란탄족의 맏형——란탄

희토류 이야기를 시작할 때, 주기율표에서도, 그리고 희토류 원소 중에서도 가장 큰 가족인 란탄족을 빼놓을 수 없습니다.
대부분의 란탄족 원소는 모나자이트와 바스토네사이트라는 두 가지 광물에 존재하며, 이들은 보통 매우 안정적인 비율로 혼합되어 있으며, 그중 약 25~38%는 란탄입니다. 이들 원소는 일반적으로 산화물 형태로 분리되며, 희귀한 광물에서 유래되기 때문에 스칸듐과 이트륨과 함께 “희토류”로 분류되지만, 실제로 이 원소 자체가 그렇게 희귀한 것은 아닙니다.

소개

란탄족 대가족

란탄족 원소는 전자 배치가 매우 유사한 특성을 가지며, 이는 란탄족 원소의 원자 바닥상태에서 외곽 및 그 다음 껍질의 전자 배치가 거의 동일하기 때문입니다. 새롭게 추가되는 전자는 대부분 바깥쪽에서 세 번째 껍질인 4f 오비탈에 채워지며, 이로 인해 란탄족 수축 현상이 발생합니다. 이는 원자 번호가 증가함에 따라 원자 반지름이 작아지는 현상으로, 란탄족 원소 간의 원자 및 이온 반지름에 차이를 유발하여 물리적, 화학적 성질에 점진적인 차이를 만들어내고, 이를 바탕으로 란탄족 원소의 분리가 가능하게 됩니다. 란탄족 원소 화합물의 가장 중요한 용도 중 하나는 탐조등, 촬영 조명, 애니메이션 영사기에 사용되는 탄소 아크 램프의 전극 제조입니다.

위에서 언급했듯이, 란탄족 원소는 특성이 매우 유사하므로 하나의 원소를 이해하면 다른 구성원들에 대해서도 기본적인 감을 가질 수 있습니다. 그럼 먼저 란탄족의 첫 번째 원소——‘란탄’부터 알아보겠습니다!

‘란탄’이라는 이름은 그리스어 lanthanein에서 유래되었으며, 이는 ‘숨겨진 것’을 의미합니다. 1839년, 스웨덴의 화학자 칼 구스타프 모산더(Carl Gustaf Mosander)에 의해 희토류 광물인 질산 세륨에서 불순물로 존재하던 란탄이 처음 발견되었습니다. 이후 1923년에 보다 순수한 금속 상태의 란탄이 분리되었습니다. 란탄은 흰색의 금속으로, 반응성이 높고 연성이 있으며 매우 부드러워 칼로 자를 수 있을 정도입니다. 공기 중에서는 빠르게 산화되며, 뜨거운 물과 격렬하게 반응해 수소 기체를 방출합니다. 란탄은 주로 모나자이트 사 및 플루오르탄 세륨 광물에서 발견되며, 모나자이트 사는 모든 희토류 원소 외에도 칼슘과 토륨을 포함하고 있으며 일반적으로 인산염 형태로 존재합니다. 란탄과 그 동위원소는 우라늄 핵분열에서 생성되는 핵분열 생성물로 존재하기도 합니다. 우라늄이 중성자를 흡수한 후 분열되면, 중간 크기의 원자핵 조각 두 개로 나뉘는데, 이 과정에서 다양한 원소가 형성되며, 그중에 란탄 동위원소도 포함됩니다.

1843년, 모산더는 이트륨이 포함된 광물에서 터븀의 산화물을 분리해 터븀을 발견했으나, 처음에는 이를 산화 에르븀이라 명명했습니다. 이후 1877년에 정식으로 터븀으로 이름이 정해졌으며, 1905년에는 Urbain에 의해 처음으로 정제된 터븀이 만들어졌습니다. 현재는 이온 교환 기술을 통해 모나자이트 광물에서 터븀을 분리해내는 방법이 일반적으로 사용됩니다.

란탄 La

원자 번호: 57

원자량: 138.90547 u

물리·화학적 성질:

외관: 란탄은 은백색의 금속으로, 금속 광택을 지니고 있습니다.

밀도: 6.162 g/cm³ (상온 기준)

융점: 1193°C 끓는점: 3737°C

경도: 2.5 (모스 경도)

자성: 상온에서는 란탄이 반자성을 띠며, 자성을 가지지 않습니다.

화학적 성질：

• 란탄은 반응성이 높은 금속으로, 다양한 비금속과 화합물을 형성할 수 있습니다.
• 공기 중에서는 빠르게 산화되어 산화란탄(La₂O₃) 보호층을 형성합니다.

란탄의 주요 응용 분야:

산화란탄은 유리의 내알칼리성을 개선할 수 있어, 복잡한 광학 기기의 특수 유리 생산에 사용되고 있습니다.
합금으로서 란탄은 팔라듐과 마찬가지로 ‘수소 스폰지’ 기능을 가지며, 고밀도로 기체를 흡수할 수 있는 능력을 가지고 있습니다.
란탄은 인을 중화시키는 기능이 있어, 연못에서 조류의 과도한 성장을 억제하기 위해 자주 사용됩니다.
탄산란탄은 약물로 승인되어 신부전 환자의 고인산혈증 치료 시 체내의 과도한 인산염을 흡수하는 데 사용됩니다.
라이터에 사용되는 점화용 플린트에는 란탄이 포함된 ‘혼합 희토류’ 합금이 사용되며, 이 합금에는 약 25%의 란탄, 50%의 세륨, 18%의 네오디뮴 및 기타 란탄족 원소들이 포함되어 있습니다.