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멘델레븀

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목차

1. 개요

멘델레븀(Mendelevium, Md)은 1955년 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스에서 처음 합성된, 9번째 초우라늄 원소이다. 드미트리 멘델레예프의 이름을 따서 명명되었으며, 악티늄족 원소에 속하는 방사성 금속이다. 멘델레븀은 주로 수용액에서 +3의 산화 상태를 가지며, +2 상태도 안정하게 존재한다. 멘델레븀의 동위원소는 모두 방사성이며, 가장 긴 반감기를 갖는 동위원소는 258Md(51.5일)이다. 멘델레븀은 아인슈타이늄에 알파 입자를 충돌시켜 주로 생성되며, 화학 실험에 사용되는 256Md는 전자 포획과 알파 붕괴를 통해 붕괴한다.

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멘델레븀
기본 정보
원자 번호101
원소 기호Md
일본어 이름멘데레비우무
영어 발음ˌmɛndəˈlɛviəm, -ˈliːviəm
왼쪽 원소페르뮴
오른쪽 원소노벨륨
위쪽 원소Tm
아래쪽 원소불명
계열악티늄족
족n/a
주기7
구역f
겉모습불명
원자 질량[258]
전자 배치Rn 5f13 7s2]
껍질 당 전자 수2, 8, 18, 32, 31, 8, 2
상고체
녹는점 (K)1100
녹는점 (섭씨)827
산화 상태2, 3
전기 음성도1.3
이온화 에너지 개수1
첫 번째 이온화 에너지635
자기 정렬데이터 없음
CAS 등록 번호7440-11-1
공유 반지름173
녹는점 (화씨)1521
동위 원소
동위 원소257Md
존재 비율syn
반감기5.52 h
붕괴 방식 1ε
붕괴 에너지 10.406
붕괴 생성물 1257Fm
붕괴 방식 2α
붕괴 에너지 27.558
붕괴 생성물 2253Es
붕괴 방식 3SF
붕괴 에너지 3-
동위 원소258Md
존재 비율syn
반감기51.5 d
붕괴 방식ε
붕괴 에너지1.230
붕괴 생성물258Fm
동위 원소260Md
존재 비율syn
반감기31.8 d
붕괴 방식 1SF
붕괴 에너지 1-
붕괴 방식 2α
붕괴 에너지 27.000
붕괴 생성물 2256Es
붕괴 방식 3ε
붕괴 에너지 3-
붕괴 생성물 3260Fm
붕괴 방식 4β-
붕괴 에너지 41.000
붕괴 생성물 4260No

2. 발견

1955년 초, 캘리포니아 대학교 버클리캠퍼스에서 알버트 기오르소(Albert Ghiorso), 글렌 시보그(Glenn T. Seaborg), 그레고리 로버트 초핀(Gregory Robert Choppin), 버나드 G. 하비, 그리고 팀장 스탠리 G. 톰프슨(Stanley G. Thompson)이 멘델레븀을 처음 합성했다. 연구팀은 로렌스 버클리 국립 연구소의 60인치 사이클로트론을 이용하여 10억 개(109개)의 253아인슈타이늄(Es) 표적에 알파 입자(헬륨 핵)를 충돌시켜 256Md(반감기 77분[44])를 생성했다. 이로써 256Md는 원자 하나씩 합성된 최초의 동위원소가 되었다. 총 17개의 멘델레븀 원자가 생성되었다.[23]

이 발견은 1952년에 시작된 플루토늄에 중성자를 조사하여 더 무거운 악티늄족 원소로 변환하는 프로그램의 일부였다.[24] 이전의 초우라늄 원소 합성에 사용된 중성자 포획 방법은 멘델레븀의 동위원소를 생성하는 데 필요한 베타 붕괴 페르뮴 동위원소가 없고, 258Fm의 자발 핵분열 반감기가 매우 짧아 어려움이 있었기 때문에 새로운 방법이 필요했다.[44]

멘델레븀 생성 가능성을 예측하기 위해 연구팀은 대략적인 계산을 했다. 생성될 원자의 수는 표적 물질의 원자 수, 표적의 단면적, 이온 빔 세기, 그리고 폭격 시간의 곱과 거의 같을 것이며, 이는 실험당 원자 하나를 의미했다. 최적의 조건에서 실험당 원소 101의 원자 하나만 생성될 것으로 예상되었지만, 이 계산은 실험이 가능함을 보여주었다.[23]

