유로퓸

3. 성질

유로퓸은 은백색 금속으로, 칼로 자를 수 있을 만큼 무르다. 상온·상압에서 안정적인 결정 구조는 체심입방구조(BCC)이며, 비중은 5.24, 녹는점은 822 ℃, 끓는점은 1527 ℃이다(녹는점, 끓는점 모두 실험값에 따라 차이가 있음). 희토류 원소 중에서도 반응성이 높기로 알려져 있으며, 공기 중에서 빠르게 산화되고, 물에 대한 반응성은 칼슘과 비슷하다. 열수와 산에 잘 녹으며, 액체 암모니아에도 녹는다. 할로겐 원소와 반응하여 3가의 할로겐화물을 생성한다.

원자가는 +2가, +3가가 있으며, 일반적으로 +3가가 더 안정적이다. 무색의 +2가 이온은 수용액에서 산화되기 쉽고, 연한 분홍색의 +3가 이온이 된다. 표준 산화환원 전위는 다음과 같다.

:$\backslash ce\{Eu^\{3+\}(aq)\; +\; e-\; =\; Eu^\{2+\}(aq)\}$ ($E^\backslash circ\; =\; -0.35\backslash \; \backslash mathrm\; V$)

하지만 희토류 원소 중에서는 가장 안정적인 +2가 상태를 취하며, 황산유로피움(II)(EuSO₄)가 물에 잘 녹지 않는 등 +2가 화합물은 스트론튬과 유사한 성질을 나타낸다. 이 때문에 자연계에서는 유로피움이 사장석 등 알칼리토류 금속을 포함하는 광물에 많이 존재하며, 모나자이트 등 일반적인 희토류 광물 중의 함량은 비정상적으로 적다(유로퓸 이상).^[60]

발광 거동은 +3가는 적색인 반면, +2가는 주변 환경에 따라 청색, 녹색, 황색으로 변한다.^[60]

3. 1. 물리적 성질

3. 2. 화학적 성질

3. 3. 동위 원소

4. 존재 및 생산

유로퓸은 자연에서 원소 상태로 발견되지 않는다. 대신 바스트네사이트, 모나자이트, 크세노타임, 로파라이트-(Ce) 등의 광물에 다른 희토류 원소와 함께 존재한다.^[13] 달의 토양에서 아주 적은 양의 Eu–O 또는 Eu–O–C 계 화합물이 발견되었지만, 유로퓸이 주성분인 광물은 아직 알려지지 않았다.

유로피움 이상은 다른 희토류 원소와 비교했을 때 유로퓸이 상대적으로 적거나 많은 현상을 말한다.^[14] 이는 마그마나 용암이 식어서 만들어지는 화성암 연구에 중요한 단서를 제공한다. 발견된 유로퓸 이상의 특성을 통해 화성암 군 간의 관계를 파악할 수 있다. 유로퓸의 지각 평균 함량은 2ppm 정도이며, 위치에 따라 그 함량이 수십 배까지 차이날 수 있다.^[15]

5. 화합물

유로퓸 화합물은 대부분 +3가 산화 상태로 존재하는 경향이 있다. 일반적으로 이러한 화합물은 6~9개의 산소 리간드에 결합된 Eu(III)를 특징으로 한다. Eu(III) 황산염, 질산염 및 염화물은 물이나 극성 유기 용매에 용해된다. 친유성 유로퓸 착물은 종종 아세틸아세토네이트와 유사한 리간드, 예를 들어 EuFOD를 특징으로 한다.

유로퓸 금속은 모든 할로겐과 반응한다.

:2Eu + 3X₂ → 2EuX₃ (X = F, Cl, Br, I)

이 방법으로 백색의 삼플루오르화유로퓸(III)(EuF₃), 황색의 삼염화유로피움(III)(EuCl₃), 회색의 삼브롬화유로피움(III)(EuBr₃), 무색의 삼요오드화유로피움(III)(EuI₃)을 얻을 수 있다. 유로퓸은 또한 해당 이할로겐화물을 형성하는데, 녹황색의 이플루오르화유로피움(II)(EuF₂), 무색의 이염화유로피움(II)(EuCl₂)(자외선 아래에서 밝은 청색 형광을 띰),^[32] 무색의 이브롬화유로피움(II)(EuBr₂), 그리고 녹색의 이요오드화유로피움(II)(EuI₂)이다.^[33]

유로퓸은 모든 칼코겐과 안정적인 화합물을 형성하지만, 무거운 칼코겐(황(S), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te))은 낮은 산화 상태를 안정화시킨다. 세 가지 산화물이 알려져 있는데, 유로퓸(II) 산화물(EuO), 유로퓸(III) 산화물(Eu₂O₃) 및 유로퓸(II)과 유로퓸(III) 모두로 구성된 혼합원자가 산화물 Eu₃O₄가 있다. 그 외 주요 칼코겐화물은 유로퓸(II) 황화물(EuS), 유로퓸(II) 셀레늄화물(EuSe) 및 유로퓸(II) 텔루륨화물(EuTe)이며, 이 세 가지 모두 검은색 고체이다. 유로퓸(II) 황화물은 Eu₂O₃를 분해할 만큼 충분히 높은 온도에서 산화물을 황화시켜 제조한다.^[34]

:Eu₂O₃ + 3 H₂S → 2 EuS + 3 H₂O + S

유로퓸의 주요 질화물은 유로퓸(III) 질화물(EuN)이다.

6. 용도

유로퓸은 다른 대부분의 원소에 비해 상업적 응용 분야가 적고 상당히 전문적이다. 거의 예외 없이 +2 또는 +3 산화 상태에서 인광이 이용된다.

7. 안전성

유로퓸은 다른 중금속에 비해 특별히 독성이 강하다는 명확한 증거는 없다. 염화 유로퓸, 질산 유로퓸, 산화 유로퓸의 독성이 시험되었는데, 염화 유로퓸의 급성 복강내 LD₅₀ 독성은 550 mg/kg이고, 급성 경구 LD₅₀ 독성은 5000 mg/kg이다. 질산 유로퓸의 급성 복강내 LD₅₀ 독성은 약간 높은 320 mg/kg이지만, 경구 독성은 5000 mg/kg 이상이다.^[56][57] 금속 분말은 화재 및 폭발 위험이 있다.^[58]

8. 한국에서의 연구 및 개발 동향

대한민국은 희토류 자원 확보 및 활용 기술 개발에 대한 관심이 높아지고 있으며, 유로퓸을 비롯한 희토류 원소 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 디스플레이 산업의 발전과 함께 유로퓸 기반 형광체 소재 개발 연구가 중요하게 다루어지고 있다.

2024년, 도쿄전력 후쿠시마 제1원자력발전소 사고 현장에서 채취된 물질에서 유로퓸-154가 검출되어 핵연료 유래 노심 용융물(연료 데브리)의 증거로 제시되었다.^[62] 이는 원자력 안전 관련 연구에도 유로퓸 분석이 활용될 수 있음을 시사한다.

참조

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