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로렌슘

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목차

1. 개요

로렌슘(Lr)은 1961년 로렌스 버클리 국립 연구소 연구팀에 의해 처음 합성된 인공 원소이다. 원자 번호 103번으로, 악티늄족 원소 중 하나이며, 3가 산화 상태를 가진다. 로렌슘은 캘리포늄에 붕소 원자핵을 충돌시켜 합성되었으며, 여러 동위원소가 존재한다. 가장 수명이 긴 동위원소는 266Lr으로 반감기는 약 10시간이다. 로렌슘은 란타넘족 원소인 루테튬과 유사한 물리적, 화학적 성질을 가질 것으로 예상된다.

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로렌슘
기본 정보
원소 이름로렌슘
영어 이름lawrencium
일본어 이름ローレンシウム
발음
lə|REN|see-əm
원자 번호103
원소 기호Lr
왼쪽 원소노벨륨
오른쪽 원소러더포듐
위 원소Lu
아래 원소불명
원소 계열악티늄족
족3
주기7
블록d
대체 블록f
겉모습불명
예측되는 겉모습은백색
원자 질량[262]
전자 배치[라돈|Rn] 5f14 7s2 7p1
껍질 당 전자 수2, 8, 18, 32, 32, 8, 3
상온에서 상태고체
상온에서 상태 (추정)고체
산화 상태'3'
이온화 에너지 개수3
제1 이온화 에너지443.8
제2 이온화 에너지1428.0
제3 이온화 에너지2219.1
CAS 등록 번호22537-19-5
공유 반지름161
밀도 (예측)14.4 g/cm³
결정 구조 (예측)육방정계 밀집 구조
전기 음성도 (예측)1.3
녹는점 (예측)1900 K (1600 °C, 3000 °F)
명명 유래어니스트 로런스
발견 기관로렌스 버클리 국립 연구소
합동원자핵연구소
발견 년도1961–1971
동위 원소
동위 원소 정보










2. 역사

로렌슘(Lr)은 1961년 앨버트 기오르소, 토르비외른 시켈랜드, 앨먼 라르시, 로버트 M. 레이티머로 구성된 로렌스 버클리 국립 연구소 연구팀이 처음 발견했다고 보고되었다.[8] 이들은 중이온 선형 가속기(HILAC)를 사용하여 3 밀리그램의 캘리포늄 동위원소 혼합물에 붕소-10 및 붕소-11 원자핵을 충돌시켜 로렌슘을 합성했다.[9] 버클리 팀은 257103 동위원소가 8.6 MeV의 알파 입자를 방출하며 8±2초의 반감기를 가진다고 보고했으나,[7] 이후 258103으로 정정되었다.[9] 이는 후속 연구에서 257Lr이 아닌 258Lr에서 해당 특성이 발견되었기 때문이다.[7] 버클리 팀은 사이클로트론 발명가인 어니스트 로렌스의 이름을 따서 "로렌슘"(Lw)을 제안했고, 국제 순수 및 응용 화학 연합(IUPAC)은 이를 승인했으나 기호는 "Lr"로 변경되었다.[10]

1961년 4월, 주기율표의 103번 원소 위치에 "Lw"라고 적어 주기율표를 갱신하는 기올소. 공동 발견자인 왼쪽부터 라티머, 시켈란드, 라르시가 지켜보고 있다.


1965년, 러시아연방핵연구소(당시 소비에트 연방)의 과학자들은 243Am에 18O를 충돌시켜 256103을 만들었다고 보고했다.[7] 1967년, 같은 반응에 대한 추가 연구에서 8.35–8.50 MeV와 8.50–8.60 MeV 범위의 두 가지 붕괴 에너지가 확인되었고, 이는 256103과 257103에 할당되었다.[7]

