지구의 광물 (2) -희토류

지구의 광물 (2) -희토류

희토류는 그 이름에서도 알 수 있듯이 지구의 지각에서 비교적 드물게 발견되는 원소들을 의미합니다. 희토류의 화학적 성질은 매우 유사하기 때문에 따로 분리하는 것은 어렵습니다. 이러한 원소들은 다양한 고기술 분야에서 중요한 역할을 합니다.

희토류란

희토류는  17개 금속원소 그룹으로 구성되어 있으며 그중 스칸듐 (Sc) 이트륨 (Y), 그리고 나머지는 3주기 란타넘 (La)부터 6주기 루테튬 (Lu)까지의 란타넘족 15개 원소를 말합니다. 이들을 묶어 희토류로 부르는 이유는 서로 화학적으로 성질이 유사하고 광물 속에 그룹으로 함께 존재하기 때문입니다.

 

희토류는 화학적으로 안정적이면서도 열전도율, 전기전도율, 자기적 성질이 뛰어난 특성을 가지고 있습니다. 이러한 특성 덕분에 희토류는 다양한 산업분야에서 핵심적인 역할을 수행하고 있습니다.

기원과 발견

희토류의 기원은 우주 초기의 별 생성 과정에서 비롯된 것으로 추정됩니다. 희토류 원소는 우주에서 가장 풍부한 원소 중 하나이지만, 지구에서는 지각에 분포량이 적어 경제적으로 채굴이 가능한 광산이 한정되어 있습니다.

 

1. 이트륨의 발견 (1787년)

희토류의 발견은 1787년, 스웨덴의 화학자 칼 아크셀 크론스테트가 스웨덴의 위테르뷔에서 이트륨(Y)이라는 원소를 발견하면서 시작되었습니다. 이트륨은 스웨덴의 위테르뷔에 위치한 Ytterby 광산에서 발견되었는데, 이 광산에서 발견된 광물들은 매우 복잡한 화학 구조를 가지고 있었으므로, 이 원소들을 분리하고 식별하는 작업은 상당히 어려웠습니다.

 

2. 란타넘족 원소들의 발견 (1839년~1907년)

19세기에는 여러 연구자들이 다양한 희토류 원소를 발견하고 분리하였습니다. 특히 칼 구스타프 모선더는 세륨(Ce)이라는 원소에서 란타넘(La)과 디듐(Didymium, 후에 프라세오디뮴(Pr)과 네오디뮴(Nd)으로 분리됨)을 분리하였는데, 이는 희토류의 분리에 있어 중요한 진전이었습니다. 1803년부터 1807년까지 잇따라 15개의 희토류 원소가 발견되었고, 1907년, 프랑스 화학자 조르주 위르뱅이 루테튬을 발견했습니다. 이 원소는 동시에 미국의 찰스 제임스와 오스트리아의 카를 아우어 폰벨스바흐에 의해서도 발견되었지만, 위르뱅이 최초의 발견자로 인정되었습니다.

희토류의 물리적, 화학적 특성

희토류의 물리적 특성

색상: 희토류는 다양한 색상을 가지고 있습니다. 란타넘은 은백색, 세륨은 은백색, 프라세오디뮴은 분홍색, 네오디뮴은 붉은색, 프롬은 노란색, 사마륨은 분홍색, 이터븀은 회색, 루테튬은 은백색이며 대부분의 희토류는 광택을 가지고 있습니다. 경도: 희토류의 경도는 다양합니다. 란타넘은 4.5, 세륨은 4.5, 프라세오디뮴은 5.5, 네오디뮴은 5.5, 프롬은 6, 사마륨은 6.5, 이터븀은 6, 루테튬은 6.5입니다.

비밀리: 희토류의 밀도는 다양합니다. 란타넘은 6.17, 세륨은 6.17, 프라세오디뮴은 6.9, 네오디뮴은 7.0, 프롬은 7.2, 사마륨은 7.5, 이터븀은 8.2, 루테튬은 9.3입니다.

