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5족 원소

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목차

1. 개요

5족 원소는 주기율표 5족에 속하는 바나듐, 니오븀, 탄탈럼, 더브늄으로 이루어진 금속 원소 그룹이다. 이들은 주로 +5의 산화 상태를 가지며, 높은 녹는점과 끓는점을 가진다. 바나듐은 합금, 촉매, 세라믹 착색제로, 니오븀은 초전도체 및 스테인리스강 합금으로, 탄탈럼은 내식성이 뛰어나 임플란트 및 화학 장비에 사용된다. 더브늄은 인공적으로 합성되며, 현재까지는 실용적인 용도가 없다. 바나듐은 생물학적 역할을 하며, 일부는 독성을 나타낼 수 있다.

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5족 원소
그룹 5 원소
주기율표 상 그룹 번호5
일반 명칭바나듐족
원소 기호V, Nb, Ta, Db
왼쪽 그룹4족 원소
오른쪽 그룹6족 원소
원소 정보
원소바나듐
나이오븀
탄탈럼
더브늄
원자 번호'23'
'41'
'73'
'105'
상태고체
고체
고체
불확실
종류전이 금속
전이 금속
전이 금속
전이 금속
존재태초
태초
태초
합성
이미지
에칭된 바나듐
나이오븀 결정
탄탈럼 단결정
표기
CAS 그룹VB
구 IUPAC 그룹VA
기타

2. 역사

5족은 이 원소족에 대한 새로운 IUPAC 명칭이다. 이전 명칭은 구 미국식 시스템(CAS)에서는 'VB족', 구 유럽식 시스템(구 IUPAC)에서는 'VA족'이었다. 5족은 이전 방식의 족 이름이 'VA'(미국식 시스템, CAS) 또는 'VB'(유럽식 시스템, 구 IUPAC)였던 원소족과 혼동해서는 안 되며, 그 원소족은 현재 프니크토겐 또는 15족이라고 불린다.[2]

바나듐을 발견한 안드레스 마누엘 델 리오(Andrés Manuel del Río)


바나듐, 니오븀, 탄탈럼은 자연적으로 발생하며, 더브늄은 실험실에서 합성해야 한다. 더브늄은 자연 상태에서는 존재하지 않는다.

이 원소를 누가 발견했는지에 대한 초우라늄 원소 발견 논쟁(Transfermium Wars)이 발생했는데, 각 그룹은 자체 이름을 제안했다. 두브나 그룹은 이 원소의 이름을 닐스 보어(Niels Bohr)를 따서 ''닐스보륨''(nielsbohrium)이라고 제안했고, 버클리 그룹은 오토 한(Otto Hahn)을 따서 ''하늄''(hahnium)이라고 제안했다.[20] 결국 IUPAC(IUPAC)와 IUPAP(IUPAP)의 합동 작업반인 초우라늄 원소 작업반(Transfermium Working Group)은 발견에 대한 공로를 공유해야 한다고 결정했다. 105번 원소를 ''쿠르차토븀''(kurchatovium), ''졸리오븀''(joliotium), ''하늄''(hahnium)이라고 부르는 등 여러 가지 타협 시도가 있었지만, 1997년 IUPAC은 공식적으로 두브나를 따서 이 원소의 이름을 더브늄(dubnium)[21]으로 명명했고, ''닐스보륨''(nielsbohrium)은 결국 ''보륨''(bohrium)으로 단순화되어 107번 원소에 사용되었다.[22][23]

다른 족 원소들과 마찬가지로, 5족 원소들 또한 특히 가장 바깥쪽 전자껍질에서 전자 배치 패턴을 보인다. (니오븀의 예상되는 4d3 5s2 전자 배치는 약 0.14 eV의 매우 낮은 준위의 들뜬 상태이다.)[24]

5족 원소의 전자 배치
원자 번호원소각 껍질의 전자 수전자 배치
23V, 바나듐2, 8, 11, 2[Ar] 3d3 4s2
41Nb, 니오븀2, 8, 18, 12, 1[Kr] 4d4 5s1
73Ta, 탄탈럼2, 8, 18, 32, 11, 2[Xe] 4f14 5d3 6s2
105Db, 더브늄2, 8, 18, 32, 32, 11, 2[Rn] 5f14 6d3 7s2


2. 1. 바나듐

바나듐은 1801년 스페인 광물학자 안드레스 마누엘 델 리오가 발견하였다. 델 리오는 멕시코산 "갈색 납" 광석(후에 바나디나이트로 명명됨)에서 이 원소를 추출하였고, 바나듐의 염이 다양한 색을 띤다는 것을 발견하고 ''판크로미움''(그리스어: παγχρώμιοgrc, "모든 색깔")이라고 명명했다. 나중에 델 리오는 대부분의 염이 가열 시 붉게 변하기 때문에 이 원소의 이름을 ''에리트로늄''(그리스어: ερυθρόςgrc, "붉은색")으로 바꾸었다. 1805년, 프랑스 화학자 이폴리트 빅토르 콜레-데스코틸은 델 리오의 새로운 원소가 불순한 크로뮴 샘플이라고 잘못 주장했고, 델 리오는 자신의 주장을 철회했다.[3]

