루테튬

3. 화학적 성질 및 화합물

루테튬 화합물에서 루테튬은 거의 항상 +3 산화 상태를 가진다.^[15] 대부분의 루테튬 염 수용액은 무색이며, 요오드화물을 제외하고 건조하면 백색의 결정성 고체를 형성한다. 질산염, 황산염, 아세트산염과 같은 수용성 염은 결정화하면 수화물을 형성한다. 산화물, 수산화물, 불화물, 탄산염, 인산염, 옥살산염은 물에 녹지 않는다.^[36][82]

루테튬 금속은 표준 조건에서 공기 중에서 약간 불안정하지만 150 °C에서 쉽게 연소되어 산화 루테튬을 형성한다. 생성된 화합물은 물과 이산화탄소를 흡수하는 것으로 알려져 있으며, 밀폐된 대기에서 이러한 화합물의 증기를 제거하는 데 사용될 수 있다.^[16] 루테튬과 물의 반응에서도 유사한 관찰 결과가 나타나는데, 차가울 때는 느리고 뜨거울 때 빠르며, 이 반응에서 수산화 루테튬이 생성된다.^[17][64] 루테튬 금속은 가장 가벼운 네 가지 할로겐과 반응하여 삼할로겐화물을 형성하는 것으로 알려져 있으며, 불화물을 제외하고는 물에 용해된다.

루테튬은 약산^[16][63]과 묽은 황산에 쉽게 용해되어 무색의 루테튬 이온을 포함하는 용액을 형성하며, 이 이온은 7~9개의 물 분자에 배위되어 평균 [Lu(H₂O)_8.2]³⁺이다.^[18][65] 반응식은 다음과 같다.

:2 Lu + 3 H₂SO₄ → 2 Lu³⁺ + 3 SO₄^2- + 3 H₂↑

3. 1. 산화 상태

4. 동위원소

자연에는 두 가지 루테튬 동위원소가 존재하는데, 루테튬-175와 루테튬-176이다. 루테튬-175는 안정 동위원소이며, 루테튬은 단일동위원소 원소이다. 루테튬-176은 베타 붕괴를 통해 하프늄(Hf)-176으로 붕괴하며, 반감기는 378억 년으로 자연계 루테튬의 약 2.5%를 차지한다. 루테튬-176은 우주 핵우주시계로서도 기대되고 있다.

149에서 190까지의 질량수를 가진 40가지의 루테튬 합성 방사성 동위원소가 확인되었다. 이 중 가장 안정적인 것은 반감기가 3.31년인 루테튬-174와 반감기가 1.37년인 루테튬-173이다. 나머지 모든 방사성 동위원소의 반감기는 9일 미만이며, 대부분은 30분 미만이다. 안정적인 루테튬-175보다 가벼운 동위원소는 전자 포획을 통해 이터븀 동위원소를 생성하며, 일부는 알파 붕괴와 양전자 방출을 한다. 무거운 동위원소는 주로 베타 붕괴를 통해 하프늄 동위원소를 생성한다.

루테튬은 또한 150, 151, 153-162, 166-180의 질량수를 가진 43가지의 핵 이성질체가 알려져 있다 (모든 질량수가 하나의 이성질체에만 해당하는 것은 아니다). 이 중 가장 안정적인 것은 반감기가 160.4일인 루테튬-177m과 반감기가 142일인 루테튬-174m이다. 이들은 루테튬-173, 174, 176을 제외한 모든 방사성 루테튬 동위원소의 기저 상태 반감기보다 길다.

5. 역사

루테튬(Lutetium)은 파리(Paris)의 라틴어 이름인 루테티아(Lutetia)에서 유래했다.^[20][21] 1907년 프랑스 과학자 조르주 위르뱅(Georges Urbain), 오스트리아 광물학자 바론 칼 아우어 폰 벨스바흐(Carl Auer von Welsbach), 그리고 미국 화학자 찰스 제임스(Charles James)가 각각 독립적으로 발견했다.^[20][21] 이들은 스위스 화학자 장 샤를 갈리사르 드 마리냐크(Jean Charles Galissard de Marignac)가 순수한 이터븀(ytterbium)으로 생각했던 이터븀석(ytterbia)에서 불순물로 루테튬을 발견했다.^[22]

과학자들은 원소에 대해 서로 다른 이름을 제안했는데, 위르뱅은 ''네오이터븀(neoytterbium)''과 ''루테튬(lutecium)''을,^[23] 벨스바흐는 ''알데바라늄(aldebaranium)''과 ''카시오페이움(cassiopeium)'' (알데바란(Aldebaran)과 카시오페이아자리에서 유래)을 선택했다.^[24]

국제 원자량 위원회는 1909년 위르뱅에게 우선권을 부여하고 마리냐크의 이터븀으로부터 루테튬을 분리한 것이 위르뱅에 의해 처음으로 기술되었다는 사실을 근거로 그의 이름을 공식적인 이름으로 채택했다.^[22] 위르뱅의 이름이 인정된 후, 네오이터븀은 다시 이터븀으로 돌아갔다. 1950년대까지 일부 독일어권 화학자들은 루테튬을 벨스바흐의 이름인 ''카시오페이움(cassiopeium)''이라고 불렀다.^[31] 1949년, 71번 원소의 명칭이 루테튬으로 변경되었다.

