란타넘

3. 화합물

산화 란타넘(La₂O₃)은 흰색 고체로, 란타넘 금속을 공기 중에서 태우거나 다른 란타넘 화합물을 가열하여 얻을 수 있다. La³⁺ 이온의 큰 크기 때문에, La₂O₃는 7의 배위수를 가지는 육각 결정 구조를 가지는데, 이는 높은 온도에서 산화 스칸듐(Sc₂O₃)과 산화 이트륨(Y₂O₃)과 같은 배위수가 6인 구조로 바뀐다. 물과 반응해서 수산화 란타넘(La(OH)₃)을 생성할 때 많은 열이 발생하기 때문에(발열 반응) 치이익 하는 소리가 난다.^[28][29] 수산화 란타넘은 란타넘 염 용액에 염기를 가하여 침전시켜 얻을 수 있으며, 공기 중의 이산화 탄소와 반응하여 염기성 탄산염을 생성한다.^[29]

플루오린화 란타넘(LaF₃)은 물에 녹지 않는 흰색 고체로, 란타넘 이온 검출에 사용된다. 란타넘은 상온에서 할로젠 원소들과 반응해 삼할로젠화물을 생성한다. 염화 란타넘(LaCl₃)을 비롯한 다른 할로젠화 란타넘은 물에 잘 녹는 조해성 화합물이다.^[29]

란타넘은 수소(H)와 반응해 이수소화물(LaH₂)을 생성하는데, 이는 검은색을 띠고 전도성이 있으며 잘 부서지는, 플루오린화 칼슘(CaF₂)과 같은 구조를 가진 화합물이다.^[30] LaI₂처럼 LaI, LaH₂는 아마도 전자가 음이온 역할을 하는 전자화물(electride compound)일 것으로 생각된다.^[29]

La³⁺의 큰 이온 반지름과 란타넘 자체의 전기 양성적인 성질에 의해서 란타넘은 공유 결합 화합물을 별로 만들지 않는다.^[31] 란타넘의 화학은 해당 원소의 전자 배치로 인하여 π 결합을 포함하지 않는다. 즉 란타넘의 유기금속 화학은 꽤 제한적이다. 대표적인 유기 란타넘 화합물은 사이클로펜타디엔 복합체인 La(C₅H₅)₃이다.^[32]

4. 역사

5. 분포 및 생산

란타넘은 지각에 39mg/kg 정도 존재하며, 희토류 원소 중에서는 네오디뮴(41.5mg/kg)과 세륨(66.5mg/kg) 다음으로 풍부하다. 란타넘은 주로 모나자이트(M^IIIPO₄)와 바스트네사이트(M^IIICO₃F) 광물에서 발견된다. 여기서 M은 스칸듐과 방사성 프로메튬을 제외한 모든 희토류 금속을 나타낸다.^[42]

모나자이트는 모든 희토류 원소와 토륨을 포함하는 인산염 광물이며, 복잡한 화학 처리를 통해 란타넘을 추출한다. 모나자이트는 자성을 띠기 때문에 반복적인 전자기 분리로 분리할 수 있다. 분리 후에는 뜨겁고 진한 황산으로 처리하여 희토류의 물에 녹는 황산염을 생성한다. 이후 산성 여액을 수산화나트륨으로 중화하고, 옥살산암모늄으로 처리하여 희토류를 불용성 옥살산염으로 전환시킨다. 옥살산염은 어닐링을 통해 산화물로 전환되며, 이 산화물은 질산에 용해된다. 이때 세륨은 질산에 녹지 않는 성질을 이용하여 분리하고, 란타넘은 질산암모늄과의 겹염 결정을 통해 분리한다.^[8]

바스트네사이트는 희토류 원소를 포함하는 탄산염 광물이며, 일반적으로 토륨과 무거운 란타넘족 원소가 부족하여 란타넘 추출 과정이 비교적 간단하다. 분쇄된 광석을 뜨겁고 진한 황산으로 처리하여 이산화탄소, 불화수소, 사불화규소를 발생시킨다. 그 후 생성물을 건조시키고 물로 침출하여 란타넘을 포함한 초기 란타넘족 이온을 용액에 남긴다.^[43]

란타넘 금속은 산화 란타넘을 염화암모늄 또는 불화수소산과 함께 300~400 °C에서 가열하여 얻은 염화물 또는 불화물을 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속으로 환원시켜 얻는다.^[8]