표적 물질인 아인슈타이늄-253은 플루토늄을 조사하여 쉽게 생성할 수 있었다. 1년간의 조사로 10억 개의 원자를 얻을 수 있었고, 3주의 반감기는 생성된 아인슈타이늄을 분리하고 정제하여 표적을 만든 후 1주일 안에 원소 101 실험을 수행할 수 있음을 의미했다. 그러나 필요한 1014개/초의 알파 입자 세기를 얻으려면 사이클로트론을 업그레이드해야 했고, 시보그가 필요한 자금을 신청했다.[24]

시보그가 자금 신청을 하는 동안 하비는 아인슈타이늄 표적을 연구했고, 톰프슨과 초핀은 화학적 분리 방법에 집중했다. 초핀은 α-하이드록시이소부티르산을 사용하여 멘델레븀 원자를 더 가벼운 악티늄족 원소로부터 분리하는 것을 제안했다.[24]

실제 합성은 알버트 기오르소가 도입한 반동 기술로 수행되었다. 아인슈타이늄은 빔과 반대쪽 표적에 배치되어 반동하는 멘델레븀 원자가 충분한 운동량을 얻어 표적을 떠나 금으로 만들어진 포집 포일에 걸리도록 했다. 이 반동 표적은 알프레드 체섬-스트로드가 개발한 전기 도금 기술로 만들어졌으며, 매우 높은 수율을 제공했다.[23] 반동 표적은 얇은 금박에 전해질로 증착된 109개의 253Es 원자로 구성되었다. 0.05 cm2 면적에 6×1013개/초의 매우 높은 빔 밀도로 버클리 사이클로트론에서 41 MeV 알파 입자로 충격을 받았다. 표적은 물이나 액체 헬륨으로 냉각되었고, 포일을 교체할 수 있었다.[23][25]

1954년 9월에 초기 실험이 수행되었으나, 멘델레븀 원자에서 알파 붕괴가 관찰되지 않았다. 기오르소는 멘델레븀이 모두 전자 포획으로 페르뮴으로 붕괴되었고, 대신 자발 핵분열 사건을 찾기 위해 실험을 반복해야 한다고 제안했다.[24] 실험 반복은 1955년 2월에 이루어졌다.[24]

발견일인 2월 19일, 아인슈타이늄 표적에 대한 알파 조사가 세 번의 3시간 세션으로 이루어졌다. 사이클로트론은 캘리포니아 대학교 캠퍼스에, 방사선 연구소는 다음 언덕에 있었기 때문에 복잡한 절차가 사용되었다. 기오르소는 사이클로트론에서 포집 포일(표적 3개와 포일 3개 있음)을 하비에게 가져갔고, 하비는 왕수를 사용하여 포일을 용해하고 음이온 교환 수지 칼럼을 통과시켜 금 및 기타 생성물로부터 초우라늄 원소를 분리했다.[24][26] 결과 용액 방울은 시험관에 들어갔고, 초핀과 기오르소는 자동차를 타고 가능한 한 빨리 방사선 연구소로 갔다. 톰프슨과 초핀은 양이온 교환 수지 칼럼과 α-하이드록시이소부티르산을 사용했고, 용액 방울은 백금 디스크에 수집되어 열 램프 아래에서 건조되었다. 세 개의 디스크에는 각각 페르뮴, 새로운 원소 없음, 멘델레븀이 포함될 것으로 예상되었다. 자발 핵분열 사건이 붕괴의 수와 시간을 보여주는 그래프에서 큰 편차로 기록되도록 레코더에 연결된 자체 계수기에 배치되었다. 직접 감지가 없었지만, 전자 포획 딸 원소인 256Fm에서 발생하는 자발 핵분열 사건을 관찰함으로써 확인했다. 네 번째는 결국 101번째 원소 멘델레븀의 화학적 확인을 공식적으로 증명했다. 총 5개의 붕괴가 오전 4시까지 보고되었다. 시보그에게 통보되었고 팀은 잠자리에 들었다.[24] 추가 분석과 추가 실험을 통해 생성된 멘델레븀 동위원소의 질량이 256이고, 전자 포획을 통해 페르뮴-256으로 붕괴되며 반감기는 1.5시간임을 보였다.[44]