1971년, IUPAC은 로렌스 버클리 국립 연구소에 로렌슘 발견을 부여했다.[4] 그러나 1992년, IUPAC 전이 원소 작업 그룹(TWG)은 두브나와 버클리의 핵물리학 팀을 로렌슘의 공동 발견자로 공식 인정했다.[4] 1961년 버클리 실험이 로렌슘 발견으로 가는 중요한 단계였지만, 1965년, 1968년, 1970년 두브나 실험과 1971년 버클리 실험이 종합적으로 고려되어 103번 원소 발견에 대한 확신을 주었다고 결론내렸다.[4] "로렌슘"이라는 이름은 오랫동안 사용되어 IUPAC에 의해 유지되었으며,[4] 1997년 제네바에서 열린 회의에서 로렌슘이라는 이름과 "Lr" 기호가 비준되었다.[10]

2. 1. 초기 발견 시도 (1958~1960)

2. 2. 버클리 연구소의 발견 (1961)

1961년 2월 14일, 앨버트 기오르소, 토르비외른 시켈란드, 앨먼 라르시, 로버트 M. 레이티머 등으로 구성된 로렌스 버클리 국립 연구소의 핵물리학 팀은 중이온 선형 가속기(HILAC)를 사용하여 3밀리그램의 캘리포늄 동위원소 혼합물 표적에 붕소-10 및 붕소-11 원자핵을 충돌시켜 로렌슘을 처음 합성했다고 보고했다.[8][9][46][47] 버클리 팀은 이 실험에서 257103(257Lr)이 검출되었으며, 8.6 MeV의 알파 입자를 방출하고 8±2초의 반감기를 가진다고 보고했다.[7][45] 그러나 이후 연구에서 257Lr이 아닌 258Lr이 이러한 특성을 갖는 것으로 밝혀져, 이 초기 결과는 258103(258Lr)에 대한 것으로 수정되었다.[7][9][45][47]

이 초기 결과는 당시 103번 원소 합성에 대한 설득력 있는 증거로 여겨졌다. 다만, 질량 할당은 덜 확실했고, 나중에 오류로 밝혀졌지만, 103번 원소가 합성되었다는 주장에 영향을 미치지는 않았다. 러시아연방핵연구소(당시 소비에트 연방)의 과학자들은 여러 가지 비판을 제기했는데, 그 중 표적에서 가장 흔한 동위원소인 252Cf가 10B와 반응하여 258Lr을 생성하려면 4개의 중성자를 방출해야 하는데, 이는 3개나 5개를 방출하는 것보다 가능성이 낮다는 점이 있었다. 이는 버클리 팀이 보고한 넓은 수율 곡선이 아닌 좁은 수율 곡선으로 이어질 것이라는 비판이었다.[7][45] 이에 대한 가능한 설명은 103번 원소에 해당하는 사건의 수가 적었기 때문이라는 것이다.[7][45]

버클리 팀은 사이클로트론의 발명가인 어니스트 로렌스의 이름을 따서 "로렌슘"이라는 이름과 "Lw"라는 기호를 제안했다.[10][48] 국제 순수 및 응용 화학 연합(IUPAC) 무기화학 명명법 위원회는 이 이름을 받아들였지만, 기호는 "Lr"로 변경했다.[10][48] 이후 두브나 팀은 이러한 로렌슘 발견의 수용이 성급했다고 평가했다.[7][45]

반응식은 다음과 같다.

: + → * → + 5n

2. 3. 두브나 합동 핵 연구소의 연구 (1965~1970)

1965년, 두브나 합동 핵 연구소는 243아메리슘(Am)에 18산소(O)를 충돌시켜 256Lr을 합성했다고 보고했다.[7] 이들은 256Lr의 손녀 핵종인 252페르뮴(Fm)을 통해 간접적으로 확인했다. 그러나 그들이 보고한 반감기는 실제보다 다소 길었는데, 이는 배경 사건 때문으로 추정된다. 1967년, 같은 반응에 대한 추가 연구에서 8.35–8.50 MeV와 8.50–8.60 MeV 범위의 두 가지 붕괴 에너지가 확인되었고, 이들은 각각 256Lr과 257Lr에 할당되었다.[7] 여러 차례의 실험에도 불구하고 반감기가 8초인 알파 방출 핵종을 257Lr로 확정하는 데는 실패했다.[11][12] 1967년, 두브나 연구진은 새로운 원소에 대해 "러더퍼듐"이라는 이름을 제안했다.[4][13]