1831년 스웨덴 화학자 닐스 가브리엘 세프스트룀은 철광석을 연구하던 중 새로운 산화물에서 이 원소를 재발견했다. 같은 해 후반에 프리드리히 뵐러는 델 리오의 이전 연구를 확인했다.[4] 세프스트룀은 아름다운 여러 가지 색깔의 화합물을 생성하기 때문에 고대 노르드어 ''바나디스''(북유럽 신화의 바니르 여신 프레이야의 다른 이름)를 따서 이 원소를 ''바나듐''이라고 명명했다.[4] 1831년, 지질학자 조지 윌리엄 페더스턴호는 바나듐을 델 리오를 기념하여 ''리오늄''으로 개명해야 한다고 제안했지만, 이 제안은 받아들여지지 않았다.[5]

2. 2. 니오븀과 탄탈럼

찰스 해칫(Charles Hatchett), 니오븀 발견자


니오븀은 1801년 영국의 화학자 찰스 해칫(Charles Hatchett)이 확인했습니다.[6][7][8] 그는 1734년 존 윈트럽 2세(John Winthrop the Younger)의 손자 존 윈트럽 F.R.S.가 미국 코네티컷주에서 영국으로 보낸 광물 샘플에서 새로운 원소를 발견하고, 광물은 '콜럼바이트(columbite)', 새 원소는 미국을 뜻하는 시적인 이름인 '콜럼비아'를 따서 '콜럼븀(columbium)'이라고 명명했습니다.[9] [13][10][11] 1949년 암스테르담에서 열린 제15차 국제순수 및 응용화학연합(IUPAC) 회의에서 원소 41번의 이름은 니오븀(niobium)으로 결정되었습니다.[12] 해칫이 발견한 '콜럼븀'은 새로운 원소와 1802년 안데르스 구스타프 에케베리(Anders Gustav Ekeberg)가 발견한 탄탈럼이 섞인 혼합물이었을 것으로 추정됩니다.[13]

안데르스 구스타프 에케베리(Anders Gustav Ekeberg), 탄탈럼 발견자


이후 콜럼븀(니오븀)과 탄탈럼의 차이점에 대한 혼란이 있었습니다.[14] 1809년 영국의 화학자 윌리엄 하이드 웰러스턴(William Hyde Wollaston)은 콜럼븀(콜럼바이트)의 산화물(밀도 5.918g/cm3)과 탄탈럼(탄탈라이트)의 산화물(밀도 8g/cm3 초과)을 비교했지만, 밀도 차이에도 불구하고 두 산화물이 동일하다고 결론짓고 탄탈럼이라는 이름을 유지했습니다.[14] 1846년 독일 화학자 하인리히 로제(Heinrich Rose)는 탄탈라이트 샘플에 두 가지 다른 원소가 있다고 주장하며, 탄탈로스(Tantalus)의 자녀들 이름을 따서 '니오븀'(Niobe에서 유래)과 '펠로피움(pelopium)'(Pelops에서 유래)이라고 명명했습니다.[15][16] 이러한 혼란은 탄탈럼과 니오븀 사이의 미세한 차이 때문에 발생했습니다. '펠로피움', '일메늄(ilmenium)', '디아늄'[17]은 실제로 니오븀 또는 니오븀과 탄탈럼의 혼합물과 동일했습니다.[18] 순수한 탄탈럼은 1903년까지 생산되지 않았습니다.[1]

2. 3. 더브늄

1968년 러시아연방핵연구소(JINR)에서 아메리슘-243에 네온-22 이온을 충돌시켜 처음 합성했다고 보고되었다.[19] 1970년 JINR은 더브늄의 화학적 성질이 에카-탄탈럼(탄탈럼의 아래 동족 원소)과 유사함을 확인했다.[19] 105번 원소 발견을 두고 JINR과 미국 버클리 연구소 사이에 초우라늄 원소 발견 논쟁(Transfermium Wars)이 있었고, 1997년 국제순수·응용화학연합(IUPAC)은 JINR의 소재지인 두브나를 따서 더브늄으로 명명했다.[21]

3. 화학적 성질

5족 원소는 다른 족 원소들과 마찬가지로 전자껍질에서 전자 배치 패턴을 보인다.[24] 대부분의 화학적 성질은 5족의 앞 세 원소인 바나듐, 니오븀, 탄탈럼에서만 관찰되었다. 더브늄의 화학적 성질은 잘 알려져 있지 않지만, 알려진 바에 따르면 탄탈럼의 무거운 동족체에 대한 예상과 일치하는 것으로 보인다. 5족 원소는 모두 반응성이 높은 금속이며 높은 녹는점을 갖는다 (1910°C, 2477°C, 3017°C). 안정적인 산화물 층이 빠르게 형성되어 추가적인 반응을 방지하기 때문에 반응성이 항상 명확하게 나타나지는 않는다.

