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3족 원소

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목차

1. 개요

3족 원소는 주기율표의 3족에 속하는 화학 원소로, 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 루테튬(Lu), 로렌슘(Lr)을 포함한다. 이들은 (n-1)d¹ns²의 전자 배치를 가지며 +3의 산화 상태를 나타내는 경향이 있다. 물리적, 화학적 증거에 의해 스칸듐, 이트륨, 루테튬, 로렌슘이 3족 원소로 분류되지만, 역사적으로는 란타넘(La)과 악티늄(Ac)을 포함하기도 했다. 3족 원소는 지각에 희소하게 존재하며, 스칸듐, 이트륨, 루테튬은 생물학적 역할이 밝혀지지 않았지만, 로렌슘은 방사능으로 인해 생세포에 유독하다.

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3족 원소
개요
3족 원소
주기율표에서 3족의 위치
원소스칸듐 (Sc)
이트륨 (Y)
루테튬 (Lu)
로렌슘 (Lr)
이전 명칭IIIB족
원자 번호21, 39, 71, 103
전자 배치d¹s²
족알칼리 토금속의 오른쪽, 4족의 왼쪽
CASIIIB
옛 IUPACIIIA
특징전이 금속
상태고체
스칸듐족
원소스칸듐과 이트륨
설명스칸듐족 원소는 화학적 성질이 유사하고 자연 발생한다.
스칸듐, 이트륨, 그리고 란타넘족 원소들을 포함하는 경우가 많다.
란타넘족 원소들은 란타넘과 루테튬 중 어느 원소를 포함하는지에 따라 분류가 달라진다.
란타넘족 원소들을 모두 포함하는 경우도 있다.
루테튬족
원소루테튬과 로렌슘
란타넘족 (란타넘에서 루테튬)
악티늄족 (악티늄에서 로렌슘)
설명루테튬족 원소는 루테튬과 로렌슘을 포함한다.
때때로 란타넘족 원소 전체를 포함하는 용어로 사용된다.
루테튬족 원소들은 화학적, 물리적 성질이 유사하다.
기타 정보
주의사항3족 원소의 정의는 관점에 따라 다르다.

2. 구성

3족 원소의 구성에 대해서는 어떤 원소들을 포함해야 하는지를 두고 논쟁이 있다. 물리적, 화학적, 전자적 증거는 3족 원소가 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 루테튬(Lu), 로렌슘(Lr)으로 구성된다는 것을 압도적으로 보여준다.[1][2][3][4][5][6][7] 이는 대부분의 화학자와 물리학자들이 채택한 분류이며,[2] 1988년 IUPAC 보고서[3]에서 지지되었고 2021년에 재확인되었다.[15]

그러나 많은 교과서에서는 역사적으로 잘못 측정된 전자 배치를 근거로 스칸듐, 이트륨, 란타넘(La), 악티늄(Ac)을 3족 원소로 포함하여 나타내기도 한다.[4] 레프 란다우와 예브게니 리프시츠는 이미 1948년에 Sc-Y-La-Ac 구성을 "잘못된 것"으로 지적했지만,[5] 이 문제는 1982년 윌리엄 B. 젠슨에 의해 학계에서 본격적으로 논의되기 시작했다.[4] 각 구성 방식에 대한 자세한 논의는 하위 섹션에서 다룬다.

2. 1. IUPAC 구성 (Sc, Y, Lu, Lr)

물리적, 화학적, 전자적 증거는 3족 원소가 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 루테튬(Lu), 로렌슘(Lr)이라는 것을 압도적으로 보여준다.[1][2][3][4][5][6][7] 이는 이 문제를 고려해 온 대부분의 화학자와 물리학자들이 채택한 분류이며,[2] 1988년 IUPAC 보고서[3]에서 지지되었고 2021년에 재확인되었다.[15] 그러나 많은 교과서에서는 역사적으로 잘못 측정된 전자 배치를 기반으로 스칸듐, 이트륨, 란타넘(La), 악티늄(Ac)을 포함하는 3족으로 나타낸다.[4] 레프 란다우와 예브게니 리프시츠는 이미 1948년에 이것을 "잘못된 것"으로 간주했지만,[5] 이 문제는 1982년 윌리엄 B. 젠슨에 의해서야 광범위한 논쟁으로 이어졌다.[4]

이트륨 아래의 공간을 비워두는 세 번째 방식도 때때로 사용되지만, 이 형식이 3족에 스칸듐과 이트륨만 포함하는지, 아니면 모든 란타넘족 원소와 악티늄족 원소를 포함하는지에 대해 문헌상 혼란이 있다.[15][18][8][9][10] 어느 쪽이든 이 형식은 f-전자가 14개만 들어갈 수 있는데 15개 원소 너비의 f-구역을 만들어 양자 물리학에 모순된다.[15] 2021년 IUPAC 보고서는 초중원소의 특성에 중점을 둔 상대론적 양자역학 전문가들이 15개 원소 너비의 f-구역을 지지하기도 한다는 점을 언급했지만, 해당 보고서의 의견은 그러한 특수 분야의 관심사가 주기율표를 "일반적인 화학 및 과학계"에 제시하는 방식에 영향을 미쳐서는 안 된다는 것이었다.[15] 실제로 Lu 및 Lr 화합물에 대한 상대론적 양자역학적 계산에서는 두 원소 모두에서 원자가 f-궤도가 발견되지 않았다.[11] 초중원소에 중점을 둔 다른 저자들은 이후 "f-구역의 15번째 항목은 f-구역 삽입물의 위치를 나타내기 위해 비워둔 d-구역의 첫 번째 자리를 나타낸다"고 명확히 하기도 했다. 이는 이 형식이 여전히 Lu와 Lr(문제의 15번째 항목)을 Sc와 Y 아래의 d-구역 원소로 간주한다는 의미이다.[12] 실제로 IUPAC 간행물에서는 표를 32열로 확장할 때 이를 명확히 하여 Y 아래에 Lu와 Lr을 배치한다.[13][14]