: + → * → + 5

1969년과 1970년, 두브나와 로렌스 버클리 국립 연구소에서 수행된 추가 실험을 통해 로렌슘이 악티늄족 원소임이 밝혀졌다.[7][14] 1970년, 두브나 연구진은 반감기가 20초이고 알파 붕괴 에너지가 8.38 MeV인 255Lr의 합성을 보고했다.[7]

2. 4. 발견 인정과 명명 (1971~1997)

1961년 2월 14일, 앨버트 기오르소, 토르비외른 시켈랜드, 앨먼 라르시, 로버트 M. 레이티머 등으로 구성된 버클리의 핵물리학 팀은 103번 원소에 대한 최초의 중요한 연구를 수행했다.[8] 이들은 중이온 선형 가속기(HILAC)를 사용하여 붕소-10과 붕소-11 핵을 캘리포늄 동위원소 표적에 충돌시켜 로렌슘 원자를 만들었다고 보고했다.[9] 버클리 팀은 처음에 동위원소 257103이 검출되었으며, 8.6 MeV의 알파 입자를 방출하고 8±2초의 반감기를 가진다고 보고했으나,[7] 이후 258103으로 수정되었다.[9] 이는 당시 103번 원소 합성에 대한 설득력 있는 증거로 간주되었지만, 질량 할당은 덜 확실했고 잘못된 것으로 판명되었다.[7]

버클리 팀은 사이클로트론의 발명가인 어니스트 로렌스의 이름을 따서 "로렌슘"이라는 이름과 "Lw"라는 기호를 제안했고, IUPAC 무기화학 명명법 위원회는 이 이름을 받아들였지만 기호를 "Lr"로 변경했다.[10]

: + → * → + 5

러시아연방핵연구소(당시 소비에트 연방)는 1965년 243Am에 18O를 충돌시켜 256103을 만들었다고 보고했다.[7] 1967년 같은 반응에 대한 연구에서 8.35–8.50 MeV와 8.50–8.60 MeV 범위의 두 가지 붕괴 에너지가 확인되었는데, 이들은 256103과 257103에 할당되었다.[7] 러시아인들은 1967년 새로운 원소에 대한 이름으로 "러더퍼듐"을 제안했는데,[4][13] 이 이름은 나중에 버클리에서 104번 원소에 제안되었다.[13]

: + → * → + 5

1971년, IUPAC은 로렌스 버클리 국립 연구소에 로렌슘 발견을 단독으로 인정했지만, 1992년 IUPAC 전이 원소 작업 그룹(TWG)은 두브나와 버클리의 핵물리학 팀을 로렌슘의 공동 발견자로 공식 인정했다.[4][10] 1997년 8월 국제 순수 및 응용 화학 연합(IUPAC)은 제네바에서 열린 회의에서 "로렌슘"이라는 이름과 "Lr" 기호를 공식 비준했다.[10]

3. 성질

3. 1. 물리적 성질

로렌슘은 마지막 악티늄족 원소이며, 일반적으로 3족 원소로 간주된다. 채워진 f-껍질 때문에 7주기 전이 금속과 유사할 것으로 예상되지만, 일부 다른 의견도 존재한다.[20][21] 주기율표에서 로렌슘은 악티늄족 원소인 노벨륨의 오른쪽, 6d 전이 금속인 러더퍼듐의 왼쪽에 위치하며, 란타넘족 원소인 루테튬 아래에 위치하여 루테튬과 많은 물리적 및 화학적 특성을 공유할 것으로 예상된다. 로렌슘은 일반적인 조건에서 고체일 것으로 예상되며, 육방 조밀 충진 결정 구조를 가질 것으로 예상되지만, 아직 실험적으로 확인되지는 않았다.[3]

로렌슘의 승화열은 352 kJ/mol로 추정되며, 이는 금속 로렌슘이 3개의 전자가 비편재화된 3가 원소임을 강력하게 시사한다.[17] 이는 이웃 원소들의 증발열, 체적 탄성률, 원자 부피 값을 로렌슘에 체계적으로 외삽한 결과로도 뒷받침된다.[17] 로렌슘은 3가의 은색 금속일 것으로 예상되며, 공기, 수증기, 산에 의해 쉽게 산화된다.[17] 약 14.4 g/cm3의 밀도를 가진 상당히 무거운 금속일 것으로 예상되며,[2] 약 1900 K(1600 °C)의 녹는점을 가질 것으로 예측된다.[23]

