루테늄

3. 화학적 성질

루테늄은 다른 백금족 원소들과 마찬가지로 반응성이 작은 금속이다. 그러나 분말 상태에서는 비교적 반응성이 크며 기체를 다량으로 흡수하기도 한다. 비산화성 산에는 녹지 않으며 100°C 이하의 온도에서는 왕수에도 녹지 않는다. 용융 알칼리에는 공기가 있으면 녹을 수 있으며 과산화 나트륨(Na₂O₂)이나 염소산 칼륨(KClO₃)와 같은 산화성 용제가 있으면 더욱 잘 녹아 루테늄산 이온(RuO₄^2-)이 된다. 실온의 공기에서는 산소와 반응하지 않고 800°C 이상의 온도에서 검은 자줏빛의 이산화 루테늄(RuO₂)이 된다.

대부분의 비금속과 고온에서 느리게 반응한다. 그러나 플루오린(F)이나 염소(Cl)와 같은 산화제와는 쉽게 반응하는데 플루오린(F) 기체와는 육플루오린화 루테늄(RuF₆)을, 염소(Cl) 기체와는 삼염화 루테늄(RuCl₃)을 만든다. 루테늄은 산화수가 +1~+8, -2인 화합물들이 알려져 있으나, 화합물에서 흔한 산화상태는 +2, +3, +4이다. +8 화합물로 사산화 루테늄(RuO₄)이 있는데 이는 녹는점이 25.4°C, 끓는점이 40°C인 휘발성 금속 산화물이다. 이는 루테늄과 같은 족에 위치한 원소인 오스뮴의 산화물인 사산화 오스뮴 OsO₄(녹는점 40.25°C, 끓는점 129.7°C)과 성질이 비슷하며 자극적인 냄새가 난다.

루테늄은 산(심지어 왕수도)에는 침식되지 않지만, 상온에서는 차아염소산나트륨에, 고온에서는 할로젠에 침식된다. 루테늄은 산화제에 가장 쉽게 침식된다. 소량의 루테늄은 백금과 팔라듐의 경도를 증가시킨다. 소량의 루테늄을 첨가하면 티타늄의 내식성이 현저히 증가한다. 이 금속은 전기 도금과 열분해에 의해 도금할 수 있다. 루테늄-몰리브데넘 합금은 10.6 K 이하의 온도에서 초전도성을 갖는 것으로 알려져 있다.

일부 일반적인 루테늄 종의 산성 수용액에서의 환원 전위는 다음과 같다.

3. 1. 환원 전위

4. 동위원소

자연적인 루테늄은 7가지 안정 동위원소들로 구성되어 있다.^{[3][4][70][71]} 34개의 방사성 동위원소도 발견되었다.^{[3][4][70][71]} 이 방사성 동위원소 중 가장 반감기가 긴 것은 ¹⁰⁶Ru로 373.59 일의 반감기를 가지고, 그 다음은 ¹⁰³Ru (반감기 39.26일), ⁹⁷Ru (반감기 2.9일) 순이다.^{[3][4][70][71]}

15개의 다른 방사성 동위원소들은 89.93 u (⁹⁰Ru)부터 114.928 u (¹¹⁵Ru)의 범위의 원자량을 갖고 있다. 그 방사성 동위원소들 중 ⁹⁵Ru (반감기: 1.643 시간)와 ¹⁰⁵Ru (반감기: 4.44 시간)을 제외하고는 모두 반감기가 5분을 넘지 않는다.^{[3][4][70][71]}

자연적인 루테늄 동위원소 중 가장 존재 비율이 큰 ¹⁰²Ru보다 가벼운 루테늄 동위원소들의 일반적인 방사성 붕괴 방식은 전자 포획이고 ¹⁰²Ru보다 무거운 루테늄 동위원소들의 가장 흔한 붕괴 방식은 베타 붕괴이다.^{[3][4][70][71]} 그러므로 ¹⁰²Ru보다 가벼운 루테늄 동위원소는 테크네튬(Tc)으로, 무거운 루테늄 동위원소는 로듐(Rh)으로 붕괴한다.^{[3][4][70][71] 106}Ru는 우라늄(U)이나 플루토늄(Pu)의 방사성 붕괴 산물이다. 2017년에 감지된 대기 중 ¹⁰⁶Ru의 높은 농도는 러시아에서 발생한 것으로 추정되는 비공개 핵 사고와 관련이 있다.^[5]

5. 화합물

루테늄은 0에서 +8, 그리고 -2의 산화수를 가진다. 주로 루테늄과 오스뮴(Os)의 화합물은 성질이 비슷하다. +2, +3, 그리고 +4의 산화수가 가장 일반적이다. 삼염화 루테늄은 붉은 고체로, 화학적으로 많이 연구되지는 않았지만 종합적으로는 유용한 화합물이다.^[155]