찰스 제임스는 당시 가장 많은 양의 루테튬을 보유하고 있었다.^[32] 순수한 루테튬 금속은 1953년에 처음 생산되었다.^[32]

6. 분포 및 생산

루테튬은 다른 희토류 원소와 함께 발견되지만 단독으로는 발견되지 않아 분리가 매우 어렵다. 주요 상업적 공급원은 희토류 인산염 광물인 모나자이트인데, 이 광물에는 루테튬이 0.0001%만 함유되어 있다.^[16] 이는 지각 내 루테튬의 풍부도(약 0.5 mg/kg)보다 약간 높은 수준이다.^[33] 현재 루테튬이 주성분인 광물은 알려져 있지 않다.^[33]

주요 채굴 지역은 중국, 미국, 브라질, 인도, 스리랑카, 호주이다. 루테튬(산화물 형태)의 세계 생산량은 연간 약 10톤이다.^[32] 순수한 루테튬 금속은 제조가 매우 어려워 희토류 금속 중 가장 희귀하고 비싸며, 가격은 킬로그램당 약 10,000달러로 금의 4분의 1 정도이다.^[34][35]

파쇄된 광물은 뜨거운 농축 황산으로 처리하여 희토류의 수용성 황산염을 생성한다. 토륨은 수산화물로서 용액에서 침전되어 제거된다. 그 후 용액을 옥살산암모늄으로 처리하여 희토류를 불용성 옥살산염으로 전환한다. 옥살산염은 어닐링에 의해 산화물로 전환된다. 산화물은 질산에 용해되는데, 세륨은 산화물이 HNO₃에 불용성인 주요 성분 중 하나이므로 제외된다. 루테튬을 포함한 여러 희토류 금속은 질산암모늄과의 이중염으로 결정화에 의해 분리된다. 루테튬은 이온 교환에 의해 분리된다. 이 과정에서 희토류 이온은 수소, 암모늄 또는 구리 이온과 교환하여 적합한 이온 교환 수지에 흡착된다. 그런 다음 루테튬 염은 적합한 착화제로 선택적으로 씻어낸다. 루테튬 금속은 그 후 무수 LuCl₃ 또는 LuF₃의 환원에 의해 얻어지는데, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 사용한다.^[36]

:

7. 용도

소량의 루테튬은 여러 가지 특수 용도로 사용된다. 생산이 어렵고 가격이 비싸 다른 란타노이드보다 희귀하지만 화학적 성질은 크게 다르지 않아 상업적 용도는 거의 없다. 하지만 안정적인 루테튬은 정유소의 석유 분해 촉매로 사용될 수 있으며, 알킬화, 수소화, 중합에도 사용될 수 있다.^[83]

루테튬 알루미늄 가넷(Al₅Lu₃O₁₂)는 높은 굴절률을 가진 액침 리소그래피의 렌즈 재료로 사용될 수 있다고 제안되었다.^[84] 또한 자기 버블 메모리 장치에 사용되는 가돌리늄 갈륨 가넷(GGG)에 소량의 루테튬이 도펀트로 첨가되고 있다.^[85] 세륨을 도핑한 루테튬 옥시오르토실리케이트(LSO)는 현재 양전자 방출 단층 촬영(PET) 검출기에서 선호되는 화합물이다.^[86][87] 루테튬 알루미늄 가넷(LuAG)은 LED 전구의 형광체로 사용된다.^[88][89]

안정적인 루테튬 외에도 방사성 동위원소는 몇 가지 특정 용도가 있다. 루테튬-176은 반감기와 붕괴 모드가 적합하여, 중성자 활성화/neutron activation^영어된 루테튬을 이용한 순수 베타 방사체로, 그리고 운석의 연대 측정인 루테튬-하프늄 연대 측정법에도 사용된다.^[90] 도타테이트와 결합된 인공 동위원소 루테튬-177(소마토스타틴 유사체)은 실험적으로 신경내분비 종양의 표적 방사성핵종 치료에 사용된다.^[91] 실제로 루테튬-177은 신경내분비 종양 치료 및 골통 완화를 위한 방사성핵종으로서의 사용이 증가하고 있다.^[92][93] 연구에 따르면, 루테튬 이온 원자시계가 기존의 원자시계보다 높은 정확도를 제공할 수 있음이 입증되었다.^[94][95]

탄탈산 루테튬/Lutetium tantalate^영어 (LuTaO₄)는 가장 밀도가 높은 안정적인 백색 물질로 알려져 있다(밀도 9.81 g/cm³).^[96] 따라서 이상적인 X선 형광체이다.^[97][98] 이보다 밀도가 더 높은 유일한 백색 물질은 이산화토륨(밀도 10 g/cm³)이지만, 포함된 토륨은 방사성이다.

7. 1. 안정 동위원소

7. 2. 방사성 동위원소

8. 주의 사항

루테튬 및 그 화합물은 낮은 독성을 가지지만, 주의해서 취급해야 한다.^[16][63] 예를 들어, 플루오르화 루테튬(lutetium fluoride^영어)을 흡입하는 것은 위험하며, 피부 자극을 유발할 수 있다.^[16][63] 질산 루테튬(lutetium nitrate^영어)은 가열하면 폭발하고 타오를 수 있어 위험하다.^[16][63] 산화 루테튬(lutetium oxide^영어) 분말 또한 흡입하거나 섭취하면 유독하다.^[16][63]

루테튬은 알려진 생물학적 역할은 없지만, 사람의 뼈, 간, 신장 등에서 미량 발견된다.^[32][78] 루테튬 염은 자연에서 다른 란타넘족 원소 염과 함께 존재하며, 인체 내에 존재하는 양이 가장 적은 란타넘족 원소이다.^[32][78] 인간의 루테튬 섭취량은 정확히 알려져 있지 않지만, 식물에 의해 흡수된 미량으로부터 연간 수 마이크로그램 정도 섭취하는 것으로 추정된다.^[32][78] 수용성 루테튬 염은 약하게 독성이 있지만, 불용성 염은 그렇지 않다.^[32][78]

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