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다 붙어- 란타넘(La), 네오디뮴(Nd), 디스프로슘(Dy) - 목록

조회 : 12436 | 2012-04-24

26. 다 붙어

- 란타넘(La), 네오디뮴(Nd), 디스프로슘(Dy) -

   

란타넘, 광물 비타민

천연가스나 석유와 같은 화석연료는 중요한 자원이다. 그러나 과학기술이 점점 발달함에 따라 첨단산업에 사용되는 희유금속의 중요성이 점차 커지고 있다. 특히 매장량이 적은 희유금속은 화석연료와는 달리 특정 지역에서 산출된다. 따라서 세계는 희유금속의 확보에 총력을 기울이고 있다.

 

희토류금속

다양한 희토류 분말 / 위키백과(www.wikipedia.org) (CC) Peggy Greb

 

희유금속은 총 43개이며 이들 중 스칸듐, 이트륨과 함께 란타넘족 15개 원소를 합친 17개를 희토류 원소라 한다. 희토류는 휴대폰, 화면표시장치, 전기 자동차, 광학렌즈, 레이저 등의 핵심 원료이다. 비록 소량이지만 반드시 필요하기 때문에 ‘광물계의 비타민’으로 불리고 있다.

 

희토류원소의 주요용도 

 

란타넘족은 원자번호 57번부터 71번까지 15개의 원소들이다. 왜 란타넘족일까? 그것은 원자의 전자 배열이 란타넘과 비슷하기 때문이다. 란타넘족은 최외각전자껍질이 이미 채워져 있어 안쪽을 채워나가기 때문에 최외각전자껍질의 전자 배열은 같다. 따라서 이들의 성질은 비슷하며 란타넘은 나머지 14개의 선봉장인 것이다.

원소의 주기율표에서 ‘족’이란 최외각전자껍질 전자들의 배열이 같은 원소들을 의미한다. 예를 들어 1족 원소인 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 프랑슘은 모두 최외각전자껍질의 전자가 하나로 같다.

 

네오디뮴, 영구의 귀환

신기한 자석의 역사는 그리스 시대로 거슬러 올라간다. 당시 쇠붙이를 싣고 지중해를 항해하던 배들은 터키의 서쪽 끝의 마그네시아 섬 근처에만 가면 섬으로 끌려갔다. 섬에는 쇠붙이를 끌어당기는 자철석이 있었던 것이다. 자석(magnet)은 마그네시아에서 유래한다.

자석의 자력선은 N극에서 나와 S극으로 들어간다. 자석은 다른 극끼리는 끌어당기고 같은 극끼리는 밀친다. 지구도 하나의 커다란 자석으로서 북극은 S극, 남극은 N극에 해당된다. 따라서 나침반의 N극은 북극을, S극은 남극을 향한다. 이러한 자력선은 철가루로 확인할 수 있다. 철가루를 종이에 뿌리고 밑에서 자석을 움직이면 자력선을 따라 다양한 무늬를 만든다.

자력선

자석과 다양한 자력선 / 위키백과(www.wikipedia.org) (cc) Newton Henry Black

 

자석은 원료에 따라 페라이트 자석과 희토류 자석으로 나눈다. 희토류 자석은 사마륨 자석과 네오디뮴 자석이 있다. 사마륨 자석은 매우 우수하지만 여기에 첨가된 코발트 때문에 비싸다.

 

자석

페라이트 자석 (CC)Omegatron 과 네오디뮴 자석 (cc) 위키백과(www.wikipedia.org)

 

자석의 일반적 성질

자석의 일반적 성질

 

사마륨 자석을 대체하기 위해 개발된 네오디뮴 자석은 네오디뮴에 철과 붕소를 첨가하여 만든다. 이 자석은 작고 가벼우면서도 강력해서 슈퍼 자석으로 불리지만, 잘 깨어지며 온도가 높아지면 자성이 사라지고, 공기 중에서 쉽게 녹스는 단점이 있기 때문에 겉은 니켈로 코팅되어 있다.

자석은 자력선 방향과 평행하게 절단되면 절단된 두 면의 극이 같기 때문에 서로 밀친다. 반면에 직각으로 절단되면 처음과 반대의 새로운 극이 생겨서 서로 당긴다.

 

자석의 원리는?

원자는 핵과 그 주위를 자전 및 공전하는 전자들로 이루어진다. 전자는 자전의 방향에 따라 우선 스핀과 좌선 스핀이 생기는 데, 이들이 각각 N극과 S극을 형성한다. 이러한 전자들이 하나의 쌍을 이루면 둘이 상쇄되지만 따로 있을 경우 자석의 성질을 띤다. 철은 4개의 쌍을 이루지 못한 전자에 의해 자성을 띤다.

 

스핀

우선 스핀과 좌선 스핀

 

네오디뮴 자석은 페라이트 자석보다 자력이 10배나 강하다. 즉 크기가 작아도 자성이 세다. 따라서 네오디뮴 자석을 이용하면 오디오와 휴대폰, 전기모터 등을 작게 만들 수 있다. 특히 풍력 발전기, 전기 자동차용 모터에 사용되는 네오디뮴 자석은 환경 보호를 위한 ‘녹색산업의 필수품’인 것이다.

 

페라이트 자석

페라이트 자석에서 철의 전자배치

 

자석

모든 자성체가 처음부터 자성을 띠는 것은 아니다. 자성체 내의 원자 자석들은 N극과 S극이 무질서하게 있어서 자성을 띠지 못한다. 이 자성체를 강한 전류가 흐르는 코일 안에서 원자 자석들이 정렬시키는 착자 과정을 거쳐서 자성을 띠게 되는 것이다.

