KITECH 생산기술 전문지

국제 순수·응용 화학 연합(IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry)에서규정한 15개의 란탄계 원소(Lanthanides, Ln)와 Sc (Scandium), Y(yttrium)를 포함하여 희토류 원소는 17개 규정된다[1].희토류의 물리화학적 특성을 이해하려면 희토류 전자 구조의 파악을 통해 명확하게 설명할 수 있다.희토류 원소들은 최외각 전자 배열이 비슷하고, 이온 반지름도 유사하다. 이는 광종에 함께 존재하는 희토류 원소 간 각각 분리가 어려운 이유이고, 분리가 어려워 범용금속 중 환경 오염물질을 분리정제 중가장 사용하는 이유이기도 하다[2].희토류 원자번호가 증가하면서 이온 반지름이 약간 작아지는 경향을 나타낸다. 이를 그림 1(a)에 나타내었다. 이는 ‘란탄족 수축 현상(Lanthanide contraction)[3]’이라고 알려진 특성에 의한 것이며,내부의 4f-궤도를 채우지 않고, 5d-, 6s-궤도에 전자가 먼저 위치하는 특성에 기인한 것으로 일반적으로 전자가 증가하면 전자 간 반발 때문에 원자 부피가 늘어나는 일반적 현상과 반대로 일어나기 때문으로 알려져 있다[4].이렇게 희토류 원소들이 특이한 전자 구조를 지녀 내부전이 원소로 분류된다. 내부전이 원소의 특징을 잘 설명한 논문을 인용하여 요약하여 설명하자면[5], aufbau principle로 예측되는 희토류의 전자 구조는 예를 들어 La의 경우 [Xe]6s24f1 순서이나 실제로는 f-궤도에 전자가 충분히 채워지지 않고[Xe]6s24f05d1 순서로 전자가 채워지는 구조를 지닌다. Sc, Y, La까지는 4f-궤도에 전자가 채워지지않지만, 다시 Ce부터는 채워져 명확한 구조로 설명할 수 없다. Ce의 전자구조는 [Xe]4f15d16s2 구조를 띤다. 이렇게 Lantanide계 원소의 전자껍질구조는 4f0,2 to 145d0,16s2 로 표현된다. 희토류 전체 원자와 산화수에 따른 전자배위 구조에 대한 내용을 그림 1(b)에 나타내었다.