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희토류분석

● 희토류원소 (Rare Earth Elements)

원자번호가 21 스칸듐(Sc)과 원자번호가 39인 이트륨(Y)을 비롯해 원자번호가 57~71인 금속원소를 통틀어 일컫는 말이다.
이 희토류 원소란 말은 실제로는 부적절하다. 왜냐하면, 희토류 원소에 속하는 원소들은 희귀하지도 않다.

협의의 희토류 원소라 함은 La에서 Lu까지의 15개 원소를 말하며, 란타나이드(lanthanides)라고도 한다. 순수화학자는 란타나이드(lanthanides) 혹은 란타노이드(lanthanoides)라는 용어를 자주 쓴다. 그러나, 보다 엄밀히 말하면, La을 포함하지 않는 Ce으로부터 Lu까지가 이에 속한다고 하겠다.

왜냐하면, 4f전자궤도에 전자가 1개 존재하는 Ce과 14개를 완전히 채우는 Lu 에 비해 La은 4f전자궤도에 전자가 존재하지 않기
때문이다. 이 4f전자궤도의 존재는 희토류원소의 대단히 중요한 특성으로서, 이는 주기율표에서도 Ce에서 Lu까지를 별도로 취급하고 있다. 이와 같은 희토류원소는 유사한 물리적/화학적 성질로 인해 자연계내에서 규칙성이 매우 강하기 때문에, 지난 40여 년간 암석, 해수와 같은 지구구성물질 및 지구외 물질(운석)의 생성시 환경 및 현재의 환경변화를 해석하는 데 아주 중요한 도구로 사용되고 있다.

화학자들은 희토류원소를 그 원소가 속하는 각각의 산화물에서 분리해냈는데, 1945년까지는 순수한 희토류 원소를 대량으로 얻으려면 길고 복잡한 화학 과정을 거쳐야 했으므로, 희토류 원소는 희귀하고 비쌌다.

그러나 오늘날에는 이온교환법과 용매추출법으로 순도가 높은 희토류 원소를 값싸고 빠르게 분리할 수 있게 되었다. 단, 채굴과 추출과정에서 심각한 환경오염을 유발하기 때문에 많은 주의가 고려된다.

희토류 원소는 가장 바깥 전자껍질에 전자 세 개를 가지고 있고, 이 전자들이 결합에 참여한다. 이러한 구조 때문에, 모든 희토류 원소는 수용액에서 성질이 비슷하고 원자가가 +3인 상태로 존재한다.

순수한 희토류 원소는 은빛을 띤 금속으로, 자연에서 항상 비금속원소와 결합해 인산염, 플루오르화물, 규산염, 탄탈산염의 형태로 얻어진다.

모나자이트 광물배스트내사이트 광물은 희토류 원소의 주요한 원천이다. 희토류 원소는 사실 이름처럼 희귀하지 않으며, 실제로는 유로퓸(Eu), 루테튬(Lu)과 같이 희귀한 희토류 원소도 백금족 금속보다 흔하다.

프로메튬(Pm)은 자연에 존재하지 않고 원자핵의 반응으로 생기며 그 밖의 많은 희토류 원소도 우라늄(U)과 플루토늄(Pu)의 핵분열 과정에서 생긴다.

희토류 원소는 과학과 산업에서 많이 이용된다. 분리된 희토류 원소는 램프, 레이저, 자석, 인광물질 등에 쓰인다.

분리되지 않은 희토류 원소를 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg)과 같은 금속에 첨가시키면 금속을 더욱 강하게 만든다.

예를 들면, 영사기에 쓰이는 탄소 전극 : 희토류 원소로 이루어진 심이 삽입되었다. 라이터돌 : 미시메탈과 철이 결합한 것으로
미시메탈은 희토류 원소가 혼합된 합금을 일컫는 말 또한 희토류 원소의 화합물은 여러가지 석유 제품과 합성 제품을 만들 때 촉매로 널리 쓰인다.

● 희토류 원소의 분석 시

표준시료의 선택은 지질시료 내 희토류 원소의 신뢰성 있는 함량분석에 매우 중요한 역할을 한다고 볼 수 있다. 지질시료 내 희토류 원소의 함량은 상업용으로 판매되고 있는 ICP-MS용 표준시료를 이용하여 측정하는 경우와 표준지질시료의 추천 값을 토대로 하여 측정하는 방법이 있다.

상업용 표준시료를 이용하는 경우, 희토류 이외의 타원소 화합물이 주는 영향을 완전히 보정할 수 없는 관계로 인해, 중희토류에서 많은 분석오차가 발생된다.

따라서 균질도가 우수하고 비교적 동일한 지질학적/지구화학적 특성을 갖는 지질표준시료를 이용하여 희토류 원소 함량을 측정할
경우, 상기의 문제점이 많이 보완될 수 있다.

그러나 지질표준시료를 이용하여 측정하는 경우, 해당 지질표준시료의 균질도 및 시료의 분해도는 측정값에 가장 큰 영향을 주는
요인중의 하나이므로 상당한 주의를 요한다.

● 희토류의 종류와 사용처

원자 번호 원소명 기호 화학식 사용비중(%) 사용처
57 란 타 넘 (Lanthanum) La La2O3 28.4 광학렌즈 , 세라믹타일, 촉매 , 형광체 , 충전지
58 세 륨 (Cerium) Ce Ce2O3 36.6 유리연마제, 촉매, UV 커트
59 프라세오디뮴 (Praseodymium) Pr Pr6O11 3.7 Nd 자석 , 세라믹타일발색제 ( 황색 )
60 네오디뮴 (Neodymium) Nd Nd2O3 20.5 Nd 자석 , 콘덴서
61 프로메튬 (Promethium) Pm Pm2O3 광학유리, 세라믹
62 사 마 륨 (Samarium) Sm Sm2O3 1.1 SmCo 자석 , 조명 ,
레이저
63 유로퓸 (Europium) Eu Eu2O3 0.6 형광체 ( 빨강 )
64 가돌리늄 (Gadolinium) Gd Gd2O3 0.1 원자로 중성자차폐제 , 광학유리
65 터븀 (Terbium) Tb Tb4O7 0.3 형광체 ( 녹색 ), 광자기 , Nd 자석
66 디스프로슘 (Dysprosium) Dy Dy2O3 1.3 Nd 자석 , 콘덴서
67 홀뮴 (Holmium) Ho Ho2O3 레이저
68 어븀 (Erbium) Er Er2O3 유리착색 , 자기냉동
69 툴륨 (Thulium) Tm Tm2O3 크리스탈제조, 레이저
70 이터븀 (Ytterbium) Yb Yb2O3 형광물질활성화제,
세라믹, 레이저, 광학유리
71 루 테 튬 (Lutetium) Lu Lu2O3 크리스탈제조, 레이저
21 스 칸 듐 (Scandium) Sc Sc2O3 크리스탈제조, 레이저, 세라믹
39 이 트 륨 (Yttrium) Y Y2O3 6.8 형광체 ( 빨강 ),
지르코니아안정화,
이차전지극제 , 레이저