: La₂O₃ + 6 NH₄Cl → 2 LaCl₃ + 6 NH₃ + 3 H₂O

: LaCl₃ + 3 Li → La + 3 LiCl

또한, 무수 LaCl₃와 NaCl 또는 KCl의 용융 혼합물을 고온에서 전해하여 순수한 란타넘을 생산할 수도 있다.^[8]

6. 응용

• 니켈-수소 전지의 음극 재료로 란타넘이 사용된다. 다른 란타넘족 원소를 추출하는 비용이 높기 때문에, 란타넘이 50% 이상 함유된 미쉬메탈이 사용된다. 토요타 프리우스와 같은 하이브리드 자동차의 NiMH 배터리 생산에는 다량의 란타넘이 필요하다. 2008년형 토요타 프리우스 NiMH 배터리에는 10kg 에서 15kg의 란타넘이 필요하며, 연비 향상을 위한 기술 발전으로 차량당 더 많은 란타넘이 필요할 수 있다.^{[45][46][47][48][49]}
• 수소 저장 합금에는 란타넘이 포함될 수 있다. 이러한 합금은 가역적 흡착 과정을 통해 자체 부피의 최대 400배에 달하는 수소 가스를 저장할 수 있으며, 열에너지가 방출되므로 에너지 절약 시스템에 활용될 가능성이 있다.^[20][50]
• 미쉬메탈은 라이터 부싯돌에 사용되는 발화 합금으로 25%~45%의 란타넘을 포함한다.^[51]
• 산화 란타넘과 붕화 란탄은 전자 진공관에서 열전자 방출극 재료로 사용된다. LaB|6^영어 결정은 전자 현미경과 홀 효과 추력기의 열전자 방출원으로 사용된다.^[52]
• 삼불화 란탄()은 ZBLAN이라는 중질 불화물 유리의 구성 요소로, 광섬유 통신 시스템에 사용된다.^[53]
• 세륨이 도핑된 브롬화 란탄과 염화 란탄은 중성자 또는 감마선 검출기에 사용되는 섬광체 재료이다.^[54]
• 탄소 아크 램프는 빛의 질을 향상시키기 위해 희토류 원소의 혼합물을 사용하며, 영화 산업에서 스튜디오 조명 및 프로젝션에 사용되었다.^[20][55]
• 산화 란탄(III)()은 유리의 알칼리 저항성을 향상시키고, 카메라와 망원경 렌즈 제작에 사용된다.^[20]
• 소량의 란타넘을 강에 첨가하면 전성, 충격 저항성 및 연성이 향상된다.^[20]
• 란타넘과 다른 희토류 원소의 다양한 화합물은 석유 분해 촉매와 같은 다양한 촉매의 구성 요소이다.^[60]
• 탄산 란타넘은 말기 신부전 환자의 고인산혈증 치료에 사용되는 약물이다.^[62]

7. 생물학적 역할 및 위험성

란타넘은 인체 내에서 알려진 생물학적 역할이 없으며, 경구 투여 후 흡수율이 매우 낮고 주사 투여 시 배출이 매우 느리다. 탄산란타넘은 말기 신부전 환자의 과도한 인산염을 흡수하는 인산염 결합제로 승인되었다.^[62] 란타넘은 여러 수용체와 이온 채널에 약리학적 효과를 나타내지만, GABA 수용체에 대한 특이성은 3가 양이온 중에서 독특하다. 란타넘 양이온 (La|라^영어3+)은 GABA 수용체에서 양성 알로스테릭 조절인자로 작용하여 채널 개방 시간을 증가시키고 불활성화를 감소시킨다.^[66] 란타넘은 메탄자화세균 ''Methylacidiphilum fumariolicum'' SolV의 메탄올 탈수소효소의 보조인자이다.^[67]

란타넘은 독성이 낮거나 중간 정도이며, 란타넘 용액 주사는 고혈당증, 저혈압, 비장 퇴행 및 간 변화를 유발할 수 있다. 탄소 아크등에 란타넘을 사용하면 희토류 원소 산화물 및 불화물에 노출되어 폐렴을 유발할 수 있다.^[70][71] La|라^영어3+ 이온은 Ca|칼슘^영어2+ 이온과 크기가 비슷하여 의학 연구에서 칼슘 이온 대체물로 사용되기도 한다.^[72] 란타넘은 인체 신진대사에 영향을 미쳐 콜레스테롤 수치, 혈압, 식욕 및 혈액 응고 위험을 낮추고, 뇌에 주사하면 모르핀 및 기타 아편제와 유사하게 진통제 역할을 하지만, 그 작용 메커니즘은 아직 알려지지 않았다.^[72]

7. 1. 생물학적 역할

7. 2. 위험성

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