3. 2. 화학적 성질

로렌슘은 수용액에서 주로 +3가 산화 상태를 가지며, Lr3+ 이온으로 존재한다. 이는 1949년 글렌 시보그가 예측한 대로이며, 로렌슘이 마지막 악티늄족 원소임을 보여준다.[24][64]

1969년 연구에서 로렌슘은 염소와 반응하여 삼염화물(LrCl3)을 형성하는 것이 확인되었다. 이 화합물의 휘발성은 퀴륨, 페르뮴, 노벨륨의 염화물과 유사하며, 러더퍼듐 염화물보다는 낮다.[24][64] 1970년에는 1500개의 256Lr 원자를 대상으로 2가, 3가, 4가 원소들과 비교하는 화학 실험이 수행되었다. 그 결과 로렌슘은 3가 이온과 함께 추출되었으나, 짧은 반감기로 인해 멘델레븀(Md3+)보다 먼저 용리되는지는 확인되지 않았다.[24][64] 로렌슘 화합물은 다른 3가 악티늄족 원소 화합물과 유사하게, 플루오르화 로렌슘(III)(LrF3)과 수산화 로렌슘(III)(Lr(OH)3)는 물에 녹지 않는다.[24][64]

악티늄족 수축으로 인해 Lr3+의 이온 반지름은 Md3+보다 작아야 하며, 암모늄 α-히드록시이소부티르산염을 용리액으로 사용하면 Md3+보다 먼저 용리되어야 한다.[24][64] 1987년 실험에서 260Lr을 이용하여 로렌슘의 이온 반지름이 88.6±0.3 pm임을 확인했으며,[24][64] 1988년 실험에서는 88.1±0.1 pm으로 더 정밀하게 측정하고, 수화 엔탈피는 -3685±13 kJ/mol로 계산했다.[24][64] 악티늄족 수축은 로렌슘을 제외하고 란타넘족 수축보다 큰데, 이는 상대론적 효과 때문으로 추정된다.[24][64]

7s 전자의 상대론적 안정화로 인해, 환원 조건에서 7p1/2 전자만 이온화되어 Lr+ 이온을 생성할 것이라는 예측이 있었으나, Lr3+을 Lr2+ 또는 Lr+로 환원하려는 시도는 모두 실패했다. 표준 전극 전위 ''E''°(Lr3+ → Lr+)는 -1.56 V 미만으로 계산되어, 수용액에서 Lr+ 이온은 존재하기 어렵다. ''E''°(Lr3+ → Lr2+), ''E''°(Lr3+ → Lr), ''E''°(Lr4+ → Lr3+) 값은 각각 -0.44 V, -2.06 V, +7.9 V로 예측된다.[24][64] 6d 전이계열에서 그룹 산화 상태 안정성은 RfIV > DbV > SgVI 순으로 감소하며, 로렌슘은 LrIII이 RfIV보다 안정적인 경향을 이어간다.[25][65]

굽은형 분자 구조인 이수소화로렌슘(LrH2)에서 로렌슘의 6d 오비탈은 결합에 관여하지 않을 것으로 예상된다. LrH2의 Lr–H 결합 거리는 상대론적 수축과 7s 및 7p 오비탈의 안정화로 인해 2.042 Å로 짧아진다.[26][66] LrH2와 LrH는 란타넘족보다는 탈륨 종과 유사할 것으로 예상된다.[26][66] Lr+와 Lr2+의 전자 배치는 각각 7s2와 7s1로 예상된다. 로렌슘의 처음 세 이온화 전위는 루테튬과 유사할 것으로 예측되어, 로렌슘은 LrH보다 LrH3을 형성하고, LrCO는 LuCO와 유사할 것으로 예상된다. pπ–dπ 결합은 LrCl3에서 관찰될 것으로 예상된다. 복합 음이온 [Lr(C5H4SiMe3)3]-에서 로렌슘은 6d1 배치를 가질 것으로 예상되며, 이 6d 오비탈은 최고 점유 분자 궤도가 된다.[27][67]

로렌슘의 화학적 성질 연구는 희토류 원소의 분리 및 활용 기술 개발에 중요한 정보를 제공하며, 이는 한국의 자원 개발 및 첨단 산업 발전에 기여할 수 있다.

