넵투늄

3. 특징

넵투늄은 은과 같은 외관을 가진 단단한 금속으로, 화학적, 물리적 성질을 모두 가진다. 우라늄과 유사하게 공기 중에서 산화되며, 발화성을 가지는 등 활발하게 반응한다.

넵투늄은 ³⁺에서 ⁷⁺까지 네 가지 산화 상태를 가진다. 안정된 화합물에서 모든 원자가 전자를 방출하는 가장 무거운 악티늄족 원소이다. 용액 중에서는 ⁵⁺가 안정하지만, 고체 화합물에서는 ⁴⁺가 많다. 용액 중의 넵투늄 이온은 가수 분해되기 쉽고, 배위 화합물을 생성하기 쉽다.

• Np³⁺: 옅은 보라색을 띠며, Pm³⁺과 유사하다.
• Np⁴⁺: 엷은 녹색을 띠며, Pm⁴⁺와 유사하다.
• NpO₂⁺ (청록색)
• NpO₂²⁺ (녹색)

3. 1. 물리적 성질

α-넵투늄은 심하게 왜곡된 체심 입방 구조와 유사한 사방정계 구조를 갖는다.^[9][10] 각 넵투늄 원자는 다른 네 개의 원자와 배위되며 Np-Np 결합 길이는 260pm이다.^[11] 이는 모든 악티늄족 중에서 가장 밀도가 높으며, 레늄, 백금, 이리듐, 오스뮴 다음으로 자연 발생 원소 중에서 다섯 번째로 밀도가 높다.^[12] α-넵투늄은 강한 공유 결합 및 높은 전기 저항률과 같은 반금속 특성을 가지며, 금속의 물리적 특성은 진정한 금속보다 준금속에 더 가깝다.^[13][14]

β-넵투늄은 왜곡된 정방정계 최밀 충전 구조를 갖는다. 4개의 넵투늄 원자가 단위 세포를 구성하고 Np-Np 결합 길이는 276pm이다.^[11] γ-넵투늄은 체심 입방 격자 구조를 가지며 Np-Np 결합 길이는 297pm이다. γ 형태는 압력이 증가함에 따라 덜 안정해지지만, 넵투늄의 녹는점도 압력에 따라 증가한다.^[11] β-Np/γ-Np/액체 삼중점은 725°C 및 3200MPa에서 발생한다.^[11][16]

5f 궤도 전자의 존재로 인해 넵투늄과 그 합금은 다른 많은 악티늄족 원소와 마찬가지로 매우 흥미로운 자기적 거동을 보인다.^[17] 예를 들어 순수한 넵투늄은 상자성, NpAl₃는 강자성, NpGe₃는 자기적 정렬이 없으며, NpSn₃는 헤비 페르미온 물질일 수 있다.^[17]

NpPd₅Al₂의 조성을 가진 넵투늄 기반의 초전도체 합금이 발견되었다. 이 합금은 사방정계 구조를 가지며 초전도 전이 온도는 -268.3°C이다.^[24][18]

3. 2. 화학적 성질

넵투늄은 ³⁺에서 ⁷⁺까지 네 가지 산화 상태가 존재한다. 확인된 바로는, 안정된 화합물에서 모든 원자가 전자를 방출하는 가장 무거운 악티늄족이다. 용액 중에서는 ⁵⁺가 안정하지만, 고체 화합물에서는 ⁴⁺가 많다. 용액 중의 넵투늄 이온은 가수 분해되기 쉽고, 배위 화합물을 생성하기 쉽다.

• Np³⁺: 옅은 보라색을 띠며, Pm³⁺과 유사하다.
• Np⁴⁺: 엷은 녹색을 띠며, Pm⁴⁺와 유사하다.
• NpO₂⁺ (청록색)
• NpO₂²⁺ (녹색)

• NpO₂(OH)₂^-
• NpO₂(CO₃)^-
• NpO₂(CO₃)₂^3-
• NpO₂(CO₃)₃^5-

3. 3. 동위 원소

4. 넵투늄 화합물

넵투늄은 수용액에서 다양한 산화 상태(+3 ~ +7)를 가질 수 있으며, 각 산화 상태에 따라 독특한 색을 나타낸다. 이러한 산화 상태는 산화제나 환원제의 존재, 용액의 pH, 배위 착물 형성 리간드의 존재, 넵투늄 농도 등에 따라 안정성이 달라진다.^[81]

