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루테늄
루테늄(Ruthenium])은 주기율표에서 백금족(platinum group)에 속하는 희귀한 전이금속 원소이다. 화학 원소로 기호는 Ru, 원자 번호는 44이다. 루테늄은 백금 광석에서 함께 산출되며, 이름은 라틴어로 루스인의 땅을 뜻하는 루테니아(Ruthenia)에서 비롯되었다. 다른 백금족 원소들처럼 루테늄은 대부분의 화학 물질들과 반응하지 않는다. 대부분 루테늄은 후막 저항기와 내부식성을 가지는 전기 접점으로 사용되고 백금 합금과 촉매로도 쓰인다.
개요
루테늄은 아주 단단하고 은백색을 띠는 전이금속이다. 멘델레예프의 주기율표에서는 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd), 백금(Platinum, Pt)의 9가지 원소들이 VIII족으로 분류되었으나, 현대 주기율표에서는 철, 오스뮴과 함께 8족에 속한다. 멘델레예프의 VIII족을 8B족으로 분류하기도 한다. 8B 족 원소들에서 철, 코발트, 니켈을 제외한 나머지 6가지 원소들, 즉 현대 주기율표에서 8, 9, 10족에 속하고 5주기와 6주기에 있는 6가지 원소들을 통틀어 백금족 금속(PGMs)2)이라 한다. 따라서 루테늄은 백금족 금속 원소의 하나이다. 루테늄의 물리 및 화학적 성질은 철보다는 오스뮴 등 다른 백금족 원소들과 훨씬 비슷하다.녹는점은 2334℃이고 끓는점은 4150℃이며, 실온에서의 밀도는 12.45g/cm³이다. 대부분의 산에 녹지 않으며, 100oC 이하에서는 왕수에도 녹지 않는다. 왕수에도 녹지 않기 때문에 오스뮴과 함께 다른 백금족 금속과 분리된다. 산소와는 실온에서는 반응하지 않으며, 1000℃에서 검은 자주색의 이산화 루테늄(RuO₂)이 된다. 플루오린(F₂) 기체와는 RuF₆를, 염소(Cl₂) 기체와는 RuCl₃를 만든다.
루테늄은 아주 희귀한 원소이다. 지각에서의 존재 비는 대략 0.0004ppm으로 추정되는데, 이는 지구상에 존재하는 원소 중에서 존재 량이 적은 순서로 대략 6번째에 해당된다. 루테늄보다 존재량이 적은 원소는 팔라듐, 이리듐, 로듐, 오스뮴, 레늄(Re)이다. 다른 백금족 금속과의 천연 합금으로 있는데, 백금족 금속은 남아프리카 공화국과 캐나다의 니켈-구리 황화물 광석, 그리고 러시아 우랄(Ural) 산맥의 강 모래에서 금의 사금(砂金)에 대응하는 백금 합금 알갱이(백금 광석이라 부르기로 한다)에서 주로 발견된다. 상업적으로는 니켈 및 구리 제련의 부산물로 얻거나, 백금 광석과 오스이리듐(osiridium: 이리듐과 오스뮴의 천연 합금으로 이리도스민(iridosmine)이라고도 부름)에서 주로 얻는다. 연간 생산량은 대략 12톤으로 추정된다.
발견과 분리
백금 광석은 오래 전부터 남미의 원주민들이 사용했으며, 16세기 중반 유럽에도 알려졌다. 이 광석으로부터 18세기 중반에 스페인의 데울로아(A. de Ulloa)가 백금을 얻었고, 19세기 초 팔라듐, 로듐, 오스뮴, 이리듐이 분리되었다. 16세기 말에 동쪽으로 영토를 확장하기 시작한 러시아는 우랄 지역에 백금족 금속(platinum group metals) 광물이 풍부한 것을 알게 되면서 이 지역에 대한 개발이 본격적으로 이루어졌다. 1827년에 스웨덴의 베르셀리우스(J. J. Berzelius)와 독일의 오산(G. W. Osann)은 러시아에서 채취한 백금 광석으로부터 3가지의 새로운 금속을 분리하고 각각의 원소를 명명하기도 하였지만, 나중에 다른 금속과의 혼합물임이 밝혀졌다.
1844년에 클라우스(K. Klaus 혹은 C. E. Claus)는 이 백금 광석을 왕수에 녹이고 남은 검은색 찌꺼기를 포타슘과 가열하여 오스뮴, 이리듐, 루테늄 산화물을 얻었다. 산 처리와 가열 후 염화 포타슘을 첨가해 침전된 암모늄 염화 루테늄((NH₄)₂[RuCl₆])을 다시 가열하여 새로운 루테늄 금속을 얻었다. 루테늄-로듐-팔라듐 그리고 오스뮴-이리듐-백금으로 이루어진 삼인조(triad) 금속에 대한 연구가 클라우스에 의해 체계적으로 이루어졌다.