5족 원소는 일반적으로 +5의 산화 상태를 가지며 다양한 무기 화합물을 형성한다. 더 낮은 산화 상태도 알려져 있지만, 바나듐을 제외한 모든 원소에서[25] 안정성이 낮으며, 원자량이 증가함에 따라 안정성이 감소한다.[53]

5족 원소의 전자 배치[24]
원소각 껍질의 전자 수전자 배치
23V2, 8, 11, 2[Ar] 3d3 4s2
41Nb2, 8, 18, 12, 1[Kr] 4d4 5s1
73Ta2, 8, 18, 32, 11, 2[Xe] 4f14 5d3 6s2
105Db2, 8, 18, 32, 32, 11, 2[Rn] 5f14 6d3 7s2



5족 원소는 원소의 주기율에 따라 원자가전자와 내각전자의 전자배치가 다르다.

바나듐
23V		니오븀
41Nb		탄탈럼
73Ta		더브늄
105Db
전자배치[Ar]3d34s2[Kr]4d45s1[Xe]4f145d36s2[Rn]5f146d27s2
제1이온화 에너지
(kJ mol-1)		650652.1714 
제2이온화 에너지
(kJ mol-1)		1,4131,3821,500 
제3이온화 에너지
(kJ mol-1)		2,8282,416  
제4이온화 에너지
(kJ mol-1)		4,506.63,700  
제5이온화 에너지
(kJ mol-1)		6,2944,877  
전자 친화도
(전자볼트)		0.5250.8930.322 
전기음성도
(Allred-Rochow)		1.321.221.23 
이온 반지름
(pm; M5+)		68 (6배위)62 (4배위)
78 (6배위)		78 (6배위)
88 (8배위)		 
결합 반지름
(pm)		131137143139
융점
(K)		2,1752,7503,290 
비점
(K)		3,6825,0175,731 
산화환원전위 E0 (V) -1.1
(M3+/M)		  



5족 원소는 모두 단단하고 강인한 금속이며, 녹는점과 끓는점이 높은 것이 특징이다. 초경재료나 촉매 등에 이용된다. 물성 계산상으로는 단체 금속이 강한 환원제임을 시사하지만, 쉽게 부동태 피막을 형성하므로 상온에서는 내식성이 있으며 비산화성 산에도 잘 침식되지 않는다. 예를 들어 강하고 얇은 탄탈럼의 산화 피막은 탄탈륨 콘덴서에 응용되고 있다.

고온에서는 대부분의 비금속 원소와 반응하여 산화물, 탄화물(MC), 질화물(MN), 황화물을 형성하지만, 생성물의 금속의 산화수는 다양하다.

5족 원소는 -1부터 +5까지 다양한 산화수를 가지는 화합물과 이온을 형성한다. 대표적인 예는 다음과 같다.

산화수바나듐니오븀탄탈럼
-1V(CO)6-Nb(CO)6-Ta(CO)6-
0V(CO)6  
+1V(bpy)3+(π-C5H5)Nb(CO)4(π-C5H5)Ta(CO)4
+2V(CN)64-  
+3V(NH3)63+NbCl3TaBr3
+4K2VCl6NbCl4TaO2
+5VOCl3NbF5Na2TaF8



: bpy - bipydidyl (비피리딜)

: π-C5H5 - cyclopentadienyl (사이클로펜타디에닐)

3. 1. 산화물

바나듐은 +2, +3, +4, +5의 산화 상태에서 산화물을 형성하며, 삼산화바나듐(V₂O₃), 이산화바나듐(IV)(VO₂), 오산화바나듐(V₂O₅)을 생성한다. 오산화바나듐(V)는 가장 흔하며, 대부분의 바나듐 합금 및 화합물의 전구체이자 널리 사용되는 산업 촉매이기도 하다.[26]

니오븀은 +5(), +4(), 그리고 더 드문 +2(NbO)의 산화 상태에서 산화물을 형성한다.[29] 가장 흔한 것은 오산화니오븀이며, 거의 모든 니오븀 화합물과 합금의 전구체이기도 하다.[60][28]

오산화탄탈륨(Ta₂O₅)는 응용 측면에서 가장 중요한 화합물이다. 더 낮은 산화 상태의 탄탈럼 산화물은 수많은 결함 구조를 포함하여 다수 존재하지만, 연구가 거의 되지 않았거나 특성이 잘 알려져 있지 않다.[29]