산성 용액에서 넵투늄은 Np³⁺, Np⁴⁺, , , 이온 형태로 존재한다. 염기성 용액에서는 산화물 및 수산화물 형태로 존재하며, Np(OH)₃, NpO₂, NpO₂OH, NpO₂(OH)₂, 등이 있다.^[81]

Np³⁺와 Np⁴⁺, 와 는 각각 서로 쉽게 산화, 환원될 수 있다.^[82]

• 넵투늄(III): Np³⁺는 산성 용액에서 수화된 착물()로 존재하며, 짙은 파란색-보라색을 띤다. 이는 프로메튬(Pm³⁺)의 분홍색과 유사하다.^[24][83] 산소가 있으면 Np(IV)로 빠르게 산화되지만, 물에서 가장 쉽게 가수분해되지 않는 넵투늄 이온이다.^[84]

• 넵투늄(IV): Np⁴⁺는 산성 용액에서 옅은 황록색을 띠며, 수화된 착물()로 존재한다.^[24] 가수분해에 불안정하여 NpOH³⁺를 형성한다.^[84]

• 넵투늄(V): 는 수용액에서 청록색을 띠는 안정한 이온이며, 강한 루이스 산으로 작용한다.^[24][81] 낮은 pH와 높은 농도에서만 불균등화 반응을 일으킨다.^[82]

• 넵투늄(VI): (넵투닐 이온)는 산성 용액에서 옅은 분홍색 또는 적색을, 그 외에는 황록색을 띤다.^[24] 강한 루이스 산이며, pH 3-4 용액에서 주요 넵투늄 이온이다.^[84] Np(V)로 쉽게 환원된다.^[81]

• 넵투늄(VII): 강한 염기성 용액에서 짙은 녹색을 띠며, 와 유사한 구조를 가진다.^[24][83] 1967년에 염기성 용액에서 처음 제조되었다.^[81]

• NpO₂(OH)₂^-
• NpO₂(CO₃)^-
• NpO₂(CO₃)₂^3-
• NpO₂(CO₃)₃^5-

4. 1. 산화물

• 넵투닐(V) 이온(NpO2^+)은 청록색을 띤다.
• 넵투닐(VI) 이온(NpO2^{2+})은 옅은 분홍색을 띤다.
• 산화 넵투늄(IV)(NpO2)은 녹색 결정이다.
• 팔산화 삼넵투늄 (Np3O8)
• 수산화 넵투늄 (Np(C2O4)2)

4. 2. 기타 화합물

• 넵투닐(V) 이온(NpO₂⁺) - 청록색을 띤다.
• 넵투닐(VI) 이온(NpO₂²⁺) - 옅은 분홍색을 띤다.
• 산화 네플루늄(IV)(NpO₂) - 녹색 결정이다.
• 팔산화 삼 네플루늄 (Np₃O₈)
• 수산 네플루늄（Np(C₂O₄)₂）

5. 이온 상태의 넵투늄

넵투늄 이온은 넵투늄이 Np³⁺ 또는 Np⁴⁺ 상태일 때를 말한다. 넵투늄 이온 화합물은 다음 4가지가 있다.

• Np³⁺ (보라색), Pm³⁺ 이온 포함
• Np⁴⁺ (황록색)
• NpO₂⁺ (청록색)
• NpO₂²⁺ (녹색)

• NpO₂(OH)₂^-
• NpO₂(CO₃)^-
• NpO₂(CO₃)₂^3-
• NpO₂(CO₃)₃^5-

6. 넵투늄의 생성

글렌 T. 시보그와 그의 팀이 1940년 말에 동위원소 플루토늄-238을 발견하기 전까지, ²³⁹Np의 베타 붕괴는 원소 94(현재 플루토늄)의 동위원소를 생성한다는 것이 알려졌지만, 맥밀런과 에이벌슨의 초기 실험에 사용된 양은 플루토늄을 넵투늄과 함께 분리하고 식별하기에는 너무 적었다.^[68][69]

