란타넘족

한 세기에 걸친 분리

란타넘족의 이야기는 1787년 스톡홀름 근처 이테르비의 채석장에서 나온 검은 돌에서 시작된다. 1794년 요한 가돌린이 이 돌에서 새로운 토류를 찾아냈고, 그 뒤 120년 동안 화학자들은 이 토류와 세리아라는 또 다른 토류가 거의 똑같은 원소 십수 개의 혼합물이라는 사실을 밝혀냈다.

이들을 분리하려면 같은 물질을 수백, 수천 번 녹이고 다시 결정화해야 했으며, 한 단계를 거칠 때마다 한 원소가 아주 조금씩 농축될 뿐이었다. 발견했다고 주장된 것들 가운데 상당수가 혼합물로 드러났다. 1913년 헨리 모즐리의 엑스선 연구가 나온 뒤에야 화학자들은 란타넘족이 정확히 몇 개여야 하는지 말할 수 있었다.

서로 그토록 닮은 이유

란타넘에서 루테튬으로 갈수록 새로 들어오는 전자는 4f 부껍질에 들어가는데, 이 부껍질은 바깥 전자들 아래 원자 깊숙이 묻혀 있다. 화학적 성질을 좌우하는 바깥 전자는 거의 변하지 않으므로, 란타넘족 원소들은 거의 똑같이 행동하며 대부분 3+ 이온을 만든다.

그렇다고 4f 전자가 완전히 숨어 있는 것은 아니다. 4f 전자는 많은 란타넘족 이온에 선명한 색과 강한 자성을 부여하고, 계열을 따라 원자를 조금씩 작아지게 만든다. 란타넘족 수축이라 불리는 이 효과는 그 아래 원소들의 화학에도 영향을 준다.

현대 기술 속의 희토류

이름과 달리 대부분의 희토류는 드물지 않다. 세륨은 구리만큼이나 흔하다. 이들이 ‘희귀’하다는 것은 넓게 흩어져 있어 농축하고 정제하기 어렵다는 뜻이다. 오늘날 희토류는 현대 기술에 없어서는 안 될 존재다.

• 네오디뮴(디스프로슘 첨가): 전기 자동차 모터, 풍력 터빈, 헤드폰에 쓰이는 가장 강력한 영구 자석
• 유로퓸과 터븀: 화면과 절전형 램프의 빨간색·초록색 형광체
• 어븀: 인터넷을 실어 나르는 광섬유 케이블의 증폭기
• 세륨: 유리 연마와 촉매 변환기
• 가돌리늄: MRI 촬영용 조영제

채굴과 공급

세계 희토류의 대부분은 중국에서 채굴되고 가공되며, 이 때문에 많은 나라가 희토류를 전략적 관심사로 여긴다. 희토류를 채굴하면 방사성 토륨과 우라늄 찌꺼기가 남을 수 있어, 환경 위험과 공급 위험을 함께 줄이기 위한 새로운 공급원과 재활용 기술이 개발되고 있다.