앞선 여러 글에서도 언급되었듯이 Ytterby는 작은 마을이지만 많은 희토류 원소들이 이곳에서 발견되었다. 이 마을 이름을 따서 명명된 희토류 원소만 해도 4가지나 된다. 앞서 실리카베릴륨이트륨 광물에서 처음 발견된 「이트륨」, 「터븀」, 「어븀」에 대해 이야기했었는데, 이번 글에서는 아직 다루지 않은 「이터븀」에 대해 이야기해 보려 한다.
소개
자연계에 존재하는 이터븀(Yb)은 총 7가지 안정 동위원소를 포함하고 있으며, 각각 168Yb, 170Yb부터 174Yb, 그리고 176Yb이다. 또한 27종의 방사성 동위원소가 관측되었으며, 이 중에서는 169Yb, 175Yb, 166Yb가 가장 안정적인 것으로 알려져 있다.
이터븀은 주로 모나자이트 광물에서 존재하며, 이는 대다수의 희토류 원소를 포함하고 있다. 이터븀의 함량은 보통 약 0.03% 정도이다. 이 외에도 이터븀은 자이란다이트 및 제노타임과 같은 광물에서도 발견된다.
이터븀이라는 원소는 1878년에 처음 발견되었다. J.C.G. Marignac이 실리카베릴륨이트륨 광물을 분석하던 중, 질산어븀을 가열하여 산화어븀과 산화이터븀 두 가지 화합물을 분리해냈다. 그는 발견지인 스웨덴 Ytterby 마을의 이름을 따 이 화합물을 ‘Ytterbia’라고 명명했으며, 이 물질이 새로운 원소의 화합물일 것이라 추측하여 원소명을 ‘Ytterbium’으로 지정했다.
1907년 프랑스 화학자 G. Urbain는 마리냑이 분리한 이터븀 혼합물이 실제로는 이터븀과 루테튬 두 원소의 화합물이라는 사실을 밝혀냈다. 그는 이들을 각각 ‘신 Ytterbia(Neoytterbia, 이터븀)’와 ‘Lutecia’로 명명했으며, 이후 Lutecia는 루테튬(Lutetium)으로 공식화되었다.
흥미롭게도, 같은 시기 오스트리아의 화학자 C. A. von Welsbach도 이 두 물질을 분리했으나, 각각 ‘Aldebaranium’과 ‘Cassiopeium’으로 명명하였다. 과학계는 이에 대해 여러 논의를 거친 후, 우르뱅이 마리냑의 시료에서 루테튬을 최초로 분리했다는 점을 근거로 1909년 ‘Ytterbium’이라는 명칭을 최종 채택하며 명명 논쟁을 마무리하였다.
이터븀은 성질이 다른 란탄계 원소들과 매우 유사하기 때문에, 다른 희토류 원소들로부터 분리하는 과정이 비교적 어렵다. 1953년에 이르러서야 과학자들이 보다 발전된 이온 교환법을 활용함으로써 순수한 금속 상태의 이터븀을 얻을 수 있었으며, 이때 처음으로 그 화학적·물리적 성질을 정확하게 측정할 수 있었다.
이터븀 Yb
원자 번호: 70
원자량: 173.054 u
원자 구조: 이터븀의 최외각 전자 구조는 4f14 6s2이다.
물리/화학적 성질: 이터븀은 매우 부드럽고 가단성 및 연성이 있으며, 순수한 상태에서는 밝은 은색 금속 광택을 띤다.
이터븀 금속은 공기 중에서 서서히 산화되어 광택을 잃으며, 미세한 분말 상태로 공기에 노출되면 급속히 산화되기 때문에 보통 밀폐된 용기에 보관된다.
란탄계 원소 중에서 끓는점이 가장 낮다.
이터븀의 주요 응용 분야:
- 이터븀 화합물은 레이저 기술에 활용되며, 레이저 마킹 및 레이저 거리 측정 등에 사용된다.
- 이터븀 합금은 합금의 강도와 내식성을 높이는 데 사용되며, 항공우주 및 화학 산업뿐만 아니라 치과 분야에서도 합금 도핑제로 사용되어 스테인리스강의 결정립 미세화 및 기계적 성능 향상에 기여한다.
- 이터븀은 전자 제품에서 LED 조명, 디스플레이 등에서 형광체 성분으로 사용된다.
- 이터븀 화합물은 의료 영상 및 종양 치료 등 의료 분야에서 응용된다.
- 이터븀은 고응력 상태에서 전기 저항이 증가하는 특성이 있어, 지진이나 폭발 시 지표면 변형을 감지하기 위한 스트레인 게이지 제작에 사용된다.
- 169Yb에서 방출되는 감마선은 휴대용 엑스선 장비의 방사선원 등 핵의학 분야에 활용되고 있다.
- 광섬유 통신 및 레이저 기술 분야에서, 이터븀은 광통신용 광섬유 증폭 재료나 광섬유 센서로 사용되며, 또한 이트륨 알루미늄 가넷 레이저와 같은 레이저 활성 매질의 도핑 재료로 활용된다.
- 이터븀은 마그네슘을 대체할 잠재력을 지닌 고밀도 화약 적재물로서, 적외선 유도 미사일을 교란하는 운동형 적외선 섬광탄에 사용될 수 있으며, 군사적으로 적외선 레이더 탐지를 효과적으로 혼란시킬 수 있다.
- 이터븀은 안정적인 원자 시계에 활용될 수 있으며, Yb 기반 광학 시계는 Cs 원자 시계보다 더 높은 정밀도를 제공할 수 있다.