희토류의 화학적 특성

희토류의 화학적 특성은 다음과 같습니다.

원자번호: 희토류의 원자번호는 57번부터 71번까지이며 스칸듐과 이트륨은 원자번호가 21번과 39번으로, 희토류 원소 중에서 가장 가벼운 원소입니다. 따라서, 희토류 원소 중에서 원자번호가 가장 작은 원소는 스칸듐이고, 가장 큰 원소는 루테튬입니다..

원자량: 희토류의 원자량은 138.91(란타넘 (La))~174.97(루테튬 (Lu))입니다.

전자배열: 희토류는 모두 4f 오비탈에 최외각 전자를 가지고 있습니다.

화학식: 희토류는 주로 +3가 상태로 존재합니다. 예를 들어, 란타넘은 La(3+), 세륨은 Ce(3+), 프라세오디뮴은 Pr(3+), 네오디뮴은 Nd(3+), 프롬은 Pm(3+), 사마륨은 Sm(3+), 이터븀은 Eu(3+), 루테튬은 Lu(3+)입니다.

희토류는 강한 환원제이며 공기 중에서 산화되기 쉽습니다.또한 희토류는 물과 반응하여 수산화물을 생성하며 산과 반응하여 염을 생성합니다.

자기적 성질: 희토류는 강한 자기적 성질을 가지고 있습니다. 이 특성은 영구자석, 전기모터, 발전기 등의 제조에 사용됩니다.

전도성: 희토류는 우수한 전도성을 가지고 있습니다. 이 특성은 반도체, 전자 기기 등의 제조에 사용됩니다.

광학적 특성: 희토류는 다양한 색상을 가지고 있습니다. 이 특성은 유리, 도자기, 화장품 등의 제조에 사용됩니다.

주요 용도와 중요성

희토류는 다양한 산업 분야에서 사용되는 중요한 자원입니다.

희토류의 특성

자기적 성질

희토류는 강한 자기적 성질을 가지고 있습니다. 특히 네오디뮴, 프라세오디뮴 및 사마륨은 현대의 고성능 영구 자석의 제조에 필수적입니다. 이 특성으로 인해 전기모터, 발전기 등의 제조에 사용됩니다.

전도성

희토류는 우수한 전도성을 가지고 있습니다. 이 특성은 반도체, 전자 기기 등의 제조에 사용됩니다.

광학적 특성

희토류는 다양한 색상을 가지고 있습니다. 이 특성은 유리, 도자기, 화장품 등의 제조에 사용됩니다.

희토류의 주요 용도와 중요성

전자제품

희토류는 전자제품의 필수 원료입니다. 희토류는 영구자석, 반도체, 광학 부품 등의 제조에 사용됩니다.

영구자석:희토류는 강한 자기적 성질을 가지고 있기 때문에, 영구자석의 원료로 사용됩니다. 영구자석은 전기모터, 발전기, 하드 드라이브, 자동차 등 다양한 전자제품에 사용됩니다.

반도체:희토류는 우수한 전도성을 가지고 있기 때문에, 반도체의 원료로 사용됩니다. 반도체는 컴퓨터, 휴대전화, TV 등 다양한 전자제품에 사용됩니다.

광학 부품: 희토류는 다양한 색상을 가지고 있기 때문에, 광학 부품의 원료로 사용됩니다. 광학 부품은 카메라, 텔레비전, 레이저 등 다양한 전자제품에 사용됩니다.

의료

희토류는 의료 분야에서도 다양한 용도로 사용됩니다. 희토류는 MRI, CT 스캐너, 안과 수술 등 다양한 의료 장비에 사용됩니다.

MRI: 희토류는 MRI의 강력한 자기장을 생성하는 데 사용됩니다. MRI는 인체의 내부 구조를 영상화하는 데 사용되는 의료 장비입니다.

CT 스캐너: 희토류는 CT 스캐너의 X-ray 빔을 가속하는 데 사용됩니다. CT 스캐너는 인체의 단면 영상을 촬영하는 데 사용되는 의료 장비입니다.