5. 1. 산화물과 칼코젠화물

5. 2. 할로젠화물과 옥시할로젠화물

5. 3. 배위 화합물 및 유기 금속 화합물

6. 역사

1807년, 폴란드의 화학자 예드제이 슈냐데츠키는 남아메리카산 백금 광석에서 원소 44(베스티움)를 분리했을 가능성이 있다고 발표했으나,^[24] 연구가 확인되지 않아 발견 주장을 철회했다.^[8]

1827년, 옌스 야코브 베르셀리우스와 고트프리트 오산은 우랄 산맥에서 채취한 백금을 왕수에 녹인 잔여물을 조사하던 중 거의 루테늄을 발견할 뻔했다.^[25] 베르셀리우스는 특이한 금속을 발견하지 못했지만, 오산은 플루라늄, 루테늄, 폴리늄이라고 명명한 세 가지 새로운 금속을 발견했다고 생각했다.^[97] 이 불일치로 인해 잔류물의 구성에 대해 베르셀리우스와 오산 사이에 오랫동안 논쟁이 벌어졌다.^[98] 오산은 루테늄 분리를 재현할 수 없었기 때문에, 결국 자신의 주장을 철회했다.^[98][99] 오산이 분석한 샘플이 러시아 우랄 산맥에서 나왔기 때문에 "루테늄"이라는 이름을 선택했다.^[100]

1844년, 발트 독일계 러시아 과학자 카를 에른스트 클라우스는 고트프리트 오산이 준비한 화합물에 소량의 루테늄이 포함되어 있음을 보였고, 같은 해에 루테늄을 발견했다.^[97][93] 클라우스는 카잔 대학교에서 루블 생산 과정에서 남은 백금 잔여물에서 루테늄을 분리했다.^[98] 클라우스는 산화 루테늄에 새로운 금속이 포함되어 있음을 보였고, 왕수에 녹지 않는 조잡한 백금에서 6g의 루테늄을 얻었다.^[98] 클라우스는 조국(러시아)을 기리기 위해 새 원소의 이름을 루테늄(Ruthenia^la)으로 명명했다.^[98][102]

6. 1. 명칭

7. 분포 및 생산

루테늄은 지구 지각에 약 100 ppt (parts per trillion)의 비율로 존재하며, 이는 풍부도 순위로 78번째에 해당한다.^[72][73] 일반적으로 우랄 산맥과 북미, 남미 지역의 다른 백금족 원소 광석과 함께 발견된다. 캐나다 온타리오주의 서드베리에서 채굴되는 펜틀란다이트와 남아프리카 공화국의 감람암(파이록세나이트) 광상에서도 상업적으로 중요한 소량이 발견된다.^[74][75]

매년 약 30톤의 루테늄이 채굴되며,^[103] 세계 매장량은 5,000톤으로 추산된다.^[72] 채굴된 백금족 금속(PGM) 혼합물의 구성은 지구화학적 생성 과정에 따라 크게 달라진다. 예를 들어, 남아프리카에서 채굴되는 PGM에는 평균 11%의 루테늄이 포함되어 있는 반면, 구소련에서 채굴된 PGM에는 2%만 포함되어 있다(1992년 기준).^[76][77] 루테늄, 오스뮴, 이리듐은 주요 백금족 금속으로 간주된다.

다른 백금족 금속과 마찬가지로 루테늄은 니켈, 구리, 그리고 백금 금속 광석을 처리하는 과정에서 부산물로 상업적으로 얻어진다. 구리 및 니켈의 전해 정련 과정에서 은, 금, 그리고 백금족 금속과 같은 귀금속은 양극 슬러지로 침전되는데, 이는 추출을 위한 원료가 된다.^[79][80] 원료의 구성에 따라 여러 가지 방법 중 하나를 사용하여 금속을 이온화된 용질로 전환한다. 한 가지 대표적인 방법은 과산화나트륨과의 용융 후 왕수에 용해시키고, 염소와 염산의 혼합물에 용액으로 만드는 것이다.^[81][82] 오스뮴(Os), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 이리듐(Ir)은 왕수에 불용성이며 쉽게 침전되어 다른 금속을 용액에 남긴다. 로듐은 용융된 중황산나트륨으로 처리하여 잔류물에서 분리한다. Ru, Os, Ir을 포함하는 불용성 잔류물은 산화나트륨으로 처리하는데, 이때 Ir은 불용성이며, Ru와 Os 염이 용해된다. 휘발성 산화물로 산화시킨 후, 염화암모늄으로 (NH₄)₃RuCl₆을 침전시키거나, 휘발성 사산화오스뮴을 증류 또는 유기 용매로 추출하여 를 에서 분리한다.^[83] 수소는 암모늄 루테늄 염화물을 환원시켜 분말을 얻는 데 사용된다.^[97][84] 생성물은 수소를 이용하여 환원시켜 분말 또는 해면상 금속 형태의 금속을 얻는데, 이는 분말 야금 기술이나 아르곤-아크 용접으로 처리할 수 있다.^[97][85]

==== 핵연료 재처리 ====

루테늄은 사용 후 핵연료에서 직접적인 핵분열 생성물이며, 장수명 핵분열 생성물 테크네튬/technetium^영어-99()의 중성자 흡수 생성물로 존재한다.^[16][17] 불안정한 루테늄 동위원소가 붕괴된 후 화학적 추출을 통해 얻을 수 있다. 핵 재처리 과정을 통해 사용후핵연료에서 루테늄을 회수하려는 제안이 제기되기도 한다.^[16][17]

약 20억 년 전에 활동했던 가봉 오클로의 천연 핵분열 원자로에서 특이한 루테늄 매장량이 발견되기도 했다.^[16][17] 이곳에서 발견된 루테늄의 동위원소 비율은 과거에 핵분열 연쇄 반응이 일어났음을 확인하는 데 사용되었다.