2021년 IUPAC 보고서에서 언급했듯이, Sc-Y-Lu-Lr 형식은 원자 번호 순서를 유지하고, d-구역을 "두 개의 매우 불균일한 부분으로 분할하는 것을 피하며", 양자역학에서 요구하는 블록의 정확한 너비(s=2, p=6, d=10, f=14)를 제공하는 유일한 형식이다.[15] Sc-Y-La-Ac 형식을 지지하는 주장이 여전히 문헌에서 발견될 수 있지만, 많은 저자는 그것들을 논리적으로 일관성이 없다고 본다.[4][2] 예를 들어, 란타넘(La)과 악티늄(Ac)은 원자가 f-전자껍질이 채워지기 시작하지 않았기 때문에 f-구역 원소가 될 수 없다는 주장이 제기되었다.[16] 그러나 이는 토륨(Th)에 대해서도 마찬가지이며, 토륨은 f-구역 원소로 분류되는 데 논쟁의 여지가 없다.[15][4] 또한 이러한 주장은 f-전자껍질이 이터븀(Yb)과 노벨륨(No)에서 채워지는 것이 완료된다는 점(Sc-Y-Lu-Lr 형식과 일치)을 간과하고, 루테튬(Lu)과 로렌슘(Lr)에서 완료된다고 가정(Sc-Y-La-Ac 형식)하는 문제를 안고 있다.[17] 란타넘, 악티늄, 토륨은 단순히 마델룽 규칙의 예외 사례일 뿐이다. 이러한 예외는 전체 원소 중 소수(118개 중 20개)에 불과하며,[17] 주기율표상 다른 원소의 위치를 결정하는 데 중요하게 고려된 적이 없다. 예를 들어, 기체 상태 원자에서는 d-전자껍질이 구리(Cu, 3d104s1), 팔라듐(Pd, 4d105s0), 금(Au, 5d106s1)에서 채워지지만, 화학자들은 이러한 배열이 예외적이며 d-구역이 마델룽 규칙에 따라 아연(Zn, 3d104s2), 카드뮴(Cd, 4d105s2), 수은(Hg, 5d106s2)에서 실제로 끝난다는 점을 받아들인다.[18] 배치와 관련된 핵심 사실은 란타넘과 악티늄(토륨과 마찬가지로)은 화학적 환경에서 채워질 수 있는 원자가 f-궤도를 가지고 있는 반면, 루테튬과 로렌슘은 그렇지 않다는 것이다.[6][21] Lu와 Lr의 f-전자껍질은 원자핵에 가까운 핵심 전자이며 화학 반응에 사용될 수 없다.[19][20] 따라서 이트륨(Y)과 란타넘(La)의 관계는 크로뮴(Cr)과 우라늄(U)처럼 원자가 전자 수는 같지만 원자가 궤도의 종류가 다른 원소 사이의 부차적인 관계에 해당한다. 반면, 이트륨(Y)과 루테튬(Lu)의 관계는 원자가 전자 수와 원자가 궤도 유형을 모두 공유하는 주된 관계이다.[21]

2. 2. 대안적 구성 (Sc, Y, La, Ac)

물리적, 화학적, 전자적 증거는 3족 원소가 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 루테튬(Lu), 로렌슘(Lr)이라는 것을 압도적으로 보여주지만,[1][2][3][4][5][6][7] 많은 교과서에서는 역사적으로 잘못 측정된 전자 배치를 기반으로 스칸듐, 이트륨, 란타넘(La), 악티늄(Ac)을 포함하는 3족으로 나타낸다.[4] 레프 란다우와 예브게니 리프시츠는 이미 1948년에 이러한 Sc-Y-La-Ac 구성을 "잘못된 것"으로 간주했지만,[5] 이 문제는 1982년 윌리엄 B. 젠슨에 의해 비로소 학계의 광범위한 논쟁으로 이어졌다.[4]

Sc-Y-La-Ac 구성에 찬성하는 주장이 여전히 문헌에서 발견되지만, 많은 과학자들은 이를 논리적으로 일관성이 없다고 본다.[4][2] 예를 들어, 란타넘과 악티늄은 원자가 f-전자껍질이 채워지기 시작하지 않았기 때문에 f-구역 원소가 될 수 없다는 주장이 제기되었다.[16] 그러나 이는 토륨(Th)의 경우에도 마찬가지이며, 토륨은 f-구역 원소로 분류되는 데 논란이 없다.[15][4] 또한 이러한 주장은 f-전자껍질이 언제 채워지는지에 대한 문제를 간과한다. f-전자껍질은 이터븀(Yb)과 노벨륨(No)에서 채워지는 것이 완료되는데, 이는 Sc-Y-Lu-Lr 형식과 일치한다. 반면 Sc-Y-La-Ac 형식에서처럼 루테튬과 로렌슘에서 f-전자껍질 채워짐이 완료되는 것은 아니다.[17]

