이트륨 원소의 성질과 이용

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이트륨(Yttrium, Y) 원소의 성질과 이용

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󰋯  원자번호：39

󰋯  족：3족(5주기)

󰋯  원자량：88.9

󰋯  상대밀도(비중)：4.472 g·cm^-3

󰋯  각 전자궤도의 전자 수：2, 8, 18, 9, 2

󰋯  mp：1,526℃ / 󰋯  bp：3,336℃

 

이트륨은 지구상에 28번째 많은 원소(31ppm, 은보다 400배 많음)이며, 해수 속에는 9ppm 포함되어 있다. 그러나 지각 중에는 매우 소량 존재한다. ‘아폴로 달 탐험계획’ 때, 우주비행사들이 달에서 가져온 암석 중에 예상외로 이트륨을 다량 함유한 것이 있었다. 이트륨은 은빛 전이금속으로 화학반응성이 좋다. 잘게 부순 이트륨이라면 400℃ 이상만 되면 공기 중에서 저절로 점화되어 타버릴 정도이다.

 

이트륨은 주기율표에서 제3족의 4주기 원소인 스칸듐(Sc)과 화학적 성질이 닮았다. 또한 같은 족의 6주기에 속하는 란타넘족(원자번호 57-71까지의 원소) 원소들과도 비슷한 점이 많다.

 

이트륨 원소는 독일의 화학자 뵐러(Friedrich Wöhler 1800-1882)가 1828년에 처음 분리했다. 그는 유기물인 요소를 처음 합성한 화학자로 더 유명하다. 뵐러가 이트륨을 순수한 상태로 분리하기 이전에, 이트륨이 섞인 암석이 스웨덴 과학자들에 의해 1787-9년에 발견되어 있었다. 이트륨이라는 원소명은 바로 그 광물이 출토된 스톡홀름 근처 이테르비(Ytterby)라는 마을 이름에서 온 것이다.

 

이트륨 원소의 실용적인 용도는 별로 알려지지 않았다. 흰색 가루로 된 이트륨의 산화물은 텔레비전 브라운관이나 LED 내부에 발라 붉은빛을 내도록 한다. 또 근래에는 이트륨, 알루미늄, 산소의 화합물인 석류석(garnet, YAG라고도 부름)을 이용하여 강력한 레이저를 얻기도 한다. YAG 레이저는 금속을 절단하거나 구멍을 뚫는데 쓰고 있다.

 

 

고온초전도체 물질이 된 이트륨

 

구리는 전기를 잘 통하는 원소이지만, 상온에서 약간의 전기저항성은 가졌다. 도선의 전기저항은 전기에너지를 열로 변화시켜버린다.. 그런데 어떤 금속이라도 온도가 절대 0도(-273℃)에 이르면 전기저항이 없어져버린다. 전기저항이 완전히 없어지는 현상을 초전도현상(super conductivity)이라 한다.

 

그런데 절대 0도 상태를 인공적으로 만들어 계속 유지하기는 매우 힘들다. 그래서 과학자들은 이보다 높은 온도에서 초전도 상태가 될 수 있는 물질을 찾으려고 노력하기 시작했다. 드디어 1986년 스위스 취리히의 IBM연구소의 뮐러(Karl Alexander Müller 1927- )와 베드노르츠(Johannes Georg Bednortz 1950- ) 두 과학자가 절대 0도보다 30도 높은 온도(절대온도 30K)에서 초전도 상태가 되는 물질(‘고온초전도체’라 부름)을 개발하는데 성공했다. 이때의 고온초전도물질은 니오븀과 저마늄(게르마뮴)의 화합물이었다. 두 과학자는 그 공로로 1987년에 노벨물리학상을 수상했다.

 

고온초전도체의 등장에 자극을 받은 과학자들은 경쟁적으로 초전도체 연구에 박차를 가했다. 그 결과 1987년에는 이트륨과 구리와 산화바륨으로 만든 새로운 고온초전도체가 발명되었다. 이것은 절대온도 93K에서 초전도체가 되었다. 이 고온초전도체를 ‘1-2-3 화합물’이라 부르는데, 그것은 이트륨, 바륨, 구리의 혼합 비율이 1：2：3인 때문이다.

 

전기저항이 없는 초전도체는 전기에너지의 손실이 없기 때문에 전력소모가 적은 초전도자석을 만들 수 있게 한다. 초전도자석을 사용하여 만든 공중에 떠서 달리는 자기부상(磁氣浮上) 열차는 오늘날 실용이 시작되었다.

 

이리듐은 화학반응의 촉매로도 이용되고, 녹는 온도가 유난히 높기 때문에 열팽창에 의한 피해가 적도록 카메라렌즈용 유리에 혼합하기도 한다.

 

이트륨이 생물체에 미치는 영향은 알려지지 않았지만, 인체의 간, 신장, 폐, 뼈 등에 이트륨이 모이고 있으며, 성인이라면 전체적으로 약 0.5mg을 가지고 있다.

 

 

 

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