터븀

3. 성질

터븀은 은백색의 희토류 금속으로, 전성이 있고 연성이 있으며 칼로 절단할 수 있을 만큼 무르다.^[49] 원자번호가 작고 반응성이 높은 다른 란타넘족 원소들과 비교하면 공기 중에서 비교적 안정적이다.^[1] 터븀은 두 개의 결정성 동소체로 존재하며 1289 °C가 두 동소체 간의 변환 온도이다.^[49] 터븀 원자의 65개의 전자들은 [Xe]4f⁹6s²의 전자 배치를 가지는데, 보통은 3개의 전자를 떼어낼 수 있지만, 터븀은 4f 전자궤도의 반이 채워진 형태([Xe]4f⁷)가 안정하여 플루오린(F) 기체와 같은 강력한 산화제 하에서 4+의 산화 상태를 가질 수 있다.^[49]

Tb³⁺이온은 뛰어난 형광성을 가지며, 강한 녹색 방출 스펙트럼 선과 주황색 및 적색 계열의 스펙트럼 선이 합쳐져 약간 레몬색의 형광빛을 낸다.^[49] 형석의 한 종류인 이트러 플루오라이트(yttrofluorite)의 노란 크림색 빛은 이 원소의 이온에 의한 것이다.^[49] 터븀은 쉽게 산화되며, 원소 형태로는 연구에 이용된다. 과학자들은 터븀 원자 하나를 풀러렌 분자 안에 넣기도 했다.^[49] 3가 유로피움(Eu³⁺) 및 Tb³⁺ 이온은 강한 발광성과 높은 색 순도 때문에 가장 많은 주목을 받는 란타넘족 이온 중 하나이다.^[2][3]

터븀은 219 K 이하의 온도에서는 강자성을 띤다. 219 K를 넘어가면 나선식 반강자성 상태가 되는데, 이 상태에서는 특정한 기저 평면에 존재하는 원자들의 모멘트가 평행하며, 인접한 평면에 대하여 일정한 각도로 지향되어 있다. 230 K 이상의 온도에서는 원자들의 자기화 방향이 흐트러지기 때문에 상자성을 띤다.^[4] 상온, 상압에서 안정적인 결정 구조는 육방최밀충진구조(HCP)이다. 비중은 8.25, 녹는점은 1356 ℃, 끓는점은 3123 ℃이다.

물에 천천히 녹고, 산에 잘 녹는다. 공기 중에서 표면이 산화되고, 고온에서 연소하여 Tb₂O₃, 더 나아가 Tb₄O₇이 된다. 할로겐과도 격렬하게 반응한다. 원자가는 +3, +4가이며, 4f⁸의 전자 배치를 취하는 담홍색의 +3가 이온 Tb³⁺이 안정적이다. 수용액 중에서는 +4가는 불안정하며, Tb₄O₇ 등 고산화 상태의 것을 포함하는 산화물을 산에 용해하면 산소를 발생하며 분해되어 +3가로 변화한다.

저온에서는 강자성을 나타내며, 퀴리 온도 ''T''_N는 -52 ℃ (221 K)이다. 지각 중의 존재량은 희토류로서는 비교적 적다. 가돌리나이트(gadolinite), 세리안석(cerianite), 제노타임(Xenotime) 등에 포함되어 있다.

3. 1. 물리적 성질

3. 2. 화학적 성질

3. 3. 동위 원소

4. 화합물

터븀은 높은 온도에서 질소, 탄소, 황, 인, 붕소, 셀레늄, 규소, 비소와 화합물을 생성하는데, TbH₂, TbH₃, TbB₂, Tb₂S₃, TbSe, TbTe, TbN 과 같이 다양한 이원화물을 생성한다.^[43] 이러한 화합물에서 터븀은 주로 +3의 산화수를 가지며, +2의 산화수를 가지는 경우는 드물다. 터븀(II) 할로젠화물은 탄탈럼 용기에서 금속 터븀이 존재하는 상태에서 어닐링을 통해 터븀(III) 할라이드로부터 얻을 수 있다. 터븀은 또한 세스퀴클로라이드 Tb₂Cl₃를 형성하는데, 이것은 800 °C에서 어닐링하여 터븀(I) 클로라이드 (TbCl)로 더욱 환원될 수 있으며, 이 화합물은 층상 흑연과 같은 구조의 플레이트릿을 형성한다.^[21]