란타넘, 악티늄, 토륨의 전자 배치는 마델룽 규칙의 예외적인 사례이다. 이러한 예외는 전체 원소 중 소수(118개 중 20개)에 불과하며,[17] 주기율표에서 다른 원소의 위치를 결정하는 데 고려된 적이 없다. 예를 들어, 기체 상태 원자에서 d-전자껍질은 구리(Cu, 3d104s1), 팔라듐(Pd, 4d105s0), 금(Au, 5d106s1)에서 채워지지만, 화학자들은 이것이 예외적인 배열이며 d-구역은 마델룽 규칙에 따라 아연(Zn, 3d104s2), 카드뮴(Cd, 4d105s2), 수은(Hg, 5d106s2)에서 끝난다는 점에 동의한다.[18]

전자 배치와 관련된 중요한 사실은 란타넘과 악티늄(토륨과 마찬가지로)은 화학적 환경에서 채워질 수 있는 원자가 f-궤도를 가지고 있는 반면, 루테튬과 로렌슘은 그렇지 않다는 점이다.[6][21] 루테튬과 로렌슘의 f-전자껍질은 원자핵에 가까운 코어(core)에 속해 있어 화학 반응에 참여하기 어렵다.[19][20] 따라서 이트륨과 란타넘의 관계는 크로뮴(Cr)과 우라늄(U)처럼 원자가 전자 수는 같지만 원자가 궤도의 종류가 다른 원소들 사이의 부차적인 관계에 해당한다. 반면, 이트륨과 루테튬의 관계는 원자가 전자 수와 원자가 궤도 유형을 모두 공유하는 주된 관계이다.[21]

3. 역사

3족 원소의 발견은 자연에서 함께 산출되는 희토류의 발견 역사와 밀접하게 연관되어 있다. 이 과정은 1787년 스웨덴의 화학자 칼 악셀 아레니우스가 이터비 마을 인근에서 검은색 암석을 발견하면서 시작되었다.[22] 이후 핀란드의 요한 가돌린이 이 암석에서 새로운 산화물인 이트리아(yttria)를 확인했으며,[24][25] 이는 이트륨(Y)의 발견으로 이어졌다. 그러나 이트리아는 단일 산화물이 아닌 여러 희토류 원소 산화물의 혼합물이었고,[25] 금속 이트륨은 1828년 프리드리히 뵐러에 의해 처음 분리되었다.[27][28]

1869년 드미트리 멘델레예프는 주기율표에서 이트륨 위의 빈칸에 해당하는 '에카-붕소'라는 원소를 예측했다.[29] 이트리아에 대한 연구가 계속되면서 1879년 라르스 프레드리크 닐손은 장 샤를 갈리사르 드 마리냐크가 분리한 이터비아(ytterbia)에서 새로운 원소를 발견하고, 스칸디나비아를 기려 스칸듐(Sc)이라고 명명했다.[30][31] 페르 테오도르 클레베는 스칸듐이 멘델레예프가 예측한 에카-붕소와 일치함을 확인하여 주기율표의 정확성을 입증하는 데 기여했다.[32] 금속 스칸듐은 1937년에 처음으로 생산되었다.[33]

마리냐크가 분리한 이터비아 역시 순수한 물질이 아니었다. 1907년 조르주 뷔르뱅[34], 칼 아우어 폰 벨스바흐, 찰스 제임스[35]는 각자 독립적으로 이터비아에서 새로운 원소를 발견했다. 명명권을 둘러싼 뷔르뱅('루테튬', lutecium)과 벨스바흐('카시오페이움', cassiopeium)의 논쟁 끝에[36][37] 뷔르뱅의 이름이 채택되어 루테튬(Lu)이 되었다.[38] 루테튬은 마지막으로 발견된 안정적인 희토류 원소이다.[22]

로렌슘(Lr)은 자연적으로 존재하지 않는 유일한 3족 원소이다. 1961년 미국 버클리의 로렌스 방사선 연구소에서 앨버트 기오르소 연구팀이 캘리포늄 표적에 붕소 이온을 충돌시켜 처음 합성했을 가능성이 크다.[42] 어니스트 로렌스의 이름을 따 '로렌슘'으로 명명되었으나,[42] 이후 소비에트 연방 두브나 연구소에서도 합성에 성공하면서[43] 발견 우선권 및 명명에 대한 논쟁이 있었다.[47][45] 결국 1992년 IUPAC은 두 연구팀을 공동 발견자로 인정했고,[47] 1997년 '로렌슘'이라는 이름과 'Lr' 기호를 최종 확정했다.[48]