백금이 들어 있는 광석, 이리듐 루테늄(iridium ruthenium, Ir-Ru 합금에 있어서 Ru~55 %), 루테늄 이리듐(ruthenium iridium, Ru-Ir 합금에 있어서 Ru~43 %), 루테이리도스뮴(rutheiridosmium, Ru-Ir-Os 합금에 있어서 Ru<10 %) 등에 루테늄은 다른 백금족 원소들과 함께 들어 있다.1) 요즘은 주로 구리와 니켈 제련의 부산물로 얻은 양극 전물(anodic slime)을 가열하여 얻은 휘발성의 사산화 루테늄(RuO₄)과 사산화 오스뮴(OsO₄)을 분별 증류하고, 염화 암모늄을 이용한 루테늄 염화물로의 침전물을 용매로 추출한다. 이 염화물과 수소 기체와의 환원 반응으로 얻어진 분말 또는 스폰지 형태에 분말 야금법을 적용하여 루테늄 금속을 가공한다. 남아프리카공화국에서 주로 생산하며, 캐나다, 짐바브웨, 그리고 러시아에서도 생산된다.
물리적 성질
루테늄은 모스 경도가 6.5인 단단한 금속으로, 은백색의 광택을 낸다. 그러나 분말은 검정색을 띤다. 백금처럼 보이나 백금보다 더 단단하고 잘 부서진다. 상자기성을 띠며, 결정은 육방조밀격자(hcp) 구조를 한다. 녹는점은 2334℃이고 끓는점은 4150℃이며, 실온 부근에서의 밀도는 12.45g/cm³이다. 철보다 열과 전기를 더 잘 통한다. 루테늄과 몰리브데넘 합금은 초전도 성질을 보인다.
- 동위원소
루테늄은 천연상태에서 ⁹⁶Ru(5.54%), ⁹⁸Ru(1.87%), ⁹⁹Ru(12.8%), ¹⁰⁰Ru(12.6%), ¹⁰¹Ru(17.1%), ¹⁰²Ru(31.6%), ¹⁰⁴Ru(18.6%)의 7가지 동위원소로 존재하는데, 이들은 모두 안정하여 방사성 붕괴를 하지 않는다. 30가지가 넘는 방사성 동위원소들이 핵분열 생성물에서 발견되었는데, 반감기가 긴 것들은 ¹⁰⁶Ru(반감기 373.59일), ¹⁰³Ru(반감기 39.26일), ⁹⁷Ru(반감기 2.9일)이며, 나머지 것들은 반감기가 5 시간 이내이다. ¹⁰²Ru보다 가벼운 동위원소들은 주로 전자포획을 하고 원자번호가 하나 작은 테크네튬(Tc) 동위원소가 되며, ¹⁰²Ru보다 무거운 동위원소들은 주로 β- 붕괴를 하고 원자번호가 하나 더 큰 로듐(Rh) 동위원소가 된다. ¹⁰⁶Ru은 안(眼)암의 하나인 맥락막 흑색종(choroidal melanoma)의 핵의학적 치료에 사용된다.
화학적 성질
다른 백금족 금속들과 마찬가지로, 루테늄은 비교적 반응성이 없는 원소이다. 그러나 고운 분말 상태에서는 반응성이 크며, 다량의 기체를 흡수하기도 한다. 비산화성 산에는 녹지 않으며, 100℃ 이하에서는 왕수에도 녹지 않는다. 용융 알칼리에는 공기가 있으면 녹을 수 있으며, Na₂O₂나 KClO₃와 같은 산화성 용제가 있으면 더욱 잘 녹아 루테늄산 이온([RuO₄]²⁻)이 된다. 공기 중에서 실온에서는 녹슬지 않고, 800℃가 되어야 산화되기 시작하여 검은 자주색의 이산화 루테늄(RuO₂)을 생성한다. 대부분의 비금속과는 고온에서만 느리게 반응한다. 다만 플루오린(F₂)이나 염소(Cl₂) 등의 산화제와는 쉽게 반응하는데, F₂ 기체와는 RuF₆를, Cl₂ 기체와는 RuCl₃를 만든다.
루테늄의 바닥 상태 전자배치는 [Kr]4d⁷5s¹이다. 루테늄의 산화수가 +1~+8, -2인 화합물들이 알려져 있으나, 화합물에서흔한 산화상태는 +2, +3, +4이다. 산화수가 +8인 화합물로 RuO₄가 있는데, 이는 녹는점이 25.4℃, 끓는점이 40℃인 휘발성 금속 산화물이다. 같은 족의 오스뮴 산화물 OsO₄(녹는점 40.25℃, 끓는점129.7℃)과 성질이 비슷하며 자극성 냄새가 난다.