TbF₄는 터븀이 형성할 수 있는 유일한 할라이드이다. 강한 산화력을 가지며 강력한 플루오르화제로, 가열 시 코발트(III) 플루오라이드 또는 세륨(IV) 플루오라이드에서 방출되는 플루오라이드 증기 혼합물이 아닌 비교적 순수한 원자 플루오린을 방출한다.^[22] 터븀(III) 클로라이드 또는 터븀(III) 플루오르화물를 320 °C에서 플루오린 기체와 반응시켜 얻을 수 있다.^[23]

: 2 TbF₃ + F₂ → 2 TbF₄

TbF₄와 세슘 플루오라이드(CsF)를 플루오린 기체 분위기에서 화학량론적 비율로 혼합하면 세슘 펜타플루오로터베이트 (CsTbF₅)를 얻을 수 있다. 이것은 직교정계 결정이며, 공간군 ''Cmca''를 가지고 [TbF₈]⁴⁻ 및 11 배위 Cs⁺로 구성된 층상 구조를 갖는다.^[24] 공간군 ''Cmma''를 갖는 직교정계 결정인 바륨 헥사플루오로터베이트 (BaTbF₆)는 유사한 방법으로 제조할 수 있다. 터븀 플루오라이드 이온 [TbF₈]^4−[25]는 또한 칼륨 터븀 플루오라이드 결정의 구조에도 존재한다.^[26][27]

터븀(III) 산화물 또는 테르비아는 터븀의 주된 산화물이며, 짙은 갈색의 물에 녹지 않는 고체로 나타난다. 약간 조해성^[28]이며, 희토류 함유 광물 및 점토에서 발견되는 주요 터븀 화합물이다.^[47]

다른 화합물로는 다음이 있다.

• 염화물류: TbCl₃
• 브롬화물류: TbBr₃
• 요오드화물류: TbI₃
• 플루오르화물류: TbF₃, TbF4
• 산화테르븀(III)(Tb₂O₃)
• 산화테르븀(III,IV)(Tb₄O₇)
• 테르븀갈륨가넷 (Tb₃Ga₅O₁₂)

5. 존재 및 생산

터븀은 모나자이트(Monazite) (, 터븀 함량 최대 0.03%)와 제노타임(Xenotime)(), 유크세나이트(Euxenite)(, 터븀 함량 1% 이상)를 포함한 여러 광물에서 다른 희토류 원소와 함께 발견된다.^[43] 지각에서 터븀의 존재량은 1.2 mg/kg으로 추정된다.^[43] 아직까지 터븀이 주성분인 광물은 발견되지 않았다.^[44]

뜨거운 목성형 태양계 밖 행성인 KELT-9b의 대기에서 터븀(Tb II/Tb II^영어 종)이 검출되었다.^[45]

현재 터븀의 가장 풍부한 상업적 공급원은 중국 남부의 이온 흡착 점토이다.^[47] 무게 기준으로 약 3분의 2가 이트륨 산화물인 이들 농축물에는 터비아(terbia)가 약 1% 함유되어 있다. 바스트네사이트(Bastnäsite)와 모나자이트에도 소량의 터븀이 존재한다. 용매 추출법으로 이들을 처리하여 귀중한 중희토류를 사마륨-유로피움-가돌리늄 농축물로 회수할 때, 터븀도 함께 회수된다. 이온 흡착 점토에 비해 처리되는 바스트네사이트의 양이 많기 때문에 세계 터븀 공급의 상당 부분이 바스트네사이트에서 나온다.^[49]

2018년 일본의 미나미토리시마 연안에서 풍부한 터븀 매장량이 발견되었는데, 발표에 따르면 "세계 수요를 420년 동안 충족할 수 있는 양"이라고 한다.^[46]

터븀 함유 광물을 분쇄한 후, 고농도의 황산을 가열하여 희토류의 물에 녹는 황산염을 생성한다. 산성 여과액은 수산화나트륨으로 pH 3~4가 되도록 부분적으로 중화시키면, 토륨이 수산화물로서 용액에서 침전되어 제거된다. 용액에 옥살산암모늄을 처리하여 희토류를 불용성 옥살산염으로 전환한다. 옥살산염은 가열하여 산화물로 분해하고, 산화물은 질산에 녹인다. 이 과정에서 산화물이 질산에 불용성인 주요 성분 중 하나인 세륨은 제외된다. 터븀은 질산암모늄과의 복염으로 결정화하여 분리한다.^[43]