3. 1. 이트륨

3족 원소의 발견은 자연에서 항상 함께 발견되는 희토류 원소의 발견과 밀접하게 연관되어 있다. 1787년, 스웨덴의 화학자 칼 악셀 아레니우스(Carl Axel Arrhenius)는 스웨덴 이터비(Ytterby) 마을 근처에서 무거운 검은색 암석을 발견했다.[22] 그는 이 암석이 새로 발견된 원소 텅스텐[23]을 포함하는 미지의 광물이라 생각하고, 발견지의 이름을 따 '이터바이트'(ytterbite)라고 명명했다. 핀란드 과학자 요한 가돌린(Johan Gadolin)은 1789년 아레니우스가 보낸 샘플에서 새로운 산화물, 즉 당시 용어로 '어스(earth)'를 확인했고, 1794년에 분석 결과를 발표했다.[24] 1797년, 이 새로운 산화물은 '이트리아'(yttria)로 명명되었다.[25] 앙투안 라부아지에(Antoine Lavoisier)가 현대적인 화학 원소 개념을 정립한 이후, 과학자들은 어스를 환원시키면 새로운 원소를 얻을 수 있다고 믿었다. 따라서 새로운 어스인 이트리아의 발견은 곧 새로운 원소 '이트륨'(yttrium)의 발견으로 여겨졌다. 1920년대 초까지 이트륨의 원소 기호는 "Yt"로 쓰였으나, 이후 "Y"가 일반적으로 사용되었다.[26]

순수한 형태는 아니었지만, 금속 이트륨은 독일 화학자 프리드리히 뵐러(Friedrich Wöhler)가 1828년에 처음으로 분리해냈다. 그는 무수 염화이트륨(III)을 칼륨과 함께 가열하여 금속 이트륨과 염화 칼륨을 얻는 데 성공했다.[27][28] 그러나 나중에 밝혀진 사실은 가돌린이 발견했던 이트리아가 단일 산화물이 아니라 여러 금속 산화물이 섞인 혼합물이었다는 점이다. 이는 이후 희토류 원소 발견 역사의 시작점이 되었다.[25] 실제로 이트리아에서는 계속해서 새로운 원소들이 분리되었다. 1843년 스웨덴 화학자 칼 구스타프 모산데르(Carl Gustaf Mosander)는 이트리아에서 '테르비아'(terbia)와 '에르비아'(erbia)라는 두 종류의 어스를 분리했다. 이후 1878년에는 스위스 화학자 장 샤를 갈리사르 드 마리냐크(Jean Charles Galissard de Marignac)가 테르비아와 에르비아를 다시 분리하여 '이터비아'(ytterbia, 구 에르비아의 구성 요소) 등을 발견했다.[22] 이러한 과정을 통해 이트륨을 포함한 여러 희토류 원소들이 점차 세상에 알려지게 되었다.

3. 2. 스칸듐

1869년 러시아 화학자 드미트리 멘델레예프(Dmitri Mendeleev)는 주기율표를 발표하면서 이트륨 위에 위치할 원소를 위한 빈칸을 남겨두었다.[29] 멘델레예프는 이 가상의 원소를 eka-boron|에카-붕소rus라고 부르며 여러 가지 성질을 예측했다. 당시 가돌린이 발견했던 이트리아는 이미 여러 차례 분리 실험이 이루어진 상태였다. 1843년 스웨덴 화학자 칼 구스타프 모산데르(Carl Gustaf Mosander)는 이트리아에서 테르비아(terbia)와 에르비아(erbia)를 분리했고, 1878년 스위스 화학자 장 샤를 갈리사르 드 마리냐크(Jean Charles Galissard de Marignac)는 이들을 다시 분리하여 이터비아(ytterbia)를 얻었다.[22]

1879년, 스웨덴 화학자 라르스 프레드리크 닐손(Lars Fredrik Nilson)은 마리냐크가 분리한 이터비아에서 새로운 원소를 성공적으로 분리해냈다.[30][31] 그는 이 원소를 스칸디나비아를 뜻하는 라틴어 'Scandia'에서 따와 스칸듐(scandium)이라고 명명했다. 닐손은 멘델레예프의 예측에 대해 알지 못했지만, 동료 화학자 페르 테오도르 클레베(Per Teodor Cleve)가 스칸듐의 성질이 멘델레예프가 예측한 에카-붕소와 일치한다는 사실을 발견하고 멘델레예프에게 이 사실을 알렸다. 스칸듐에 대한 화학 실험 결과는 멘델레예프의 예측이 정확했음을 증명했으며, 이는 갈륨과 저마늄의 발견과 더불어 주기율표와 주기율의 정확성을 확립하는 중요한 계기가 되었다.[32]

금속 형태의 스칸듐은 1937년에 처음으로 생산되었다. 이는 칼륨, 리튬, 그리고 염화스칸듐의 공융 혼합물을 700°C~800°C에서 전기 분해하는 방법을 통해 이루어졌다.[33] 스칸듐은 이트륨이 발견된 광석과 동일한 광석에 존재하지만, 그 양이 훨씬 적기 때문에 발견이 늦어졌다.[25]

3. 3. 루테튬

스위스의 화학자 장 샤를 갈리사르 드 마리냐크(Jean Charles Galissard de Marignac)는 1878년 에르비아에서 새로운 어스인 이터비아를 분리했다.[22] 그러나 이 이터비아 역시 순수한 물질이 아니었으며, 추가적인 분리 연구를 통해 새로운 원소가 발견되었다.