이 원소는 주기율표의 아버지인 러시아 화학자 드미트리 멘델레예프(Dmitri Mendeleev)의 이름을 따서 "멘델레븀"으로 명명하기로 결정되었다. 이 발견이 냉전 중에 이루어졌기 때문에 시보그는 러시아인의 이름을 딴 원소를 제안하기 위해 미국 정부의 허가를 요청해야 했지만 허가되었다.[24] "멘델레븀"이라는 이름은 1955년 국제 순수 및 응용 화학 연합(International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)에서 기호 "Mv"[28]로 승인되었고, 다음 IUPAC 총회(파리, 1957)에서 "Md"로 변경되었다.[29]

3. 특징

주기율표에서 멘델레븀은 악티늄족 원소 페르뮴의 오른쪽, 노벨륨의 왼쪽에 위치하며, 란타넘족 원소 툴륨의 아래에 자리한다. 멘델레븀 금속은 아직 대량으로 제조된 적이 없으며, 현재 기술로는 대량 생산이 불가능하다.[9]

란타넘족 원소와 악티늄족 원소는 금속 상태에서 2가 또는 3가 금속으로 존재할 수 있는데, 1975년의 연구에 따르면 멘델레븀은 2가 금속이 될 것으로 예상되었다. 이는 원자 번호가 증가함에 따라 5f 전자가 상대론적으로 안정화되기 때문이다. 1976년부터 1982년 사이에 수행된 열 크로마토그래피 연구는 이러한 예측을 뒷받침한다.[9]


3. 1. 물리적 특성

멘델레븀 금속은 아직 대량으로 제조되지 않았으며, 현재로서는 대량 생산이 불가능하다.[9] 그럼에도 불구하고, 그 성질에 대한 여러 예측과 일부 예비 실험 결과가 있다.[9]

란타넘족 원소와 악티늄족 원소는 금속 상태에서 2가 (예: 유로퓸 및 이터븀) 또는 3가 (대부분의 다른 란타넘족 원소) 금속으로 존재할 수 있다. 1975년 Johansson과 Rosengren은 2가 및 3가 금속의 응집 에너지(결정화 엔탈피)를 조사한 결과, 멘델레븀은 2가 금속이 될 것으로 예상했다.[10][11] 이는 원자 번호가 증가함에 따라 5f 전자가 상대론적으로 안정화되기 때문이다.[12] 1976년부터 1982년까지 Zvara와 Hübener가 미량의 멘델레븀으로 수행한 열 크로마토그래피 연구는 이 예측을 확인했다.[9]

1990년 Haire와 Gibson은 멘델레븀 금속의 승화 엔탈피를 134~142 kJ/mol로 추정했다.[9] 2가 멘델레븀 금속은 약 의 금속 반지름을 가져야 한다.[9] 다른 2가 후기 악티늄족 원소와 마찬가지로 멘델레븀 금속은 면심입방 결정 구조를 가져야 하며, 녹는점은 800 °C로 추정된다.[13] 밀도는 약 로 예측된다.

3. 2. 화학적 특성

멘델레븀은 주로 수용액에서 +3 또는 +2의 산화수를 가지는 것으로 알려져 있다. +1 상태도 보고되었지만 아직 확인되지 않았다.[14]

시보그와 카츠는 멘델레븀이 수용액에서 주로 3가 양이온일 것이며, 다른 3가 란타넘족 원소 및 악티늄족 원소와 유사하게 거동할 것이라고 예측했다. 1955년 멘델레븀 합성 이후, 이러한 예측은 양이온 교환 수지 컬럼에서 3가 악티늄족 원소 용출 순서에서 페르뮴 바로 뒤에 용출되는 것이 관찰되면서 확인되었다. 1967년에는 멘델레븀이 3가 란타넘족 염과 공침하는 불용성 수산화물 및 플루오르화물을 형성할 수 있다는 것이 관찰되었다.[14] 양이온 교환 및 용매 추출 연구를 통해 멘델레븀은 페르뮴보다 이온 반지름이 다소 작은 3가 악티늄족 원소라는 결론이 나왔다. 멘델레븀은 1,2-사이클로헥산다이니트릴로테트라아세트산(DCTA)과 배위 착물을 형성할 수 있다.[14]

