프라세오디뮴

3. 명칭

"프라세오디뮴"이라는 명칭은 그리스어로 파슬리를 의미하는 "prason"과 디디뮴(원래는 쌍둥이를 의미하는 "didymos"에서 유래)을 합성한 것이다. 이는 프라세오디뮴의 3가 이온이 녹색을 띠는 것에서 유래했다.^[59]

일본어 명칭인 "프라세오지무"는 독일어 "Praseodym"에서 유래했다. 간혹 "프라세오디움"으로 표기되기도 하지만, 이는 잘못된 명칭이다.

4. 성질

프라세오디뮴은 란타넘족의 세 번째 원소이며, 주기율표상에서 세륨의 오른쪽, 네오디뮴의 왼쪽에 위치한다. 이론적으로 프라세오디뮴의 5개 외곽 전자 모두 원자가 전자 역할을 할 수 있지만, 일반적인 화학반응에서는 3개 또는 4개의 전자를 내놓는다. 란타넘족 원소 중 가장 앞쪽에 위치하여 핵전하가 낮고 4f 껍질의 에너지가 높아, 예외적인 경우 +4, +5 산화수를 가질 수 있다.^[7]

3가의 란타넘족 원소처럼 프라세오디뮴은 상온에서 이중 조밀육방격자 구조를 가진다. 560°C에서 면심입방격자 구조로, 935°C 이하에서는 짧게 체심입방격자 구조로 나타난다. 1 K 이상의 온도에서 상자성을 띤다.^[2]

프라세오디뮴은 은백색 광택을 가지나, 공기 중에서 산화하여 황백색을 띤다. 아연보다 단단하며, 뜨거운 물과 반응해 수소 기체를 발생시킨다. 보통 +3가 산화수를 가지며, 녹는점은 935°C, 끓는점은 3127°C이다.

4. 1. 물리적 성질

4. 2. 화학적 성질

5. 동위원소

프라세오디뮴은 자연적으로 발생하는 안정한 동위원소인 ¹⁴¹Pr^영어만을 가지고 있다. 따라서 프라세오디뮴은 단핵종 원소이자 단일 동위원소 원소이며, 자연 상수이기 때문에 표준 원자량을 매우 정확하게 결정할 수 있다. 이 동위원소는 중성자 수가 82개인데, 이는 마법수로 추가적인 안정성을 부여한다.^[24] 이 동위원소는 별에서 s-과정과 r-과정(각각 느린 중성자 포획과 빠른 중성자 포획)을 통해 생성된다.^[25]

다른 38개의 방사성 동위원소가 합성되었다. 이들 동위원소는 모두 반감기가 하루 미만(대부분 1분 미만)이며, 반감기가 13.6일인 ¹⁴³Pr^영어이 유일한 예외이다. ¹⁴³Pr^영어과 ¹⁴¹Pr^영어은 모두 우라늄의 핵분열 생성물로 나타난다. ¹⁴¹Pr^영어보다 가벼운 동위원소의 주된 붕괴 방식은 양전자 방출 또는 전자 포획을 통해 세륨 동위원소가 되는 것이고, 더 무거운 동위원소의 주된 붕괴 방식은 베타 붕괴를 통해 네오디뮴 동위원소가 되는 것이다.^[24]

6. 존재 및 생산

프라세오디뮴은 희토류 원소이지만, 지각에 9.2mg/kg 정도 존재하여 특별히 희귀한 원소는 아니다.^[36] 프라세오디뮴이 희토류 원소로 분류되는 이유는 석회나 마그네시아와 같은 "일반적인 토류"에 비해 상대적으로 희귀하며, 상업적으로 채굴이 가능한 프라세오디뮴 함유 광물이 적고, 추출 과정이 길고 복잡하기 때문이다.^[37] 프라세오디뮴은 주로 모나자이트(M^IIIPO₄)와 바스트네사이트(M^IIICO₃F)와 같은 광물에서 발견되는데, 여기서 M은 스칸듐과 방사성 프로메튬을 제외한 모든 희토류 금속을 의미하며 주로 세륨(Ce), 란타넘(La), 이트륨(Y)이고 네오디뮴(Nd)과 프라세오디뮴(Pr)은 약간 적다.^[34] 세륨, 란타넘, 네오디뮴보다 함량이 적게 발견된다.^[38]

7. 용도

프라세오디뮴은 다양한 산업 분야에서 활용되는 희토류 원소이다. 특히, 대한민국에서는 2차 전지 및 영구자석 등 첨단 산업에 필수적인 소재로 주목받고 있다.