3. 2. 옥시 음이온

수용액에서 바나듐(V)은 다양한 산소 음이온을 형성하며, 이는 51V NMR 분광법으로 밝혀졌다.[30] 이들의 상호 관계는 우세도 그림으로 나타낼 수 있는데, pH와 농도에 따라 최소 11가지의 화학종이 존재한다.[31]
데카바나데이트 구조
사면체형 오르토바나데이트 이온(VO₄³⁻)은 pH 12–14에서 주로 존재하며, 크기와 전하가 인(V)과 비슷하여 인(V)의 화학 및 결정학과 유사성을 보인다. 오르토바나데이트는 단백질 결정학[32]에서 인산염의 생화학을 연구하는 데 사용된다.[33] 또한, 이 음이온은 특정 효소의 활성과 상호 작용하는 것으로 알려져 있다.[34][35]

니오베이트는 펜타옥사이드를 염기성 수산화물 용액에 용해시키거나 알칼리 금속 산화물에서 용융시켜 생성된다. 예를 들어 니오브산리튬(LiNbO3)과 니오브산란탄(LaNbO4)이 있다. 니오브산리튬은 삼방정계로 왜곡된 페로브스카이트 구조를 가지는 반면, 니오브산란탄은 고립된 NbO₄³⁻ 이온을 포함한다.[60]

탄탈레이트 화합물은 [TaO4]3− 또는 [TaO3]−를 포함하여 다양하게 존재한다. 탄탈산리튬(LiTaO3)은 페로브스카이트 구조를 가진다. 란탄 탄탈레이트(LaTaO4)는 고립된 TaO₄³⁻ 사면체를 포함한다.[60]

3. 3. 할로젠화물

바나듐은 +2에서 +5까지 다양한 산화 상태의 할로겐화물을 형성한다. VI4, VCl5, VBr5, VI5는 존재하지 않거나 매우 불안정하며, 알려진 유일한 순수 V5+ 할로겐화물 화합물은 VF5이다.[43] VCl4는 디엔의 중합 반응 촉매로 사용된다. 바나듐 할로겐화물, 특히 V(IV)와 V(V)의 할로겐화물은 루이스 산이다.[44][45]

검은 표면 위에 작은 노란 결정이 담긴 시계접시
매우 순수한 오염화니오븀 시료


오염화니오브늄의 구-막대 모델(이합체로 존재함)


니오븀은 +5와 +4의 산화 상태에서 할로겐화물을 형성하며, 다양한 비화학량론적 화합물을 형성한다.[60][48] 오할로겐화물 (NbX5)은 팔면체 Nb 중심을 특징으로 한다. 오플루오르화니오브(NbF5)는 백색 고체이며 오염화니오브늄(NbCl5)은 노란색 고체이다(왼쪽 그림 참조). 두 화합물 모두 가수분해되어 산화물과 옥시할로겐화물을 생성한다. 오염화니오브늄은 유기금속 화합물을 생성하는 시약이다.[49] 사할로겐화물(NbX4)은 Nb-Nb 결합을 가진 짙은 색의 중합체이다. 예를 들어, 검은색 흡습성 사플루오르화니오브(NbF4)[50]와 짙은 보라색 사염화니오브(NbCl4)가 있다.[51]

니오븀의 음이온 할로겐화물 화합물은 오할로겐화물의 루이스 산성 때문에 잘 알려져 있다. 가장 중요한 것은 Nb과 Ta를 광석에서 분리하는 중간체인 [NbF7]2−이다.[52] 다른 할로겐화물 착물에는 팔면체 [NbCl6]−가 포함된다.

:Nb2Cl10 + 2 Cl− → 2 [NbCl6]−

낮은 원자 번호의 다른 금속과 마찬가지로 다양한 환원된 할로겐화물 클러스터 이온이 알려져 있으며, 대표적인 예는 [Nb6Cl18]4−이다.[29]

탄탈륨 할로겐화물은 +5, +4 및 +3의 산화 상태를 갖는다. 오플루오르화탄탈륨(TaF5)는 백색 고체이다. 음이온 [TaF7]2−는 니오브로부터의 분리에 사용된다.[52] 이합체로 존재하는 염화물 TaCl5는 새로운 Ta 화합물 합성의 주요 시약이다. 하위 할로겐화물 TaX4와 TaX3는 Ta-Ta 결합을 특징으로 한다.[60][48]

4. 물리적 성질

5족 원소는 은백색의 단단한 금속으로, 높은 녹는점과 끓는점을 가진다. 5주기에서 6주기로 넘어갈 때 채워진 f-껍질이 원자핵에 추가되는 것을 반영하여, 다른 초기 d-블록 원소족의 경향을 따른다. 이들은 모두 실온에서 체심 입방 구조로 결정화되며, 더브늄 또한 같은 구조일 것으로 예상된다.[55]