환원 조건에서 멘델레븀(III)은 쉽게 멘델레븀(II)로 환원될 수 있으며, 이는 수용액에서 안정하다.[14] ''E''°(Md3+→Md2+) 쌍의 표준 환원 전위는 1967년에 −0.10 V 또는 −0.20 V로 추정되었고,[14] 2013년 실험에서는 -0.16 ± 0.05 V로 확립되었다.[15] ''E''°(Md3+→Md0)는 약 −1.74 V이고, ''E''°(Md2+→Md0)는 약 −2.5 V이다.[14] 멘델레븀(II)의 용출 거동은 스트론튬(II) 및 유로피움(II)의 거동과 비교되었다.[14]

1973년 러시아 과학자들은 멘델레븀의 높은 산화 상태를 사마륨(II)로 환원시켜 멘델레븀(I)을 생성했다고 보고했다. 이는 중성의 물-에탄올 용액에서 안정적이며 동족체인 세슘(I)과 유사한 것으로 밝혀졌다. 그러나 후속 실험에서는 멘델레븀(I)에 대한 증거를 찾지 못했고, 멘델레븀이 환원될 때 1가 알칼리 금속과 같이 거동하지 않고 2가 원소처럼 거동한다는 것을 발견했다.[14] 러시아 연구팀은 알칼리 금속 염화물과 멘델레븀의 공결정화 열역학에 대한 추가 연구를 통해 멘델레븀(I)이 형성되었고 2가 원소와 혼합 결정을 형성하여 공결정화될 수 있다고 결론지었다. +1 산화 상태는 여전히 불확실하다.[14]

''E''°(Md4+→Md3+)는 1975년에 +5.4 V로 예측되었다. 1967년 비스무트산나트륨을 사용한 실험에서는 멘델레븀(III)을 멘델레븀(IV)으로 산화시키지 못했다.[14]

3. 3. 원자적 성질

멘델레븀 원자는 101개의 전자를 가지고 있으며, 그중 적어도 3개(그리고 아마 4개)가 원자가 전자로 작용한다. 멘델레븀의 전자 배치는 [Rn]5f137s2 (항기호2F7/2)로 예상되지만, 2006년까지는 이 전자 배열에 대한 실험적 검증이 이루어지지 않았다.[16][39] 5f 및 7s 부껍질에 있는 15개의 전자는 원자가 전자이다.

화합물을 형성할 때, 세 개의 원자가 전자가 손실되어 [Rn]5f12 코어가 남을 수 있다. 이는 3가 상태에서 [Rn] 5f''n'' 전자 배열을 갖는 다른 악티늄족 원소들이 보이는 경향과 일치한다. 멘델레븀의 첫 번째 이온화 에너지는 1974년에 7s 전자가 5f 전자보다 먼저 이온화될 것이라는 가정하에 최대 (6.58 ± 0.07) eV로 측정되었다.[17][40] 멘델레븀의 희귀성과 높은 방사능으로 인해 이 값은 그 이후로 더욱 정밀하게 측정되지 않았다.[18][41]

육배위 Md3+의 이온 반지름은 1978년에 약 91.2 pm로 예비적으로 추정되었다.[14][37] 분배 계수와 이온 반지름 간의 로그 관계를 기반으로 한 1988년 계산 결과 89.6 pm의 값과 의 수화 엔탈피가 얻어졌다.[14][37] Md2+는 115 pm의 이온 반지름과 −1413 kJ/mol의 수화 엔탈피를 가져야 하며, Md+는 117 pm의 이온 반지름을 가져야 한다.[14][37]

4. 동위원소

멘델레븀의 동위원소는 질량수가 244에서 260까지 17개가 알려져 있으며, 모두 방사성이다.[42] 또한 245mMd, 247mMd, 249mMd, 254mMd, 258mMd와 같이 5개의 핵 이성체가 알려져 있다.[44][43]

이 중에서 반감기가 가장 긴 동위원소는 258Md(51.5일)이며, 반감기가 가장 긴 이성체는 258mMd(58.0분)이다.[44][43] 그러나 반감기가 더 짧은 256Md(1.17시간)는 아인슈타이늄에 알파 입자를 조사하여 다량으로 생성할 수 있기 때문에 화학 실험에서 더 자주 사용된다.[42]258Md 다음으로 안정적인 멘델레븀 동위원소는 다음과 같다:

동위원소반감기
260Md31.8일
257Md5.52시간
259Md1.60시간
256Md1.17시간



나머지 멘델레븀 동위원소는 모두 반감기가 1시간 미만이며, 대부분은 5분 미만이다.[44][42][43]

멘델레븀 동위원소의 반감기는 대부분 244Md 이후로 꾸준히 증가하여 258Md에서 최대가 된다.[44][42][43] 실험과 예측에 따르면, 반감기는 260Md(반감기 31.8일) 이후로 감소하는데, 이는 악티늄족 원소 계열에서 장수명 원자핵의 상대적 안정의 섬에 한계를 가져오는 양성자의 상호 반발이 원인이며, 자발 핵분열이 지배적인 붕괴 방식이 되기 때문이다.[44][45]

화학적으로 중요한 멘델레븀 동위원소인 멘델레븀-256은 90%는 전자 포획으로, 10%는 알파 붕괴로 붕괴한다.[42] 전자 포획의 딸핵종인 페르뮴-256의 자발 핵분열을 통해 가장 쉽게 검출되지만, 자발 핵분열을 일으키는 다른 핵종이 존재하는 경우 멘델레븀-256의 특징적인 에너지(7.205 및 7.139 MeV)에서의 알파 붕괴가 더 유용한 식별 정보를 제공할 수 있다.[46]

5. 생산 및 분리

멘델레븀 동위원소는 주로 아인슈타이늄에 알파 입자를 충돌시켜 생산한다. 특히 256Md는 아인슈타이늄-253이나 아인슈타이늄-254에 알파 입자를 충돌시켜 만드는데, 아인슈타이늄-254가 반감기가 더 길어 표적으로 사용하기에 더 유리하다.[19] 마이크로그램(㎍) 단위의 아인슈타이늄으로 펨토그램(fg) 단위의 멘델레븀-256을 생산할 수 있다.[19]

생성된 멘델레븀-256은 반동 운동량을 이용하여 아인슈타이늄 표적에서 분리한다. 멘델레븀 원자는 진공 상태에서 표적 뒤에 설치된 얇은 금속박(주로 베릴륨, 알루미늄, 백금, 금)에 달라붙는다.[21] 이후 헬륨 기체 제트와 염화칼륨 에어로졸을 이용하여 멘델레븀을 모세관을 통해 수십 미터 떨어진 곳으로 운반하여 화학 분석을 진행한다.[4][21]

플루오르화 란탄과의 공침, 양이온 교환 수지 컬럼(용리액: 10% 에탄올 포화 염산),[21] 음이온 교환 크로마토그래피(용리액: 6M 염산)등을 통해 멘델레븀을 분리한다.[21] 또한, 암모니아 α-HIB를 용리액으로 사용하는 양이온 교환 수지 컬럼을 통해 다른 3가 악티늄족 원소로부터 멘델레븀을 분리할 수 있다.[21]

용매 추출 크로마토그래피(고정 유기상: HDEHP, 이동 수성상: 질산)를 사용하면 양이온 교환 수지 컬럼과 반대 순서로 악티늄족 원소를 분리할 수 있다. 이 방법을 사용하면 멘델레븀은 유기 착화제 없이 분리되지만, 페르뮴보다 늦게 용리된다는 단점이 있다.[4][21]

Md2+의 독특한 용리 특성을 이용한 분리 방법도 있다. 멘델레븀을 +2 상태로 환원시킨 후 용매 추출을 하면 멘델레븀(II)은 염산에 남고, 다른 란타넘족 및 악티늄족 원소는 컬럼에 남는다. 이후 멘델레븀을 +3 상태로 재산화하고 염산을 이용해 분리한다.[21] 휘발성 멘델레븀 헥사플루오로아세틸아세토네이트를 이용한 열 크로마토그래피 분리도 가능하다.[21]

6. 독성

멘델레븀에 접촉하는 사람은 거의 없지만, 국제방사선방호위원회는 가장 안정적인 동위원소에 대한 연간 노출 한계를 설정하였다. 멘델레븀-258의 경우, 섭취 한계는 9×105 베크렐(1 Bq = 초당 1 붕괴)로 설정되었다. 이 동위원소의 반감기를 고려하면, 이는 단 2.48ng(나노그램)에 불과하다. 흡입 한계는 6000Bq 또는 16.5pg(피코그램)이다.[22]

참조

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