3. 3. 원자 구조

로렌슘은 세 개의 원자가전자를 가지고 있으며, 5f 전자는 원자핵 내부에 있다.[28] 1970년, 로렌슘의 바닥 상태 전자 배열이 아우프바우 원리에 따라 로렌슘의 가벼운 동족원소인 루테튬의 [Xe]4f145d16s2 배열과 일치하는 [Rn]5f146d17s2 (바닥 상태 항 배열 기호 2D3/2)일 것이라고 예측되었다.[29] 그러나 다음 해, 이 예측에 의문을 제기하는 계산 결과가 발표되었는데, 대신 비정상적인 [Rn]5f147s27p1 배열을 예상했다.[29] 초기 계산 결과는 상반되었지만,[30] 최근 연구와 계산은 s2p 제안을 확인한다.[31][32] 1974년 상대론적 계산은 두 배열 간의 에너지 차이가 작고 어느 것이 바닥 상태인지 불확실하다는 결론을 내렸다.[29] 1995년 후기 계산은 구형 s 및 p1/2 궤도가 원자핵에 가장 가까워 상대론적 질량이 크게 증가할 만큼 빠르게 움직이기 때문에 s2p 배열이 에너지적으로 유리해야 한다고 결론지었다.[29]

1988년, 아이히러(Eichler)가 이끄는 과학자팀은 금속원에 대한 로렌슘의 흡착 엔탈피가 전자 배열에 따라 충분히 달라서 이 사실을 이용하여 로렌슘의 전자 배열을 측정하는 실험을 수행하는 것이 가능할 것이라고 계산했다.[29] s2p 배열은 s2d 배열보다 더 휘발성이 클 것으로 예상되었고, p구역 원소인 납과 더 유사할 것이다. 로렌슘이 휘발성이 있다는 증거는 얻어지지 않았고, 석영 또는 백금에 대한 로렌슘의 흡착 엔탈피의 하한값은 s2p 배열에 대한 추정값보다 훨씬 높았다.[29]

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2015년, 동위원소 256Lr을 사용하여 로렌슘의 제1 이온화 에너지가 측정되었다.[5] 측정된 값인 4.96+0.08-0.07 eV는 4.963(15) eV의 상대론적 이론적 예측과 매우 잘 일치했으며, 초악티늄족 원소의 제1 이온화 에너지를 측정하는 첫 번째 단계를 제공했다.[5] 이 값은 모든 란타넘족 원소와 악티늄족 원소 중 가장 낮으며, 7p1/2 전자는 약하게 결합될 것으로 예상되므로 s2p 배열을 지지한다. 일반적으로 f구역 원소에서 이온화 에너지는 왼쪽에서 오른쪽으로 증가하므로, 이 낮은 값은 루테튬과 로렌슘이 f-구역이 아닌 d-구역(그 경향을 따른다)에 속함을 시사한다. 이는 이들을 스칸듐과 이트륨의 무거운 동족체로 만들고, 란타넘과 악티늄의 동족체로 만들지 않는다.[33] 일부 알칼리 금속과 같은 거동이 예측되었지만,[34] 흡착 실험은 로렌슘이 알칼리 금속과 같은 일가가 아닌 스칸듐과 이트륨과 같은 삼가임을 시사한다.[35] 로렌슘의 제2 이온화 에너지에 대한 하한값(>13.3 eV)은 2021년 실험적으로 발견되었다.[36]

s2p가 이제 로렌슘 원자의 바닥 상태 배열로 알려져 있지만, ds2는 0.156 eV, 0.165 eV 또는 0.626 eV로 다양하게 계산된 여기 에너지를 가진 낮은 여기 상태 배열이어야 한다.[27] 따라서 로렌슘은 여전히 비정상적인 전자 배열(예: 크로뮴 또는 구리와 같이)을 가진 d-구역 원소로 간주될 수 있으며, 그 화학적 거동은 루테튬의 무거운 동족체에 대한 기대와 일치한다.[19]