바나듐은 단단하고 연성이 있으며, 부식에 대한 저항성이 우수하다.[60] 니오븀은 저온에서 초전도성을 띠며, 중성자 투과성이 높아 원자력 산업에서 사용된다.[67][68] 탄탈럼은 밀도가 높고 연성이 있으며, 내식성이 뛰어나 의료용 임플란트 및 화학 장비에 사용된다.[69]

더브늄의 7s 원자가 전자의 상대론적(실선) 및 비상대론적(점선) 방사 분포


5족 원소에 대한 n s 궤도함수의 상대론적 안정화, (n-1)d 궤도함수의 불안정화 및 스핀-궤도 분리


더브늄은 상대론적 효과로 인해 7s 전자가 6d 전자보다 추출하기 어렵고, +3 산화 상태가 불안정할 것으로 예상된다.[76]

5족 원소의 주요 물리적 특성은 아래 표와 같다.[76] 물음표(?)로 표시된 값은 예측값이다.

5족 원소의 특성
원소명V, 바나듐Nb, 니오븀Ta, 탄탈륨Db, 더브늄
녹는점2183 K (1910 °C)2750 K (2477 °C)3290 K (3017 °C)
끓는점3680 K (3407 °C)5017 K (4744 °C)5731 K (5458 °C)
밀도6.11 g·cm−38.57 g·cm−316.69 g·cm−321.6 g·cm−3?[56][57]
겉보기청회색 금속산화되면 청색을 띠는 회색 금속회청색
원자 반지름135 pm146 pm146 pm139 pm



5족 원소는 원소의 주기율에 따라 원자가전자와 내각전자의 전자배치가 다르다.

바나듐
23V		니오븀
41Nb		탄탈럼
73Ta		더브늄
105Db
전자배치[Ar]3d34s2[Kr]4d45s1[Xe]4f145d36s2[Rn]5f146d27s2
제1이온화 에너지
(kJ mol-1)		650652.1714 
제2이온화 에너지
(kJ mol-1)		1,4131,3821,500 
제3이온화 에너지
(kJ mol-1)		2,8282,416  
제4이온화 에너지
(kJ mol-1)		4,506.63,700  
제5이온화 에너지
(kJ mol-1)		6,2944,877  
전자 친화도
(전자볼트)		0.5250.8930.322 
전기음성도
(Allred-Rochow)		1.321.221.23 
이온 반지름
(pm; M5+)		68 (6배위)62 (4배위)
78 (6배위)		78 (6배위)
88 (8배위)		 
결합 반지름
(pm)		131137143139
융점
(K)		2,1752,7503,290 
비점
(K)		3,6825,0175,731 
산화환원전위 E0 (V) -1.1
(M3+/M)		  



모두 단단하고 강인한 금속이며, 녹는점과 끓는점이 높은 것이 특징이다.

5. 존재 및 생산

바나듐은 1801년 스페인 광물학자 안드레스 마누엘 델 리오가 멕시코산 "갈색 납" 광석(후에 바나디나이트로 명명됨)에서 처음 발견했다.[3] 델 리오는 추출한 염이 다양한 색을 띠는 것을 보고 "모든 색깔"을 뜻하는 "판크로미움"으로 명명했다가, 가열 시 붉게 변하는 것을 보고 "붉은색"을 뜻하는 "에리트로늄"으로 이름을 바꿨다. 그러나 1805년 프랑스 화학자 이폴리트 빅토르 콜레-데스코틸이 불순한 크로뮴 샘플이라고 잘못 주장하여 델 리오는 주장을 철회했다.[3]

1831년 스웨덴 화학자 닐스 가브리엘 세프스트룀이 철광석 연구 중 바나듐을 재발견했고,[4] 같은 해 프리드리히 뵐러가 델 리오의 연구를 확인했다.[4] 세프스트룀은 다양한 색깔의 화합물을 생성하는 특징 때문에 북유럽 신화의 프레이야 여신의 다른 이름인 고대 노르드어 ''바나디스''에서 이름을 따 "바나듐"으로 명명했다.[4] 1831년 조지 윌리엄 페더스턴호가 델 리오를 기념하여 "리오늄"으로 개명할 것을 제안했지만 받아들여지지 않았다.[5]

바나듐, 니오븀, 탄탈럼은 각각 단단하고 연성이 있는 금속, 광택이 나는 회색의 연성이 있는 금속, 짙은 청회색의 고밀도이고 연성이 있는 금속이라는 특징을 가진다. 특히 탄탈럼은 부식에 대한 저항성이 뛰어나다.[69]

니오븀은 저온에서 초전도체가 되며, 원소 초전도체 중 가장 높은 임계 온도(9.2K)를 갖는다.[64] 또한 바나듐, 테크네튬과 함께 2종 초전도체에 해당한다. 니오븀 금속은 열중성자에 대한 포획 단면적이 낮아 원자력 산업에서 사용된다.[67][68]

더브늄은 안정한 동위 원소가 없어 자연 상태에서는 존재하지 않으며,[78] 악티늄족 원소에 가벼운 원소를 충돌시켜 인공적으로 생산한다.[1]

니오븀 생산량은 아래 표와 같다.