1907년, 프랑스 과학자 조르주 뷔르뱅(Georges Urbain)[34], 오스트리아 광물학자 바론 칼 아우어 폰 벨스바흐(Carl Auer von Welsbach), 그리고 미국 화학자 찰스 제임스(Charles James)[35]는 각각 독립적으로 마리냐크가 분리한 이터비아에서 새로운 원소를 발견하는 데 성공했다. 발견자들은 각자 다른 이름을 제안했는데, 폰 벨스바흐는 별자리 카시오페이아자리의 이름을 따서 '카시오페이움'(cassiopeium)을, 뷔르뱅은 파리의 라틴어 이름인 Lutetia|루테티아la에서 유래한 '루테튬'(lutecium)을 제안했다.

이후 뷔르뱅과 폰 벨스바흐 사이에는 누가 먼저 원소를 발견했는지를 두고 우선권 논쟁이 벌어졌다. 두 사람은 서로 상대방의 연구 결과에 영향을 받아 자신의 결과를 발표했다고 주장하는 논문을 발표하며 대립했다.[36][37] 1909년, 새로운 원소의 명칭을 결정하는 원자 질량 위원회는 뷔르뱅에게 우선권을 인정하고 그가 제안한 '루테튬'을 공식 명칭으로 채택했다. 하지만 이 결정 과정에서 뷔르뱅 자신이 위원회 위원 4명 중 한 명이었다는 점은 논란의 여지를 남겼다.[38] 1949년에는 원소 이름의 철자가 '루테튬'(lutetium)으로 변경되어 현재에 이르고 있다.[39][40]

후속 연구 결과, 뷔르뱅이 분리한 루테튬 샘플에는 새로운 71번 원소가 미량 포함되어 있었던 반면, 폰 벨스바흐가 분리한 카시오페이움 샘플이 순수한 71번 원소였음이 밝혀졌다. 이 때문에 많은 독일 과학자들은 1950년대까지 71번 원소를 '카시오페이움'이라고 불렀다. 한편, 우선권 논쟁에는 참여하지 않았던 찰스 제임스는 다른 두 사람보다 훨씬 큰 규모로 연구를 진행하여 당시 가장 많은 양의 순수한 루테튬을 확보했던 것으로 알려져 있다.[41]

루테튬은 발견된 마지막 안정적인 희토류 원소이다. 요한 가돌린이 처음 분리했던 이트리아는 1세기가 넘는 연구 끝에 이트륨, 스칸듐, 루테튬을 포함한 여러 새로운 원소들로 분리될 수 있었다.[22]

3. 4. 로렌슘

로렌슘(Lr)은 자연적으로 발생하지 않는 유일한 3족 원소이다. 1961년 2월 14일, 미국 버클리의 로렌스 버클리 국립 연구소(당시 로렌스 방사선 연구소) 소속 앨버트 기오르소(Albert Ghiorso)와 그의 연구팀이 처음으로 합성했을 가능성이 높다.[42] 연구팀은 중이온 선형 가속기(HILAC)를 사용하여 캘리포늄(Cf)의 세 가지 동위원소로 이루어진 표적에 붕소(B)-10과 붕소-11 원자핵을 충돌시켜 로렌슘 원자를 생성했다.[42] 처음에는 257Lr 동위원소를 발견했다고 보고했다.

버클리 연구팀은 사이클로트론 입자 가속기를 발명한 어니스트 로렌스(Ernest O. Lawrence)의 이름을 따서 새로운 원소의 이름을 로렌슘(lawrencium)으로, 원소 기호는 "Lw"로 제안했다.[42] 국제 순수·응용 화학 연합(IUPAC)은 이들의 발견을 인정했지만, 원소 기호는 "Lr"로 변경했다.[48]

그러나 1965년, 소비에트 연방(현재 러시아) 두브나(Dubna)의 핵물리학 연구소 연구팀은 256Lr 동위원소를 합성했다고 보고했다.[43] 이어 1967년에는 미국 연구팀이 보고한 257Lr에 대한 데이터를 확인할 수 없다고 주장하며,[44] 새로운 원소의 이름으로 루더포디움(rutherfordium)을 제안했다.[45] 두브나 연구팀은 IUPAC이 버클리 연구팀의 발견을 너무 성급하게 승인했다고 비판하기도 했다.[47]

이러한 논란 속에서 1971년, 버클리 연구팀은 로렌슘 동위원소의 핵 붕괴 특성을 측정하기 위한 추가 실험을 진행했다.[46] 이 실험을 통해 버클리와 두브나 연구팀의 이전 결과들이 대부분 확인되었지만, 1961년에 처음 보고했던 동위원소는 257Lr이 아니라 258Lr이었음이 밝혀졌다.[47]

결국 1992년, IUPAC의 트랜스페르뮴 워킹 그룹(Transfermium Working Group, TWG)은 두브나와 버클리의 연구팀 모두를 103번 원소의 공동 발견자로 공식 인정했다. 이후 1997년, IUPAC은 100번 이상의 원소 이름에 대한 최종 결정을 내리면서, 오랫동안 사용되어 온 로렌슘(lawrencium)이라는 이름과 "Lr" 기호를 103번 원소의 공식 명칭으로 확정했다. 한편, 두브나 팀이 제안했던 루더포디움(rutherfordium)이라는 이름은 버클리 팀이 해당 이름을 제안했던 104번 원소에 할당되었다.[48]