안과 수술: 희토류는 안과 수술에서 레이저를 생성하는 데 사용됩니다. 안과 수술은 시력 교정, 백내장 수술 등 다양한 안과 질환을 치료하는 데 사용됩니다.

에너지

희토류는 에너지 분야에서도 다양한 용도로 사용됩니다. 희토류는 풍력 터빈, 태양광 패널, 전기 자동차 등 다양한 에너지 장비에 사용됩니다.

풍력 터빈: 희토류는 풍력 터빈의 발전기를 구동하는 데 사용됩니다. 풍력 터빈은 풍력 에너지를 전기로 변환하는 장비입니다.

태양광 패널: 희토류는 태양광 패널의 태양 전지를 만드는 데 사용됩니다. 태양광 패널은 태양 에너지를 전기로 변환하는 장비입니다.

전기 자동차: 희토류는 전기 자동차의 모터와 배터리를 만드는 데 사용됩니다. 전기 자동차는 전기를 동력으로 사용하는 자동차입니다.

희토류 매장량과 생산 국가

세계 희토류 매장량은 약 1억 2천만 톤으로 추정됩니다. 이 중 중국이 약 4400만 톤으로 세계 매장량의 약 36.7%를 차지하고 있으며, 베트남(18.3%), 브라질(17.5%), 러시아(17.5%)가 뒤를 잇고 있습니다.

 

희토류 생산량은 중국이 압도적으로 많습니다. 중국은 2021년 기준으로 세계 희토류 생산량의 약 63%를 차지하고 있습니다. 그 뒤를 이어 베트남(11%), 미국(8%), 브라질(6%), 러시아(5%)가 있습니다. 희토류는 중국에서 주로 광석 형태로 매장되어 있으며, 현재 세계 희토류 생산량의 70% 이상을 차지하는 세계 최대 생산국입니다. 희토류의 안정적인 공급은 국제 사회의 주요 관심사 중 하나입니다. 중국은 희토류의 수출을 통제할 수 있는 능력을 가지고 있기 때문에, 중국의 희토류 수출 제한은 국제 시장의 혼란을 야기할 수 있습니다.

희토류 자원 개발의 문제점

환경 오염

희토류의 추출과 정제 과정은 대량의 화학물질을 사용하며, 이로 인해 토양과 수질이 오염될 수 있습니다. 또한, 방사성 원소인 토륨과 우라늄도 희토류 광석에 함유되어 있기 때문에 적절한 처분이 필요합니다.

자원 고갈

희토류 원소의 수요가 빠르게 증가함에 따라, 지속 가능한 광산 운영 및 자원의 효율적 활용이 필요합니다.

안보 문제

희토류는 중국이 압도적인 생산량을 차지하고 있기 때문에, 희토류의 안정적인 공급은 국제 사회의 주요 관심사 중 하나입니다. 중국은 희토류의 수출을 통제할 수 있는 능력을 가지고 있기 때문에, 중국의 희토류 수출 제한은 국제 시장의 혼란을 야기할 수 있습니다.

경제적 문제

희토류의 가격 변동성이 크며, 중국과 같은 몇몇 국가가 대부분의 공급을 독점하고 있기 때문에 국제적인 가격과 공급에 영향을 미칠 수 있습니다.

마치며

희토류 원소들은 그들의 독특한 화학적 및 물리적 특성 덕분에 다양한 산업과 기술 분야에서 핵심적인 역할을 하고 있습니다. 이 원소들의 발견과 응용은 다양한 화학자와 연구자들의 노력을 통해 가능해졌으며, 그 과정에서 다수의 흥미로운 역사적 사건과 사실들이 발생하였습니다. 현대 사회에서 희토류의 중요성은 계속해서 높아지고 있으며, 희토류에 대한 활용과 연구는 우리의 미래 기술과 산업 발전에 결정적인 역할을 할 것으로 예상됩니다.