희토류 염 용액에서 터븀 염을 가장 효율적으로 분리하는 방법은 이온 교환이다. 이 과정에서 희토류 이온은 수소, 암모늄 또는 구리 이온과 교환하여 적절한 이온 교환 수지에 흡착된다. 그런 다음 적절한 착화제로 희토류 이온을 선택적으로 용출한다. 다른 희토류 원소와 마찬가지로, 터븀 금속은 무수 염화물 또는 불화물을 칼슘 금속으로 환원시켜 생산한다. 칼슘 및 탄탈륨 불순물은 진공 용융, 증류, 아말감 형성 또는 영역 정련을 통해 제거할 수 있다.^[43][36]

2020년 터븀의 연간 수요는 340 톤으로 추산되었다.^[47] 2024년 미국 지질조사국의 광물 상품 요약 보고서에 따르면, 터븀은 다른 희토류 원소와 구분되지 않으며 전 세계 희토류 광물 매장량은 110,000,000 톤으로 추산되었다.^[48]

5. 1. 존재

5. 2. 생산

6. 용도

터븀은 고체 상태 소자에 사용되는 플루오르화 칼슘, 텅스텐산 칼슘, 몰리브덴산 스트론튬에서 도펀트로 사용되며, 이산화 지르코늄과 함께 고온에서 작동하는 연료 전지의 결정 안정제로도 사용된다.^[49]

터븀은 합금 및 전자 장치 생산에도 사용된다. 터페놀-D의 구성 요소로서 터븀은 액추에이터, 해군 소나 시스템, 센서 및 기타 자기기계 장치에 사용된다. 터페놀-D는 자기장이 있을 때 팽창하거나 수축하는 터븀 합금이다.^[50] 이는 어떤 합금보다도 가장 높은 자기변형을 나타낸다.^[51] 장거리 광섬유 통신에서 베르데 상수를 증가시키는 데 사용되며,^[52][53] 터븀이 도핑된 가닛은 반사광이 광섬유를 따라 되돌아가는 것을 방지하는 광 절연기에도 사용된다.^[54]

산화터븀은 형광등, 컬러 TV 브라운관^[49] 및 평면 모니터의 녹색 형광체에 사용된다. 란타넘과 루테튬을 제외한 다른 모든 란타넘족 원소와 마찬가지로 터븀은 3+ 산화 상태에서 루미네센스를 나타낸다.^[55] 이러한 밝은 형광은 터븀이 생화학에서 프로브로 사용될 수 있게 하며, 그 거동은 칼슘과 다소 유사하다. 터븀 "녹색" 형광체는 2가 유로피움 청색 형광체와 3가 유로피움 적색 형광체와 결합하여 삼원색 조명을 제공하며, 이는 세계 터븀 수요의 가장 큰 부분을 차지한다. 삼원색 조명은 주어진 양의 전기에너지에 대해 백열등보다 훨씬 더 높은 광출력을 제공한다.^[49]

2023년, 터븀 화합물을 사용하여 단일 철 원자를 가진 격자를 만들고 싱크로트론 X선 빔으로 조사했다. 이는 원자하 수준에서 단일 원자를 특성화하려는 최초의 성공적인 시도였다.^[56]

텔레비전 브라운관과 수은등의 형광체 재료로 사용된다. 철-코발트-터븀 합금은 광자기 디스크의 자성막 재료로, 철-디스프로슘-터븀 합금은 프린터의 인쇄 헤드에 사용된다. 자성 유리에는 자성을 띠는 산화 터븀이 첨가된다.

7. 안전성

테르븀은 다른 희토류 원소들과 마찬가지로 독성 및 환경적 영향에 대한 연구가 부족하다. 테르븀에 대한 안전 노출 기준은 거의 없으며, 미국 직업안전보건청(Occupational Safety and Health Administration)이나 미국 정부 산업 위생 전문가 협의회(American Conference of Governmental Industrial Hygienists)에 의해 테르븀 노출 위험 수치가 설정되지 않았다.^[57] 또한 화학물질의 세계 조화 시스템(Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals)에 따라 위험 물질로 간주되지 않는다.^[58]

희토류 원소 독성에 대한 한 검토에서는 테르븀과 그 화합물을 "낮음에서 중간 정도의 독성"으로 분류하며, 위험에 대한 자세한 연구 부족^[59] 및 독성 증거를 늦추는 시장 수요 부족을 언급한다.^[60]

일부 연구는 테르븀의 환경 축적이 어류와 식물에 유해함을 보여준다.^[61][62] 높은 테르븀 노출은 다른 물질의 독성을 증가시켜 식물 세포에서 세포내이입을 유발할 수 있다.^[63]

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