는 비교적 긴 반감기, 높은 핵분열 생성 수율, 환경 내 높은 화학적 이동성을 가지며, 상업적 규모의 핵 변환에 자주 제안되는 비-악티늄족 원소 중 하나이다.^[18][19] 는 비교적 큰 중성자 반응 단면적을 가지며, 안정적인 동위원소가 없어 중성자 활성화 문제가 없다. 핵분열과 핵의학에서 의 사용 부산물로 생성되는 표적을 중성자 방사선에 노출시키면 상당량의 루테늄을 얻을 수 있다.^[18][19]

7. 1. 핵연료 재처리

8. 응용

2016년에는 약 30.9톤의 루테늄이 소비되었는데, 그중 13.8톤은 전기 응용 분야, 7.7톤은 촉매, 4.6톤은 전기화학 분야에 사용되었다.^[31]

루테늄은 백금 및 팔라듐 합금을 경화시키기 때문에, 얇은 막만으로도 원하는 내구성을 얻을 수 있는 전기 접점에 사용된다. 로듐과 유사한 특성을 가지면서도 비용이 저렴하기 때문에,^[15] 전기 접점은 루테늄의 주요 용도이다.^[6][32] 루테늄 도금은 전기도금^[33] 또는 스퍼터링^[34]을 통해 전기 접점 및 전극 기판 금속에 적용된다.

이산화루테늄과 납 및 비스무트 루테네이트는 두꺼운 막 칩 저항기에 사용된다.^[35][36][37] 이 두 가지 전자 응용 분야가 루테늄 소비량의 50%를 차지한다.^[8]

전자공학 분야는 루테늄의 가장 큰 용도이다.^[31] 루테늄 금속은 특히 휘발성이 낮아 마이크로전자 장치에 유리하며, 루테늄과 주된 산화물인 RuO₂는 비슷한 전기 저항률을 갖는다.^[50] 루테늄 위에 구리를 직접 전기도금할 수 있어,^[51] 특히 장벽층, 트랜지스터 게이트 및 상호연결 등에 사용된다.^[52]

루테늄은 백금족 원소를 제외한 다른 금속과는 거의 합금되지 않지만, 소량 첨가하면 일부 특성이 개선된다. 티타늄 합금의 내식성이 향상됨에 따라 0.1% 루테늄이 포함된 특수 합금이 개발되었다.^[38] 루테늄은 또한 일부 고급 고온 단결정 초합금에도 사용되며, 제트 엔진의 터빈 등에 응용된다. EPM-102(루테늄 3% 함유), TMS-162(루테늄 6% 함유), TMS-138,^[39] TMS-174^[40][41] 등 여러 니켈 기반 초합금 조성이 있으며, 후자 두 가지에는 6%의 레늄이 포함되어 있다.^[42] 만년필 촉은 종종 루테늄 합금으로 끝을 마감한다. 1944년부터 파커 51 만년필에는 96.2% 루테늄과 3.8% 이리듐으로 끝을 마감한 14K 금 촉인 "RU" 촉이 장착되었다.^[43]

루테늄은 지하 및 수중 구조물의 음극 방식 보호와 염수에서 염소를 생성하는 전해 전지 등의 공정에 사용되는 혼합 금속 산화물(MMO) 양극의 구성 요소이다.^[44]

많은 루테늄 함유 화합물은 유용한 촉매 특성을 나타낸다. 염화루테늄(III)을 포함하는 용액은 올레핀 메타세시스에 매우 활성적이다. 이러한 촉매는 예를 들어 폴리노르보르넨 생산에 상업적으로 사용된다.^[54] 잘 정의된 루테늄 카르벤 및 알킬리덴 착물은 유사한 반응성을 보이지만 소규모로만 사용된다.^[55] 예를 들어 그럽스 촉매는 의약품과 첨단 소재의 제조에 사용되어 왔다.

8. 1. 촉매

8. 2. 신규 응용 분야

8. 3. 마이크로일렉트로닉스

9. 건강 영향

루테늄의 건강 영향에 대해서는 알려진 바가 거의 없으며, 사람들이 루테늄 화합물을 접하는 경우는 비교적 드물다.^[61] 금속 루테늄은 화학적으로 불활성(화학적으로 반응성이 없다)하다.^[61] 일부 화합물, 예를 들어 사산화 루테늄(RuO₄)은 고독성이고 휘발성이 높다.^[62]

10. 대한민국과 루테늄

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