1942년, 한과 프리츠 슈트라스만, 그리고 독립적으로 쿠르트 슈타르케는 베를린에서 원소 93의 확인을 보고했다.^[70] 한의 그룹은 맥밀런과 에이벌슨이 플루토늄을 분리하는 데 실패하여 원소 94 연구를 진행하지 않았다. 당시 파리의 더 강력한 사이클로트론을 사용할 수 있었기 때문에 한의 그룹이 시도했다면 비록 소량(몇 베크렐)으로나마 원소 94를 감지할 수 있었을 것이다.^[70]

넵투늄의 독특한 방사성 특성 덕분에 화학 반응에서 다양한 화합물을 거치는 동안 추적할 수 있었으며, 처음에는 넵투늄의 화학적 성질이 다른 원소와 다르다는 것을 증명할 수 있는 유일한 방법이었다. 최초 발견된 넵투늄 동위원소는 반감기가 짧아 맥밀런과 에이벌슨은 당시 기술로는 새로운 원소의 화학 분석을 수행할 수 있을 만큼 큰 샘플을 준비할 수 없었다. 그러나 1942년 글렌 시보그와 아서 월에 의해 장수명 ²³⁷Np 동위원소가 발견된 후, 넵투늄의 무게를 잴 수 있는 양을 만드는 것이 현실적인 노력이 되었다.^[24][71] 그 반감기는 처음에 약 300만 년(나중에 214.4만 년으로 수정됨)으로 결정되어, 매우 긴 반감기에 대한 니시나와 기무라의 예측을 확인했다.^[59]

당시 미국의 대부분의 핵물리학자와 화학자들이 맨해튼 계획의 일환으로 플루토늄의 성질을 연구하는 데 집중했기 때문에, 이 원소에 대한 초기 연구는 다소 제한적이었다. 이 원소에 대한 연구는 계획의 부차적인 부분으로 계속되었고, 1944년에 넵투늄의 첫 번째 대량 샘플이 분리되었다.^[24][71][72]

그 이후 넵투늄의 성질에 대한 대부분의 연구는 핵 폐기물의 일부로 넵투늄을 어떻게 가두어둘 것인가에 초점을 맞추고 있다. 넵투늄은 반감기가 매우 긴 동위원소를 가지고 있기 때문에, 수천 년 동안 지속될 수 있는 격리 시설을 설계하는 맥락에서 특히 우려 대상이다. 넵투늄은 방사성 추적자 및 유용한 플루토늄 동위원소를 생산하기 위한 다양한 핵 반응의 전구체로 제한적으로 사용되고 있다. 그러나 원자력 발전소에서 반응 부산물로 생성되는 대부분의 넵투늄은 폐기물로 간주된다.^[24][71]

현재 지구에 존재하는 넵투늄의 대다수는 핵반응에서 인공적으로 생성되었다. 넵투늄-237은 중성자 포획을 통해 생산될 수 있고, 무게를 잴 수 있는 양을 쉽게 분리할 수 있을 정도로 충분히 긴 반감기를 가지고 있기 때문에 가장 흔하게 합성되는 동위원소이다. 이는 원소의 화학적 연구에 활용되는 가장 흔한 동위원소이다.^[73]

• ²³⁵U 원자가 중성자를 포획하면 ²³⁶U의 들뜬 상태로 변환된다. 들뜬 ²³⁶U 핵의 약 85.5%^[74][75]는 핵분열을 겪지만, 나머지는 감마선을 방출하여 ²³⁶U의 바닥 상태로 붕괴된다. 추가적인 중성자 포획은 반감기가 7일인 ²³⁷U을 형성하며, 이는 베타 붕괴를 통해 ²³⁷Np로 빠르게 붕괴된다. 베타 붕괴 동안, 들뜬 ²³⁷U은 전자를 방출하는 반면, 원자 약력은 중성자를 양성자로 변환하여 ²³⁷Np을 생성한다.^[73]

• ²³⁷U는 또한 ²³⁸U과의 (n,2n) 반응을 통해 생성된다. 이는 매우 높은 에너지의 중성자에서만 일어난다.^[73]
• ²³⁷Np는 ²⁴¹Am의 알파 붕괴 생성물이며, ²⁴¹Am은 우라늄-238의 중성자 조사를 통해 생성된다.^[73]