4. 성질

3족 원소는 일반적으로 +3가 산화 상태를 나타내는 경향이 있으며, 화학적 성질이 서로 유사하다. 특히 이트륨(Y)은 란타넘족의 무거운 원소들과 비슷한 성질을 보인다. 반면, 스칸듐(Sc)은 다른 3족 원소나 란타넘족 원소보다 알루미늄(Al)과 유사한 면모를 나타내며, 크기가 작고 염기성이 약한 특징이 있다. 악티늄족 원소 역시 란타넘족과 유사하지만, 더 높은 산화 상태를 가질 수 있다. 란타넘족과 악티늄족 이온은 대부분 유색이며 상자성을 띤다 (단, La3+, Ce4+, Yb2+, Lu3+ 등 일부 제외).

4. 1. 화학적 성질

다른 족 원소들과 마찬가지로 3족 원소들도 전자 배열, 특히 최외각 전자껍질에서 일정한 패턴을 보이며, 이는 화학적 성질의 경향성으로 이어진다.

3족 원소의 전자 배열
원자 번호원소전자 배열
21스칸듐(Sc)2, 8, 9, 2[Ar] 3d1 4s2
39이트륨(Y)2, 8, 18, 9, 2[Kr] 4d1 5s2
71루테튬(Lu)2, 8, 18, 32, 9, 2[Xe] 4f14 5d1 6s2
103로렌슘(Lr)2, 8, 18, 32, 32, 8, 3[Rn] 5f14 7s2 7p1



원자 번호가 커지면서 중요해지는 상대론적 효과 때문에, 로렌슘(Lr)의 실제 바닥 상태 전자 배열은 예상되는 [Rn] 5f14 6d1 7s2 대신 [Rn] 5f14 7s2 7p1 로 비정상적인 7p 오비탈이 채워진다.[49][50] 하지만 [Rn] 5f14 6d1 7s2 배열의 에너지 준위도 충분히 낮아서, 로렌슘의 화학적 성질은 다른 3족 원소들과 큰 차이를 보이지 않을 것으로 예상된다.[51][52]

대부분의 화학적 성질은 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 루테튬(Lu) 세 원소에서 주로 관찰되었다. 로렌슘의 화학적 성질은 아직 잘 알려지지 않았지만, 알려진 사실과 예측되는 성질은 루테튬의 무거운 동족체로서의 위치와 일치한다. 스칸듐, 이트륨, 루테튬은 매우 전기 양성적인 금속이다. 이들은 반응성이 크지만, 표면에 안정적인 산화물 보호층(M2O3)이 형성되어 겉으로는 반응성이 잘 드러나지 않는다. 이 금속들은 쉽게 연소하여 산화물을 생성하는데,[53] 이 산화물들은 녹는점이 높은 흰색 고체이다. 이들은 주로 +3의 산화 상태를 가지며, 대부분 이온성 화합물을 형성하고 수용액에서는 양이온(M3+)으로 존재한다. 이러한 점은 란타넘족 원소들과 유사하지만,[53] 란타넘(La)부터 이터븀(Yb)까지의 원소들처럼 화학적 성질에 4f 오비탈이 직접적으로 관여하지는 않는다.[54][55] 따라서 안정한 3족 원소(Sc, Y, Lu)는 종종 4f 원소들과 함께 희토류 원소로 분류된다.[53]

3족 원소는 전형적인 전이 금속의 특성은 거의 나타내지 않는다. 주된 산화 상태는 +3 하나이며, 배위 화학도 비교적 단순하다 (다만 M3+ 이온의 크기가 커서 높은 배위수를 가지는 경우가 흔하다). 하지만 +3 외에 낮은 산화 상태의 화합물도 만들 수 있으며, 일부 시클로펜타디에닐 착물도 알려져 있다. 3족 원소의 화학적 성질 차이는 주로 원자 반지름의 크기에 따라 나타난다.[53] 이트륨과 루테튬의 화학적 성질은 매우 유사하지만,[56] 스칸듐은 이들과 차이를 보인다. 스칸듐은 이들보다 염기성이 약하고 착물을 더 잘 형성하며, 일부 성질은 알루미늄(Al)과 비슷하다.[53] 스칸듐은 공유 결합 반지름과 이온 반지름 모두 다른 란타넘족 원소보다 작으며, 염화물은 란타넘족 염화물보다 휘발성이 높다. 반면, 이트륨의 반지름과 화학적 성질은 디스프로슘(Dy)이나 홀뮴(Ho)과 매우 유사하다.