니오븀 생산량 (톤)[81] (미국 지질조사국 추정)[82]
연도오스트레일리아브라질캐나다
200016030,0002,290
200123022,0003,200
200229026,0003,410
200323029,0003,280
200420029,9003,400
200520035,0003,310
200620040,0004,167
200757,3003,020
200858,0004,380
200958,0004,330
201058,0004,420
201158,0004,630
201263,0005,000
201353,1005,260
201453,0005,000
201558,0005,750
201657,0006,100
201760,7006,980
201859,0007,700
201988,9006,800


5. 1. 존재

바나듐은 지각에 약 160ppm 정도 존재하며, 바나디나이트, 파트로나이트, 카르노타이트 등 60종이 넘는 광물에서 발견된다.[77] 니오븀은 지각에 약 20ppm 정도 존재하며, 콜럼바이트와 파이로클로어 광물에서 발견된다.[1] 탄탈럼은 지각에 약 2ppm 정도 존재하며, 탄탈라이트와 파이로클로어 광물에서 발견된다.[1] 더브늄은 안정한 동위 원소가 없어 자연 상태에서는 존재하지 않는다.[78]

5. 2. 생산

바나듐 금속은 여러 단계를 거쳐 얻어진다. 분쇄된 광석을 약 850 °C에서 염화나트륨(NaCl) 또는 탄산나트륨(Na₂CO₃)과 함께 焙燒(배소)하여 메타바나딘산나트륨(NaVO₃)을 만든다. 이 고체의 수용액을 산성화하여 다바나딘산염인 "적색 케이크(red cake)"를 생성하고, 이를 칼슘으로 환원시킨다. 소규모 생산에서는 오산화바나듐을 수소 또는 마그네슘으로 환원시키기도 한다.[79] 1925년 안톤 에두아르트 판 아르켈과 얀 헨드릭 더 보어가 개발한 정출법을 통해 바나듐을 정제할 수 있는데, 이 방법은 요오드화바나듐(III) 생성 후 분해를 통해 순수한 금속을 얻는 방식이다.[80]

:2 V + 3 I₂ 2 VI₃

페로바나듐 덩어리


바나듐의 대부분은 페로바나듐이라는 강철 합금 형태로 사용된다. 페로바나듐은 전기로에서 바나듐 산화물, 산화철, 철 혼합물을 환원시켜 직접 생산한다. 바나듐은 바나듐 함유 자철석에서 생산된 주철에 포함되며, 사용된 광석에 따라 슬래그에는 최대 25%의 바나듐이 포함될 수 있다.[79]

매년 약 70,000 톤의 바나듐 광석이 생산되는데, 러시아(25,000톤), 남아프리카 공화국(24,000톤), 중국(19,000톤), 카자흐스탄(1,000톤) 순이다. 매년 7,000톤의 바나듐 금속이 생산된다. 광석을 탄소와 함께 가열하는 방식으로는 바나듐을 얻을 수 없고, 대신 산화바나듐을 압력 용기에서 칼슘과 함께 가열하여 생산한다. 매우 고순도의 바나듐은 삼염화바나듐과 마그네슘의 반응으로 얻는다.[1]

탄탈럼과 니오븀 혼합 산화물(Ta₂O₅와 Nb₂O₅)을 얻은 후, 불화수소산과의 반응을 통해 니오븀을 생산한다.[52]

:Ta₂O₅ + 14 HF → 2 H₂[TaF₇] + 5 H₂O

:Nb₂O₅ + 10 HF → 2 H₂[NbOF₅] + 3 H₂O

장 샤를 갈리사르 드 마리냐크가 개발한 초기 산업적 분리 방법은 물에서 옥시펜타플루오로니오베이트 일수화물 이칼륨 (K₂[NbOF₅]·H₂O)과 헵타플루오로탄탈레이트 이칼륨 (K₂[TaF₇])의 용해도 차이를 이용하는 것이다.[52] 최신 공정은 사이클로헥사논 같은 유기 용매를 이용하여 수용액에서 플루오르화물을 추출한다.[52] 복잡한 니오븀과 탄탈럼 플루오르화물은 물을 이용하여 유기 용매로부터 별도로 추출되며, 플루오르화칼륨을 첨가하여 플루오르화칼륨 착물을 만들거나, 암모니아를 이용하여 오산화물로 침전시킨다.[60]

:H₂[NbOF₅] + 2 KF → K₂[NbOF₅]↓ + 2 HF

다음과 같이 진행된다.