자성체의 착자 과정

자성체의 착자 과정

 

모든 금속은 자석으로 끌려갈까?

자석에 끌리는 물체를 자성체라고 한다. 그러나 모든 금속이 자성체는 아니다. 철, 코발트, 니켈 등은 자석에 강하게 끌리는 강자성체이다. 반면에 약하게 끌리는 알루미늄, 백금 등은 상자성체라 하며, 오히려 자석에 의해 밀려나는 금, 은, 아연, 구리 등은 반자성체라 한다.

 

가돌리늄, 프레온은 가라

한 여름을 시원케 하는 에어컨은 어떻게 작동될까?

복잡할 것 같지만 물질의 상태 변화라는 간단한 원리를 이용한다. 즉, 에어컨은 액체 상태의 프레온 냉매가 증발기에서 기화될 때 주위의 열을 빼앗아 온도를 내린다. 세수하면 물이 열을 흡수하면서 기화하기 때문에 시원한 것과 같다.

기화된 냉매는 압축기를 지나면서 액체로 응축되어 같은 과정을 반복한다. 압축기에서 냉매를 응축시킬 때 액화열을 방출하기 때문에 응축기의 온도가 올라간다. 이 열은 외부에 설치된 방열기에서 주위로 방출된다.

 

에어컨의 원리

에어컨의 원리. (1: 응축기, 2: 팽창밸브, 3: 증발기, 4: 압축기)

/ 위키백과(www.wikipedia.org) (cc) Ilmari Karonen

 

그러나 프레온은 오존층을 파괴한다. 프레온을 대체할 새로운 냉매는 없을까? 더 나아가 냉매가 없는 냉장고는 없을까?

그 중 하나는 자기장을 이용한 자기 냉장 기술이다. 즉, 자기장을 걸어주면 열을 내놓으면서 온도가 낮아지는 ‘자기냉동’ 성질을 이용하는 것이다. 자기냉동 효과가 뛰어난 물질로는 ‘가돌리늄 합금, Gd5(Si2Ge2)’이 있다. 자석 냉장고를 가동하기 위해 가돌리늄 합금을 채운 바퀴를 영구 자석 사이에서 회전시키면서 냉장고의 온도를 낮춘다.

그러나 현재는 1 테슬라의 자기장에서 불과 3도 정도 낮아지기 때문에 자기 냉장고를 만들려면 5 테슬라의 자기장이 필요하다. 따라서 이 기술이 상용화되려면 시간이 필요하며 가돌리늄이 비싼 단점이 있다.

 

프레온

프레온은 염화플루오르탄소(chlorofluorcarbons, CFC)의 상품명이다. 프레온은 비극성 물질로 분자들 사이의 인력이 약해서 쉽게 기화된다. 그리고매우 안정하기 때문에 냉매, 스프레이 등에 사용되고 있다.

 

프레온 가스에 의한 오존층 파괴

프레온 가스에 의한 오존층 파괴

 

1~2개의 탄소에 염소, 플루오린 혹은 수소가 결합된 할로겐화탄화수소 화합물인 프레온에서 오존층을 파괴하는 주범은 염소이다. 화학적으로 안정한 프레온은 대기 중에서 분해되지 않고 성층권까지 올라간다. 그리고 자외선에 의해 분해되면서 생겨난 염소가 오존과 반응하여 오존층을 파괴하는 것이다.

 

① CF2Cl2+ 자외선 → CF2Cl + Cl② Cl + O3→ ClO + O2

③ O2+ 자외선 → 2O④ ClO + O → Cl + O2

남극 상공의 오존층이 광범위하게 파괴되고 있다. 특히 오존의 농도가 낮은 곳에서는 ClO 분자가 검출되어 프레온에 의해 오존층이 파괴되고 있음이 증명되었다.

 

디스프로슘, 하이브리드 자동차

에어컨이나 하이브리드 자동차에서 대부분의 전력은 모터에서 소비된다. 따라서 모터의 성능은 매우 중요하다. 모터의 성능은 영구자석에 의존한다. 사마륨 자석보다 자성이 센 네오디뮴 자석은 모터의 성능을 크게 향상시켰다.

그러나 네오디뮴 자석의 자성은 80 도 이상에서 사라진다. 따라서 고온에서도 자성을 유지하도록 소량의 디스프로슘을 첨가한다. 하이브리드 자동차인 프리우스에는 1~2 kg의 네오듐과 30~100 g의 디스프로슘이 사용된다. 그러나 네오디뮴의 90%, 디스프로슘은 99%를 중국에서 생산되고 있기 때문에 자원 확보가 중요하다. 전기 자동차의 핵심 기술 중 하나는 디스프로슘의 대체 재료를 찾는 것이다.

 

도시광산

희소금속을 둘러싼 국가 간의 자원 전쟁이 본격화되면서 도시광산이 중요해지고 있다. ‘도시광산’이란 도시나 공장에서 버려진 폐기물에서 금속 자원을 찾는다는 의미에서 붙여졌다.

실제로 폐 휴대폰에서 회수할 수 있는 금속은 어느 정도일까?

폐 휴대폰을 1 톤에서는 금 400 g 정도가 회수된다. 금광석 20톤에서 생산하는 양과 같다. 또한 은 3 kg, 구리 100 kg, 주석 13 kg, 니켈 16 kg, 리튬 5 kg이 회수된다. 자원 확보가 나날이 중요해지면서 도시광산은 하나의 대안으로 떠오르고 있는 것이다.

 

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물질
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