희토류 원소들과 함께 비교할 때, 삼가 양이온(M3+)의 염기성은 다음과 같은 순서를 보인다: Sc < Lu < (무거운 란타넘족) < Y < (가벼운 란타넘족) < La.[57] 즉, 이트륨은 디스프로슘과 홀뮴 사이 정도의 염기성을 보이고, 루테튬은 란타넘족 중 가장 염기성이 약한 원소보다도 염기성이 더 약하며, 스칸듐은 루테튬보다도 염기성이 약하다. 스칸듐 산화물(Sc2O3)은 양쪽성을 나타내고, 루테튬 산화물(Lu2O3)은 더 염기성이 강하며(약간의 산성 특성도 보일 수 있음), 이트륨 산화물(Y2O3)은 더욱 염기성이 강하다.[58] 이 금속들이 강산과 반응하여 생성된 염은 물에 잘 녹지만, 플루오린화물, 인산염, 옥살산염과 같은 약산과의 염은 물에 잘 녹지 않거나 거의 녹지 않는다.[53]

4. 2. 물리적 성질

3족 원소의 물리적 성질 경향은 다른 초기 d-블록 원소족의 경향을 따르며, 5주기에서 6주기로 넘어가면서 채워진 f-궤도 전자들이 원자핵과 내부 전자껍질 사이에 추가되는 란타넘 수축 현상의 영향을 받는다. 예를 들어, 스칸듐과 이트륨은 모두 무른 금속이다. 그러나 란타넘 수축 때문에, 이트륨에서 루테튬으로 가면서 원자 반지름이 증가할 것이라는 예상과 달리 루테튬 원자는 이트륨 원자보다 약간 작다. 반면, 루테튬은 이트륨보다 더 무겁고 핵전하가 더 크다.[59][67] 이로 인해 루테튬은 이트륨보다 밀도가 높고, 원자에서 전자를 떼어내 금속 결합을 형성하기 어려워 더 단단한 성질을 나타낸다. 스칸듐, 이트륨, 루테튬 세 금속은 비슷한 녹는점과 끓는점을 가진다.[66] 로렌슘에 대해서는 아직 많은 정보가 알려지지 않았지만, 계산 결과에 따르면 더 무거운 동족 원소들의 경향을 따라 밀도가 증가할 것으로 예상된다.[60][61]

스칸듐, 이트륨, 루테튬은 모두 상온에서 육방 조밀 충진(hcp) 구조로 결정화되며,[62] 로렌슘도 같은 구조를 가질 것으로 예측된다.[63] 이 족의 안정한 원소들은 고온에서 결정 구조가 변하는 것으로 알려져 있다. 3족 원소들은 금속 결합에 참여할 수 있는 원자가 전자 수가 상대적으로 적기 때문에, 대부분의 다른 금속에 비해 열과 전기를 잘 전도하지 못하는 편이다.[62]

3족 원소의 성질[64]
원소 이름스칸듐 (Sc)이트륨 (Y)루테튬 (Lu)로렌슘 (Lr)
녹는점[65]1814 K, 1541°C1799 K, 1526°C1925 K, 1652°C1900 K, 1627°C
끓는점[66]3109 K, 2836°C3609 K, 3336°C3675 K, 3402°C?
밀도2.99g/cm34.47g/cm39.84g/cm3? 14.4g/cm3 (예측)[60][61]
겉보기은색 금속은백색은회색?
원자 반지름[67]162pm180pm174pm?


5. 존재 및 생산

3족 원소인 스칸듐, 이트륨, 루테튬은 지각에 매우 낮은 농도로 존재하며 희귀하다.[68] 이들은 주로 특정 광물에 포함되어 발견되며[69][70][71], 광석에서 분리하고 추출하는 과정은 복잡하다.

이 원소들은 대부분 산화물 형태로 생산되며, 특히 이트륨의 생산량이 가장 많다.[75][76] 순수한 금속 형태로 얻는 경우는 드물고[77][78], 주로 다른 원소를 추출하는 과정에서 부산물로 얻어진다.[77] 금속을 생산할 때는 산화물을 불화물로 전환시킨 후 칼슘 등으로 환원하는 과정을 거친다.[79]

5. 1. 존재

스칸듐, 이트륨, 루테튬은 지구 지각에서 다른 란타넘족 원소(프로메튬 제외)와 함께 발견되며, 광석에서 추출하기 어려운 경우가 많다. 3족 원소의 지각의 원소 존재량은 매우 낮다. 이 족의 모든 원소는 드물며, 가장 풍부한 원소는 이트륨으로 약 30 ppm(백만분율)의 존재량을 가진다. 스칸듐의 존재량은 16 ppm이고, 루테튬은 약 0.5 ppm이다. 비교를 위해 구리의 존재량은 50 ppm, 크롬은 160 ppm, 몰리브덴은 1.5 ppm이다.[68]

스칸듐은 여러 광물에 미량으로 산재되어 있다.[69] 스칸디나비아[70]와 마다가스카르[71]에서 산출되는 가돌리나이트, 유크세나이트, 토르베이타이트와 같은 희귀 광물이 이 원소의 유일하게 농축된 공급원이며, 특히 토르베이타이트는 산화스칸듐(III) 형태로 최대 45%의 스칸듐을 함유하고 있다.[70] 이트륨 또한 같은 경향을 보이며, 미국의 아폴로 계획 동안 채취된 달 암석 샘플에서도 상대적으로 높은 함량으로 발견되었다.[72]

Piece of a yellow-gray rock
모나자이트, 가장 중요한 루테튬 광석


루테튬의 주요 상업적 광석은 희토류 인산염 광물 모나자이트(Ce,La,등)PO4이며, 이 광물에는 0.003%의 루테튬이 포함되어 있다. 주요 채굴 지역은 중국, 미국, 브라질, 인도, 스리랑카, 오스트레일리아이다. 순수한 루테튬 금속은 가장 희귀하고 값비싼 희토류 금속 중 하나이며, 가격은 약 1만달러/kg으로, 금 가격의 4분의 1 정도이다.[73][74]