:2 H₂[NbOF₅] + 10 NH₄OH → Nb₂O₅↓ + 10 NH₄F + 7 H₂O

금속 니오븀으로의 환원에는 K₂[NbOF₅]와 염화나트륨의 용융 혼합물 전해, 또는 나트륨을 이용한 플루오르화물 환원 방법이 사용된다. 이 방법으로 비교적 고순도의 니오븀을 얻을 수 있다. 대량 생산에서는 Nb₂O₅가 수소 또는 탄소로 환원된다.[60] 알루미노열 반응에서 산화철과 니오븀 산화물 혼합물은 알루미늄과 반응한다.

:3 Nb₂O₅ + Fe₂O₃ + 12 Al → 6 Nb + 2 Fe + 6 Al₂O₃

반응 촉진을 위해 질산나트륨 같은 산화제를 소량 첨가하여 산화알루미늄과 철, 니오븀 합금인 페로니오븀을 생성한다.[83][84] 페로니오븀은 60~70%의 니오븀을 함유한다.[85] 산화철 없이 알루미노열 공정을 사용하면 니오븀을 생산할 수 있다. 초전도체 합금 등급의 니오븀은 진공 하에서 전자빔 용융 방법으로 추가 정제한다.[48][86]

2013년 기준, 브라질의 CBMM이 세계 니오븀 생산량의 85%를 차지했다.[87] 미국 지질조사국에 따르면, 생산량은 2005년 38,700톤에서 2006년 44,500톤으로 증가했다.[88][89] 전 세계 매장량은 440만 톤으로 추정된다.[89] 1995년부터 2005년까지 생산량은 1995년 17,800톤에서 두 배 이상 증가했다.[90] 2009년부터 2011년까지 생산량은 연간 63,000톤으로 안정적이었으며,[91] 2012년에는 연간 50,000톤으로 약간 감소했다.[92]

니오븀 생산량 (톤)[81] (미국 지질조사국 추정)[82]
연도오스트레일리아브라질캐나다
200016030,0002,290
200123022,0003,200
200229026,0003,410
200323029,0003,280
200420029,9003,400
200520035,0003,310
200620040,0004,167
200757,3003,020
200858,0004,380
200958,0004,330
201058,0004,420
201158,0004,630
201263,0005,000
201353,1005,260
201453,0005,000
201558,0005,750
201657,0006,100
201760,7006,980
201859,0007,700
201988,9006,800



매년 70,000톤의 탄탈럼 광석이 생산된다. 브라질이 탄탈럼 광석의 90%를 생산하며, 캐나다, 오스트레일리아, 중국, 르완다도 생산한다. 탄탈럼 수요는 연간 약 1,200톤이다.

더브늄은 악티늄족 원소에 가벼운 원소를 충돌시켜 인공적으로 생산한다.[1]

6. 응용

바나듐은 주로 강철 합금(바나듐강)의 형태로 사용된다.[1] 바나듐 합금은 스프링, 공구, 제트 엔진, 방호 장갑, 원자로 등에 사용된다.[1]

니오븀은 종종 스테인리스강의 소량 구성 요소이다.


니오븀은 스테인리스강의 품질 향상을 위해 소량 첨가된다.[1] 내식성이 높아 니오븀 합금은 로켓 노즐에도 사용된다.[1]

탄탈럼은 주로 고온 환경, 전자 기기, 수술용 임플란트, 부식성 물질 취급 등에 사용된다.[1]

더브늄은 합성이 어렵고 가장 수명이 긴 동위 원소조차 매우 짧은 반감기를 가지기 때문에 실용적인 용도가 없다.[94]

7. 생물학적 역할 및 독성

5족 원소 중 바나듐만이 생명체의 생화학적 작용에 관여하는 것으로 알려져 있는데, 그 역할은 제한적이며 육지보다 해양 환경에서 더 중요하다.[47] 바나듐 화합물은 위장 관계를 통해 흡수되는 정도가 낮고, 흡입하면 주로 호흡기에 부작용을 일으킨다.[105][112][106] 쥐를 대상으로 한 실험에서는 혈액, 간, 신경계 발달 등에 영향을 미치는 것으로 나타났다.[107][108][109][110][111] 바나듐 화합물이 생식 독성이나 기형을 유발한다는 증거는 거의 없지만, 쥐와 생쥐를 대상으로 한 흡입 실험에서 오산화바나듐이 발암성을 나타낸다는 보고도 있었다.[112] 미국 환경보호청은 바나듐의 발암성을 아직 규명하지 않았다.[114] 경유에 포함된 미량의 바나듐은 고온 부식의 주요 원인이 되기도 한다. 연소 과정에서 생성되는 바나데이트 화합물은 강철의 보호막을 손상시켜 부식을 가속화하며, 고체 바나듐 화합물은 엔진 부품을 마모시킨다.[115][116]