7. 넵투늄의 용도

넵투늄은 주로 플루토늄 생산에 사용된다. 넵투늄-237(²³⁷Np)에 중성자를 충돌시키면 넵투늄-238(²³⁸Np)이 만들어지고, 이는 다시 붕괴하여 플루토늄-238(²³⁸Pu)이 된다. ²³⁸Pu은 원자력 열전지 연료로 쓰인다.^[145]

또한 넵투늄은 핵연료로 사용되는 플루토늄-239를 생성하기 위한 중간 생성물이기도 하다. 이는 불연성 우라늄-238이 중성자를 흡수하여 핵분열 반응을 거치는 과정에서 나타난다.

: 우라늄-238 + 중성자 → 우라늄-239 → 베타 붕괴 → 넵투늄-239 → 베타 붕괴 → 플루토늄-239.

: "우라늄-238 + 중성자 → 우라늄-239 → 베타 붕괴 → 넵투늄-239" 부분은 중성자 포획 반응이다.

넵투늄은 독특한 방사성 특성을 지녀 화학 반응에서 다양한 화합물을 거치는 동안 추적할 수 있다.^{[24][71] 237}Np는 고에너지(MeV) 중성자를 감지하는 장치에 사용된다.

7. 1. 플루토늄-238 생산

7. 2. 핵무기 관련

7. 3. 기타 응용

8. 넵투늄과 환경

넵투늄은 방사능 원소이므로 주의해서 다루어야 한다. 넵투늄 동위원소 중 가장 긴 반감기를 가진 ²³⁷Np의 반감기는 214만 년으로, 지구의 나이보다 2,000배 이상 짧다. 따라서 지구 생성 초기에 존재했던 원시 넵투늄은 오래전에 붕괴되었고,^[29] 현재는 다른 동위원소의 중간 붕괴 생성물로 생성되는 미미한 양만 자연계에 존재한다.^[19]

미량의 넵투늄 동위원소 ²³⁷Np와 ²³⁹Np는 우라늄 광석에서 일어나는 핵 변환 반응의 붕괴 생성물로 자연적으로 발견된다.^[4][30] 이들은 우라늄-238 원자가 중성자 포획을 통해 생성되며, 중성자는 우라늄-238의 자발 핵분열 등 다양한 원인으로 발생한다.^[29] 1952년, 벨기에령 콩고의 우라늄 광석 농축액에서 ²³⁷Np가 확인 및 분리되었으며, 넵투늄-237과 우라늄의 비율은 약 10⁻¹² 대 1 이하였다.^[29][31][32]

현재 환경에서 발견되는 대부분의 넵투늄은 1945년 최초의 원자 폭탄 폭발과 1963년 부분 핵실험 금지 조약 비준 사이에 발생한 대기 중 핵폭발 때문이다. 이러한 폭발과 이후 수행된 몇 차례의 대기 중 실험으로 방출된 넵투늄의 총량은 약 2500kg으로 추정된다. 이 중 압도적인 다수는 긴 반감기를 가진 동위원소 ²³⁶Np와 ²³⁷Np이다.^[29][31][34] 해수 중 ²³⁷Np의 농도는 대략 6.5 × 10⁻⁵ 밀리베크렐/리터이다.^[29]

표면 환경에서 넵투늄은 산소와 접촉하면 빠르게 산화되어 +4 또는 +5 상태가 된다. 넵투늄은 다른 악티늄족 원소보다 이동성이 훨씬 큰데, 이는 다양한 원소와 수용액을 쉽게 형성할 수 있기 때문이다. 넵투늄(V)는 탄산염이 없을 경우 pH 5.5 이상에서 석영과 쉽게 결합하며, 게사이트, 산화철 콜로이드, 고령토, 스멕타이트 등 여러 점토와도 잘 결합한다. 또한 콘크리트에 쉽게 흡수되므로 핵 폐기물 저장 시설 건설 시 고려해야 한다.^[31][35]

8. 1. 핵 폐기물 내 넵투늄

8. 2. 생물학적 영향

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