5. 2. 생산

3족 원소 중 가장 많이 생산되는 것은 이트륨으로, 2010년 연간 생산량은 8900ton에 달했다. 이트륨은 대부분 산화물 형태로 생산되며, 중국이 전 세계 생산량의 99%를 차지한다.[75] 루테튬과 스칸듐 역시 대부분 산화물 형태로 얻어지며, 2001년 기준 연간 생산량은 각각 약 10ton과 2ton이었다.[76]

3족 원소는 다른 원소를 추출하는 과정에서 부산물로서만 채굴된다.[77] 순수한 금속 형태로 생산되는 경우는 드물다. 금속 이트륨의 생산량은 몇 톤 정도이며, 스칸듐은 연간 10kg 수준이다.[77][78] 루테튬의 금속 생산량은 정확히 집계되지 않지만 매우 적을 것으로 추정된다.

금속을 얻기 위해서는 먼저 다른 희토류 금속으로부터 정제하여 산화물 형태로 분리한다. 이 산화물을 불화수소산과 반응시켜 불화물로 전환시킨다.[79]

:Sc₂O₃ + 3 HF → 2 ScF₃ + 3 H₂O

생성된 불화물은 알칼리 토금속 또는 그 합금을 사용하여 환원시킨다. 주로 금속 칼슘이 사용된다.[79]

:2 ScF₃ + 3 Ca → 3 CaF₂ + 2 Sc

6. 생물학적 역할 및 독성

3족 원소는 생물권에서 이용 가능성이 낮다. 스칸듐, 이트륨, 루테튬은 생물체에서 특별히 알려진 생물학적 역할이 없다. 반면 로렌슘은 방사능이 매우 강하여 살아있는 세포에 매우 유독하며 방사선 중독을 일으킬 수 있다.

스칸듐은 일반적으로 독성이 없는 것으로 알려져 있지만, 일부 화합물은 유해할 가능성이 제기된다.[80] 이트륨은 인체의 특정 장기에 축적되는 경향이 있다.[81] 루테튬은 주로 뼈에 축적되며, 물에 녹는 루테튬 염은 약한 독성을 나타낸다.[83] 이들 원소는 미량이지만 환경이나 식품 사슬을 통해 인체에 영향을 미칠 수 있다.[80][82][83]

6. 1. 스칸듐

스칸듐은 생물체 내에서 특별한 생물학적 역할이 알려져 있지 않다.

간 건강에 위협이 될 수 있으며, 일부 스칸듐 화합물은 발암성이 있을 가능성이 제기된다. 하지만 일반적으로 스칸듐 자체는 독성이 없는 것으로 여겨진다.[80] 스칸듐은 미량이지만 식품 사슬을 통해 인체에 들어올 수 있으며, 보통 사람은 하루에 0.1 마이크로그램 미만의 스칸듐을 섭취하는 것으로 알려져 있다.[80]

스칸듐이 환경에 배출되면 토양에 점차 쌓이게 되고, 이는 토양 입자, 동물, 그리고 사람에게 축적되는 농도를 높일 수 있다. 특히 작업 환경에서 스칸듐을 함유한 습기나 가스를 공기와 함께 흡입하는 것은 위험할 수 있다. 장기간 노출될 경우 폐색전증을 유발할 가능성이 있다. 또한, 스칸듐은 수생 동물의 세포막을 손상시켜 생식 능력과 신경계 기능에 여러 부정적인 영향을 미치는 것으로 보고되었다.[80]

6. 2. 이트륨

이트륨은 사람의 간, 신장, 비장, 폐, 뼈에 축적되는 경향이 있다.[81] 일반적으로 사람 몸 전체에는 약 0.5mg 정도만 존재하며, 모유에는 4ppm이 포함되어 있다.[82] 이트륨은 식용 식물에서 20ppm에서 100ppm(생중량 기준) 농도로 발견되며, 특히 양배추에 가장 많이 함유되어 있다.[82] 목본 식물의 씨앗에는 최대 700ppm까지 높은 농도로 존재하는 것으로 알려져 있다.[82]

6. 3. 루테튬

루테튬은 주로 뼈에 축적되며, 그보다는 적은 양이 간과 신장에도 쌓인다.[83] 루테튬 염은 신진대사를 유발하는 것으로 알려져 있으며, 자연 상태에서는 다른 란타넘족 원소의 염과 함께 발견된다.[83] 루테튬은 모든 란타넘족 원소 중에서 인체 내 함량이 가장 적은 원소이다.[83] 인간의 식단을 통한 루테튬 섭취량은 정확히 알려져 있지 않지만, 식물을 통해 연간 수 마이크로그램 정도의 미량을 섭취하는 것으로 추정된다.[83] 물에 녹는 가용성 루테튬 염은 약한 독성을 나타내지만, 물에 녹지 않는 불용성 염은 독성이 없다.[83]

6. 4. 로렌슘

로렌슘은 방사능이 매우 높아 생세포에 매우 유독하며 방사선 중독을 일으킨다.

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