니오븀은 알려진 생물학적 역할은 없으나, 니오븀 분진은 눈과 피부를 자극할 수 있고, 화재의 위험도 있다.[1] 하지만, 덩어리 형태의 니오븀은 생리적으로 불활성이며 무해하여 보석이나 의료용 임플란트에 사용되기도 한다.[117][118] 니오븀 화합물은 약간의 독성이 있는 것으로 알려져 있으며, 쥐를 이용한 실험에서 염화 니오븀이나 니오베이트를 주사했을 때의 중간 치사량은 10~100mg/kg 정도였다.[119][120][121] 경구 투여 시 독성은 더 낮아, 7일 후 중간 치사량이 940mg/kg이었다.[119]

탄탈럼 화합물은 실험실에서 거의 발견되지 않으며, 탄탈럼과 그 화합물로 인한 부상은 드물고, 발생하더라도 가벼운 발진 정도이다.[1] 탄탈럼은 생체 적합성이 매우 높아 신체 임플란트 및 코팅에 사용된다.[122][123]

7. 1. 생물학적 역할

멍게와 피낭동물에 필수적인 바나듐은 1911년부터 멍게(Ascidiacea)의 혈구에서 바나빈 형태로 발견되었으며,[95][96] 그 혈액 속 바나듐 농도는 주변 해수의 바나듐 농도보다 100배 이상 높다. 여러 종의 대형 균류도 바나듐을 축적하는데(건조 중량 기준 최대 500 mg/kg)[97] 바나듐 의존성 브롬퍼옥시다제는 여러 종의 해양 조류에서 유기브롬 화합물을 생성한다.[98]

이러한 청색종(Bluebell tunicate)과 같은 피낭동물은 바나빈 형태로 바나듐을 함유하고 있다.


쥐와 닭도 매우 소량의 바나듐을 필요로 하며, 결핍되면 성장 저하 및 번식 장애가 발생하는 것으로 알려져 있다.[99] 바나듐은 주로 인슐린 감수성을 증가시키고[100] 보디빌딩을 위한 비교적 논란이 있는 식이 보충제로 사용된다. 바나딜황산염은 제2형 당뇨병 환자의 혈당 조절을 개선할 수 있다.[101] 또한, 데카바나데이트와 옥소바나데이트는 다양한 생물학적 활성을 가질 가능성이 있는 종으로, 여러 생화학적 과정을 이해하는 도구로 성공적으로 사용되었다.[102]

7. 2. 독성

순수 바나듐은 독성이 없는 것으로 알려져 있다. 하지만, 오산화바나듐은 눈, 코, 목에 심한 자극을 유발한다.[1] 4가 VOSO₄은 3가 V₂O₃보다 적어도 5배 이상 독성이 강한 것으로 보고되었다.[103] 미국 직업안전보건청(Occupational Safety and Health Administration)은 작업장 공기 중 오산화바나듐 분진 노출 한계를 8시간, 주 40시간 근무 기준 0.05mg/m3으로, 오산화바나듐 증기 노출 한계를 0.1mg/m3으로 설정했다.[104] 미국 국립 직업안전보건연구소(National Institute for Occupational Safety and Health)는 바나듐 35mg/m3을 생명 및 건강에 즉각적으로 위험한 수준, 즉 영구적인 건강 문제 또는 사망을 유발할 가능성이 있는 수준으로 규정했다.[104]

니오븀 분진은 눈과 피부 자극제[1]이자 잠재적인 화재 위험 요소이지만, 대량의 원소 니오븀은 생리적으로 불활성이며 무해하다. 니오븀은 종종 보석에 사용되며 일부 의료용 임플란트에도 사용하기 위한 시험을 거쳤다.[117][118]

탄탈럼을 포함하는 화합물은 실험실에서 거의 발견되지 않으며, 탄탈럼과 그 화합물은 거의 부상을 일으키지 않고, 부상을 일으키더라도 일반적으로 발진이다.[1] 이 금속은 매우 생체 적합성이 높으며[122] 신체 임플란트 및 코팅에 사용되므로, 다른 원소 또는 화합물의 물리적 특성에 주목할 수 있다.[123] 미국 직업안전보건청(Occupational Safety and Health Administration)은 작업장에서의 탄탈럼 노출에 대한 법적 한계(허용 노출 한계)를 8시간 근무 기준 5mg/m3로 설정했다. 미국 국립 직업안전보건연구소(National Institute for Occupational Safety and Health)는 8시간 근무 기준 권장 노출 한계를 5mg/m3로, 단기 한계를 10mg/m3로 설정했다. 2500mg/m3 수준에서 탄탈럼은 생명 및 건강에 즉각적으로 위험한 수준이다.[124]

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