칸듐은 1937년에 ScCl₃, KCl, LiCl의 공융 혼합물(함께 녹는 혼합물, eutectic mixture) 4)을 700~800oC에서 전기분해시켜 처음으로 얻었으며, 제법 많은 양의 순수한 금속 스칸듐의 생산은 1960년에야 이루어졌다. 스칸듐의 실용적 응용은 1970년에야 시작되어 항공기 부품, 운동 기구, 밝은 자연광을 내는 램프, 레이저 등에 제한적으로 사용되고 있는데, 그 용도가 점차 늘어나고 있다.
물리적 성질[편집]
스칸듐은 21개의 전자를 갖고 있어 전자배치는 [Ar]3d¹4s²이다. 따라서 3개의 전자를 쉽게 잃어 아르곤과 같은 전자배치를 하게 되므로, 주된 산화수는 +3이다. 비교적 무르고 가벼운 금속(밀도, 2.986 g/cm³)으로 은백색을 띤다. 녹는점은 희토류 금속 중에서 Lu와 Tm 다음으로 높은 1541℃이고, 끓는점은 2836℃이다. 전기비저항은 알루미늄에 비해 월등히 크다. 폴링의 전기음성도는 1.36이다. ⁴⁵Sc는 7/2의 핵 스핀을 갖고 있어, 이의 용액이나 고체 상태의 연구에 핵자기공명법(nmr)을 사용할 수 있다.
천연 상태에서 스칸듐은 단지 하나의 동위원소 ⁴⁵Sc를 가지며, 이는 방사성 붕괴를 하지 않는다. 13 가지의 방사성동위원소들이 만들어져 성질이 조사되었는데, 반감기가 가장 긴 것은 ⁴⁶Sc(반감기 83.8 일)이고, ⁴⁷Sc과 ⁴⁸Sc의 반감기는 각각 3.35일과 43.7시간이다. Sc 방사성 동위원소 중 원자량이 45보다 작은 것들은 전자 포획으로 같은 원자 질량을 갖는 칼슘(Ca) 동위원소가 되고, 원자량이 45보다 큰 것들은 β-붕괴를 하고 타이타늄(Ti)이 된다.
화학적 성질[편집]
스칸듐의 화학적 성질은 다른 희토류 금속과 비슷하며, 화학적으로 비교적 안정하다. 공기 중의 산소와 잘 반응하지 않으나, 가열하면 산화되어 Sc₂O₃가 되고 물과 반응하여 수소 기체를 내어 놓는다. 대부분의 묽은 산에 녹으나, 질산(HNO₃)과 플루오르화수소산(HF)의 1:1 혼합물에는 녹지 않는데 이는 부동막이 생기기 때문으로 여겨진다. 강산에 녹이면 물에 잘 녹는 염들이 얻어지나, HF, 인산(H₃PO₄), 옥살산(H₂C₂O₄)과 같은 약산에 녹이면 물에 잘 녹지 않는 염들이 만들어진다. 할로겐 원소들과는 실온에서도 반응하고, 가열하면 대부분의 다른 비금속 원소들과도 반응한다. Sc³⁺ 이온은 무색이고, 이의 수용액은 가수분해로 인해 산성을 띤다.