4. 동위원소

로렌슘의 동위원소는 질량수 251~262, 264, 266의 14가지가 알려져 있으며, 모두 방사성을 띤다.[37][38][41] 핵 이성질체는 7가지가 알려져 있다. 가장 수명이 긴 동위원소인 266Lr은 반감기가 약 10시간이며, 현재까지 알려진 가장 수명이 긴 초중원소 동위원소 중 하나이다.[39] 266Lr은 2014년 294테네신(Ts)의 붕괴 사슬에서 발견되었다.[37][38]

그러나 266Lr은 현재 더 무겁고 만들기 어려운 원소의 최종 붕괴 생성물로만 생성될 수 있기 때문에, 화학 실험에는 수명이 더 짧은 동위원소가 일반적으로 사용된다. 로렌슘에 대한 최초의 화학 연구에는 256Lr(반감기 27초)이 사용되었으며, 현재는 더 수명이 긴 260Lr(반감기 2.7분)이 일반적으로 사용된다.[37] 266Lr 다음으로 수명이 긴 동위원소는 264Lr(4.8+2.2-1.3시간), 262Lr(3.6시간), 261Lr(44분)이다.[37][40]

다른 모든 알려진 로렌슘 동위원소의 반감기는 5분 미만이며, 가장 수명이 짧은 동위원소인 251Lr의 반감기는 24.4밀리초이다.[41][40][42] 로렌슘 동위원소의 반감기는 대부분 251Lr에서 266Lr까지 부드럽게 증가하지만, 257Lr에서 259Lr까지는 감소한다.[37][40]

5. 합성과 정제

대부분의 로렌슘 동위원소는 악티늄족 원소(아메리슘부터 아인슈타이늄까지) 표적에 가벼운 이온(붕소부터 네온까지)을 충돌시켜 생성할 수 있다.[43] 가장 중요한 두 가지 동위원소인 256Lr과 260Lr은 각각 70 MeV의 붕소-11 이온을 칼리포늄-249에 충돌시키거나[43], 산소-18을 버클륨-249에 충돌시켜 만들 수 있다.[43] 전자는 256Lr과 중성자 4개를, 후자는 260Lr, 알파 입자, 그리고 중성자 3개를 생성한다.[43] 가장 무겁고 수명이 긴 것으로 알려진 두 가지 동위원소인 264Lr과 266Lr은 훨씬 낮은 수율로 모스코븀과 테네신 동위원소의 전구체인 더브늄의 붕괴 생성물로서만 생성될 수 있다.256Lr과 260Lr은 반감기가 짧아 완전한 화학적 정제가 어렵다.[84] 초기 256Lr 실험에서는 킬레이트제 테노일트리플루오로아세톤(TTA)을 메틸 이소부틸 케톤(MIBK)에 용해시킨 유기상과 아세테이트 완충 용액을 수상으로 사용하여 빠른 용매 추출을 했다.[43] 이 방법은 서로 다른 전하를 가진 이온을 분리하지만, 3가 악티늄족 원소는 분리할 수 없어 256Lr은 방출되는 8.24 MeV 알파 입자로 확인해야 했다.[43] 최근에는 α-HIB를 사용한 빠른 선택적 용출을 통해 수명이 더 긴 동위원소 260Lr을 분리할 수 있으며, 0.05 M 염산으로 포집 포일에서 제거할 수 있다.[43]

참조

[1] 서적 Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements Oxford University Press
[2] 논문 Physical properties of the 6 d -series elements from density functional theory: Close similarity to lighter transition metals 2011-05-10
[3] 논문 First-principles calculation of the structural stability of 6d transition metals
[4] 서적 The Inaccessible Earth: An integrated view to its structure and composition Springer Science & Business Media 2012
[5] 논문 Measurement of the first ionization potential of lawrencium, element 103 http://cds.cern.ch/r[...] 2015-04-09
[6] 서적 Nature's Building Blocks 2011
[7] 논문 Discovery of the transfermium elements. Part II: Introduction to discovery profiles. Part III: Discovery profiles of the transfermium elements
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