• 착색제: 유리 및 세라믹에 노란색 또는 황록색을 내는 데 사용된다. 대표적인 예로, 지르콘 격자에 고용된 '프라세오디뮴 옐로우' 안료는 녹색 기미 없이 순수한 노란색을 띤다.^[40]
• 광학 분야: 긴 여기 상태 수명과 높은 발광 수율 덕분에 광섬유 증폭기, 레이저 등 광학 및 광자 공학 분야에 응용된다.^{[41][42][43][44]}
• 영구 자석: 네오디뮴과 함께 강력한 영구 자석을 만드는 데 사용되어 풍력 터빈, 전기 자동차 등 친환경 에너지 분야에서 중요한 역할을 한다.^[46]
• 합금: 항공기 엔진에 사용되는 고강도 마그네슘 합금의 재료로 활용된다.^[48][49]
• 영화 산업: 영화 산업에서 사용되는 조명용 탄소 아크등의 코어를 형성하는 데 사용된다.^[50]
• 보안경: 디디뮴 유리의 구성 요소로, 용접 및 유리 불기 작업 시 유해 광선으로부터 눈을 보호하는 보안경 제작에 사용된다.^[4]

7. 1. 구체적인 활용 사례

• 유리 착색제: Pr₆O₁₀는 유리에 황록색을 띠게 하는 착색제로 사용된다. 1920년대 후반, 레오 모저는 프라세오디뮴을 사용하여 "프라세미트(Prasemit)"라는 황록색 유리를 만들었지만, 당시에는 더 저렴한 착색제로 비슷한 색을 낼 수 있어 널리 사용되지는 않았다.^[40]
• 프라세오디뮴 옐로우: 4가 프라세오디뮴 이온이 지르콘에 고용된 황색 안료이다. 지르콘 격자에 고용액으로 존재하며, 녹색 기미가 전혀 없는 것이 특징이다.^[40]
• 광섬유 증폭기: 여기 광의 파장 제어를 위해 첨가된다. Pr³⁺는 긴 여기 상태 수명과 높은 발광 수율을 가지므로, DPSS 레이저, 단일 모드 광섬유 광 증폭기,^[41] 광섬유 레이저,^[42] 상향 변환 나노입자^[43][44] 등에 활용된다.
• 프라세오디뮴 자석: 코발트와의 합금은 강력한 자성을 띠는 영구 자석 재료로 사용된다.^[58] 네오디뮴과 결합하여 강도와 내구성이 뛰어난 고출력 자석을 만들기도 한다.^[46] 이러한 자석은 모터, 프린터, 시계, 헤드폰, 스피커 및 자기 저장 장치와 같은 소형 장비에 사용된다.^[47]
• 디디뮴: 네오디뮴과의 합금은 방현 유리, 방진 유리, 특수 합금 등에 사용된다.^[58]
• 인조 페리도트: 큐빅 지르코니아 기반 인조 페리도트의 색을 내는 데 사용된다.
• 탄소 아크등: 전극봉 심에 포함되어 영화 산업에서 스튜디오 조명 및 영사기 조명에 사용된다.^[50]
• 기타:
• 프라세오디뮴-니켈 금속간 화합물(PrNi₅)은 매우 강한 자기 열량 효과를 가져 과학자들이 절대 영도의 1/1000도까지 접근할 수 있게 해주었다.^[50]
• 마그네슘과의 합금제로 항공기 엔진에 사용되는 고강도 금속을 만드는 데 사용된다.^[48][49]
• 프라세오디뮴 화합물은 유리, 유약 및 세라믹에 노란색을 부여한다.^[4][47]
• 특정 유형의 용접 및 유리 불기 작업자용 보호 안경을 만드는 데 사용되는 디디뮴 유리의 구성 요소이다.^[4]
• 세리아 또는 세리아-지르코니아와 고용액으로 된 프라세오디뮴 산화물은 산화 촉매로 사용되었다.^[51]

8. 핵변환

2014년, 미쓰비시중공업은 중수소를 사용하여 적은 에너지로 세슘을 프라세오디뮴으로 핵변환시키는 실험에 성공하였다.^[60]

9. 프라세오디뮴 화합물

• PrT|4|X|12^영어 (T = Fe, Ru, Os; X = P, As, Sb; 충진 스쿠테루다이트 화합물)
• 육프라세오디뮴십일산화물 (Pr|6|O|11^영어) - 3가 및 4가의 혼합 산화물
• 황산프라세오디뮴(III) (Pr|2|(SO|4|)|3|·8H|2|O^영어) - 담녹색 결정

10. 안전성

프라세오디뮴은 다른 생물체에서 생물학적 역할을 하는 것으로 알려져 있지 않지만, 독성이 매우 강한 것도 아니다. 희토류 원소를 동물에게 정맥 주사하면 간 기능이 손상되는 것으로 알려져 있지만, 사람이 희토류 산화물을 흡입했을 때 주요 부작용은 방사성 토륨과 우라늄 불순물에서 비롯된다.^[47]

참조

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