스칸듐의 산업적 용도[편집]
스칸듐의 주된 응용 분야 중 하나는 0.1%에서 0.5% 정도의 스칸듐이 포함된 알루미늄-스칸듐 합금으로 우주 항공 산업 부품 소재로 이용된다. 이 소재는 미그-21과 미그-29 등 러시아 전투기에 사용되었다. 야구 방망이, 자전거 틀과 구성 부품, 라크로스 스틱 등 고성능 재료가 필요한 스포츠 장비의 일부 품목에 스칸듐-알루미늄 합금으로 만들어진 소재가 이용된다. 미국 무기 제조 회사 중 하나인 Smith & Wesson에서 생산되는 총기류에 스칸듐 합금 프레임과 티타늄 또는 탄소 강철 실린더를 사용한다. 치과의사들은 어븀, 크로뮴이 도핑된 이트륨-스칸듐-갈륨 석류석 (yttrium-scandium-gallium garnet: Er,Cr: YSGG) 레이저를 근관치료술(endodontics) 등에 이용한다. 산화 스칸듐(Sc₂O₃)은 고성능 방전등에 사용된다. 수은등(Mercury-vapor lamp)과 비슷한 특성이 있는 아이오딘화 스칸듐과 아이오딘화 소듐으로 만들어진 금속 할로젠 등(metal halide lamp)은 태양광처럼 우수한 색채 재현이 가능해서 TV, 카메라 등에 쓰이는 광원으로 사용된다. 1년에 약 80kg의 스칸듐이 이 분야에 사용된다. 방사성 동위원소인 ⁴⁶Sc는 정유 산업에서 동위원소 추적자로 이용된다. 스칸듐 트리플레이트는 유기화학에서 루이스 산 촉매로 이용된다.
스칸듐 화합물[편집]
스칸듐의 대표적 화합물은 산화물(Sc₂O3), 수산화물(Sc(OH)3), 할로겐화물(ScX3)이다. Sc₂O3는 금속 Sc를 태우거나 옥살산스칸듐(Sc₂(C₂O4)3)을 열 분해시켜 만들 수 있다. 녹는점이 높은(2,485oC) 흰색 고체로, 고온재료, 전자 세라믹과 유리 성분으로 사용된다. Sc(OH)3는 Sc3+ 이온 용액에 알칼리를 가하면 얻어진다. Sc(OH)3는 광학 부품의 코팅, 전자 세라믹, 레이저 산업 등에 사용된다. Sc₂O3와 Sc(OH)3는 알루미늄 산화물(Al₂O3)과 수산화물(Al(OH)3)처럼 산과 알칼리로 모두 작용하는 양쪽성 물질이다.
산으로 작용: Sc₂O₃ + 6 OH⁻ + 3H₂O → 2 Sc(OH)₆ 3⁻
염기로 작용: Sc₂O₃ + 6 H⁺ + 9H₂O → 2 Sc(H₂O)₆ 3⁺
Sc₂O₃를 할로겐산(HX) 또는 NH4HX₂ (NH4X+HX)와 반응시키면 할로겐 화합물이 얻어진다.
Sc₂O₃+ 6 HX → 2ScX₃ + 3H₂O
ScF₃를 제외한 ScX₃는 물에 아주 잘 녹는다. ScF3는 물에 녹지 않으나, 과량의 F⁻이 있으면 물에 녹게 되는데, 이때 ScF3는 루이스 산 5)으로, F⁻는 루이스 염기로 작용한다. 다른 ScX₃들도 루이스 산이다.
ScF₃ + 3F⁻ → [ScF₆ ]3⁻
스칸듐의 삼플루오르화메테인슬폰산염(scandium triflate, Sc(CF₃SO₃)₃)은 Sc2O₃를 삼플루오르화메테인슬폰산(triflic acid: CF₃SO₃H)과 반응시켜 얻는데, 유기화학에서 루이스 산 촉매로 비교적 많이 사용되는 화합물이며 물에서 안정하여 작은 양으로도 충분한 촉매 작용을 나타낸다.
대부분의 화합물에서 Sc의 산화 수는 +3이다. 그러나 낮은 산화 수를 갖는 화합물도 있는데 대표적인 것이 Sc의 산화수가 +2인 CsScCl₃ 이며, 이와 유사한 MScX₃(M은 알칼리 금속; X는 할로겐) 형의 여러 화합물들이 만들어졌다. 또한 ScCl₃와 Sc의 반응에서 Sc₇Cl₁₂, Sc5C₁₈, Sc₂Cl₃, Sc₇Cl₁₀ 등이 얻어졌는데, 이들은 모두 산소와 습기에 민감하다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
