희토류금속

점점 심해지는 환경오염과 화석연료의 고갈 등으로 친환경 산업과 고효율 에너지 산업 즉 4차 산업혁명으로 전기자동차, 인공지능 및 태양광발전 등이 각광을 받고 있다. 문제는 이런 제품에 필수적인 원소들이 바로 희토류이며 채굴 과정에서 발생하는 심각한 환경오염으로 지금은 전 세계에서 필요한 희토류의 80% 이상이 중국에서 나오고 있다. 2010년에 일본이 점유하고 있는 첨각 열도에 얽힌 분쟁으로 일본이 중국 선원을 체포하자 중국이 희토류 수출 금지로 대응하였고 이에 일본은 굴복하여 중국 선원을 풀어주는 등의 저자세 외교를 할 수밖에 없었다. 그런데 우리나라 역시 희토류를 중국에서 수입할 수밖에 없는 처지이다. 이제 이렇게 중요한 희토류에 대해 알아보자.

원자번호 57번의 란타늄 다음에 있는 58번 세륨부터 71번의 류테튬까지를 란탄족 즉 희토류금속이라고 부르는데 사실 여기에 속하는 많은 원소들이 풍부하게 존재하고 있다. 아마도 매장량이 아닌 f 전자궤도가 채워지기 때문에 희귀하다는 별명이 붙은 것이 아닐까? 세륨은 구리과 비교될 정도로 풍부하게 존재하고 있다. 그리고 편의상 f 전자가 없는 란타늄과 3족의 스칸듐, 이트븀(둘 다 f 전자를 가지고 있지 않다.)도 란탄족 즉 희토류금속에 포함시키고 있다.

세륨부터 루테늄까지 모두 4f 궤도에 전자를 가지고 있다. 이들 4f 전자들은 바깥쪽에 있는 4d, 5s, 5p전자들과 상당히 겹쳐 있으므로 이들을 가려막는 정도가 작아진다. 이런 현상으로 원자번호가 증가하고 4f 전자수가 증가하여도 원자의 크기는 비슷하다. 원자번호가 증가하여도 원자의 크기가 비스해지는 것을 란탄족 수축이라고 한다. 또한 안쪽에 위치한 4f 전자는 화학결합에 영향을 거의 주지 않으므로 이들 희토류금속들의 화학은 유사하다. 이들 원소의 산화 상태는 모두 +3이다. 예외적으로 유로품은 +2 그리고 세륨은 +4의 산화 상태가 훨씬 많다. +3가 이온의 반지름을 비교해보면 57번의 란탄이 1.17Å으로 가장 크며 58번 세륨이 1.15 Å, 5번 프라세오디륨은 1.13 Å 그리고 끝쪽의 69번 툴륨은 1.02 Å, 70번 이터븀은 1.01 Å 그리고 마지막인 루테튬은 1.00 Å이다. 즉 원자번호가 증가하면 +3 이온의 반지름은 감소한다.

앞에서 소개한 것처럼 희토류금속은 첨단산업에서 매우 중요한 기능을 수행한다. 64번 가돌리늄은 양전자를 방출하여 각종 암을 진단하는 PET에서의 조영제로 사용되고 있고, 59번 프리세오디움, 60번 네오디뮴, 61번 프로메튬, 62번 사마륨, 그리고 66번 디스프호슘은 전기자동차와 친환경발전인 풍력발전과 태양열 발전에 사용되는 초강력 영구자석으로 사용되고 있다. 58번 세륨을 산화사켜 만든 산화세륨(Ⅳ)는 강력한 산화제이므로 자동차 배기 가스에 함유된 일산화탄소(CO)를 산화시키는 촉매, 자동 청소 오븐의 오염 물질 분해 촉매, 정유 공장의 석유 분해 촉매 등에 사용된다. 마지막으로 70번 이터븀은 상온초전도체인 YBa2Cu3O7-x의 원료로 긴요하게 쓰이고 있다.